一种风电汇集系统送电能力实用评估方法及装置

技术领域

本发明涉及送电能力评估领域，特别涉及一种风电汇集系统送电能力实用评估方法及 装置。

背景技术

随着风电并网容量逐年增加，电网的经济调度与安全运行面临巨大的挑战。准确评估 实际风电系统的送电能力，不仅是防范系统运行点接近或达到静态电压稳定极限的重要手 段，也是保证系统电压调整灵敏度正常可控的关键方法。一般运行工况下，要求系统内最 大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过额定电压的2.5％。

如图1所示，为传统地风电汇集系统等效电路示意图。我国风电系统典型结构可用图 1电路等效，风电汇集系统用单个风电场模拟。在图1中，E：外部等值无穷大母线电压； V：风电场并网母线电压；P：风电场外送有功功率；Q_c：单组固定电容补偿容量；Q_L：动 态无功补偿装置感性支路初始吸收无功；X：传输线路等值电抗；现有风电汇集系统送电 能力评估方程需借助静态电压灵敏度方法推导，并未考虑控制器动态特性的影响。

设单组无功补偿装置容量为Q_c，稳定运行中可控制的电压变化幅度不可超过ξ。在不 考虑动态无功补偿装置控制影响时，其感性支路可视为固定电感，因此得到静态电压灵敏 度公式(如式1)，并由此推得静态电压可控的必要条件如式2：

$\frac{\partial V}{\partial Q}=\frac{\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2}---\left(1\right)$

$\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2}<\xi ---\left(2\right)$

最终由式2推得未计及动态无功补偿装置控制影响的风电汇集系统送电能力评估方 程，见式3：

$P<\sqrt{\frac{4{\xi }^2{E}^2{V}^2-Q_c\mathrm{XV}(Q_c\mathrm{XV}+\sqrt{{Q_c}^2{V}^2{X}^2+8{\xi }^2{V}^2{E}^2})}{8{\xi }^2{X}^2}}---\left(3\right)$

由于风电系统送电能力现有评估方程未考虑风电场内动态无功补偿装置控制的影响， 因此由该评估方程的估算结果并不准确，容易造成实际风电系统送电能力的过高估计，导 致系统电压调整灵敏度过大而引起单组电容补偿后电压波动幅度超过ξ的后果，严重威胁 系统稳定运行。

目前关于大规模风电汇集系统有功送出能力评估方程的推导多是基于风电接入系统 的静态电压灵敏度方法，实际上，风电场内无功源种类繁多，除了静态电容器外，动态无 功补偿装置的应用也很广泛，因此只考虑静态特性、未计及动态无功补偿装置控制影响的 风电系统送电能力评估方程不准确，可能会造成风电系统送出能力的过高估计，威胁系统 安全。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种风电汇集系统送电能力实用评估方法及装置， 避免了在现有技术中，未计及动态无功补偿装置控制影响的风电系统送电能力评估方程不 准确，可能会造成风电系统送出能力的过高估计。

为实现上述目的，本发明提供了一种风电汇集系统送电能力实用评估方法，其特征在 于，该评估方法适用于动态无功补偿装置，所述动态无功补偿装置采用纯感性支路恒无功 控制，所述方法包括：

根据纯感性支路恒无功控制获取风电汇集系统的电压-无功灵敏度；

投入单组固定电容，根据所述风电汇集系统的电压-无功灵敏度获取投入的单组固定电 容补偿后引起的电压变化幅度，并根据投入的单组固定电容补偿后引起的电压变化幅度获 取风电汇集系统电压波动可控的必要条件；

根据所述风电汇集系统电压波动可控的必要条件获取风电汇集系统送电能力实用评 估修正方程；

利用所述风电汇集系统送电能力实用评估修正方程实现风电汇集系统送电能力实用 评估。

优选地，所述风电汇集系统的电压-无功灵敏度的表达式为：

$\frac{\partial V}{\partial Q}=\frac{\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}$

其中，Q_L表示为动态无功补偿装置感性支路初始吸收无功；E表示为外部等值无穷大 母线电压；V表示为风电场并网母线电压；P表示为风电场外送有功功率；X表示为传输 线路等值电抗。

优选地，所述投入的单组固定电容补偿后引起的电压变化幅度的表达式为：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}$

其中，Qc表示为单组固定电容容量。

优选地，所述风电汇集系统电压波动可控的必要条件：

$\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}<\xi$

其中，ξ表示为投入单组电容补偿后电压变化幅度限值。

优选地，所述风电汇集系统送电能力实用评估修正方程的表达式为：

$P<\sqrt{\frac{4{\xi }^2{E}^2{V}^2-(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)((Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)+\sqrt{{(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)}^2+8{\xi }^2{E}^2{V}^2})}{8{\xi }^2{X}^2}}.$

为实现上述目的，本发明还提供了一种风电汇集系统送电能力实用评估装置，该评估 装置适用于动态无功补偿装置，所述动态无功补偿装置采用纯感性支路恒无功控制，所述 装置包括：

电压-无功灵敏度获取单元，用于根据纯感性支路恒无功控制获取风电汇集系统的电压 -无功灵敏度；

电压波动可控的必要条件获取单元，用于投入单组固定电容，根据所述风电汇集系统 的电压-无功灵敏度获取投入的单组固定电容补偿后引起的电压变化幅度，根据投入的单组 固定电容补偿后引起的电压变化幅度获取风电汇集系统电压波动可控的必要条件；

送电能力实用评估修正方程获取单元，用于根据所述风电汇集系统电压波动可控的必 要条件获取风电汇集系统送电能力实用评估修正方程；

评估单元，用于利用所述风电汇集系统送电能力实用评估修正方程实现风电汇集系统 送电能力实用评估。

优选地，所述电压-无功灵敏度获取单元获取的风电汇集系统的电压-无功灵敏度的表 达式为：

$\frac{\partial V}{\partial Q}=\frac{\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}$

其中，Q_L表示为动态无功补偿装置感性支路初始吸收无功；E表示为外部等值无穷大 母线电压；V表示为风电场并网母线电压；P表示为风电场外送有功功率；X表示为传输 线路等值电抗。

优选地，所述电压波动可控的必要条件获取单元获取的投入的单组固定电容补偿后引 起的电压变化幅度的表达式为：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}$

其中，Qc表示为单组固定电容容量。

优选地，所述电压波动可控的必要条件获取单元获取的风电汇集系统电压波动可控的 必要条件：

$\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}<\xi$

其中，ξ表示为投入单组电容补偿后电压变化幅度限值。

优选地，所述送电能力实用评估修正方程获取单元获取的风电汇集系统送电能力实用 评估修正方程的表达式为：

$P<\sqrt{\frac{4{\xi }^2{E}^2{V}^2-(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)((Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)+\sqrt{{(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)}^2+8{\xi }^2{E}^2{V}^2})}{8{\xi }^2{X}^2}}.$

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明所提出的风电汇集系统送电能力实用评估修正方程考虑了风电场动态无功补 偿装置控制的影响，使调度部门能够更加精确的掌握风电系统的实际送电能力，避免了某 工况下风电汇集系统送电能力过高估计的事情发生，进一步保证了系统安全稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技 术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。

图1为传统地风电汇集系统等效电路示意图；

图2为本发明提出的一种风电汇集系统送电能力实用评估方法流程图；

图3为本发明提出的一种风电汇集系统送电能力实用评估装置框图；

图4为本实施例投入单组容量为20Mvar的电容器后系统电压变化对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的工作原理为：目前风电场运行中为避免日常运行中不必要的功率损耗，通常 将动态无功补偿装置容性支路设为手动投退，动态无功补偿装置采用纯感性支路恒无功控 制。因此具备以上特征的风电系统送电能力评估需考虑详细动态无功补偿装置感性支路恒 无功控制的影响。式4为考虑感性支路恒无功控制后系统的电压-无功灵敏度：

$\frac{\partial V}{\partial Q}=\frac{\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}---\left(4\right)$

其中，Q_L为动态无功补偿装置感性支路初始吸收无功，其它参数仍与图1相同。设单 组固定电容容量仍为Qc，则投入单组固定电容后引起的电压变化幅度为：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}---\left(5\right)$

同样设投入单组电容补偿后电压变化幅度限值为ξ，则系统电压波动可控的必要条件变 为：

$\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}<\xi ---\left(6\right)$

最终由式6推得风电汇集系统送电能力实用评估修正方程：

$P<\sqrt{\frac{4{\xi }^2{E}^2{V}^2-(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)((Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)+\sqrt{{(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)}^2+8{\xi }^2{E}^2{V}^2})}{8{\xi }^2{X}^2}}---\left(7\right)$

观察现有风电送电能力评估方程与修正方程得出，考虑动态无功补偿装置控制后，且 同时满足电压波动幅度要求的情况下，风电送电能力估算值减小，风电系统送电能力被削 弱。从而避免了因风电系统送出能力的过高估计使得严重威胁系统稳定运行。

基于上述工作原理，本发明提出了一种风电汇集系统送电能力实用评估方法流程图， 如图2所示，该评估方法适用于动态无功补偿装置，所述动态无功补偿装置采用纯感性支 路恒无功控制，所述方法包括：

步骤201)：根据纯感性支路恒无功控制获取风电汇集系统的电压-无功灵敏度；

步骤202)：投入单组固定电容，根据所述风电汇集系统的电压-无功灵敏度获取投入 的单组固定电容补偿后引起的电压变化幅度，并根据投入的单组固定电容补偿后引起的电 压变化幅度获取风电汇集系统电压波动可控的必要条件；

步骤203)：根据所述风电汇集系统电压波动可控的必要条件获取风电汇集系统送电能 力实用评估修正方程；

步骤204)：利用所述风电汇集系统送电能力实用评估修正方程实现风电汇集系统送电 能力实用评估。

其中，所述风电汇集系统的电压-无功灵敏度的表达式为：

$\frac{\partial V}{\partial Q}=\frac{\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}$

上式中，Q_L表示为动态无功补偿装置感性支路初始吸收无功；E表示为外部等值无穷 大母线电压；V表示为风电场并网母线电压；P表示为风电场外送有功功率；X表示为传 输电抗。

其中，所述投入的单组固定电容补偿后引起的电压变化幅度的表达式为：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}$

上式中，Qc表示为单组固定电容容量。

其中，所述风电汇集系统电压波动可控的必要条件：

$\frac{Q_c\mathrm{XV}\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}{E^2{V}^2-2P^2{X}^2-2Q_{L}X\sqrt{E^2{V}^2-P^2{X}^2}}<\xi$

上式中，ξ表示为投入单组电容补偿后电压变化幅度限值。

其中，所述风电汇集系统送电能力实用评估修正方程的表达式为：

$P<\sqrt{\frac{4{\xi }^2{E}^2{V}^2-(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)((Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)+\sqrt{{(Q_c\mathrm{XV}+2\xi Q_{L}X)}^2+8{\xi }^2{E}^2{V}^2})}{8{\xi }^2{X}^2}}.$

如图3所示，为本发明提出的一种风电汇集系统送电能力实用评估装置框图。该评估 装置适用于动态无功补偿装置，所述动态无功补偿装置采用纯感性支路恒无功控制，所述 装置包括：

电压-无功灵敏度获取单元301，用于根据纯感性支路恒无功控制获取风电汇集系统的 电压-无功灵敏度；

电压波动可控的必要条件获取单元302，用于投入单组固定电容，根据所述风电汇集 系统的电压-无功灵敏度获取投入的单组固定电容补偿后引起的电压变化幅度，根据投入的 单组固定电容补偿后引起的电压变化幅度获取风电汇集系统电压波动可控的必要条件；

送电能力实用评估修正方程获取单元303，用于根据所述风电汇集系统电压波动可控 的必要条件获取风电汇集系统送电能力实用评估修正方程；

评估单元304，用于利用所述风电汇集系统送电能力实用评估修正方程实现风电汇集 系统送电能力实用评估。

为了深入了解本发明，下面结合附图和应用实例对本发明的实施例作进一步详细描 述。

目前风电场中固定电容的单组容量约为20Mvar，根据电力系统相关规定，系统内单组 无功补偿装置投切引起的所在母线电压变化不宜超过额定电压的2.5％。以图1中简单系统 为例，计算出评估方程修正前后图1系统送电能力估算值。系统具体参数如下：外部等值 无穷大母线电压：E＝1(pu)；风电场并网点电压：V＝1(pu)；系统基准容量：S＝1000MVA； 单组固定电容补偿容量：Q_c＝0.02(pu)；动态无功补偿装置感性支路初始吸收无功： Q_L＝0.039(pu)；传输线路等值电抗：X＝0.6(pu)。

为满足电压波动幅度小于额定电压的2.5％，由风电汇集系统送电能力现有评估方程得 到的风电有功出力P应小于0.83(pu)，而由式6所列修正方程得出的风电有功出力P应低于 0.76(pu)，显然考虑动态无功补偿装置控制后，在正常电压波动幅度内，风电送电能力估 算值明显减小。

为验证修正方程的准确性，设置图1简单风电系统有功出力P分别为0.83(pu)、0.76(pu)， 其它参数不变，得到相同容量电容投切后风电场并网点电压变化。如图4所示，为本实施 例投入单组容量为20Mvar的电容器后系统电压变化对比图。由图4得出，当风电系统实际 有功出力为现有评估方程估算值，且未考虑动态无功补偿装置控制情况下，单组容量为 20Mvar的电容投切后，电压变化幅度未超过2.5％，而考虑动态无功补偿装置控制后电压变 化幅度达到2.8％，已超过2.5％；当风电系统实际有功出力为修正评估方程估算值时，相同 容量电容投切后，电压变化幅度未超过2.5％。很明显，现有评估方程容易造成实际系统送 电能力过高估计，而修正方程则更准确，更贴近实际运行工况。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的 保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本发明的保护范围之内。