葛惠陽, 王 彬, 孫宏斌, 符 楊, 夏 天, 王 瑋

(1. 上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院, 上海市 200090; 2. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市 100084; 3. 國網(wǎng)甘肅省電力公司, 甘肅省蘭州市 730050)

0 引言

隨著中國電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,運行方式日益復(fù)雜,交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)相互影響導(dǎo)致的一系列問題引起人們的廣泛關(guān)注。由于交直流系統(tǒng)在實際電網(wǎng)運行中有著強(qiáng)耦合的關(guān)系[1-2],交流系統(tǒng)的擾動會嚴(yán)重影響直流系統(tǒng)的運行,甚至可能導(dǎo)致直流閉鎖,因此系統(tǒng)運行時應(yīng)充分考慮多預(yù)想故障的N-1安全性,從而保證系統(tǒng)正常且安全的運行[2-5]。電網(wǎng)運行中,電壓安全域及校正控制是保證系統(tǒng)安全的常用方法,傳統(tǒng)的電壓校正控制通常由交流系統(tǒng)的自動電壓控制 (automatic voltage control,AVC) 裝置完成。通常AVC可應(yīng)對大部分?jǐn)_動,然而不同擾動對系統(tǒng)的影響差別很大,針對發(fā)生頻率較快的擾動,AVC響應(yīng)速度可能無法滿足要求;針對電壓幅值波動較大的擾動,AVC裝置可能受限于調(diào)控能力不足導(dǎo)致無法完成調(diào)節(jié)目標(biāo),從而危害系統(tǒng)的安全運行。

高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)具有極高的可控性[6],其調(diào)控手段多樣,并且不同動作方式特性各有不同。若充分利用這些特點,并應(yīng)用于電壓校正中,就能夠?qū)崿F(xiàn)面向不同擾動分別做出校正策略,從而提高電壓控制的靈活性、系統(tǒng)運行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。但是不同動作方式特性相差較大,不同類型擾動造成的影響也相差較大,若動作方式選取不當(dāng),則可能因為調(diào)節(jié)能力不足導(dǎo)致無法完全消納擾動的影響,也有可能因為響應(yīng)速度不及時引發(fā)連鎖故障,更有可能因為動作成本過高增加不必要的開支[7-8]。因此,目前亟須研究新的方法,針對不同控制模式的直流系統(tǒng),充分考慮動作方式及擾動的特性后,分多尺度在線評估交直流系統(tǒng)電壓安全域(VSR),并對越限電壓進(jìn)行校正控制。

針對上述問題,近年來涌現(xiàn)了一系列交直流系統(tǒng)電壓安全及控制的研究[9-15]。文獻(xiàn)[16]考慮風(fēng)電場的消納能力,研究并網(wǎng)點的電壓安全域,為電壓安全域模型的建立提供了新的思路。文獻(xiàn)[17]在原有安全約束的基礎(chǔ)上加入分布式電源出力的約束,但是控制量的選取依舊考慮不足。文獻(xiàn)[18]在原有電壓安全域求解模型的基礎(chǔ)上加入了精確電壓約束,提高了計算的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[19]研究了暫態(tài)交直流系統(tǒng)無功電壓優(yōu)化問題,但是研究未從準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)角度考慮。文獻(xiàn)[20]考慮了多饋入系統(tǒng)相互作用對于安全運行的影響,并分析了控制系統(tǒng)對交直流混聯(lián)系統(tǒng)的影響程度。文獻(xiàn)[21-23]在交直流混聯(lián)系統(tǒng)潮流計算模型的基礎(chǔ)上加入了定變比控制,由于該控制方式對直流系統(tǒng)動作方式的特性考慮不足,故與現(xiàn)場操作有一定偏離。文獻(xiàn)[24]對不同控制模式下電壓安全的計算收斂性進(jìn)行研究,但是研究基于離線狀態(tài),沒有充分考慮N-1情況,無法適應(yīng)直流系統(tǒng)運行狀態(tài)多變的特點。文獻(xiàn)[25-26]從靈敏度方程研究直流系統(tǒng)控制參數(shù)對交直流混聯(lián)母線電壓幅值的影響,但是這些文獻(xiàn)僅對一種動作方式的靈敏度方程進(jìn)行研究。

本文圍繞直流系統(tǒng)的動作方式及交流系統(tǒng)的擾動類型,展開了交直流混聯(lián)電壓安全域及校正控制的研究,提出了多尺度的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)交直流系統(tǒng)電壓安全在線評估架構(gòu),并建立了相關(guān)優(yōu)化模型,最后基于某現(xiàn)場實際系統(tǒng)驗證了該方法的可行性與有效性。

1 多尺度準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)交直流混聯(lián)電壓安全域架構(gòu)

如引言所述,求解交直流系統(tǒng)的電壓安全域前,需要對系統(tǒng)的擾動及直流系統(tǒng)的動作方式以一定尺度分類整合,然后再分不同尺度對其建模求解?？偨Y(jié)歸納直流系統(tǒng)動作邏輯以及系統(tǒng)的擾動類型如表1所示。

表1 直流系統(tǒng)控制方式特性及應(yīng)用場景Table 1 Characteristics and application situations of DC control modes

分析表1,可以從動作方式的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)范圍、應(yīng)用場景、動作后對系統(tǒng)的影響及成本5個方面將交直流混聯(lián)的電壓安全域以3個尺度劃分。

1)ts尺度,擾動發(fā)生的頻率較高且造成影響較低,直流系統(tǒng)由響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍小、對系統(tǒng)幾乎沒有影響且成本低的動作方式——觸發(fā)角(熄弧角)與換流變分接頭參與調(diào)節(jié)。

2)tm尺度,擾動發(fā)生頻率較低且造成影響較大,直流系統(tǒng)由響應(yīng)速度較快、調(diào)節(jié)范圍較大、動作后對系統(tǒng)有一定影響且成本較高的動作方式——無功補(bǔ)償裝置與極限觸發(fā)角、熄弧角參與調(diào)節(jié)。

3)tl尺度,擾動發(fā)生頻率極小且造成影響極大,直流系統(tǒng)由響應(yīng)速度較慢、調(diào)整范圍大、動作后對系統(tǒng)有較大影響且動作成本高的動作方式——人工調(diào)整直流系統(tǒng)控制參數(shù)參與調(diào)節(jié)。為防止低功率運行導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)移,可根據(jù)現(xiàn)場實際操作對功率減小幅度進(jìn)行限定,或通過交流系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)及負(fù)荷投切與直流系統(tǒng)低功率運行配合解決此問題。

針對本文提出的動作方式的4個特性(響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)范圍、動作后對系統(tǒng)的影響及成本)的代價系數(shù)分別用λt,λa,λe,λc表示。

在此基礎(chǔ)上,選取換流變交流側(cè)節(jié)點電壓作為目標(biāo)函數(shù),不同尺度的動作方式作為控制量,就可建立并求解VSR模型,從而得到多尺度準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)交直流混聯(lián)電壓安全域。具體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 交直流系統(tǒng)VSR構(gòu)架Fig.1 Structure of VSR in AC/DC systems

首先將直流系統(tǒng)的動作方式以及交流系統(tǒng)的擾動類型進(jìn)行分類,將其中特性相近的加以歸納整理、劃分尺度,然后針對每個尺度分別建立VSR模型,在此模型的基礎(chǔ)上搭建電壓校正模型。模型搭建的相關(guān)研究將在第2節(jié)、第3節(jié)闡述。

2 多尺度電壓安全域優(yōu)化模型

理論上說,多預(yù)想故障電壓安全域需要將所有預(yù)想故障都考慮到約束條件中。然而由于預(yù)想故障集規(guī)模較大,造成模型求解難度增大,因此現(xiàn)有方法大多采用基于靈敏度的方法,將問題線性化,再通過潮流計算的方法求解。

電壓安全域作為分析系統(tǒng)安全運行的重要一環(huán),是電壓校正控制的基礎(chǔ)。本文針對三個尺度的動作方式及擾動類型,建立三個電壓安全域優(yōu)化模型。目標(biāo)函數(shù)選取該節(jié)點電壓幅值,分別求取其極大值與極小值。不同優(yōu)化模型的約束條件分別由該動作方式控制量約束、系統(tǒng)潮流約束、交直流系統(tǒng)安全約束以及擾動約束等,模型具體表達(dá)形式如下[18,22]。

1)ts尺度

選取觸發(fā)角、熄弧角和換流變分接頭為控制量,其函數(shù)表示如下:

(1)

交流系統(tǒng)潮流約束[3,5]:

(2)

直流系統(tǒng)潮流約束[25]:

(3)

交流系統(tǒng)電壓安全約束[3]:

(4)

直流系統(tǒng)安全約束[6,8,12]:

(5)

控制量約束:

(6)

擾動約束[18]:

(7)

2)tm尺度

選取極限觸發(fā)角(熄弧角)及無功補(bǔ)償裝置為控制量,此時換流變分接頭已調(diào)至極限,函數(shù)表達(dá)如下:

(8)

交流系統(tǒng)潮流約束:

(9)

式中:Qcomp為無功功率補(bǔ)償值。

直流系統(tǒng)潮流約束見式(3)。直流系統(tǒng)安全約束見式(4)、式(5)。

控制量約束:

(10)

擾動約束:

(11)

3)tl尺度

選取直流系統(tǒng)控制參數(shù)、觸發(fā)角(熄弧角)與換流變分接頭為控制量,目標(biāo)函數(shù)為:

(12)

潮流約束見式(2)、式(9)。安全約束見式(4)、式(5)。

控制量約束:

(13)

擾動約束:

(14)

求出電壓安全域后,對于電壓越限的節(jié)點需要校正控制,因此本文在第3節(jié)中將在不同尺度的VSR模型上建立電壓校正控制優(yōu)化模型。

3 靈敏度分析及電壓校正控制優(yōu)化模型

3.1 直流系統(tǒng)不同動作方式靈敏度方程

利用控制裝置對電壓調(diào)整實際上是靈敏度的問題,因此本文通過求解不同尺度動作方式對交流側(cè)電壓的靈敏度方程,然后快速求解節(jié)點電壓的校正策略。不同動作方式直流系統(tǒng)靈敏度方程如下。

1)ts尺度對應(yīng)動作方式靈敏度方程

ts尺度直流系統(tǒng)電壓由觸發(fā)角、熄弧角與變比協(xié)同控制,靈敏度方程如下:

(15)

2)tm尺度對應(yīng)動作方式靈敏度方程

tm尺度直流系統(tǒng)電壓由極限觸發(fā)角、熄弧角與無功補(bǔ)償裝置協(xié)同控制。靈敏度方程狀態(tài)變量與前相同,具體如下:

(16)

3)tl尺度對應(yīng)動作方式靈敏度方程

tl尺度直流系統(tǒng)電壓由控制方式與變比協(xié)同控制,選取換流變交流側(cè)電壓為狀態(tài)變量,直流系統(tǒng)控制方式為控制變量[25-26],靈敏度方程如下:

3.2 校正控制優(yōu)化模型

根據(jù)上述分析可知,三種尺度的控制方式各有利弊,因此引入最小控制代價系數(shù)λ描述不同動作方式的代價,系數(shù)越小表示此動作方式優(yōu)先級越高。目前沒有動作代價統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn),考慮到電網(wǎng)運行應(yīng)優(yōu)先考慮安全性其次才是經(jīng)濟(jì)性,因此動作系數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系:λe>λa>λt>λc。每個變量之間的關(guān)系用比例表示,由于裝置響應(yīng)速度是固定的,所以選取λt=1;代價系數(shù)λe與短路比相關(guān),若短路比越大,則系數(shù)越小;代價系數(shù)λa與現(xiàn)場設(shè)備相關(guān),若調(diào)控能力越強(qiáng)則系數(shù)越小;代價系數(shù)λc受多方面影響,但不同情況下變化不大,因此可認(rèn)為與λt成固定比例。具體比例的選取應(yīng)充分考慮現(xiàn)場實際及歷史數(shù)據(jù)。

模型選取系數(shù)與調(diào)整量最低為目標(biāo)函數(shù),約束條件分別為電壓調(diào)整目標(biāo)約束、電壓裕度期望值約束、控制量約束、安全約束等,具體函數(shù)表達(dá)如下:

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

4 算例分析

為了驗證方法的可行有效,本文基于某系統(tǒng)實際模型進(jìn)行算例分析,實際系統(tǒng)中AVC與直流控制保護(hù)裝置不同時參與調(diào)控,因此本算例中模擬AVC不參與電壓校正過程。直流系統(tǒng)采取定功率定電壓控制,整流側(cè)電壓等級為330 kV,且在換流站交流側(cè)裝有無功補(bǔ)償裝置;逆變側(cè)電壓等級為500 kV。其控制裝置參數(shù)見附錄B表B1。

算例1: 在線監(jiān)測系統(tǒng)直流換流變交流側(cè)電壓實際值,預(yù)想故障集包括正常運行方式,風(fēng)電場有功出力的變化,負(fù)荷變化等,其中風(fēng)電場有功出力波動及負(fù)荷波動曲線見附錄B圖B1和圖B2。將計算條件帶入模型后得到結(jié)果數(shù)據(jù)如圖2所示。

1)電壓安全域上下限變化趨勢綜合反映了風(fēng)電場有功出力及負(fù)荷波動的N-1情況。例如,系統(tǒng)運行至10:00至12:00之間時,風(fēng)電場有功出力明顯下降,對應(yīng)電壓安全域上下限同時下降;反之,12:00至15:00風(fēng)電場有功出力上升,電壓安全域上下限也隨之上升。

圖2 算例1電壓安全域Fig.2 VSR of case 1

2)三個尺度電壓安全域范圍相差較大,以08:00時間斷面為例,算例1三個尺度電壓安全范圍分別為:0.968 3～1.017, 0.955 4～1.029, 0.938 6～1.029(標(biāo)幺值)。

3)系統(tǒng)在13:40時刻電壓實際值為1.008,高于電壓安全域上限1.006,因此此時系統(tǒng)處于正常但不安全狀態(tài)。取N-1情況下的期望裕度為10%,通過電壓校正模型求解當(dāng)前時刻電壓校正策略的最優(yōu)解,求得此時將變比調(diào)至1.231 3、觸發(fā)角調(diào)至15°,調(diào)整后系統(tǒng)節(jié)點電壓實際值為0.964 6,即系統(tǒng)回到正常且安全的狀態(tài)。

通過分析可知,考慮預(yù)想故障后可得到與實際電壓波動趨勢相關(guān)的電壓安全域曲線;不同尺度的電壓安全域范圍不同,且相差較大;對于電壓越限的節(jié)點,通過電壓校正模型可以求得最優(yōu)校正策略,從而保證系統(tǒng)的安全運行。

算例2:取另一天的電壓實際值,預(yù)想故障在算例1的基礎(chǔ)上加入線路N-1開斷、發(fā)電機(jī)N-1開斷。在18:00時刻模擬某風(fēng)電場脫網(wǎng)導(dǎo)致無功缺失,將計算條件代入模型后得到結(jié)果數(shù)據(jù)見圖3。

1)對比可得,AVC控制所得電壓安全域范圍大于ts尺度電壓安全域,小于tl尺度電壓安全域。其上限小于tm尺度電壓安全域上限,下限低于tm尺度電壓安全域下限。

2)在04:17時刻節(jié)點電壓越ts尺度電壓安全域以及AVC電壓安全域上限,處于正常但不安全狀態(tài),持續(xù)時間大約10 min。可通過兩種控制手段對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

方式1:多尺度調(diào)節(jié)。取N-1情況下的期望裕度為10%,通過模型求得此時將節(jié)點注入功率減少84.27 MVA,同時將變比調(diào)至1.186 3,總成本為80.75(此處成本為綜合考慮各類實際成本因素后的無量綱數(shù)值),動作完成時間約十幾秒。

圖3 算例2電壓安全域Fig.3 VSR of case 2

方式2:傳統(tǒng)AVC調(diào)節(jié)。近區(qū)某電廠為區(qū)域內(nèi)一級電壓控制節(jié)點,需通過發(fā)電廠的無功輸出以及變壓器有載調(diào)壓對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),對二者分別取代價系數(shù)λ1,2,與多尺度調(diào)節(jié)的代價系數(shù)相對應(yīng),通過PSASP仿真可得ΔU1,2,帶入模型計算得動作成本為84.61,通過歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)場操作經(jīng)驗得知動作完成時間約幾分鐘。

3)在兩種調(diào)節(jié)方式都可以完成調(diào)節(jié)任務(wù)時,tm尺度的電壓調(diào)節(jié)速度快于AVC調(diào)節(jié)速度,且代價更低,因此tm尺度的電壓調(diào)節(jié)方式更利于系統(tǒng)的安全運行。

4)在18:00時模擬風(fēng)場脫網(wǎng),造成大量無功缺失,導(dǎo)致電壓大幅跌落。由圖3可見已此時電壓已遠(yuǎn)低于AVC電壓安全域下限,仍處于tl尺度電壓安全域范圍內(nèi),表明此時傳統(tǒng)的AVC已無法完成調(diào)壓任務(wù)。取N-1情況下的期望裕度為10%,通過模型求得此時直流傳輸功率降低296.55 MW,無功補(bǔ)償裝置增加無功注入68.23 MVA,變比調(diào)至1.154 7,熄弧角調(diào)至13.71°。調(diào)節(jié)后電壓實際值曲線與安全域上下限的變化如圖3虛線所示,可見調(diào)節(jié)后電壓位于ts尺度電壓安全域范圍內(nèi)。

通過上述分析可知,與傳統(tǒng)AVC調(diào)節(jié)方式相比,本文所提方法具有調(diào)節(jié)范圍更廣、靈敏度更高且代價更低的特點。在遇到較小擾動時,該方法能以更小的動作代價完成校正目標(biāo);在遇到較大擾動時,該方法可以提供更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力,保證系統(tǒng)的安全運行。

本文對tm尺度及tl尺度相關(guān)算例在附錄B中亦有呈現(xiàn)。

5 結(jié)語

1)分多個尺度劃分直流系統(tǒng)的動作方式可實現(xiàn)面向擾動進(jìn)行電壓校正控制,以不同的動作方式應(yīng)對不同擾動提高了電壓控制的靈活性。

2)不同尺度電壓安全域范圍不同,當(dāng)節(jié)點電壓在電壓安全域內(nèi)可以保證系統(tǒng)處于“正常且安全”的運行狀態(tài),當(dāng)電壓越限時通過本文提出的方法可以求得電壓最優(yōu)校正策略,通過對比得知其優(yōu)于傳統(tǒng)AVC校正策略。

3)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)AVC裝置調(diào)節(jié)能力的缺陷,提高了系統(tǒng)運行的安全性與經(jīng)濟(jì)性,但是由于當(dāng)前直流系統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置不屬于交流系統(tǒng)的AVC中,如何將交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的電壓控制協(xié)調(diào)應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。