李 偉，宋 勤，周曉虎

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司培訓(xùn)中心，杭州 310015；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

電網(wǎng)系統(tǒng)是現(xiàn)代發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的主體，其運(yùn)行需要大量的能量，因此需要將風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等可再生能源接入電網(wǎng)，以節(jié)省能源的損耗，然而此類新能源在接入電網(wǎng)后，會(huì)不斷出現(xiàn)功率擾動(dòng)的現(xiàn)象，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，研究人員在發(fā)電系統(tǒng)中補(bǔ)償無功指令，以電網(wǎng)末梢的無功補(bǔ)償降低電網(wǎng)電壓與功率的差值[1，2]。但是這種方法片面而不合理，在配電系統(tǒng)面臨電壓的快速波動(dòng)時(shí)，滲透率難以得到有效的控制，且經(jīng)濟(jì)成本也很高。因此在本文中基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電網(wǎng)電壓精細(xì)自動(dòng)化控制方法，以減小電壓與功率的偏差，提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

1 基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)電網(wǎng)電壓精細(xì)自動(dòng)化控制方法

1.1 提取電網(wǎng)電壓流序分量

想要控制電網(wǎng)系統(tǒng)中的正序以及負(fù)序電壓，需要正確提取電壓流序分量。設(shè)可以靈活發(fā)電的分布式電源在濾波器內(nèi)的輸出電流與輸入電壓分別為：

式中，Iop和Uop分別表示在電源處的電流與電壓值；ix，iy，ux，uy均為電網(wǎng)系統(tǒng)在零序通路中的電流與電壓分量。在提取零序分量時(shí)，可以將靜止的坐標(biāo)系按照順時(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)，得到不同角速度下的正序以及負(fù)序頻率，再通過濾波的方式獲取直流分量，具體程序如圖1所示。

圖1 靜止坐標(biāo)系法提取電壓流序分量

如圖1所示，在靜止的坐標(biāo)系中計(jì)算電壓與電流的正負(fù)流序分量，將X作為有功功率，將Y作為無功功率，從窗口1到窗口4需要經(jīng)過1Hz的濾波裝置，將X1作為進(jìn)入窗口，將Y4作為離開的窗口，可以得到基于無功瞬時(shí)功率的三相電壓表達(dá)式：

式中，Py和Pw分別表示電網(wǎng)的有功功率和無功功率；u表示直流電的電壓；X1，Y4分別表示濾波裝置中的輸入與輸出窗口；表示有功功率的直流分量和交流分量；表示無功功率的直流分量和交流分量。因此在產(chǎn)生不平衡分量集合時(shí)，可以將電流與電壓分別作為基頻的正序分量，用以代替有功和無功的基頻分量[3]。在計(jì)算電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的正序和負(fù)序電壓的過程中可以建立目標(biāo)方程式為：

式中，U+表示電網(wǎng)負(fù)載中的基頻正序分量；U-表示電網(wǎng)負(fù)載基頻的負(fù)序分量；分別表示有功功率的正序直流和交流分量；表示無功功率的正序直流和交流分量；同理，分別表示有功、無功功率的正序和負(fù)序直流交流分量。通過該方法得到的電網(wǎng)電壓流序分量，可以得知電網(wǎng)中正序或負(fù)序電壓的非正常變化，進(jìn)而確定存在電壓質(zhì)量問題的節(jié)點(diǎn)。

1.2 基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化單一目標(biāo)參數(shù)

電壓控制需要依據(jù)大量的數(shù)據(jù)建立模型，通過運(yùn)行對(duì)象的變量特征進(jìn)行選擇，并把握其中的狀態(tài)參數(shù)，挖掘不同變量之間的內(nèi)部聯(lián)系，以精細(xì)的規(guī)則提出自動(dòng)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)參數(shù)[4]。在電網(wǎng)的電壓精細(xì)控制之下，各電壓等級(jí)需要無視撓組電壓的上限及下限，此時(shí)每個(gè)控制變量的取值區(qū)間為：

式中，Up表示節(jié)點(diǎn)p在電網(wǎng)中的控制電壓參數(shù)；Up，min和Up，max分別表示當(dāng)前取值范圍下節(jié)點(diǎn)p的最小值和最大值。如母線電壓的當(dāng)前值為1.0，但是其最大最小取值區(qū)間約為0.96～1.14。在電壓的分層分區(qū)運(yùn)行過程中，需要建立一個(gè)目標(biāo)區(qū)域的集合：

式中，Poi表示目標(biāo)集合；表示電網(wǎng)中共有A臺(tái)500kV的主變電壓器；表示主變電壓器外部共有B臺(tái)500kV的低壓母線；表示在主變電壓器的中軸線上，共有C條220kV的中壓母線；表示主變電壓器中有D根220kV的高壓母線。因此在整個(gè)電網(wǎng)的無功電壓分區(qū)中，可以通過大量的數(shù)據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并提取相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)需求分析，控制目標(biāo)變量Up（p=1，2，...，P），在每一個(gè)Up的取值范圍內(nèi)均選擇采樣法進(jìn)行樣本估計(jì)，根據(jù)需求分析當(dāng)前電網(wǎng)模型中的數(shù)據(jù)綜合，并將每一個(gè)樣本值進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果需要一一保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)使用。想要構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化參數(shù)模型，需要建立二次規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并將單個(gè)電流控制環(huán)作為低通濾波的損耗消減裝置。其中電壓不平衡狀態(tài)的傳遞函數(shù)為：

式中，he表示直流電壓的有功功率；hp表示直流電壓的無功功率；δ0表示電網(wǎng)電流引發(fā)的最大諧波次數(shù)；U0表示電壓的有功輸出控制頻率；Y0表示電網(wǎng)在濾除信號(hào)時(shí)的無功輸出頻率。將其連接進(jìn)校正系統(tǒng)中，為提高電流的質(zhì)量，可以得到系統(tǒng)的功率指令：

式中，We表示電網(wǎng)系統(tǒng)在校正指令中輸出的功率；表示正序電壓的出力功率；表示負(fù)序電壓的出力功率；Top表示低通濾波裝置的電壓幅值；yh表示有功功率在經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的直軸分帶總量。以此建立電力輸送狀態(tài)下的非線性動(dòng)力學(xué)方程：

式中，YPR（s）表示控制系統(tǒng)中的較大預(yù)測(cè)誤差；Kp和Ki分別表示諧振系數(shù)在靜止坐標(biāo)系下的控制量與交流量；Posi表示系統(tǒng)傳遞函數(shù)的固定頻率；ω0表示諧振頻率；hs表示調(diào)解電壓頻率的幅值。在當(dāng)前的電網(wǎng)狀態(tài)下，可以以上述方法設(shè)置自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)，優(yōu)化單一目標(biāo)參數(shù)，以提高電網(wǎng)電壓偏差的控制能力。

1.3 自適應(yīng)控制電網(wǎng)電壓偏差

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，通過單一目標(biāo)參數(shù)建立逆變器與電網(wǎng)的連接機(jī)制，如果單一地區(qū)內(nèi)的電壓穩(wěn)定性較為突出，可以在邊遠(yuǎn)線路中提高電壓的極限值，以電網(wǎng)電壓作為等效電路的參考向量，將線路的電阻和電抗作為有功和無功電路的負(fù)載，設(shè)置電網(wǎng)電壓的參考量：

式中，Ufg表示電網(wǎng)電壓在保持不變的情況下，單位功率的因數(shù)；Ui表示節(jié)點(diǎn)i在線路中的負(fù)荷規(guī)模；Pip和Put分別表示電網(wǎng)電壓的饋線連接有功功率和無功功率；Ri表示i節(jié)點(diǎn)中的電阻負(fù)載。為解決分布式電源連接進(jìn)入電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓越限問題，可以在提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的同時(shí)，在有功和無功輸出的節(jié)點(diǎn)中制作獨(dú)立控制的框圖，以表明無功功率參考值的設(shè)置合理性[5]。在分布式系統(tǒng)中，可以依據(jù)功率因數(shù)將Li轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)p，并降低有功出力的額定功率，其表達(dá)式為：

式中，βx表示有功出力電壓的角度參數(shù)；Pi，Pmin，Pmax分別表示功率輸出的額定值、最小值以及最大值。在控制了這個(gè)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的有功出力之后，可以在電網(wǎng)電壓未越過極限時(shí)降低電網(wǎng)的有功和無功損耗。在兼顧有功和無功的最小網(wǎng)損時(shí)，若逆變器的輸出不斷增大，則網(wǎng)損會(huì)越來越大，此時(shí)左右逆變裝置的目標(biāo)函數(shù)為：

式中，Hmin表示左右兩邊逆變裝置的最小網(wǎng)損值；表示功率輸出；i表示當(dāng)前狀況下逆壓變壓器的數(shù)量，通常情況下i=1，2，2，…，n。通過饋線并網(wǎng)連接的電壓閾值計(jì)算電壓的約束條件，此時(shí)：

其中Uy表示分布式發(fā)電系統(tǒng)在線路中輸送的功率值。又可以得到不同并網(wǎng)對(duì)無功功率的給定值：

式中，μ和θ分別表示電網(wǎng)逆變裝置中的并網(wǎng)參數(shù)；Uuy表示饋線末端的電壓分布給定值；Uhg表示饋線起始端電壓分布的給定值。此時(shí)可以通過不同的數(shù)值分析逆變裝置吸收功率的綜合，其中的目標(biāo)函數(shù)可以跟隨約束條件的變化而變化。如果電網(wǎng)電壓在自動(dòng)化的控制過程中實(shí)現(xiàn)了精細(xì)控制，則此時(shí)的補(bǔ)償能力就會(huì)很弱，直接導(dǎo)致每一個(gè)感性分布式系統(tǒng)的補(bǔ)償量能夠與以最大的效果控制電網(wǎng)電壓的偏差。通過以上公式，可以得到電網(wǎng)電壓偏差的自適應(yīng)控制方法，在自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)中，降低電壓偏差值，就可以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 仿真分析

2.1 電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置

為測(cè)試上文方法在電網(wǎng)電壓精細(xì)化自動(dòng)控制中的有效性，設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖2所示的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，共連接有R1-R5五個(gè)負(fù)載，以及S1-S7七個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)的整體電壓等級(jí)為380V每個(gè)線路的電阻值與電抗值為0.3457+j0.15（Ω）。假設(shè)五個(gè)負(fù)載均只能發(fā)出有功功率，則可以得到七個(gè)節(jié)點(diǎn)在該電網(wǎng)系統(tǒng)中的有功出力上下限如表1所示。

表1 有功出力參數(shù)

在有功出力的過程中，欠電壓與過電壓的比例越小，則該電網(wǎng)電壓精細(xì)控制結(jié)果越好，此時(shí)可以根據(jù)表1計(jì)算電網(wǎng)電壓的欠電壓與過電壓參數(shù)。

式中，Uk和Pk分別表示電網(wǎng)在過電壓時(shí)的實(shí)時(shí)電壓與實(shí)時(shí)功率；Ui表示電網(wǎng)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的有功輸出電壓；U0表示電壓初始值；Pmax表示有功輸出上限功率；Pi表示第i個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)有功輸出的初始值；Uf和Pf分別表示電網(wǎng)在欠電壓時(shí)的實(shí)時(shí)電壓與實(shí)時(shí)功率；P0表示電壓有功輸出下限。根據(jù)以上公式，可以計(jì)算不同時(shí)間段內(nèi)電網(wǎng)過電壓與欠電壓時(shí)的功率與電壓數(shù)值，并以此判斷電網(wǎng)電壓精細(xì)自動(dòng)化控制的精確度。

2.2 電網(wǎng)輸出電壓與功率

在仿真實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算系統(tǒng)的有功功率，設(shè)置算法的最大迭代次數(shù)為100，初始收斂精度為0.3，使算法可以收斂至穩(wěn)定狀態(tài)，則此時(shí)可以在算法中計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電壓與功率輸出初始值與差值，如表2所示。

表2 各節(jié)點(diǎn)輸出電壓與功率結(jié)果

如表2所示，在本文算法中，各節(jié)點(diǎn)的輸出電壓均在0.97～1.02之間，輸出功率的取值范圍則為0～16，其欠電壓與過電壓均不超過初始電壓與功率的20%，符合電壓與功率范圍的要求。因此，分別通過式(14)和式(15)計(jì)算電網(wǎng)在有功功率時(shí)的過電壓與欠電壓偏差如圖3和圖4所示，再對(duì)比表2，分析文中方法對(duì)電網(wǎng)電壓的精細(xì)化控制效果。

如圖3所示，在電網(wǎng)電壓的測(cè)試中，七個(gè)節(jié)點(diǎn)在100次迭代以后所能得到的有功輸出電壓分別為0.998、0.997、0.990、0.986、0.984、0.982、0.981。相較于表2中的輸出電壓，該方法下的七個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓均在0.98～0.10之間。在電網(wǎng)功率的測(cè)試中，七個(gè)節(jié)點(diǎn)在100次迭代以后的七個(gè)有功功率值分別為0.11、0.06、0.08、0.09、0、0、0.03，與表2中的輸出功率相比，該方法下的電網(wǎng)輸出功率測(cè)試值范圍為0～0.11，較表2中的輸出功率數(shù)據(jù)結(jié)果更接近理想值。通過以上兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)的電網(wǎng)電壓精細(xì)自動(dòng)化控制方法，在電壓的控制方面效果更好。

圖3 電網(wǎng)電壓及功率測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)的電網(wǎng)電壓精細(xì)自動(dòng)化控制方法，在提取了電網(wǎng)電壓的正序、負(fù)序電壓分量后，通過該技術(shù)優(yōu)化了單一目標(biāo)參數(shù)。精細(xì)控制電網(wǎng)電壓，可以節(jié)省電網(wǎng)的能源，提高其對(duì)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)能力，在有功功率以及無功功率下均最大程度降低功率以及電壓的波動(dòng)。在未來進(jìn)一步的優(yōu)化中，可以針對(duì)智能配電系統(tǒng)，對(duì)電壓控制區(qū)域的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的劃分，并設(shè)計(jì)自適應(yīng)分區(qū)算法，以提高電壓分層控制模型對(duì)二級(jí)裝置以及一級(jí)裝置的控制能力。