水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化方法及系统与流程

本发明属于电力系统优化控制，更具体地，涉及水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化方法及系统。

背景技术：

1、近年来，随着风电、光伏等新能源规模化并网，直流送端系统的动态支撑能力不断下降。如果系统发生故障导致直流闭锁，不仅会损失输送功率，还会给送端弱交流电网带来较大冲击。

2、新能源集群的电压稳定性较弱；由于受控制系统及电力电子过载能力的限制，风电机组与光伏的短路电流仅为额定电流的1.5倍，其提供的短路容量极为有限。因此随着风电场和光伏电站比例的增加，电网有效短路比减小，电网电压稳定性减弱。近年来我国大力发展新能源，送端新能源的渗透率不断增加，风光水送端电网的电压支撑能力逐渐下降。

3、综上所述，在新能源规模化并网的趋势下，新能源送端系统往往存在网架薄弱、短路容量不足、对直流的无功支撑作用有限等问题。如果发生直流换相失败等故障，送端电网无功平衡将受到瞬时冲击，电压显著骤升。

4、现有技术主要从两个方面解决直流弱送端系统过电压问题：优化送端电源规划与调度方案和提升送端系统无功补偿能力。针对第一种方法，已有的最大化风电场规模方法，分析了弱送端系统的电压不稳定模式；针对第二种方法，已有维持风电场并网点母线电压的方法，当母线电压骤升阶段通过投入动态电压恢复器等装置维持母线电压；已有的无功补偿分散接入新能源抑制暂态过电压的方法，相比无功补偿集中接入方法，对过电压的抑制效果更好。

5、如果直流外送系统中存在大量水电站，由于水电机组结构与同步调相机类似，可通过切换运行状态或者改造其工程结构，提升水电机组的无功支撑及抑制暂态过电压的能力，提升新能源的消纳。但是现有技术缺乏对水电机组抑制过电压具体控制逻辑和流程的研究，也不能从调相过程获取最大经济效益。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化方法及系统，通过水电机组的改造，协同新能源发电的并网故障特性，配合并网供电系统减少故障损失。

2、本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供一种水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化方法，包括以下步骤：

3、步骤1，基于新能源网络结构，利用水电机组的调相运行调整机组的无功输出，抑制故障后过电压，并计算无功补偿合理区间；

4、步骤2，基于步骤1的计算结果，进一步考虑经济性，以电量收益函数作为目标函数，设定约束条件，构建水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化模型；

5、步骤3，选择算法求解步骤2中的协同优化模型，在解空间搜寻最优改造调相容量并进一步确定水电机组改装策略，包括新能源网络各水电集群节点的调相机组改装数量和改装容量。

6、优选地，水电机组输出无功功率，以如下公式表示，

7、

8、式中:

9、qg表示水电机组输出无功功率，e′d表示d轴暂态电势，e′q表示q轴暂态电势,ud表示d轴机端电压，uq表示q轴机端电压，x′d表示d轴暂态电抗，x′q表示q轴暂态电抗；

10、当监测到换流站交流母线暂态电压的升高时，控制水电机组的内电势水平降低至负值，来使输出的无功功率qg也对应变为负值，即水电机组开始吸收无功功率。

11、优选地，计算无功补偿合理区间，具体包括：

12、步骤1.2.1，计算初始功率因数，根据系统的负荷情况和功率测量数据，计算系统的初始功率因数；

13、步骤1.2.2，确定无功补偿类型，根据初始功率因数和负荷类型，确定需要进行的无功补偿类型，如果功率因数偏低，需要增加容性补偿，如果功率因数偏高，需要增加感性补偿；

14、步骤1.2.3，计算无功补偿量，根据目标功率因数和初始功率因数之间的差异，计算所需的无功补偿量；

15、步骤1.2.4，确定无功补偿容量的合理区间，根据所需的无功补偿量，并结合负荷变化情况，确定合理的无功补偿容量。

16、进一步优选地，所述合理的无功补偿容量基于负荷变化率和系统的稳定性进行评估和决策，确保系统发生故障时，暂态电压不超过1.3p.u.，确保无功补偿操作不会引起电力系统的不稳定或造成电压、电流异常，确保不发生过补偿或欠补偿。

17、优选地，电量收益函数以如下公式表示，

18、wj＝wx-wo-ws-wg

19、式中：

20、w0为空载运行导致的弃水损失电量；

21、ws为使用调相模式时，调相需要从系统吸收的电量；

22、wg为改造成本；

23、wx为增加的新能源发电量。

24、优选地，空载运行损失电量w0根据下式计算：

25、

26、式中：

27、pe为水轮发电机组额定功率；

28、t0为预估调相运行时间；

29、q0为水轮机空载流量；

30、qe为水轮机额定流量；

31、使用调相模式时，调相需要从系统吸收的电量ws根据下式计算：

32、ws＝ps·t0

33、式中：

34、ps为载水轮发电机组额定功率；

35、t0为预估调相运行时间。

36、进一步优选地，水轮机空载流量按额定流量13％进行计算，即

37、q0＝13％qe。

38、优选地，所述约束条件具体包括：

39、约束条件1，各节点满足有功功率与无功平衡，以如下公式表示，

40、

41、式中：

42、pg，i、qg，i、pdc，i、qdc，i、pd，i、qd，i分别为发电机、直流输电、负荷节点的有功和无功：ui、uj、θi、θj分别为节点i和j的电压和相角；gij、bij分别为支路电导和电纳；n为节点个数；

43、约束条件2，发电机无功满足：

44、qg，i，min≤qg，i≤qg，i，max

45、式中：

46、qg，i，min和qg，i，min分别为发电机无功的下限和上限；

47、约束条件3，交流系统节点电压需满足：

48、ui，min≤ui≤ui，max

49、式中：

50、ui，min和ui，max分别为节点电压的下限和上限；

51、约束条件4，无功补偿设备容量需满足：

52、qm，i，min≤qm，i≤qm，i，max

53、式中：

54、qm，i，min和qm，i，max分别为无功补偿设备规划容量的下限和上限。

55、优选地，采用粒子群算法在解空间搜寻最优解，迭代求解时每个粒子通过跟踪2个“最优解”来更新自己的速度和位置，更新方式以如下公式表示，

56、

57、

58、式中：

59、w为惯性权重；c1、c2为加速因子；r1、r2为(0,1)之间的随机数；为第i个粒子在k时刻最优位置向量中的第d维分量；为k时刻种群最优位置向量中的第d维分量。

60、本发明的第二方面提供一种水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化系统，运行所述水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化方法，其特征在于，包括：

61、信息采集模块，用于采集新能源网络负荷数据、有功无功数据；

62、数据传递模块，用于传递各个模型的输出结果；

63、模型构建模块，用于构建水电机组增强调相功能与新能源发电协同优化模型；

64、结果输出模块，用于输出水电机组改装策略。

65、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

66、1.本发明可适用于新能源并网时由于直流单极闭锁导致的送端系统过电压抑制，利用枯水期水电机组改造后进行过电压抑制，避免了设备闲置，减少来额外增加过电压抑制设备的成本。

67、2.从水电机组和换流站的电气特性出发，通过寻优算法保证过电压抑制整体流程的经济性。