考虑无功均衡的跟构网混合型风电场无功电压优化控制方法及系统

本发明属于风力发电控制，提出一种基于混合整数线性规划的、考虑无功均衡的跟构网混合型风电场日前-日内两阶段无功电压优化控制技术，更具体为一种考虑无功均衡的跟构网混合型风电场无功电压优化控制方法及系统。

背景技术：

1、随着我国“碳达峰、碳中和”战略目标的深入推进，风电因低碳清洁、环境友好且资源分布广泛等特点，其装机容量呈现显著增长。然而风电出力的不确定性与波动性导致风电场电压波动问题日益突出，甚至存在电压越限风险，使得新能源电网安全稳定运行面临诸多挑战（刘承锡，张兆毅，赖秋频．考虑风电功率短期波动的风电场无功快速跟踪优化[j]．中国电机工程学报，2023，43(15) ：5850-5863．）。当前，风电场无功电压优化控制普遍采用集中决策模式，对于风电出力波动导致的风电场电压波动适应性亟需提高（ouyangjinxin，tang ting，yao jun，et al．active voltage control for dfig-based windfarm integrated power system by coordinating active and reactive powers underwind speed variations[j]．ieee transactions on energy conversion，2019，34(3)：1504-1511）。该模式需要实时监测全场运行状态，构建表征风电机组及其他无功调节设备的控制规则、运行极限与响应特性的模型，进而实现考虑风电场多类型设备影响的无功电压优化控制。风电场内风电机组控制方式多样，可通过调整无功功率来控制机组端口电压，进而实现风电场电压合理调控，支撑风电场电压。如何有效利用其无功电压调节能力应对风电出力的不确定性与波动性导致风电场电压波动，进而提升风电场电压控制水平的已成为关键问题（王耀翔，戴朝波，杨志昌，等．考虑风电机组无功潜力的风电场无功电压控制策略[j]．电力系统保护与控制，2022，50(24)：83-90．）。

2、双馈风电机组当前主要有两种控制方式：跟网型（grid-following，gfl）控制和构网型（grid-forming，gfm）控制。跟网型控制方式无法快速、主动地调节电压，难以适应风电出力的随机性和波动性（田晓煜，赵海宇，翟文辉，等．适用于混合风电场频率电压支撑的分布式自适应解耦控制[j]．电力系统保护与控制，2025，53(06)：126-39．）。为应对跟网型风电机组面临的诸多问题，可采用构网型控制技术，构网型机组能够自主构建频率和电压，当风电场电压波动时能够快速调整无功功率，在维持自身端口电压的基础上对并网点电压进行有效调节。因此，在风电场内部同时部署跟网型与构网型机组的混合型风电场相较于传统跟网型风电场显著提升了场站的动态响应与电压支撑能力（张兴，战祥对，吴孟泽，等．高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述[j]．电力系统自动化，2024，48(21)：1-15．）。然而，由于构网型风电机组无功特性较为复杂，现有研究在集中式优化控制中难以建立准确刻画其无功动态特性的模型。现有建模方法虽然能够计及构网型设备的电压支撑作用，但构网型设备无功控制方式刻画不清晰，难以准确表征构网型设备的无功调节过程。

3、同时，在风电场内部，由于集电线路较长且单条馈线上往往接入多台风电机组，风电场内常存在无功分布不均衡的问题（秦晓辉，倪丰毅，张媛媛，等．基于无功就地平衡的风电场内部分散决策式精细化无功电压控制策略[j]．电网技术，2024，48(01)：272-282．），使得电压偏差和损耗较大。当风电出力严重波动时，混合型风电场内跟/构网机组无功特性差异会放大无功不均衡现象，场站内的无功不均衡将从风电场某条馈线的风电机组之间，扩展为位于不同馈线风电机组之间的无功不均衡。跟网型风电机组的无功调控能力难以得到充分利用，而构网型风电机组在频繁调整无功输出时减小无功裕量，降低了风电场平抑短时间尺度下突发事件造成的电压波动和应对故障的能力。

4、综上，尽管现有工作对于风电机组的无功电压调节能力进行了充分研究，但未考虑风电机组控制方式差异产生的影响，对于混合型风电场仍难以建立可协同优化跟/构网型风电机组的线性化模型。同时，现有研究对于混合型风电场内无功不均衡问题亦存在一定不足，跟/构网型风电机组无功利用不合理，削弱风电场应对短时电压波动与故障的能力。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种考虑无功均衡的跟/构网混合型风电场日前-日内两阶段无功电压优化控制方法及系统，旨在建立协同优化跟/构网型风电机组的线性化模型，有效应对风电出力的不确定性与波动性导致的风电场无功电压优化控制难题，并对混合型风电场进行无功均衡控制，合理利用跟构网型风电机组无功电压调控能力。

2、本发明采取如下技术方案：

3、一种考虑无功均衡的跟/构网混合型风电场无功电压优化控制方法，其具体步骤如下：

4、s1、构建混合型风电场风电机组的无功特性线性化模型；

5、s2、利用场景分析法得出风电场典型出力场景及对应概率；

6、s3、根据步骤s1得到的无功特性线性化模型、步骤s2取得的风电场典型出力场景及对应概率，进行跟/构网混合型风电场日前随机优化，得出离散动作设备oltc（有载调压变压器）和scb（并联电容器组（shunt capacitor bank）的动作计划；

7、s4、基于步骤s3确定的日前离散动作设备动作计划，进行日内混合型风电场的无功电压优化控制，根据风电出力波动等级进行优化控制目标及方式的切换判断；

8、s5基于步骤s4的判断结果，对混合型风电场内部的无功均衡进行控制。

9、优选的，步骤s1具体如下：为实现混合型风电场中跟/构网型风电机组统一建模、协同优化，本部分以混合型双馈风电场内跟/构网型风电机组为研究对象进行分析，分别建立了跟、构网型风电机组的无功特性线性化模型，实现跟/构网型风电机组的无功电压协同优化控制。

10、首先，双馈风机定子侧输出功率范围受转子测变流器控制的影响（最大电流限制），定子侧无功功率极限为：

11、

12、其中，qsgflmax、qsgflmin分别为跟网型双馈风机定子侧无功功率上限和下限；psgfl为跟网型双馈风机定子侧向电网传输的有功功率；us为定子电压幅值；irmax为转子侧变流器电流最大值；xm、xs分别为励磁电抗、定子电抗；

13、然后，忽略开关损耗、线路损耗等后网侧变流器无功功率极限可根据计算得到：

14、

15、其中，qcgflmax、qcgflmin分别为跟网型双馈风机网侧变流器无功功率上限和下限；pmec为跟网型双馈风机输入的机械功率；s为转差率；

16、接着，综合考虑定子无功极限、网侧变流器无功极限，可得到跟网型双馈风机的无功功率调整范围：

17、

18、其次，构网型dfig会根据电压与实际电压的差值主动改变输出的无功功率调整风机端口电压，风电场中构网型风机j在t时刻的无功输出写为:

19、

20、其中，和分别为构网型风机达到无功上下限时的电压值；为构网型风机端口电压；kn为下垂系数；

21、然后，为了在混合整数线性规划中将构网功能加入，需要规避掉风机端口电压的条件项。因此需建立基于二进制变量与矩阵组合的线性模型模拟构网下垂功能，将构网型风电机组纳入集中决策模型（包括目标函数以及约束条件）中：

22、

23、上式通过引入二进制变量与无功输出矩阵相乘来模拟构网型风机j无功电压下垂功能。由不同电压状态下的无功功率组成的输出矩阵如上式所示。上式表明，构网型dfig实时无功功率输出可以通过向量αgfm, j, t和相乘来计算。在集中决策过程中，αgfm, j,t,1至αgfm, j,t,4这四个二进制变量的和被限制为1，以确保构网型风电机组j输出的无功功率唯一且正确。进一步将上式使用大m法松弛为有关二进制变量的不等式约束，可以通过α值的选取使构网型dfig的端口电压判断与无功输出计算同步进行，如下式所示：

24、

25、其中，m为大m法中一个充分大的正数；

26、对于风电场无功电压控制过程，、kn和构网型无功上下限均为常数。但考虑到当无功电压下垂功能处于非极限运行状态时，与的乘积为双线性项，需要利用mccormick方法对其进行线性化处理：

27、

28、

29、其中，c2、c3代表线性处理过程中的非决策变量，对线性处理过程无影响，zj,t,2与zj,t,3为辅助变量；vgfm,j,max与vgmf,j,min为构网风机节点j的电压上下限。

30、优选的，步骤s2中，通过日前随机优化应对风电出力的不确定性与波动性，利用场景生成与缩减技术进行风电出力建模，得出风电场典型出力场景及对应概率。

31、优选的，步骤s2中，结合风速概率分布与风电历史数据，采用拉丁超立方抽样算法进行场景生成，进而使用后向缩减法进行场景缩减以得到概率不同的典型出力场景，其中风速概率分布满足weibull分布，weibull分布的概率密度函数如下：

32、

33、其中，vw(t)为t时刻的风速；ks和cs则分别为weibull分布的形状参数和尺度参数。

34、优选的，步骤s3中，根据步骤s2得出的典型风电出力场景及其对应概率，结合得到的无功特性线性化模型，考虑风电场网损和电压偏移进行跟/构网混合型风电场日前随机优化，得出离散动作设备oltc和scb的动作计划。

35、首先，目标函数具体为：

36、

37、其中，ns为经过场景分析法取得的场景数量；v为风电场节点电压名词，不为变量；为场景对应概率，和分别为权重系数；ploss,t,s和dv,t,s分别为场景s下t时刻的网络损耗以及电压偏差量。

38、然后，约束条件分别为：

39、风电场内部潮流约束:

40、

41、

42、其中，π为风电场内所有节点的集合；为以节点j为起始节点的所有支路所连接的末端节点构成的集合。为以节点j为末端节点的所有支路所连接的首段节点集合；pgfl,j,t、pgfm,j,t分别为t时刻节点j的跟网型dfig有功输出和构网型dfig有功输出；qgfl,j,t、qgfm,j,t分别为t时刻节点j的跟网型dfig无功输出和构网型dfig无功输出；pd,j,t、qd,j,t分别为t时刻节点j的有功负荷和无功负荷，对于风电场来说通常为0；qscb,j,t为风电场t时刻j节点的scb无功补偿；lij,t为线路(i,j)在t时刻电流幅值的平方；vj,t为风电场t时刻节点j电压幅值的平方；kij,t为线路(i,j)在t时刻的有载调压变压器（oltc）变比，当对应线路未配置oltc时kij,t=1。

43、跟/构网dfig有功约束:

44、

45、其中，pgfl,j,max和pgfl,j,min分别为t时刻节点j的跟网型双馈风机有功功率pgfl的上、下限；pgfm,j,max和pgfm,j,min分别为t时刻节点j的构网型双馈风机有功功率pgfm的上、下限。

46、跟网型dfig无功约束

47、跟网型dfig的无功功率约束主要受有功出力影响，同时受机组定转子电流限制。

48、其中：qgfl,j,max和qgfl,j,min分别为t时刻节点j的跟网型双馈风机无功功率qgfl的上、下限。跟网型dfig输出的无功功率的主要影响因素为dfig的有功功率，当跟网型dfig出力增加时，无功功率的上限会相应减小。

49、构网型dfig无功约束

50、构网型风电机组无功呈下垂控制特性，对于采用milp（mixed-integer linearprogramming，混合整数线性规划的集中式决策为基于选择的非线性逻辑关系，因此对构网型dfig无功进行了线性处理，约束如步骤s1所示。

51、svg（static var generator）无功功率约束：

52、

53、其中：qsvg,j,max和qsvg,j,min分别为风电场节点j的svg无功补偿容量的上下限。

54、oltc约束

55、有载调压变压器位于支路（i，j）处，共有档位yt个，分别为kij,1, kij,2,…, kij, yt，需要满足约束：

56、

57、其中：bt,ij,y为0-1变量，同时bt,ij,y∈{0,1}。

58、其中，为双线性项，可使用大m法进行线性化处理，处理后的线性形式为：

59、

60、其中：zt,ij,y为辅助变量；由于风电场oltc有动作次数限制noltc，oltc动作次数的限制如下：

61、

62、其中：yoltcij,t为线路ij上的oltc在t时刻的动作标记，当oltc档位变化时，yoltcij,t即可记录动作；为线路ij上的oltc在24小时内最大动作次数。

63、并联电容器组约束：

64、位于节点j的并联电容器组可投切组数为nscbj,t，每组容量为qscb0,t，在风电场的无功优化控制环节中需要满足以下约束：

65、

66、上式为离散优化模型，可以采用二进制展开法将其转化为0-1整型规划模型：

67、

68、其中：n根据scb的设定组数确定；δ0, δ1, …, δn为二进制辅助变量，对于scb动作次数约束以及动作次数的计算处理如下：

69、

70、其中：nscbi,t为节点i上scb在t时刻的动作标记，当scb档位变化时，nscbi,t即可记录动作；为节点i上scb在24小时内最大动作次数。

71、优选的，步骤s4中，根据步骤s3确定日前离散动作设备动作计划，进行日内混合型风电场无功电压优化控制，根据风电出力波动等级进行优化控制目标及方式的切换判断。

72、综合考虑风电场运行经济型、电压质量及跟/构网混合型风电场的无功均衡度，通过引入风电出力波动等级判据，动态调整优化模型的目标函数结构及调度时间间隔，提升跟/构网混合型风电场对风电出力剧烈波动的响应能力并实现运行过程中无功资源合理利用。

73、具体而言，设风电出力波动幅度为，判断其是否超过设定阈值ε（ε=15%）。

74、

75、当风电出力波动处于可接受范围（即）时，目标函数采用j1，优化目标函数以最小电压偏差与网络损耗为主，跟/构网混合型风电场的无功优化控制模型可由j1和潮流约束、svg、跟/构网无功约束构成。在保证其运行处于安全运行状态的同时，也不会出现严重的无功不均衡现象。日内调度间隔保持为每15分钟一次，降低计算负担同时兼顾经济性。

76、当风电出力波动剧烈（即 ）时，优化目标函数引入风机无功出力与其无功均衡参考值之间的偏差项，目标函数采用j2，考虑跟/构网无功均衡优化模型可由j2和潮流约束、svg、跟/构网无功约束构成。将优化控制间隔缩短为每5分钟一次，根据实时出力计算无功平衡区域的无功需求调整跟网型风电机组、svg无功输出进而实现构网型风电机组无功输出处于合理范围内，为应对极端情况和故障留有一定裕量，提升跟/构网混合型风电场应对突发事故的能力。

77、不同情况下的目标函数如下：

78、

79、其中：f为跟网型风电机组集合，fn为跟网型风电机组数量。

80、优选的，步骤s5具体如下：通过划分无功平衡分区，计算跟网型机组和svg考虑无功均衡的指令值，将无功均衡引入目标函数中，通过充分利用跟网型风电机组的无功潜力避免了构网型风电机组的无功资源浪费，实现风电场集中决策式下的跟构网无功协同均衡控制。

81、风电机组无功均衡控制

82、对于构网型风电机组，其具有自主构建电压能力，会主动调整输出的无功功率应对电压偏差，且构网型风电机组的无功功率响应速度快，因此在跟/构网混合型风电场的无功均衡控制过程中应充分利用跟网型机组无功调节能力，使靠近汇集母线侧的跟网型风电机组发出的无功都可以满足分区平衡需求，不需要构网型风电机组发出额外的无功支撑电压，达到无功平衡状态，进而使跟/构网混合型风电场实现无功均衡。

83、本发明使用二维编号法来划分跟网型风电机组的无功平衡区域，将风机j对应的区域定义为m,n平衡区域，该区域以风机j为无功中心，同时包含风电机组的箱式变压器、相邻节点之间馈线线路的一半。在风电机组向外传输功率时，经馈线线路和变压器会产生一定的无功损耗，为了维持机组机端电压和风电场内部的无功均衡，跟网型风机输出的无功功率必须满足传输过程的无功损耗。

84、跟网型风电机组m,n平衡区域内箱式变压器的无功损耗为:

85、

86、式中：xt, j为跟网型风机j对应箱式变压器的电抗。

87、跟网型风电机组m,n平衡区域内馈线线路的无功损耗为:

88、

89、因此跟网型风电机组m,n平衡区域无功损耗为:

90、

91、在补偿无功平衡分区内部的无功损耗基础上，给出跟网型风电机组调整机端电压的无功功率参考值下式，在风速波动严重的情况下跟/构网混合型风电场可以在维持风电机组端电压在允许范围内的同时，实现风电场内部的无功均衡，为构网型dfig留有一定的无功功率裕量，提高风电场运行的安全裕度。

92、

93、风电场pcc无功均衡控制：

94、以跟/构网混合型风电场pcc点为核心，同时包含风电场主升压变压器、与汇集母线连接的低压侧各馈线首段的一半，共同构成的无功平衡区域。

95、风电场pcc平衡区域主升压变压器的无功损耗为:

96、

97、风电场pcc平衡区域与汇集母线连接的馈线线路及送出线路无功损耗为:

98、

99、式中：b为连接汇集母线侧pcc平衡区域内跟网型风电机组数量。

100、在风电场内以汇集站主升压变低压侧汇集母线的svg作为可控无功电源提供无功功率，在风速波动严重情况下计算风电场pcc平衡区域无功损耗，在svg可调范围内补偿无功损耗调控汇集母线及pcc点电压，实现风电场pcc区域内的无功平衡，避免因汇集母线处的电压波动导致构网型风电机组的无功资源过度使用，为构网型风电机组构网型dfig留有一定的无功功率裕量，svg的无功参考值为:

101、

102、本发明还公开了一种考虑无功均衡的跟构网混合型风电场无功电压优化控制系统，用于执行上述方法，其包括如下模块：

103、无功特性线性化模型构建模块：构建混合型风电场风电机组的无功特性线性化模型；

104、场景分析模块：利用场景分析法得出风电场典型出力场景及对应概率；

105、动作计划模块：根据无功特性线性化模型、风电场典型出力场景及对应概率，进行跟与构网混合型风电场日前随机优化，得出离散动作设备的动作计划；

106、判断模块：基于确定的离散动作设备的动作计划，进行日内跟与构混合型风电场的无功电压优化控制，根据风电出力波动等级进行优化控制目标及方式的切换判断；

107、控制模块：基于判断结果，对跟与构网混合型风电场内部的无功均衡进行控制。

108、本发明具有如下技术效果：

109、本发明解决跟/构网混合型风电场中跟网型与构网型风电机组的无功电压协同优化问题，提出一种基于二进制变量与无功输出矩阵线性组合的建模方法，有效解决了跟网型与构网型风电机组协同优化中的建模问题。本发明构建了日前-日内两阶段无功电压优化控制模型，有效提升了风电场对随机波动的适应性与运行安全性。基于无功平衡区域计算跟网型风电机组无功均衡参考值，本发明充分利用了跟网型风电机组无功调控能力，实现了风电场内部无功功率的合理分配，避免了混合型风电场无功不均衡问题。