一种基于聚类分析的风电场无功分区及控制方法

1.本发明属于风电场并网的无功电压控制技术领域，特别涉及一种基于聚类分析的风电场无功分区及控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着能源环境问题的凸显，新能源发电的推广迫在眉睫。作为新能源发电的主要组成之一的风电入网比例不断提高，风电并网对电压的影响已经不容忽视。大型风电场因安装所在地地形、地势原因而导致空间跨度广、风速差异大且场内集电线路较长，若不进行无功补偿，在某些外部扰动下，可能会存在部分机组端电压越限的现象，从而影响系统安全运行。作为当前风电场的主流机型，双馈风力发电机(double-fedinductiongenerator，dfig)自身就具有一定的无功补偿能力，相对于其他无功补偿设备，如svc、svg等，使用dfig的无功能力进行调控成本更低，应充分利用dfig的无功调控能力。
3.现有的风电场并网无功电压控制研究已取得诸多有效成果，但过往多数研究大多都将风电场等效为一台或几台机组进行并网无功电压控制研究，将并网点电压控制在合理的范围内，但不能表明风电场内部各节点的电压情况，机组端电压仍存在越限的可能；也有很多研究考虑包含所有风机在内的所有无功设备的协调控制，以节点偏差最小、网损最小及动态无功储备最大为优化目标进行求解，但大型风电场往往有成百上千台风机，若考虑每台机组，会出现维数灾的问题，不利于实时控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种基于聚类分析的风电场无功分区及控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
5.步骤1：获取电网数据和风电场运行数据；
6.步骤2：对整个电网进行潮流计算，得到风电场内各节点的无功电压特性，并对双馈风机的无功调控能力进行分析，确定其影响因子，结合步骤1中相关数据，采用聚类算法对风电场内所有机组进行划分；
7.步骤3：结合步骤1中风电场运行数据，获取每个区域内机组的无功电压控制能力，并以区域内无功调控能力最小的机组作为该区域所有机组的无功出力代表，计算各区域及风电场的无功调控能力；
8.步骤4：结合步骤1中电网数据及并网点电压信息，计算出当前时刻无功需求，根据各级无功调控能力给出对应的控制策略；
9.所述步骤1中，电网数据包括电网电压及电网调度指令；风电场运行数据包括风电场拓扑、线路参数、变压器参数、动态无功补偿装置容量、机组输出功率以及机组历史有功出力数据。
10.所述步骤2中，确定机组无功调控能力影响因子后，获取相关历史数据，并进行归
一化处理，采用聚类算法进行区域划分；
11.所述步骤2中，采用聚类算法对风电场内所有机组进行划分包括以下步骤：
12.步骤21，对双馈机组进行分析可知，有功出力和定子电压是机组无功调控能力的影响因子，认为定子电压不变，则将机组有功出力作为聚类分析的源数据进行划分；
13.步骤22，对历史有功出力数据进行归一化处理；
14.步骤23，采用kuyama&sugeno判断准则(v
fs
)确定分类数；
[0015][0016]
其中，表示第j个数据点到第i类中心的隶属度，v
fs
的最小值点对应最佳聚类数；
[0017]
步骤24，通过模糊c均值聚类对风电场内所有机组进行分区。
[0018]
所述步骤3中，机组的无功调控能力为，
[0019][0020]
其中，q
max
、q
min
为机组无功出力上限与下限；q
smax
、q
smin
为定子侧变流器无功出力的上限与下限；q
cmax
、q
cmin
为网侧变流器无功出力的上限与下限；q
limit
为机组的无功调控能力。
[0021]
所述聚类后风电场的无功调控能力为，
[0022][0023]
其中，k为风电场内区域的总数，ci为区域i的机组数，为分区后风电场无功出力的上限与下限；是区域i内所有机组无功出力上限与下限；是分区后风电场的无功调控能力。
[0024]
风电场的无功调控能力为，
[0025][0026]
其中，n为馈线数目，m为每条馈线上连接的机组数。为风场的无功调控能力。
[0027]
所述步骤4中，具体的无功控制策略为：
[0028]
当分区的无功调控能力能满足无功需求时，通过优化算法获取各区域的无功补偿任务，各区域内无功等比例分配；当分区的无功调控能力不能满足无功需求，而风电场的无功调控能力能满足时，按各风机无功容量等裕度分配：
[0029][0030]
其中，q
ref
为无功需求；
[0031]
当风电场的无功调控能力不能满足无功需求时，风电场在合理范围内满发，且按各风机无功容量等裕度分配，不足部分由无功补偿装置补偿：
[0032][0033]qsvg
＝q
ref-q
dfig
[0034]
式中：q
dfig
为分配给dfig的补偿任务；q
limit
为风电场当前是时刻的无功极限；q
svg
为分配给scg的补偿任。
[0035]
所述优化目标函数包含以节点电压偏差最小的节点电压目标和系统内有功损耗最小的网损目标，节点电压目标为，
[0036][0037]
其中，u
pcc
为并网点实际电压，u
ref
为电网下发的电压指令，n为风电场内馈线总数，m为每条馈线上机组总数。
[0038]
网损目标为：
[0039][0040]
其中，g
ij
为节点i、j之间的导纳，θ
ij
为节点i、j之间的相角差。
[0041]
综上，分层分区优化目标函数为:
[0042]
f＝α1f1 α2f2[0043]
其中，α1，α2位各子目标函数的权重系数。
[0044]
本发明有益效果是本发明提供的风电场无功分区及控制方法，不再将风电场等效为一台或几台机组进行控制，考虑了风电场内部节点的电压波动情况；并利用模糊c均值聚类将风电场内的机组划分为不同的区域，在进行无功补偿时，相对于传统的按各机组无功容量分配，可以更有效的发挥机组的无功能力，降低风电场内机组端电压的波动，提高风电机组运行的安全性。本发明方法易于实现，可操作性强。
附图说明
[0045]
图1为风电场无功分区控制整体框架示意图；
[0046]
图2为风电场无功分区控制流程图；
[0047]
图3为双馈风机无功极限图；
[0048]
图4为分区与风电场的无功调控能力
[0049]
图5为某风场一天内的出力曲线；
[0050]
图6为等裕度分配方法的一天内电压波动对比图。
具体实施方式
[0051]
本发明提出一种基于聚类分析的风电场无功分区及控制方法，以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0052]
如图1所示的风电场无功分区控制整体框架示意图，图2所示为风电场无功分区控制流程图，所述方法包括以下步骤：
[0053]
步骤1：获取电网数据和风电场运行数据。
[0054]
步骤2：对整个电网进行潮流计算，得到风电场内各节点的无功电压特性，并对双馈风机的无功调控能力进行分析，确定其影响因子，结合步骤1中相关数据，采用聚类算法对风电场内所有机组进行划分。
[0055]
步骤3：结合步骤1中风电场运行数据，获取每个区域内机组的无功电压控制能力，并以区域内无功调控能力最小的机组作为该区域所有机组的无功出力代表，计算各区域及风电场的无功调控能力。
[0056]
步骤4：结合步骤1中电网数据及并网点电压信息，计算出当前时刻无功需求，根据各级无功调控能力给出对应的控制策略。
[0057]
典型风电场集电系统拓扑结构，如图1所示，风电场内有6条馈线，每条馈线上有11台风电机组，末端机组编号为1，首段机组编号为11，按照一机一变配置箱式变压器，在并网点处配备动态无功补偿装置。
[0058]
所述步骤1：获取电网数据和风电场运行数据。
[0059]
具体地，获取电网电压及电网调度指令；风电场运行数据包括风电场拓扑、线路参数、变压器参数、动态无功补偿装置容量、机组输出功率以及机组历史有功出力数据。
[0060]
步骤2：对整个电网进行潮流计算，得到风电场内各节点的无功电压特性，并对双馈风机的无功调控能力进行分析，确定其影响因子，结合步骤1中相关数据，采用聚类算法对风电场内所有机组进行划分。
[0061]
具体地，由步骤1获得的电网参数搭建风电场并网模型，并用牛顿-拉夫孙法进行潮流计算，改变各节点的无功出力，查看各节点的电压变化情况，获得各节点的无功电压特性。
[0062]
具体地，双馈风机的无功调控能力由定子侧和网侧变流器决定：
[0063]
[0064][0065]
其中，q
smax
、q
smin
为定子侧无功出力的上限与下限，q
cmax
，q
cmin
为网侧变流器的无功出力上限与下限。综合考虑定子侧和网侧变流器的无功极限，可得双馈风机的无功极限，即风机的无功调控能力，如图3所示：
[0066][0067]
其中，q
max
、q
min
为机组无功出力上限与下限；q
limit
为机组的无功调控能力。
[0068]
具体地，在步骤2中，风电场内所有机组划分通过以下步骤完成：
[0069]
步骤21，对双馈机组进行分析可知，有功出力和定子电压是机组无功调控能力的影响因子，认为定子电压不变，则将机组有功出力作为聚类分析的源数据进行划分；
[0070]
步骤22，对历史有功出力数据进行归一化处理；
[0071]
步骤23，采用kuyama&sugeno判断准则(v
fs
)确定分类数；
[0072][0073]
其中，表示第j个数据点到第i类中心的隶属度，v
fs
的最小值点对应最佳聚类数。
[0074]
步骤24，通过模糊c均值聚类对风电场内所有机组进行分区，分区结果如表1所示。
[0075]
表1风电场各区机组编号
[0076] 编号区114 20 21 24 25 28 40 49 50区21 2 7 9 10 13 26 30 31 32 45 46 48 51 52 55 61区38 11 15 17 18 23 29 33 34 35 39 44 47 53 54 62 66区43 4 5 6 12 16 19 22 57 58区527 56 60 65
[0077]
步骤3：结合步骤1中风电场运行数据，获取每个区域内机组的无功电压控制能力，并以区域内无功调控能力最小的机组作为该区域所有机组的无功出力代表，计算各区域及风电场的无功调控能力。
[0078]
具体地，在步骤3中，聚类后风电场的无功调控能力为，
[0079]
[0080]
其中，k为风电场内区域的总数，ci为区域i的机组数，为分区后风电场无功出力的上限与下限；是区域i内所有机组无功出力上限与下限；是分区后风电场的无功调控能力。
[0081]
风电场的无功调控能力为，
[0082][0083]
其中，n为馈线数目，m为每条馈线上连接的机组数。为风场的无功调控能力。分区与风电场无功调控能力如图4所示。
[0084]
步骤4：结合步骤1中电网数据及并网点电压信息，计算出当前时刻无功需求，根据各级无功调控能力给出对应的控制策略。
[0085]
具体的，无功需求可以由当前时刻并网点处的电压、无功值及电压指令确定：
[0086]qref
＝q2 (u
ref-u2)/k
[0087]
其中，q2为当前时刻并网点处无功值，u
ref
为电压指令，u2为当前时刻并网点电压，k为并网点的无功电压灵敏度。
[0088]
进一步地，在步骤4中，具体的无功控制策略为：当分区的无功调控能力能满足无功需求时，通过优化算法获取各区域的无功补偿任务，各区域内无功等比例分配；当分区的无功调控能力不能满足无功需求，而风电场的无功调控能力能满足时，按各风机无功容量等裕度分配：
[0089][0090]
其中，q
ref
为无功需求。
[0091]
当风电场的无功调控能力不能满足无功需求时，风电场在合理范围内满发，且按各风机无功容量等裕度分配，不足部分由无功补偿装置补偿：
[0092][0093]qsvg
＝q
ref-q
dfig
[0094]
式中：q
dfig
为分配给dfig的补偿任务；q
limit
为风电场当前是时刻的无功极限；q
svg
为分配给scg的补偿任。
[0095]
为比较两种方法的差异，引入电压均衡指标：
[0096][0097]
图5为某风场一天的有功出力情况，图6为本发明所述方法与等裕度分配方法的一天内电压波动对比图，从图中电压波动的区域可以看出，采用本发明所述无功电压分区控制后风电场机端电压波动有效降低。