一种提升新能源外送能力的无功补偿容量配置优化方法

技术领域

本发明属于电力系统无功补偿配置领域，具体涉及一种提升新能源外送能力的无功补偿容量配置优化方法。

背景技术

清洁能源发电技术正以迅猛的速度发展。人们渴望能够尽可能多的消纳清洁能源电力，以推动能源向更清洁、低碳的方向转型。然而，由于清洁能源发电站通常位于风力或日照资源丰富的地区，距离主干电网和负荷中心较远，电网连接的薄弱性成为限制清洁能源并网的一大重要因素。为了克服这一问题，在新能源场站并网点配置适当的无功补偿，可以有效改善新能源并网系统的运行电压质量，有利于提升清洁能源的外送容量，提升电网安全稳定运行水平。

此外，由于新建输电通道或是进行通道扩容改造成本高昂，一些新能源场站提升装机规模后，在风光大发时，新能源场站通常采取弃风、弃光措施来避免外送通道发生传输阻塞问题。然而，传统情况下，外送通道的传输容量通常是按通道中输变电设备的额定负载能力(静态热容量)来加以限制的；值得注意的是，设备实际运行环境普遍优于设备设计、选型时考虑的气象条件，通道的传输能力具有挖掘释放的空间，释放利用外送通道的潜在传输能力可以避免不必要的弃风、弃光，促进新能源消纳。伴随外送通道传输容量的释放利用，传输通道上的无功损耗会显著增多，并网点电压运行水平可能会超出允许运行范围，并网外送系统的静态传输稳定性受到挑战，因此需要配置一定量的无功补偿来支撑通道潜在传输能力的释放利用，然而现有新能源场站在配置无功补偿时没有考虑无功配置容量对通道传输潜力释放利用的影响。

综合来看，尽管目前新能源场站在规划建设时为了满足电网公司对新能源发电系统输出功率因的要求，提升新能源外送容量和电压稳定水平，会在并网点处配置无功补偿，但无功补偿的容量通常根据清洁能源发电站的装机规模按照一定比例进行配置，这种配置方式未能充分考虑清洁能源发电站的运行输出特性以及外送通道的实际运行情况，所配无功容量不能支撑外送通道传输潜力的充分释放利用，限制了清洁能源电力并网。

因此，亟需一种新能源场站无功配置最优容量确定方法，实现在保证并网系统安全稳定运行的前提下，通过无功补偿挖掘释放外送通道的传输潜能及促进新能源消纳，具有重要工程价值。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种提升新能源外送能力的无功补偿容量配置优化方法，该方法包括：

S1：获取外送通道及新能源场站的历史气象数据，对历史气象数据进行预处理，得到典型年气象数据；

S2：根据典型年气象数据计算年内各时段新能源场站的最大可用出力；

S3：根据新能源并网外送系统的功率传输特性分别计算系统保持静态功角稳定和保持电压稳定的功率传输极限；

S4：根据设备信息和典型年气象数据计算年内各时段的新能源并网外送系统的最大可用传输容量；

S5：根据新能源场站的最大可用出力、系统保持静态功角稳定的功率传输极限、系统保持电压稳定的功率传输极限和系统的最大可用传输容量构建最小化系统总成本的无功配置容量优化模型；

S6：求解最小化系统总成本的无功配置容量优化模型，得到系统最优无功配置容量和新能源场站最大允许外送容量。

优选的，对历史气象数据进行预处理的过程包括：

根据历史气象数据统计各月份的气象参数概率分布情况；

根据气象参数概率分布情况生成一年的每日气象参数，得到典型年气象数据；其中，气象参数包括温度、风速和光照强度。

优选的，步骤S3中，若新能源并网外送系统为变流器并网新能源外送系统，则功率传输特性表示为：

其中，U

优选的，步骤S3中，若新能源并网外送系统为基于双馈感应电机的并网外送系统，则功率传输特性表示为：

其中，R

优选的，计算新能源并网外送系统的最大可用传输容量的过程包括：

根据设备信息计算单个变压器和单条输电线路的最大传输容量；根据系统中的变压器数量和输电线路数量计算新能源并网外送系统的最大可用传输容量。

进一步的，计算单个变压器的最大传输容量的公式为：

其中，

进一步的，计算单条输电线路的最大传输容量的公式为：

其中，

优选的，所述最小化系统总成本的无功配置容量优化模型表示为：

其中，C

进一步的，计算新能源场站的最大允许外送容量的公式为：

其中，

进一步的，无功补偿后系统按最大外送能力外送时的静态功角稳定储备系数和静态电压稳定储备系数的计算公式分别为：

其中，P

本发明的有益效果为：本发明在确定新能源场站无功配置容量时，考虑通过无功配置支撑新能源外送通道潜在传输能力的挖掘利用，充分发挥了无功补偿装置在提升新能源外送容量上的潜力，同时也权衡了无功配置成本，给出了一种无功配置最优容量的确定方法；本发明能够在保障清洁能源并网外送系统安全稳定运行的前提下，通过协调配合并网点无功补偿，实现更多清洁能源电力的可靠外送，有利于清洁能源消纳。

附图说明

图1为本发明中提升新能源外送能力的无功补偿容量配置优化方法流程图；

图2为本发明中功补偿对新能源外送能力的影响示意图。

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。

本发明提出了一种提升新能源外送能力的无功补偿容量配置优化方法，如图1所示，所述方法包括以下内容：

S1：获取外送通道及新能源场站的历史气象数据，对历史气象数据进行预处理，得到典型年气象数据。

获取外送通道及新能源场站的多年的历史气象数据，对历史气象数据进行预处理：

通过将历史气象数据按月份分类，统计确定描述各月内各气象参数可能值及其出现的频率的概率分布，其中，气象参数包括温度、风速和光照强度等信息。

根据气象参数的概率分布，通过重复多次使用概率抽样，生成每天的气象参数值，先构成各月的典型月气象数据，再将典型月气象数据组合构成一个典型年气象数据。

S2：根据典型年气象数据计算年内各时段新能源场站的最大可用出力。

根据典型年气象数据中各时段的风速或光照强度信息计算各时段新能源场站的最大可用出力。

对于风电场而言，其最大可用出力可由下式计算：

式中：

对于光伏电厂而言，其最大可用出力可由下式计算：

式中：

S3：根据新能源并网外送系统的功率传输特性分别计算系统保持静态功角稳定和保持电压稳定的功率传输极限。

功率传输特性指新能源并网外送系统的“外送有功功率-无功补偿容量-并网点电压-功角差”的耦合函数关系。

优选的，当并网系统为变流器并网新能源外送系统时，其功率传输特性可用如下所示的方程组刻画：

其中，U

优选地，当并网系统为基于双馈感应电机的并网外送系统时，其功率传输特性可用如下所示的方程组刻画：

其中，R

上述新能源并网外送系统的功率传输特性一般难以显示表达，可由隐函数y表示：

y＝f(P

其中：f为“外送有功功率-无功补偿容量-并网点电压-功角差”间的函数耦合法则。

新能源并网外送系统保持静态功角稳定和电压稳定的功率传输极限与并网点无功补偿量的函数关系，可分别在隐函数y中取dP

P

其中：P

S4：根据设备信息和典型年气象数据计算年内各时段的新能源并网外送系统的最大可用传输容量。

根据设备信息计算单个变压器和单条输电线路的最大传输容量，可通过求解下述方程组或利用公式直接计算：

变压器：

架空线路：

其中，

对于输电线路，其日照发热功率q

式中：T为输电线路的温度；D为导线的外径；H

根据外送通道中的变压器数量和输电线路数量计算新能源并网外送系统的最大可用传输容量。若系统有m台同型号变压器并列运行，n回同型号送出线路正常在网运行，则新能源外送通道的最大可用传输容量可由下式计算：

其中，DTR为新能源外送通道的最大可用传输容量；DTR

S5：根据新能源场站的最大可用出力、系统保持静态功角稳定的功率传输极限、系统保持电压稳定的功率传输极限和系统的最大可用传输容量构建最小化系统总成本的无功配置容量优化模型。

如图2所示，其给出了典型年内某日新能源场站最大发电功率曲线和无功补偿前后通道的最大传输能力；从图中可见：无功补偿后通道的外送能力得到提升，对于整个研究时段内，不考虑无功补偿时，弃风或弃光面积为图中阴影①②③之和，而考虑无功补偿后的弃风或弃光面积仅为图中的阴影③；若无功配置容量增多，则补偿后的通道外送能力曲线向上平移，弃风弃光量将进一步减小，但是代价是付出了更多的无功配置成本。本发明的无功配置容量优化方法就是兼顾无功配置的总成本与无功补偿后新能源外送增加带来的收益，得到在确保经济性前提下尽可能多的支撑清洁能源外送的无功配置最优容量。

系统总成本包括无功配置成本以及新能源场站的削减出力惩罚成本(若为风电场则为弃风惩罚成本、若为光伏电场则弃光惩罚成本，若都有则包括弃风惩罚成本和弃光惩罚成本)；以新能源场站配置的无功容量为决策变量，以系统总成本最小为目标函数，通过构建数学优化模型；最小化系统总成本的无功配置容量优化模型表示为：

其中，C

新能源场站的最大允许外送容量

其中，

无功补偿后新能源外送系统按最大外送能力外送时的静态功角稳定储备系数K

其中，P

S6：求解最小化系统总成本的无功配置容量优化模型，得到系统最优无功配置容量和新能源场站最大允许外送容量。

通过求解上述最小化系统总成本的无功配置容量优化模型，可获得系统最优无功配置容量以及对应无功配置容量下的每个具体时段中新能源场站最大允许外送容量。将最优无功配置容量应用于新能源并网外送系统，能够在保障清洁能源并网外送系统安全稳定运行的前提下，通过协调配合并网点无功补偿，实现更多清洁能源电力的可靠外送，有利于清洁能源消纳。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。