含风电电网无功电压控制分区方法研究-王琬.pdf

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1、国内图书分类号：TM732国际图书分类号：6213硕士学位论文学校代码：10079密级：公开含风电电网无功电压控制分区方法研究硕士研究生：导 y。I币i：寸 p：申请学位：学 科：专 业：所在学院：答辩日期：授予学位单位：王琬刘宗歧教授工学硕士电气工程电力系统及其自动化电气与电子工程学院2013年3月华北电力大学Classified Index：TM732UDC：6213Thesis for the Master DegreeI哪V洲2哪3吣8帅2呲删6吣1帅I帆The Research on Reactive Power and Voltage ControlPartitioning Met

2、hod for Power Grid C ontaining WindPowerCandidate：Supervisor：School：Date of Defence：Wang WanProfLiu ZongqiSchool of Electrical and ElectronicEngineeringMarch，2013Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power University华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文含风电电网无功电压控制分区方法研究，是本人在导师指导下，在华北电力大

3、学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 易菇移 日期： 矿，；年弓月严B华北电力大学硕士学位论文使用授权书含风电电网无功电压控制分区方法研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校

4、将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“”)：保密口，在 年解密后适用本授权书不保密作者签名： a孝移导师签名：日期：砷f；年弓月12 B日期：如f弓年月p日华北IU力人学硕I二学位论文摘 要现代电力系统中，电压稳定性问题同益突出。与此同时大规模风电接入对系统电压稳定运行和控制造成了不可忽视的负面影响。因此，对风电接入系统电压无功控制问题的研究意义重大。本文首先考虑软

5、三级无功电压控制在线分区的要求，构造包含系统内风电场节点、电源和负荷节点间电压无功耦合信息的灵敏度矩阵，进一步基于该矩阵求得电气距离矩阵；建立以区内节点问电气耦合最紧密为优化目标，满足区域内部连通性和无功储备约束的分区模型，利用结合向上分级合并思想的改进遗传算法实现最佳分区方案的求解以及区域主导节点的选择；其次提出含风电电网无功电压控制分区中风电场的处理方法，引入短期风电功率预测技术，利用小波变换和BP神经网络相结合的方法建立预测模型，并以其预测结果作为系统基态潮流计算参数；通过修正潮流雅克比矩阵来计算满足异步风机自身约束的系统潮流，得到含风电场的潮流雅克比矩阵，应用于计算全节点电压无功灵敏度

6、矩阵，综合形成考虑风电接入的电网无功电压控制分区方法。本文所提出的分区方法考虑了风电的不确定性，并且能够实现电源节点和负荷节点同步参与动态分区过程。此外无需事先确定分区个数，算法可以依据适应度值选取出最佳分区个数及方案。本文算法搜索空间小，计算效率高，且分区结果满足子区域内部连通性的要求，克服了传统方法需要人工干涉、计算效率低等缺陷。采用Matlab编程实现对IEEE 39节点系统仿真分区计算，并对分区结果进行电气耦合性验证。算例结果表明，本文提出的分区方法具有一定的合理性和有效性。关键词：风电场；无功电压控制分区；短期风功率预测；遗传算法华北I乜力人学硕?I：学位论文Abstract，nle

7、 voltage stability problem becomes increasingly prominent in the modern powersystemAt the same time，large-scale wind power integration has a negative influence onsystem voltage stability and contr01Therefore，it is of great significance to stuay reactivepower voltage control for power班d containing wi

8、nd powerFirstly,considering the requirements of soft tertiary voltage control partitioning online,sensitivity matrix that contains voltagereactive power coupling informationbetween wind farm nodes，power and load nodes in power system iS constructed，therebyelectric distance matrix iS solved based on

9、sensitivity matrixAnd then taking the closestelectrical coupling between region nodes as optimization objective,partition model thatenslnl笛the connectivity of sub-partitions and reactive power r嘲tve constraints isestablishedTaking advantage of improved genetic algorithm combined with ascendinghierar

10、chical merging,this mothod realizes the solving of best partition scheme and theselection of region pilot nodesSecondly,this paper proposes the processing mothods ofwind farms during reactive power and voltage control partitioning for power gridcontaining wind powerShort-term wind power forecasting

11、technique is introduced andthe prediction modal in which wavelet transformS and BP nclllai networks ale combinediS established，and then the forecast results are talc朗as flow calculation parametersBymeans of modifying Jacobian matrix，power flow that meets the asynchronous windturbine generator constr

12、aints is calculatedAnd then fuU-nodes voltagereactive powersensitivity matrix is calculated based on Jacobian matrix containing wind farm nodesFinally,reactive power and voltage control partitioning method for the power gridconsidering wind power integration is formedne proposed partition method tak

13、es the uncertainty of诵nd power into account,and realizes power nodes and load nodes dynamic partitioning synchronicallyIn addition,the optimal partition number without prior determined can be chosen by partitionalgorithm according to the fitness valuene proposed algorithm with small searchingspace a

14、nd high computational efficiency ensures the connectivity of sub-partitions andovercomes the traditional methods defects，such as requirement of manual interventionand low computational efficiencym simulation of the IEEE 39-bns system using Ma廿ab programming and theelectrical coupling verification of

15、 the partition results show that the proposed method isrationality and effectivenessKeywords：wind farm，reactive power and voltage control partitioning，short-term windpower forecasting，genetic algorithmII华北电力人学硕：J：学位论文目 录摘要lAbstractII第l章绪论111研究背景及意义112国内外研究现状综述2121电网无功电压控制模式。2122无功电压控制分区方法713本文的主要工作8

16、第2章基于改进遗传算法的无功电压控制分区方法lO21全节点电压无功灵敏度矩阵10211全节点电压无功灵敏度的提出10212电压无功灵敏度10213全节点电压无功灵敏度矩阵的构造11214电气距离1222无功电压控制分区方法13221无功电压控制分区条件132。22遗传算法简介1 3223向上分级合并法16224基于改进遗传算法的无功电压控制分区17225主导节点的选择1923本章小结20第3章含风电场的电网电压控制分区方法2l31基于小波变换和神经网络的短期风功率预测21311短期风电功率预测21312小波多分辨率分析2l313 BP神经网络模型23314预测步骤2432潮流计算中风电场的处理

17、2633含风电电网无功电压控制分区步骤2734本章小结27Ill华北IU力人学硕：，l：学位论文第4章仿真分析2941计算软件及模型简介29411计算软件及程序介绍29412算例参数及模型介绍3042风电场输出功率预测一34421风电场参数34422预测结果3443无功电压控制分区计算及主导节点的选择36431遗传参数设置36432分区结果36433主导节点选择38434分区结果校验3944本章小结40第5章结论与展望4l51结论4l52展望4l参考文献43攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果47致谢j48IV华北l【5力人学硕：J：学位论文11研究背景及意义第1章绪论近年来，我国电力工业发展

18、迅速，已进入大机组、大电网、西电东送、南北互济、全国连网的崭新发展阶段。与此同时，电力系统规模日益扩大导致电压稳定性问题日益突出，不仅影响电力系统自身的安全，而且关系到千家万户人民的生活和国民经济发展。为此，实现电网电压的有效监控，提高电压运行水平成为国内外研究人员日益关注的课题ll训。电压和无功功率的分布有密不可分的关系。通过无功优化可以优化电网无功潮流，降低电网有功损耗和电压损失，改善电压质量，从而使系统安全稳定运行。但是，传统无功优化在优化模型中一般不考虑系统的电压稳定性，随着跨区域电网互连以及来自经济和技术方面的制约，为了充分利用现有系统资源，迫使电网经常运行在临界点附近，电压稳定裕度

19、极低，增加了电压崩溃等电力事故出现的几率【51。为保证电压质量、无功平衡同时实现电压稳定与无功优化间的最优协调，对电网实行电压无功自动控制已成为一项重要的措施。传统无功电压的控制手段基本上采用分散控制、就地平衡的方法，导致相邻地区缺乏相互协调，电网缺乏灵活的调节能力。现代电力系统规模庞大、结构复杂，系统中的无功电源种类繁多、数量巨大，同时对系统中的所有无功电源进行协调控制几乎是不可能实现的。不仅如此，无功的长距离传输还会造成系统损耗的增加【6】。因此，将大系统划分为若干区域间弱耦合，区域内强联系的子区域，针对各个子区域进行无功电压综合自动控制，这样有利于提高全网运行的安全性和经济性，提高优化计

20、算效率，缩短稳定分析时间。另一方面，通过充分合理利用系统中无功电压控制设备，协调它们的动作，在保证电压合格和经济效益的同时，又使系统能维持较好的无功储备水平用于紧急事故。风力发电作为目前可再生能源中技术成熟、且具有规模化开发条件以及商业化发展前景的发电方式，近年来越来越受到人们的关注。风力发电在我国迅速发展，尤其是吉林、内蒙、河北、福建等风能资源丰富地区，由于风能具有随机性、间歇性的特点，风电场出力是随机波动的，其对系统电压稳定运行造成了不可忽视的负面影响【71。2006年11月4日西欧大陆互联电网发生大面积停电事故，风电机组没有低电压穿越能力，大量风电在系统频率下降到保护定值前已纷纷跳闸，加

21、剧了事故的恶化【81。2011年2月24日我国集中并网规模最大的风电基地甘肃酒泉基地连续发生了大批机组脱网事故，导致河西电网电华北ILl力人学硕：I：学位论文压、频率大幅度波动，对系统安全稳定运行造成严重威胁I们。以上说明研究如何对包含风电电源的电力系统进行有效的电压无功控制意义重大。基于此，本文在综述国内外典型的电压无功控制模式的基础上，深入分析传统无功电压控制分区方法的不足，构造包含负荷节点与电源节点电压无功耦合信息的灵敏度矩阵，改进了传统分区方法需要人工归并电源节点的不足，满足软三级电压控制实时在线分区的要求。提出以区内节点间电气耦合最紧密为优化目标，结合向上分级合并思想的改进遗传算法求

22、解最优分区方案，较之传统遗传算法，该方法搜索空间小，计算效率高，无需事先确定分区个数且满足了子区域内部连通性的要求。充分考虑风电随机性的特点，引入短期风电功率预测技术以及含风电场的修正潮流雅克比矩阵计算方法，从而有效降低风电接入对电网无功电压控制分区造成的影响，对解决上述风电接入电网的电压稳定监控问题具有重要的意义。12国内外研究现状综述121电网无功电压控制模式电压稳定问题虽然研究了很多年，但至今为止还没有公认的严格的定义。IEEE在“电力系统电压稳定性：概念、分析工具和工业经验”报告中认为：电压稳定性是系统维持电压的能力，它使得负荷导纳增加时，负荷功率也增加，即功率和电压都是可控的【5】。

23、目前，电网的电压无功控制研究备受国内外专家的重视，并且已取得了较大的进展，国内外出现了多种电压无功自动控制模式。1968年，日本Kyushu电力公司首先在自动发电控制系统上增加了系统电压自动控制功能，这是从全局出发进行电压无功控制的第一步。在1972年国际大电网会议上，来自法国电力集团的工程师Bertigny提出了以“控制区域“、“主导节点“为基础的电压分级控制方案的概念和结构【lo】。法国输电网于1979年开始广泛使用区域性二级电压控制系统，在这种分级电压控制模式中，电网被划分成互相解耦的区域，通过区域内“控制机组“吸收或发出无功功率，控制区域内“主导节点”的电压在合格范围之内l】。该控制模

24、式实现的前提是各控制分区之间的电气弱耦合关系，即某区域控制动作不会引起其他区域内较大的电压波动。然而，随着电力系统的发展，系统问的电气耦合关系日益紧密，基于硬分区的二级电压控制模式的控制质量受到了影响。德国电力公司提出集中式两级电压控制模式【12】，无需对电网进行分区控制，将SCADA的实时数据断面发送给EMS，最优潮流运行在EMS的最高层上，实现以网损最小为目标的全网无功优化控制，根据优化结果给出控制决策，牛北I乜力人学硕I：学位论文直接下发到各相关厂站，实现对全网无功电压的集中控制，如图11所示。最优潮流汁算图11集中式两级电压控制模式示意幽该控制模式在实际的应用过程中也存在着不足，随着电

25、网规模扩大，最优潮流模型复杂性增高，计算时间过长，当系统中发生大的扰动，响应速度往往太慢，导致系统的电压质量和运行安全性难以保证。意大利实施三级电压控制模式【13151，其三级电压调节系统由两部分组成：网损最小控制计算环节和基于短期负荷预测结果进行无功优化潮流计算环节。三级控制系统将优化计算出的二级区域电压调节设定值下发给各二级电压调节系统。二级控制系统利用闭环控制消除采集量与设定值之间的偏差，得到改变发电机无功出力的控制策略，并将该策略下发给电厂侧无功电压调节系统，该系统通过调节发电机自动励磁调节器的设定电压，控制发电机无功出力趋于设定值，从而完成全网的无功电压最优控制。目前，欧洲一些发达国

26、家普遍采用的是图12所示的三级电压控制模式。该控制模式下，电网被划分为彼此电气解耦的区域，每个区域选择一个或多个主导节点以及部分“控制机组“。一级电压控$(Primary Voltage Contr01)是本地控制，一般设置在发电厂、用户和各供电点，控制器由本区域内发电机自动调压器、变电站无功补偿设备以及有载变压器分接头等调节设备组成。利用本地信息，调节控制器将相应节点母线电压控制在设定值附近，控制周期为秒级。二级电压控$1J(Secondary Voltage Contr01)是一种区域控制，由分布在电网各控制分区的相互独立的区域电压控制器组成。利用本区域电网信息，同时根据三级电压控制下发的区域主导节点电压设定值确定控制策略，通过设定一级电压控制器目标值，实现对本区域主导节点电压的闭环控制，控制周期为分钟级。三级电压控$1J(Tertiary Voltage Contr01)以状态估计、负荷预测和无功电压优化算法为基础，以全网的经济运行为目标进行优化计算，给出二级电压控制各区域主导节点电压设定值哆“，)哗以u)，控制周期为几十分钟到小时级。