鄭仕濤， 易春磊， 任小航， 王世友

(云南電網(wǎng)有限責任公司瑞麗供電局， 云南 瑞麗 678600)

0 引 言

由于區(qū)域電網(wǎng)在運行中受到突變電流和電壓等因素的影響[1]，非常容易導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的電壓發(fā)生突變，出現(xiàn)電壓超限或偏低的現(xiàn)象，一系列的安全事故也由此而來，導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備損壞，甚至還會出現(xiàn)大量人員傷亡[2]。當區(qū)域電網(wǎng)位于事故高發(fā)區(qū)時，需要優(yōu)化控制區(qū)域電網(wǎng)的電壓，保證區(qū)域電網(wǎng)輸出電壓的穩(wěn)定性，這對區(qū)域電網(wǎng)優(yōu)化部署具有極其重要的意義。協(xié)同控制方法的研究也受到了廣泛關(guān)注[3]。

張宇精等[4]設(shè)計了一種電壓控制方法，將參考值的偏差和最小化節(jié)點電壓作為優(yōu)化目標，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來擬合關(guān)鍵節(jié)點電壓與可控節(jié)點注入功率的函數(shù)關(guān)系，基于梯度下降法求解了優(yōu)化模型，實現(xiàn)低感知度配電網(wǎng)電壓的控制，通過算例證明了該方法的有效性。邢志斌等[5]把多代理技術(shù)應(yīng)用到直流配電網(wǎng)電壓控制中，將直流/交流轉(zhuǎn)換器相接供電節(jié)點設(shè)置為電壓控制中樞點，通過調(diào)節(jié)供電節(jié)點的電壓，使直流配電網(wǎng)的電壓控制在指定范圍內(nèi)，通過優(yōu)化直流配電網(wǎng)的有功出力來控制直流配電網(wǎng)的電壓。結(jié)果驗證了該方法的經(jīng)濟性。

在以上研究背景的基礎(chǔ)上，本文將全橋變流器應(yīng)用到了區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制中，有效地提高了區(qū)域電網(wǎng)電壓的協(xié)同控制能力。

1 區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法設(shè)計

1.1 全橋變流器主電路建模

全橋變流器主要由變換器、蓄電池以及電流變換模塊組成[6]，其主電路模型如圖1所示。

圖1 全橋變流器主電路模型

根據(jù)全橋變流器的等效電路和向量關(guān)系，可以計算得到全橋變流器的輸出，那么進網(wǎng)電流為：

(1)

式中：Us為變換器等效電壓；UG為蓄電池等效電壓；φ為變換角；R為變流器電阻；Xj為電感?？梢缘玫饺珮蜃兞髌鞯挠泄β屎蜔o功功率[7]，即：

(2)

式中:P、Q分別為全橋變流器的有功功率及無功功率。由于Us的值遠遠大于φ的值，因此，計算全橋變流器的有功功率為：

(3)

最終可以計算出全橋變流器的有功輸出和無功輸出，分別為：

(4)

式中:ωt為變換周期。

1.2 分析區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量

為控制區(qū)域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，首先建立區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的約束參量模型，假設(shè)在區(qū)域電網(wǎng)中，由M個分布節(jié)點組成一個電網(wǎng)模型?？梢詫^(qū)域電網(wǎng)輸出電壓的負荷數(shù)據(jù)集表示為：

U={U1,U2,…,UN}

(5)

式中：UN為區(qū)域電網(wǎng)電壓輸出的高頻分量。在區(qū)域電網(wǎng)逆變器中，對輸出電能狀態(tài)的轉(zhuǎn)移方程為：

x(n)=s(n)+v(n)

(6)

式中：s(n)為區(qū)域電網(wǎng)輸出的功率參考因素；v(n)為電磁場的干擾分量。

區(qū)域電網(wǎng)在長時間的供電過程中，會因?qū)Ь€的熱量損耗出現(xiàn)電能的傳遞衰減現(xiàn)象[8]。因此，建立導(dǎo)線對區(qū)域電網(wǎng)功率約束的控制目標函數(shù)為：

(7)

式中：θ為約束角。假設(shè)k1表示區(qū)域電網(wǎng)電壓的閉環(huán)控制系數(shù)，在時延不確定的情況下，區(qū)域電網(wǎng)輸出電能的時滯函數(shù)為Gm(s)=G0(s)，得到區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量為：

(8)

式中：χ為輸出電能的瞬時時滯。通過構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量，為區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制提供了輸出參量基礎(chǔ)。

1.3 構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)電壓控制目標函數(shù)

在分析區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量的基礎(chǔ)上，建立區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的目標函數(shù)，結(jié)合代價因素，對電壓控制目標函數(shù)進行優(yōu)化求解，計算出區(qū)域電網(wǎng)電壓的控制律。首先建立了區(qū)域電網(wǎng)電壓輸入與輸出之間的關(guān)系模型，即：

(9)

式中：p(am)為區(qū)域電網(wǎng)的輸出功率，取值在0～1之間?？紤]到區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制誤差和不確定擾動現(xiàn)象，計算了區(qū)域電網(wǎng)的輸出負載為：

(10)

根據(jù)以上過程，構(gòu)建了區(qū)域電網(wǎng)輸出電壓與負載、功率因素及電流之間的關(guān)系模型，如圖2所示。

圖2 區(qū)域電網(wǎng)輸出電壓與負載、功率因素及電流之間的關(guān)系模型

根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)輸入功率與輸出功率的特性，建立電壓控制的優(yōu)化目標函數(shù)，計算區(qū)域電網(wǎng)中的有效電流值：

(11)

式中：kf、kc、ls為低壓調(diào)制系數(shù)；rr、lg為阻抗因素；kβ、k1、Br為超壓抑制系數(shù)；lw、lm為電網(wǎng)磁損耗系數(shù)。

在區(qū)域電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的前提下，以最大電能輸出的增益為電壓控制的約束目標函數(shù)，得到了區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的目標函數(shù)?？擅枋鰹椋?/p>

P1=Pcu+Ph+Pe

(12)

式中：Pcu為區(qū)域電網(wǎng)導(dǎo)線的電損耗；Ph為區(qū)域電網(wǎng)的功率損耗；Pe為區(qū)域電網(wǎng)的耦合磁損耗。

1.4 協(xié)同控制區(qū)域電網(wǎng)電壓

制訂區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制策略必須優(yōu)先考慮區(qū)域電廠的無功需求和無功極限。根據(jù)比例電壓控制(如圖3所示)，計算區(qū)域電網(wǎng)的無功需求，即：

圖3 比例電壓控制原理

(13)

式中：U1、U2為區(qū)域電網(wǎng)相鄰兩個周期所測量的電壓值；Uset為區(qū)域電網(wǎng)協(xié)同控制的目標電壓；Q1、Q2為區(qū)域電網(wǎng)相鄰兩個周期的無功功率。

根據(jù)比例電壓控制原理，可以計算出區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制過程中的有功輸出和無功輸出。即：

(14)

式中：Ps為電壓協(xié)同控制的有功功率；Qs為電壓協(xié)同控制的無功功率；s為滑差。

根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)電壓控制目標函數(shù)，求解得到區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功極限為：

(15)

當區(qū)域電網(wǎng)在電壓控制過程中的無功需求比無功極限值小時，那么靠近區(qū)域電網(wǎng)的一端就會優(yōu)先參與到無功調(diào)壓中。當區(qū)域電網(wǎng)在電壓控制過程中的無功需求比無功極限值大時，所有的區(qū)域電網(wǎng)都滿發(fā)無功，剩余的無功缺額都由無功補償裝置來承擔。通過制訂區(qū)域電網(wǎng)電壓的協(xié)同控制策略，實現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)電壓的協(xié)同控制。

2 試驗對比分析

2.1 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗測試

充分考慮到區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制的實際需求，按照區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制的基本要求，分別采用所提方法、文獻[4]方法以及文獻[5]方法，對區(qū)域電網(wǎng)的電壓進行控制，測試區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗情況，測試結(jié)果如表1所示。

表1 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗測試結(jié)果

表1試驗結(jié)果可以看出，采用文獻[5]方法的有功損耗平均值為941.8 MW，由于該控制方法沒有考慮到導(dǎo)線電阻率對區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的影響，使得測試過程中有一部分導(dǎo)線的損耗被計入到了區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗中，導(dǎo)致最終的區(qū)域電網(wǎng)電壓控制有功損耗值偏大。采用文獻[4]方法的有功損耗平均值為186.66 MW，由于該控制方法忽略了區(qū)域電網(wǎng)渦流和磁帶損耗的耦合性因素，使區(qū)域電網(wǎng)輸出的電壓存在測量誤差。采用本文所提方法對區(qū)域電網(wǎng)電壓進行控制時，隨著區(qū)域電網(wǎng)功率水平的變化，仍然具有非常高的控制能力，經(jīng)計算，該方法區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗平均值為80.96 MW，可以有效降低區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗。

2.2 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗測試

為驗證基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法的有效性，測試本文所提方法、文獻[4]方法以及文獻[5]方法在區(qū)域電網(wǎng)電壓控制中的無功損耗情況，結(jié)果如圖4所示。

從圖4的試驗結(jié)果可以看出，在區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗測試中，隨著區(qū)域電網(wǎng)的功率水平變化，基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法的無損功耗較小。而文獻[4]的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法和文獻[5]的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法測試得到區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗雖然比有功損耗小，但是仍然不如基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法。本文所提方法由于引入了全橋變流器，考慮到全橋變流器輸出電壓與區(qū)域電網(wǎng)電壓之間的相位差，提高了區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制能力。

圖4 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗

3 結(jié)束語

本文提出了基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制。該方法在區(qū)域電網(wǎng)電壓控制中，可以減少電壓控制的有功損耗和無功損耗，具有比較高的電壓控制能力。在以后的研究中，可以將區(qū)域電網(wǎng)電壓預(yù)測信息加入到電壓協(xié)同控制中，在提高區(qū)域電網(wǎng)運行過程中可靠性的同時，降低了電網(wǎng)的功率損耗。