专利名称：计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化控制方法
技术领域：
本发明涉及一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化控制方法。
背景技术：
风电的无功电压调控问题是影响其自身乃至电网安全稳定运行的重要因素之一。目前，该领域研究重心集中在风电场及接入系统的无功电压协调控制方面，包括机组、风场、场群及接入系统间的协调策略等，已取得诸多研究成果。但由双馈型机组构成的风电场，其无功调节能力随有功变化存在波动性，仅依靠其自身无功进行调整难以实现一定电压水平的保持。同时，近期因无功电压问题引起风机脱网事件频发，由此，极有必要针对双馈型机组风电场的无功补偿容量问题进行深入研究。
对此，文献[陈树勇，申洪，张洋等.基于遗传算法的风电场无功补偿有控制方法的研究[J].中国电机工程学报，2005, 25 (8) 1-6.]应用遗传算法确定风电场补偿电容器的容量与分组方案，以保证异步机风电场母线电压水平；文献[江岳文，陈冲，温步瀛.随机模拟粒子群算法在风电场无功补偿中的应用[J].中国电机工程学报，2008，28 (13) :47-52.]基于随机模拟及粒子群优化算法求取以费用最小为目标的异步机风电场最优无功补偿容量；文献[Yanhua Liu, Xu Zhang, Dongmei Zhao, et all. Research on the Wind FarmReactive Power Compensation Capacity and Control Target[C]. Power and EnergyEngineering Conference, 2011Asia-pacific. 2011, page: 1-5.]以异步机风电场并网点与公共连接点的电压控制为目标确定补偿容量，并给出了无功电压协调控制策略； 文献[Li Ling, Zeng Xiangiun, Zhang Ping. Wind Farms Reactive PowerOptimization Using Genetic/Tabu Hybrid Algorithm[C].2008 InternationalConference on Intelligent Computation Technology and Automation. 2008, page:1-5.刘艳妮，王玮，徐丽杰等.基于遗传算法的风电场无功补偿容量的计算[J].太阳能学报，2008,29(11) =1444-1448.]考虑异步发电机功率因数与机端电压水平因素影响，用遗传算法求取风电场的无功补偿容量，以上研究均只针对异步机风电场；文献[E. H. Camm, M. R. Behnke, 0. Bolado, et all. Reactive power compensationfor wind power plants [C]. Rower Energy Society General Meeting, 2009:1-7.毛静启.利用风力发电机的无功功率补偿风电场无功损耗[J].电网技术，2009，33 (19) :175-180.]通过动态电压支撑能力考虑无功补偿作用，并对比不同补偿类型的补偿效果，但尚未深入分析补偿容量的问题；文献[Ernst Camm, Charles Edwards. Reactive compensation systemsfor large wind farms[C]. Transmission and Distribution Conference andExposition, 2008:1-5]探讨用变速恒频机组的无功功率以减小汇集站补偿容量配置，降低投资，但未考虑机组无功调节的能力问题。上述研究有一定效果，但依然存在两个问题一是多针对异步机风电场，而双馈机风电场也需要考虑补偿问题；ニ是没有考虑风电场所特有的规律信息，补偿容量确定难免存在武断性。文献[王成福，梁军，张利，韩学山.基于静止同步补偿器的风电场无功电压控制策略[J]·中国电机工程学报，2010，30 (25) :23-28. Arantxa Tapia, erardo Tapia,J.Xabier Qstolaza. Modeing and Control of a Wind Turbine Driven Doubly FedInduction Generator[J]. IEEE Trans on Energy Conversion，2003，18(2) :194-204.]已证明DFIG的无功解耦随有功输出变化存在波动性，若不考虑补偿，则该类型风电场无功电压协调将难以维持，因此必须对其予以补偿；同时，风资源分布在时间、空间上既存在随机性，又有其规律性，与之对应，每个风电场输出功率同样具有上述特性，且各不相同，称之为风功率所包含的规律性与个性信息。由此，若欲实现稳定、经济的无功补偿，则必须在充 分考虑双馈型机组功率特性及风功率所包含的特性信息基础上，求解其最优化无功补偿容量，这是本文研究的背景。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，补偿容量的优化决策方法在充分保证风电系统无功功率调节连续性的前提下，可风电场的无功补偿具有最好的经济性与最強的针对性。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，其工作步骤如下步骤一开始；步骤ニ 分为三个分支A、B、C，这三个分支并发进行；分支A :采集风功率历史数据，对不同周期下风功率分布规律进行分析；分支B :采集无功补偿设备性能參数；分支C :采集DFIG性能參数，对DFIG的P-Q解耦进行特性分析，进行风电场节点在潮流计算中的处理；步骤三利用无功补偿容量优化模型进行优化处理，优化的目标为无功补偿的投资成本、因无功率引起的风电系统欲行成本引起的风电系统运行成本均达到最小化；进行运行成本和投资成本的计算；其中运行成本中包含了风功率分布结果和功率特性的影响；步骤四利用粒子群算法结合潮流计算程序进行优化计算。所述步骤ニ的分支A中，风功率分布规律分析的具体描述如下⑴风功率的时间分布规律，在年度时间窗口下，气候变化具有明显的周期性规律，直接受气候影响的风功率随之具有同样的变化趋势，将其称之为趋势性规律；⑵风功率的空间分布规律，受地理位置及所处地形信息影响，风功率通常会有较强的区域特性，称其为区域性差异；本发明利用基于历史风速数据计算得到的风功率估算值数据分析、提取风功率分布规律，形成包含有充分特征信息的风电场输出功率分布函数；估算功率表达如式(I)所示；Pw = Pi i = 1,2... ;(I)
式中PWS风电场的有功功率值A为依据第i个记录点的风速得到的有功估算值；n为分析周期内所收集信息的数量；设N(P)为Pw G {P，P+AP}的总次数，则定义式(2)为有功功率年度周期内的概
率分布函数；
权利要求
1.一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，其特征是，其工作步骤如下 步骤一开始； 步骤二 分为三个分支A、B、C，这三个分支并发进行； 分支A :采集风功率历史数据，对不同周期下风功率分布规律进行分析； 分支B :采集无功补偿设备性能参数； 分支C :采集DFIG性能参数，对DFIG的P-Q解耦进行特性分析，进行风电场节点在潮流计算中的处理； 步骤三利用无功补偿容量优化模型进行优化处理，优化的目标为无功补偿的投资成本、因无功率引起的风电系统欲行成本引起的风电系统运行成本均达到最小化；进行运行成本和投资成本的计算；其中运行成本中包含了风功率分布结果和功率特性的影响；步骤四利用粒子群算法结合潮流计算程序进行优化计算。
2.如权利要求I所述的一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，其特征是，所述步骤二的分支A中，风功率分布规律分析的具体描述如下 ⑴风功率的时间分布规律，在年度时间窗口下，气候变化具有明显的周期性规律，直接受气候影响的风功率随之具有同样的变化趋势，将其称之为趋势性规律； ⑵风功率的空间分布规律，受地理位置及所处地形信息影响，风功率通常会有较强的区域特性，称其为区域性差异； 利用基于历史风速数据计算得到的风功率估算值数据分析、提取风功率分布规律，形成包含有充分特征信息的风电场输出功率分布函数；估算功率表达如式(I)所示； Pw = Pi i = 1,2- ； (I) 式中=PwS风电场的有功功率值A为依据第i个记录点的风速得到的有功估算值；n为分析周期内所收集信息的数量； 设N(P)为Pw G {P，P+AP}的总次数，则定义式(2)为有功功率年度周期内的概率分布函数；
3.如权利要求I所述的一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，其特征是，所述步骤二的分支C中，EFIG的功率特性分析具体描述如下 DFIG通过变频器调控实现转子电流励磁分量与转矩分量解耦控制，从而达到有功、无功功率解耦；由此实现风电场参与并网点及接入系统无功电压调节； DFIG定、转子侧功率方程为
4.如权利要求I所述的一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，其特征是，所述步骤二的分支C中，潮流计算中风电场节点的处理具体描述如下 考虑DFIG机组特性，在潮流计算中将风电节点作为PV节点进行分析处理，其有功功率值按分布规律所得结论进行，无功调节范围按机组特性及有功功率值进行分段计算；风电场节点的有功功率值如式(7)所示，
5.如权利要求I所述的一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，其特征是，所述步骤三中的无功补偿容量优化模型，具体描述为 优化目标为在保证双馈风电场对无功功率的需求、维持母线电压水平的稳定、并最大程度提高风电场的暂态稳定能力等条件下，使无功补偿的投资成本、因无功功率引起的风电系统运行成本均达到最小化，即实现补偿的综合效益最优化；针对两种成本的矛盾关系，以决策思想构建目标函数；因补偿容量变化引起的系统运行成本变化Fk如式(10)所示；目标函数如式(11)所示；
6.如权利要求I所述的一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法，其特征是，所述步骤四的具体步骤为 (1)置风电机组、线路、变压器参数，置接入系统网络、元件参数； (2)置粒子群维数KPS()，最大迭代数Npsmm,计算精度0_，置潮流计算最大迭代次数NpFMAX， 潮流计算精度0 PF ； (3)置Pw变化范围并赋初始值，计算对应Pw条件下的Qs边界条件； (4)初始化粒子群的位置与速度，即给定当次计算下的Qs值； (5)接入系统潮流计算初始化； (6)代入Pw与Qs计算包含风电场的接入系统潮流分布情况； (7)若迭代收敛或迭代次数大于Npfmax,则保留潮流计算结果，继续计算，否则更新初值，返回步骤(4)； (8)按式(10)所示计算所求粒子适应度值； (9)将每个粒子适应度值与其个体极值进行比较，如较优则更新当前个体极值Pid； (10)将每个粒子适应度值与全局极值进行比较，如较优则更新当前全局极值Pgd； (11)根据式(18) (19)更新每个粒子的位置与速度，依据式(5)更新当前边界条件，并校验更新后粒子是否满足约束条件要求，如不满足，重新生成粒子速度、更新位置，直至满足约束条件，若重复次数超过定值则以原可行粒子代替；=G^id +ClhiPM +cIr^Pgd -*4) ( lg)/+! I t M^id — ^id (|9)式中1为当前循环次数，Cpc2为粒子权重系数；《为惯性权重；？■、n为[O，I]内均匀分布随机数；Xid、Vid为第i维粒子的位置与速度；g为约束因子； (12)判断当前迭代次数与误差值是否满足要求，不满足则更新Pw值，返回步骤(3)，否则终止粒子寻优计算，并输出计算结果。全文摘要
本发明公开了一种计及风功率分布规律的风电场无功补偿容量优化方法；它利用无功补偿容量优化模型进行优化处理，优化的目标为无功补偿的投资成本、因无功率引起的风电系统欲行成本引起的风电系统运行成本均达到最小化；进行运行成本和投资成本的计算；其中运行成本中包含了风功率分布结果和功率特性的影响；利用粒子群算法结合潮流计算程序进行优化计算。本发明的有益效果补偿容量的优化决策方法可在充分保证风电系统无功功率调节连续性的前提下，可风电场的无功补偿具有最好的经济性与最强的针对性。
文档编号H02J3/18GK102738809SQ20121020890
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者冯江霞, 梁军, 王成福 申请人:山东大学