电压诱导型多风场连锁脱网扩散机理及其预警预控关键技术研究

Several severe cascading trip faults took place in North China and Northwest China since 2011, which emerges as a new bottle-neck problem for the power grid to integrate more wind powers. Focused on multi wind farms cascading trip and organized as "mechanism analysis - assessment and early warning - preventive control", principle theory and key technologies on voltage operation and control for wind power integration region are proposed here. The following contents are involved: 1) Analysis mechanism on voltage-induced multi wind farms cascading trip and establish a risk assessment model concerning the critical features; 2) Propose a two-level security assessment architecture to implement early warning on voltage security operation for large-scale wind power integration region. Establish a optimization model with dynamic reactive power reserves; 3) Research on fast automatic voltage control technology for large-scale wind power integration region against fluctuation; The technology road-map is carrying out the mechanism research fristly, based on which early warning and preventive control are researched to reduce the risk under cascading trip. Some research results are expected to be implemented with field applications.

2011年以来，华北、西北等地多次发生风电连锁脱网事故，成为制约风电接入电网的难点问题。本课题从多风场连锁脱网的扩散过程入手，以"机理分析- - 评估预警- - 预防控制"为主线开展研究，主要内容包括：1）通过两级分布式仿真，揭示电压诱导型多风场连锁脱网扩散过程机理，分析影响扩散过程的关键因素并建立评估模型；2）研究风电汇集区域电压安全运行域的两级分布式安全评估理论，研究多时间尺度动态无功备用模型及其优化方法；3）研究抑制快速波动的风电汇集区域敏捷电压控制技术，实现风电汇集区域内广泛分布的特性各异无功源之间的协调优化。本课题的主要技术路线是在机理研究的基础之上，通过扰动前的预警和预防控制提高风电汇集区域应对连锁脱网的能力。课题研究成果有望在我国风电基地取得实际应用。

针对“大规模间歇式风电集中馈入电网薄弱环节”所诱发的运行挑战，本课题围绕“机理研究——预警评估——预防控制”这条主线，开展了风场-控制中心两级自律协同控制技术研究。在可再生能源电站侧，提出了覆盖风机/光伏逆变器、箱变、集电线、汇集站的可再生能源电站精细化网络建模方法，实现了全场站范围内电气设备的监视、分析和协调控制，不但保障电站并网点的电压安全，而且保障站内每台风/光机组并网点的电压安全；提出基于模型预测控制的场内自律电压控制技术，将传统基于单时间断面的决策反馈控制模式改变为未来时间窗内动态轨迹最优控制，通过超前预控有效抑制间歇性风电出力诱发的电压波动，通过场内动态无功储备优化为未来潜在扰动保留宝贵的快速调节资源；在系统侧，针对连锁脱网过程中汇集区域运行在“正常但不安全”状态的问题，提出了基于安全约束最优潮流的电压安全域概念，并在此基础上实现多风场和传统厂站的协同控制，保证汇集区域内任一风场脱网时其他风场电压仍能运行在可行范围内，从而斩断了连锁脱网的蔓延路径。.共发表与录用标注论文29篇，其中SCI收录12篇，EI收录16篇。授权美国发明专利2项，中国发明专利6项。课题组负责人郭庆来获国家自然基金优秀青年科学基金资助。课题负责人受邀在本领域顶级学术会议IEEE PES General Meeting作为主席主持Panel Session on “Impact of Renewable Energy Integration on Voltage Control Design”，先后3次在IEEE PES General Meeting上做电压控制方面的特邀报告，并当选IEEE智能电网电压控制工作组副主席。.2016年1月，“复杂电网自律-协同无功电压自动控制系统关键技术及应用”项目在北京通过了由教育部组织的科技鉴定。六位院士领衔的鉴定委员会认为：本项目是“重大的原创性科研成果，整体上达到了国际领先水平，引领了电力系统电压控制领域的发展与技术进步”、“取得了巨大的社会经济效益，填补了北美在该领域应用的空白，具有里程碑意义”。而本课题成果正是支撑这一项目的四项核心技术发明点之一——“支撑大规模可再生能源集中接入的自律协同电压控制方法”。后续，该项目先后获得教育部2016年技术发明一等奖，并入选2016年中国高等学校十大科技进展。本课题负责人郭庆来均为第二完成人。