[发明专利]一种多端柔性直流孤岛电网送端的日前电压计划生成方法

权利要求书

1.一种多端柔性直流孤岛电网送端的日前电压计划生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对各送端风场孤岛电网网络模型简化，建立相应的网络潮流方程：

首先将每一孤岛电网送端换流站从柔直大电网中解耦，对换流站与风场组成的孤岛电网进行单独考虑，再对孤岛电网中的风电场进行集总等效；将每一个风电场简化为一台风力发电机W和配套的一台动态无功补偿装置SVG并联在同一节点；各个风场经各自的支路，汇集在同一节点处，该节点编号为N_W+1，称之为公共连接点PCC；PCC节点再经一台升压变压器与柔直换流站交流侧母线节点相连；对节点进行编号，第s个风场出场母线节点编为第i个节点，PCC节点编为第N_W+1个节点，柔直交流侧母线节点编为第N_W+2个节点，令节点总数为n，满足下式：

式中，N_W表示风场总个数；

根据孤岛电网的简化模型，建立对应的网络潮流方程如式(1-2)：

上式中，P_i和Q_i分别表示第i个节点的有功注入功率和无功注入功率；V_i,V_j和V_n分别表示第i个节点，第j个节点和第n个节点的电压幅值；G_ij和B_ij分别表示网络电导矩阵和电纳矩阵的第i行第j列元素；θ_ij表示第i个节点和第j个节点之间的相角差，θ_n表示平衡节点的相角，V_m表示柔直交流侧母线电压幅值；其中P_i和Q_i根据风场有功和无功出力量测装置量测后算出，V_m人为设定为定值，G_ij和B_ij根据实际网络模型参数算出，均为已知量，V_i,V_j,V_n,θ_n和θ_ij根据所述网络潮流方程求解，为未知待求量；

设x和u分别为状态变量列向量和控制变量列向量，如式(1-3)所示：

式中，待求未知量包括：V₁、V₂…V_n分别表示第1、2、…、n个节点的电压幅值，θ₁、θ₂…θ_n分别表示第1、2、…、n个节点的相角；通过量测装置给定量包括：分别表示第1、2、…、N_W个风场总有功出力，分别表示第1、2、…、N_W个风场所有可调无功风机总无功出力，分别表示第1、2、…、N_W个风场所有动态无功补偿装置总无功出力；

网潮流方程中节点注入功率P_i和Q_i与控制变量P_Ws、Q_Ws、Q_Ss的关系满足式(1-4)：

式中，P_Ws表示第s个风电场总有功出力，Q_Ws表示第s个风电场所有可调无功风机总无功出力，Q_Ss表示第s个风电场所有动态无功补偿装置总无功出力；

2)基于步骤1)中简化网络模型和潮流方程建立风电场孤岛电网电压实时电压控制优化模型，用以决策出断面下给定柔直电压和风场有功出力后各无功可控设备的调节量：

风电场孤岛电网电压实时电压控制优化模型用线性优化表示如下：

式(2-1)至(2-5)中，V_st和V_stref表示第s个风场t时刻出场母线电压和控制设定值；Q_Wst和Q_Sst表示第s个风场t时刻可调无功风机和动态无功补偿装置总无功出力；w₁和w₂分别表示两个目标间的权重系数；ΔV_st、ΔP_Wst、ΔQ_Wst、ΔQ_Sst分别表示第s个风场t时刻出场母线电压、风场总有功出力、风场可调无功风机总无功出力、风场动态无功补偿装置总无功出力的变化量，ΔV_mt表示t时刻柔直母线电压变化量；分别表示第s个风场t时刻风场总有功出力、风场可调无功风机总无功出力、风场动态无功补偿装置总无功出力对第s个风场t时刻出场母线电压的电压灵敏度系数，表示t时刻柔直母线电压对第s个风场t时刻出场母线电压的电压灵敏度系数；和Q_Ws、和Q_Ss分别表示第s个风场可调无功风机和动态无功补偿装置总无功出力上下限，由各装置自身特性给定，和V_st表示第s个风场t时刻出口母线电压安全上下限；

其中，式(2-1)为控制优化模型的控制目标函数，即风场出场母线电压离设定值偏差最小和风场动态无功储备最大；

式(2-2)为电压灵敏度等式约束，通过步骤1)中潮流方程基态断面求得的灵敏度计算出第s个风场t时刻出场母线电压变化量ΔV_st；式(2-3)为第s个风场t时刻可调无功风机的无功出力范围约束，式(2-4)为第s个风场t时刻动态无功补偿装置的无功出力范围约束，式(2-5)为第s个风场t时刻出场母线电压的安全范围约束；

3)基于所述简化模型和实时控制优化模型，根据风电预测信息和潮流计算对柔直无功出力范围进行近似计算，从而衡量柔直自身的无功出力情况：

根据日前风电预测给出的风场有功出力区间信息通过步骤1)中的网络潮流方程计算得到所有可能的风电场景中当柔直电压为V_mt时柔直发出的最大无功和最小无功：

s.t.f(x,u)＝0 (3-2)

s.t.f(x,u)＝0 (3-6)P_Wst＝P_Wst s＝1,2,...,N_W (3-7)

式(3-1)至(3-8)中，和F(V_mt)表示t时刻柔直可能发出的最大和最小无功计算函数，V_mt表示t时刻柔直交流母线电压，和P_Wst表示第s个风场t时刻有功出力的上下界；

式(3-1)和(3-5)分别表示t时刻柔直可能发出的最大和最小无功计算函数；式(3-2)和(3-6)表示各变量满足(1-2)建立的网络潮流方程；式(3-3)和(3-7)分别表示柔直发出无功最大时风场有功出力取最大，柔直发出无功最小时风场有功出力取最小；式(3-4)和(3-8)表示给定V_mt和P_Wst，求解步骤2)中控制优化模型，从而得Q_Wst和Q_Sst用以计算；

逐步改变柔直电压V_mt对柔直无功出力范围进行近似计算：

式(3-9)中，Q_mt表示t时刻柔直发出的无功，V_m和表示柔直交流母线电压调节上下限，ΔV_m表示逐步调节柔直电压的步长，M表示逐步计算设置的最大步数，再求出逐步调整的步长；

由此，当柔直交流母线电压满足式(3-10)时：

V_m+kΔV_m≤V_mt＜V_m+(k+1)ΔV_m (3-10)

取不等式(3-10)中下界作为柔直交流母线电压近似计算柔直无功出力范围和期望值，即为柔直无功出力范围近似计算结果：

式(3-11)中，Q_mt、分别表示t时刻所有可能情况中柔直发出的最小无功、最大无功和期望无功；

4)基于步骤3)得到的近似计算结果，建立各孤岛电网对应的两阶段鲁棒优化模型，用以求解日前电压计划：

式(4-1)表示两阶段鲁棒优化的目标函数，其中第一阶段优化目标为柔直本身的动态无功储备最大，第二阶段优化目标函数与式(2-1)表示的实时电压控制优化目标函数相同；式(4-2)为两阶段共有的电压灵敏度等式约束，与式(2-2)相同；

第一阶段鲁棒优化模型决策出t时刻柔直电压V_mt，N_T表示将一天划分为的断面个数，w为第一阶段优化目标的权重系数；

第一阶段鲁棒优化模型的约束条件为：

式(4-4)与(4-5)中，C_t表示至t时刻柔直电压已调节累计次数，为正整数变量；MC表示一天内柔直电压允许调节次数上限，为正整数；和Q_m表示柔直无功出力上下限；

式(4-3)表示柔直交流侧母线电压可调范围约束；式(4-4)表示t时刻柔直无功出力范围约束；式(4-5)表示一天内柔直交流侧电压最大调整次数约束；

第二阶段鲁棒优化模型为式(2-1)所示的电压实时控制决策，并寻找最坏风电出力场景，实现鲁棒最优，约束条件除式(4-2)外还包括式(2-3)至式(2-5)，D_t表示t时刻各风电场出力区间集合，为：

5)基于所述建立的两阶段鲁棒优化模型，以列约束生成算法进行迭代求解，得到求解结果作为生成日前电压计划：具体包括：

5-1)将两阶段鲁棒优化的目标函数(4-1)分解为第一阶段决策的主问题目标函数和第二阶段决策的子问题目标函数，分别如下所示：

主问题目标函数为：其中θ为代替第二阶段鲁棒优化模型的决策变量，约束包括(4-2)至(4-5)；

子问题目标函数为：其中V_mt作为给定的参数，约束包括(2-2)至(2-5)；

初始化迭代次数l＝0，两个判敛指标θ_max＝inf，θ_min＝-inf；

5-2)第l次迭代后，在主问题中增添两组决策变量及其相关的约束(2-2)至(2-5)和下述约束：

其中表示第l次迭代增添的风场有功出力取值；

5-3)求解主问题目标函数，得到最优解和θ^*，令θ_min＝θ^*；令求解子问题目标函数，得到最优解将子问题目标函数的最优目标值记作δ^*，令θ_max＝min{θ_max,δ^*}，计算收敛误差Δθ为：

Δθ＝θ_max-θ_min (5-2)

设置收敛误差阈值为ε，使得ε远小于θ_min和θ_max；若Δθ≤ε或l≥l_max，则认为收敛，结束计算，将主问题目标函数的最优解作为得到的柔直日前电压计划，l_max为人为设定的迭代次数最大值；否则，令迭代次数l＝l+1，返回至步骤5-2)。