暂态电压稳定薄弱区的厂站稳态无功协调方法_陈波.pdf
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1、投稿网址:年 第 卷 第 期,():科 学 技 术 与 工 程 引用格式:陈波,郭培,谌艳红,等 暂态电压稳定薄弱区的厂站稳态无功协调方法 科学技术与工程,():.,():.暂态电压稳定薄弱区的厂站稳态无功协调方法陈波,郭培,谌艳红,舒展,陶翔,刘柳(.国网江西电力有限公司电力科学研究院,南昌;.武汉大学电气与自动化学院,武汉;.国网江西省电力有限公司,南昌)摘 要 考虑协调发电机和变电站电容器稳态无功出力占比对系统暂态电压稳定性的影响,以及无功优化和电压稳定的区域调控特点,研究了基于厂站稳态无功协调提高系统暂态电压稳定裕度的预防控制方案决策方法。该方法在利用近邻传播(,)聚类算法和综合暂态电
2、压稳定裕度确定稳定裕度薄弱区域的基础上,基于发电机无功调节对薄弱母线电压作用的加权平均灵敏度进行灵敏调节发电机选择。接着以薄弱区并联无功补偿和灵敏发电机无功出力作为控制变量,建立兼顾暂态电压稳定裕度和母线电压额定值偏移的厂站无功协调多目标优化模型,并结合暂态稳定计算,利用多目标优化算法(,)和逼近理想解排序法(,)求解系统对严重预想故障的多目标稳态无功协调方案。江西电网实际算例的仿真研究验证了该决策方法的有效性。关键词 暂态电压稳定;多目标无功优化;综合暂态电压稳定裕度;综合无功电压调节灵敏度;中图法分类号;文献标志码 收稿日期:;修订日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目();江西省电力公
3、司科技项目()第一作者:陈波(),男,汉族,湖南澧县人,博士,高级工程师。研究方向:电力系统稳定分析与控制。:。通信作者:郭培(),女,汉族,湖北孝感人,硕士研究生。研究方向:电力系统分析。:。,(.,;.,;.,),(),()();随着受端电网大规模新能源接入和大容量直流输电的馈入,同步发电机并网数量的减少也将导致受端电动态无功调节能力下降,从而使大区互联电网连锁故障冲击和直流闭锁故障后的大规模潮流转移,增加了引起电网受扰后发生暂态电压失稳的风险,导致电网大面积停电,给系统造成严重的经济损失。文献对电网大停电事故进行分析表明,提高暂态电压稳定性对于电网安全运行投稿网址:具有重要支撑作用。为了
4、应对系统受扰后可能引发的暂态电压稳定问题,利用调相机的动态无功支撑以及基于动静态无功装置协同支撑的暂态电压紧急控制近年来受到关注。文献讨论了将受端电网发电机改造为类调相机以提升发电机无功输出范围和电压控制能力的方法。文献研究了通过保留受端系统关键发电机组开机以提供足够动态无功支撑的方法。与此同时,考虑文献提出的“离散设备优先动作,连续设备精细调节”的无功装置协调控制原则,文献从提高系统动态无功储备并兼顾调相机协调其近区无功资源实现稳态无功优化出发,研究了调相机协调传统动静态无功装置实现暂态、准稳态和稳态等多时间尺度的自动音量控制(,)策略。文献提出了为调相机配置静态无功补偿装置,然后通过调相机
5、和静态无功补偿装置的协调控制,充分发挥调相机的暂态无功支撑能力进而改善暂态电压稳定水平。文献将事故后发电机的最大无功出力增量定义为动态无功备用,并采用两阶段预防控制措施通过搜索发电机最优励磁电压和静态无功补偿,以提升发电机的动态无功备用从而改善电力系统直流近区的暂态电压稳定性。文献则研究了多馈入直流受端系统基于柔性直流协同常规直流滤波器提高暂态电压响应特性的无功控制策略。另一方面,与以上侧重暂态电压响应期间的动态无功支撑不同,在文献指出增加系统稳态的发电机无功输出、减小并联无功补偿有助于改善系统受扰后暂态电压恢复特性的基础上,文献则从提高换流母线暂态电压无功支撑能力出发,研究了基于调相机输出无
6、功置换交流滤波器补偿无功的换流站稳态无功协调运行策略;文献在满足调相机暂态无功备用的基础上,考虑调相机参与交直流系统 的三级电压控制,以网损最小为目标建立了提升直流换流站近区交流电网暂态电压稳定性的静态无功优化模型,有效地兼顾了调相机的稳态和暂态双重无功支撑作用,但是该方法并没有量化调相机无功优化对暂态电压稳定的改善作用。综合以上分析,考虑到电压失稳通常是从局部失稳进而转变为全局失稳特点,现基于系统内厂站稳态无功输出对暂态电压稳定和稳态电压质量影响的分析,提出基于厂站稳态无功协调提高系统暂态电压稳定的预防控制方案决策方法。通过设计量化不同故障扰动对母线暂态电压稳定裕度综合影响以及发电机无功调节
7、对薄弱母线电压作用的加权平均灵敏度指标,进行暂态电压稳定薄弱区域和薄弱区暂态稳定裕度灵敏作用灵敏发电机的选择方法。进而以提高系统薄弱区域暂态电压稳定和减小稳态无功调节对母线电压额定值偏移影响为目标,建立灵敏发电机稳态无功和并联补偿无功协调的多目标优化模型,利用多目标优化算法(,)基于暂态稳定计算求解系统对预想严重故障保持暂态电压稳定的稳态无功协调 备选集,然后采用逼近理想解排序法(,)进行备选集比较以确定最优协调方案。最后基于江西电网实际算例仿真验证所提协调方案决策方法的有效性。厂站无功协调对电压的影响作为系统主要动态无功电源的发电机,依据磁链平衡关系可建立发电机暂态电势方程为 ()式()中:
8、、分别为机端电压、定子电流和暂态电势的 轴和 轴分量;为定子电阻;和 分别为暂态电抗的 轴和 轴分量。进一步忽略定子电阻,将式()代入发电机无功输出方程 ,可推得发电机无功与机端电压、暂态电势、发电机暂态电抗的关系式为()()()式()表明暂态响应期间通过励磁调节提高暂态电势可以增加发电机的暂态无功支撑能力。但机端电压受扰跌落时,虽然励磁磁动势会在强励作用下随励磁电流增大而增大,但电枢反应的去磁作用也会随定子电流增大而增强。因此暂态期间通过强励增加发电机暂态无功输出,将受到两方面相互作用而需要经过一段时间才能达到稳定,该动态过程可用式()所示惯性环节描述,表达式为()()()式()中:为微分算
9、子;为 轴开路时间常数;为励磁电压。对式()的求解也同时表明,不仅与 相关,而且与其稳态值 也相关,即发电机稳态内电势越高,暂态期间的无功支撑能力会因初始值越大而增强,有利于暂态电压恢复稳定。并联电容器是系统主要静态无功补偿装置,稳态运行时其补偿无功 可表示为()式()中:为电容器输出无功;为电容器并联母,()陈波,等:暂态电压稳定薄弱区的厂站稳态无功协调方法投稿网址:线电压;为电容器电纳。式()表明,并联电容器补偿无功在电压暂态跌落期间会随电压下降而下降,因此系统稳态时投入较多并联电容补偿会使系统暂态电压的无功支撑能力变弱,不利于扰动后的暂态电压恢复稳定。然而,考虑并联无功补偿通常安装在负荷
10、侧,当发电机经输电线路向负荷供电时,负荷母线电压表示为 ()()式()中:为供电负荷;为线路阻抗;为机端电压。由于 和 符号相反,因此减少变电站投切电容等效于增大负荷无功,会引起负荷侧电压偏低。上述分析表明,改变发电机和并联电容补偿的无功出力占比在提高暂态电压稳定的同时,也会影响稳态电压质量。需要对厂站无功出力进行适当协调,才能在改善系统暂态电压稳定的同时,使系统稳态电压偏差保持在合理范围。薄弱区暂态电压调节灵敏发电机选择无功优化和电压稳定属于系统区域问题,对暂态电压稳定薄弱区域进行厂站稳态无功协调,不仅有利于缩小协调控制范围,而且能够减小厂站无功协调对母线电压质量的影响。由此,利用文献提出的
11、多二元表暂态电压稳定裕度指标,基于设计的母线 暂态电压稳定综合裕度指标?和发电机无功调节对薄弱母线电压作用的加权平均灵敏度指标,提出了图 所示确定暂态电压稳定薄弱区域和选择对薄弱区暂态稳定裕度灵敏作用发电机的方法,该方法的相关原理和步骤如下。图 薄弱区暂态电压调节灵敏发电机的选择流程.步骤 建立当前运行方式的潮流和暂态稳定计算模型,同时设置预想故障集。步骤 基于暂态稳定计算模型和预想故障集,计算各母线对不同预想故障的暂态电压响应曲线,基于暂态响应曲线计算母线 对 个不同预想故障的多二元表暂态电压稳定裕度指标(,),并构建矩阵 ,将 作为近邻传播(,)聚类算法输入,实现对预想故障集具有相似暂态电
12、压稳定裕度特性的母线进行分区。步骤 为了评价母线电压响应预想故障集的综合暂态稳定裕度,基于线性加权和法和多二元暂态稳定裕度设计了式()所示综合暂态稳定裕度指标?,利用 矩阵元素计算各母线的?,将?从小到大排序,排序靠前母线所在聚类分区即可确定为暂态电压薄弱区域。?()(),|()式()中:为母线 响应故障 的暂态电压稳定裕度 在?的占比,其值随()减小而增大,越大表示故障 越严重。步骤 选择对薄弱区综合暂态电压稳定裕度较差母线具有灵敏无功电压调节的发电机,不仅有利于发电机为母线暂态电压稳定恢复提供有效暂态无功支撑,而且减小协调控制对稳态电压质量的影响,为此,设计量化发电机无功调节对薄弱母线电压
13、暂态稳定裕度作用的加权平均灵敏度。利用确定的暂态稳定裕度薄弱区域选择暂态稳定裕度薄弱母线,发电机的无功输出增加 并计算潮流,按照式()计算发电机的,将 从大到小排序,排序靠前的发电机即可选择为调节灵敏发电机。,(),()|()式()中:为薄弱母线数量;为发电机无功增量 对薄弱母线 的电压影响;为发电机机端电压在严重故障扰动下的暂态电压稳定裕度;为选择薄弱母线的暂态电压稳定裕度阈值,表示暂态电压稳定临界值。式()表明,包含权重和平均灵敏度两个分量,平均灵敏度用于量化发电机科 学 技 术 与 工 程 ,()投稿网址:无功增量对薄弱母线电压影响的灵敏度,权重分量可在平均灵敏度相似时,优先选择 小的发
14、电机作为调节灵敏发电机。厂站稳态无功的协调优化.基于多目标优化的稳态无功协调为了提高系统的暂态电压稳定性,需要针对薄弱区域变电站电容电抗器和灵敏发电机进行稳态无功协调控制。考虑无功协调会对母线电压的额定值偏移产生影响,从电网用户角度出发,又需要保持电压稳态值在额定值偏移允许范围内。综合考虑厂站稳态无功协调以上两方面因素,设计了量化薄弱区域暂态电压稳定裕度均值式()和体现母线电压额定值偏移均值的指标式(),表达式分别为(,)()()(,)()式中:为灵敏发电机无功增量、薄弱母线的并联电容和电抗器无功补偿增量等控制变量;为薄弱母线暂态电压稳定裕度平均值和额定电压偏移平均值等状态变量;为暂态电压稳定
15、薄弱区域母线数;为协调控制后薄弱节点 在电网故障下的电压暂态稳定裕度;为协调控制后薄弱母线的稳态电压;为母线的电压额定值。考虑两个指标优化的同向属性,建立式()所示厂站稳态无功协调的多目标优化数学模型为(,)(,),(,),()()|()式()中:(,)和(,)分别为指标集合(,)的两个优化指标;、和 分别为灵敏发电机 的稳态无功、薄弱区母线 并联电容和母线 并联电抗器投入组数初始值;、和分别为灵敏发电机的无功增量、薄弱区并联电容和电抗器的投切组数增量;和、和、和 分别为灵敏发电机 输出无功、薄弱区并联电容和电抗器投切组数的上下限值;和、和 分别为母线 电压和支路 电流的允许上下限值;和 为母
16、线 的发电机注入有功和无功功率;为母线 的直流馈入有功功率;为母线 的无功补偿功率;和 为母线 的负荷有功和无功需求;、和 分别为支路 的电导、电纳和两端电压相位差;为灵敏发电机数量;和 分别为薄弱区并联电容和并联电抗的安装数量;为系统的母线数量。.多目标优化模型求解通常而言,多目标优化问题不存在全局唯一的最优解,只能得到 最优解集。基于分解的多目标优化算法(,)可以将多目标优化问题转化为多个单目标优化问题,和 相比,其复杂程度低。考虑此特点,利用 算法设计了图 求解式()多目标优化模型的流程。图 多目标厂站无功协调方案求解流程图.由图 可知,求解流程首先依据第 节方法确定系统中电压稳定薄弱区
17、域的并联电容电抗器和灵敏调节发电机,将其作为多目标优化模型的控制,()陈波,等:暂态电压稳定薄弱区的厂站稳态无功协调方法投稿网址:变量,然后通过 算法求解多目标优化模型。求解过程首先初始化算法的基本参数和种群位置,然后根据种群位置调节厂站无功出力并进行潮流计算,得到薄弱区域母线电压额定值偏移均值。在此基础上对系统进行预想严重故障扰动的暂态稳定计算,得到各薄弱母线暂态电压的稳定恢复曲线,计算薄弱母线暂态电压稳定裕度均值,接着基于求解得到的额定电压偏差均值和暂态电压稳定裕度均值计算目标函数,代回原算法进行比较与最优结果更新,同时建立下一次迭代种群。依此循环迭代直到迭代次数达到限定值,最后输出厂站无
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