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        新能源電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定分布式?jīng)Q策控制模型

        2022-04-19 04:03:44朱靈子翟勇馬覃峰唐建興袁小清姚瑤
        可再生能源 2022年4期
        關(guān)鍵詞:功角出力發(fā)電機(jī)

        朱靈子,翟勇,馬覃峰,唐建興,袁小清,姚瑤

        (1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心,貴州 貴陽 550000;2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司,北京 100192;3.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

        0 引言

        隨著2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電裝機(jī)容量占比將逐步提高,電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例可再生能源和高比例電力電子特性[1]~[3]。由于新能源發(fā)電與常規(guī)機(jī)組的出力特性不同,因此在系統(tǒng)中大量常規(guī)機(jī)組被風(fēng)電和光伏替代的同時(shí),系統(tǒng)的功角穩(wěn)定特性也將發(fā)生變化,這使得新能源電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性分析的難度大大增加[4]~[6]。另外,可再生能源出力具有較強(qiáng)的波動性,一旦發(fā)生大擾動,將使電力系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào),導(dǎo)致功角失穩(wěn)。深入分析新能源電力系統(tǒng)下的功角穩(wěn)定性,研究系統(tǒng)發(fā)生故障后功角振蕩中心定位、辨識以及控制方法,將會為電力系統(tǒng)的安穩(wěn)運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

        國內(nèi)外對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定的控制決策已經(jīng)開展了大量的研究,并取得了一些成果。文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]提出了在線穩(wěn)定評估系統(tǒng)的架構(gòu),介紹了輔助決策在其中的位置和作用。文獻(xiàn)[9]介紹了互聯(lián)電網(wǎng)預(yù)決策系統(tǒng)中預(yù)防控制和緊急控制一體化框架以及與其它系統(tǒng)的接口。文獻(xiàn)[10]提出了基于數(shù)值積分靈敏度和梯度的快速切機(jī)切負(fù)荷方法。文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]提出了基于軌跡靈敏度的暫態(tài)安全域分析方法,建立了基于安全域的暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制模型。文獻(xiàn)[13]將控制決策作為一個非線性規(guī)劃問題,提出了基于EEAC穩(wěn)定裕度指標(biāo)的控制措施搜索方法。文獻(xiàn)[14]利用發(fā)電機(jī)功角變化情況,將系統(tǒng)等值為兩個機(jī)群,逐步調(diào)整兩側(cè)功率并確定控制方法。

        針對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定過程中存在的功角穩(wěn)定問題,本文首先分析了電力系統(tǒng)同調(diào)機(jī)組群的振蕩特性,對振蕩中心進(jìn)行定位。根據(jù)動態(tài)過程中各個振蕩區(qū)域的動態(tài)特性,結(jié)合實(shí)際工程中確定控制措施的經(jīng)驗(yàn),確定可調(diào)整區(qū)域和控制設(shè)備。針對新能源發(fā)電與常規(guī)機(jī)組的出力特性差異,分析了新能源接入后系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,建立新能源電力系統(tǒng)分布式能量最優(yōu)控制模型。通過仿真驗(yàn)證了本文所提模型的合理性,該模型能夠提高功角穩(wěn)定控制精度。

        1 功角振蕩中心定位與可調(diào)區(qū)域識別

        本文以電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別為基礎(chǔ),對系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)及動態(tài)發(fā)電機(jī)功角失穩(wěn)后系統(tǒng)的振蕩機(jī)組群和振蕩中心進(jìn)行識別?;跈C(jī)組的擺動特性識別可調(diào)機(jī)組,為實(shí)現(xiàn)功角穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。

        本文提出的功角穩(wěn)定輔助決策方法包含以下幾個步驟。第一,進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理?;A(chǔ)數(shù)據(jù)包括潮流數(shù)據(jù)、穩(wěn)定數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和斷面定義數(shù)據(jù)。第二,進(jìn)行單故障處理,即針對每個故障分別進(jìn)行處理,其中考慮多個故障的影響對單個故障進(jìn)行修正。第三,確定可調(diào)機(jī)組,對聯(lián)絡(luò)線、振蕩中心線路以及電壓等級等進(jìn)行拓?fù)浞治?,確定可減少機(jī)組出力和增加機(jī)組出力的區(qū)域,尋找可調(diào)的發(fā)電機(jī)組,確定可調(diào)機(jī)組的順序。第四,進(jìn)行功角穩(wěn)定控制。綜合所有故障可行的調(diào)整措施,結(jié)合考慮所有故障后系統(tǒng)的拓?fù)浞治?,對各機(jī)組功角進(jìn)行分布式控制,并檢驗(yàn)控制措施對故障修正的有效性。

        1.1 振蕩中心定位

        振蕩中心的位移函數(shù)如下:

        振蕩中心在系統(tǒng)外時(shí),m不在[0,1]內(nèi)。且存在ωi<ωB或者ωA<ωi。

        1.2 可調(diào)區(qū)域識別

        可調(diào)區(qū)域是可以采取措施的部分,包括可增加出力的區(qū)域、可減少出力的區(qū)域。可調(diào)整區(qū)域識別基本步驟如下。

        步驟一:采用振蕩中心對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割

        首先從電網(wǎng)本身物理特性對電網(wǎng)進(jìn)行分割,利用振蕩中心的特性對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分解,可以識別出電網(wǎng)在特定擾動后的同調(diào)區(qū)域。圖1是一個基于振蕩中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分割的示意圖。

        圖1 基于振蕩中心的網(wǎng)絡(luò)分割Fig.1 Network division based on oscillation center

        圖1中有5個電網(wǎng)互聯(lián)成為一個較大的互聯(lián)電網(wǎng)。假定故障發(fā)生在系統(tǒng)3,在動態(tài)仿真過程中檢測到3個振蕩中心,則將系統(tǒng)分解為4個振蕩區(qū)域。實(shí)際系統(tǒng)振蕩中心通常出現(xiàn)在較弱的聯(lián)絡(luò)線上,特別是在不同地區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)線上,但也可能出現(xiàn)在一個地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部連接比較薄弱的區(qū)域,如圖1中的振蕩中心1。發(fā)生多個故障時(shí),可能出現(xiàn)更多的振蕩中心,則網(wǎng)絡(luò)將會分解為更多的區(qū)域。

        步驟二:考慮人為指定的斷面對電網(wǎng)進(jìn)行分割

        對于較大的互聯(lián)電網(wǎng)一般會包含多個稍小的電網(wǎng)??紤]到不同區(qū)域電網(wǎng)的管理范圍不同,實(shí)際電網(wǎng)采取控制措施,通常須要在本管理范圍之內(nèi)進(jìn)行。因此,在控制措施自動決策中,必須考慮故障發(fā)生的地區(qū)和采取措施區(qū)域的關(guān)聯(lián)關(guān)系,須要在振蕩中心的基礎(chǔ)之上疊加管理范圍條件,對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分解。系統(tǒng)中可能存在非常關(guān)鍵的斷面,對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響比較大。

        假設(shè)圖1中的系統(tǒng)1,2,3,4,5都由不同區(qū)域電網(wǎng)管理,考慮到管轄范圍,將系統(tǒng)進(jìn)一步分解為6個區(qū)域,如圖2所示。

        圖2 基于管理范圍和振蕩中心的網(wǎng)絡(luò)分割Fig.2 Network division based on oscillation center and management

        步驟三:確定可調(diào)整區(qū)域

        輔助控制須要給出運(yùn)行方式預(yù)先調(diào)整的建議。為了保持功角穩(wěn)定,通常采用降低輸電斷面功率的方法,即降低送端發(fā)電機(jī)出力、增加受端發(fā)電機(jī)組出力。因此須要確定送端、受端兩側(cè)可調(diào)整區(qū)域。

        步驟四:確定考慮多個故障的最終可調(diào)整區(qū)域

        在含有多個故障情況時(shí),送端和受端網(wǎng)絡(luò)的確定比較復(fù)雜,按照上述方法確定的可調(diào)整網(wǎng)絡(luò)可能存在重疊或者沖突,須要進(jìn)一步考慮多個故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,去除重疊區(qū)域。

        在圖3所示的網(wǎng)絡(luò)中,假設(shè)系統(tǒng)5發(fā)生故障,在子系統(tǒng)5和系統(tǒng)5之間出現(xiàn)振蕩中心。圖3是根據(jù)振蕩中心和管轄區(qū)域所劃分的網(wǎng)絡(luò)分割示意圖。

        圖3 系統(tǒng)5故障對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分割Fig.3 Network division for system 5 fault

        同時(shí)考慮圖2和圖3兩個故障對應(yīng)的可調(diào)整區(qū)域,兩者存在重疊和互斥的區(qū)域。此時(shí)基本上保留振蕩明顯的區(qū)域,受端可調(diào)整區(qū)域適度減小。如圖4所示,同時(shí)考慮兩個故障后的送端區(qū)域?yàn)閰^(qū)域2,3,41,受端區(qū)域?yàn)閰^(qū)域42。

        圖4 考慮多個故障的網(wǎng)絡(luò)分割Fig.4 Network division for multi fault

        2 新能源接入的系統(tǒng)功角穩(wěn)定特性分析

        考慮到新能源發(fā)電與常規(guī)機(jī)組出力的特性不同,在新能源系統(tǒng)滲透率逐步提高的同時(shí),系統(tǒng)的功角穩(wěn)定特性也將發(fā)生變化。根據(jù)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動態(tài)分析,風(fēng)電接入前多機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為

        式中:Ei,Ek為節(jié)點(diǎn)i,k的電壓;δS,δR為機(jī)群S和機(jī)群R的功角;Gij,Bij為節(jié)點(diǎn)i,j的互導(dǎo)和互納;Pm為系統(tǒng)機(jī)械功率;Pmax為系統(tǒng)電磁傳輸功率的最大值;MS,MR為S,R機(jī)群的轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)。

        風(fēng)電接入系統(tǒng)后,根據(jù)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣,得到計(jì)及風(fēng)電影響的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程:

        可以看出,式(8),(9)是通過將暫態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組外特性對系統(tǒng)同步機(jī)電氣聯(lián)系的影響,折算到等值系統(tǒng)的機(jī)械功率上,可實(shí)現(xiàn)對新能源系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定分析。

        3 新能源電力系統(tǒng)分布式?jīng)Q策控制模型

        考慮N個區(qū)域電網(wǎng)參與控制,其中第i個機(jī)組的狀態(tài)變量記為si(t)=(x,y,νx,νy)T,能量控制輸入為u(t)=(ux,uy)T。每個區(qū)域電網(wǎng)視為二維平面內(nèi)的質(zhì)點(diǎn),其能量控制特性可表示為

        暫態(tài)過程中,表征系統(tǒng)的各種電磁參數(shù)都會發(fā)生急劇變化,使發(fā)電機(jī)的電磁功率和機(jī)械功率之間失去平衡。接入風(fēng)電后,雖然風(fēng)電本身不存在功角穩(wěn)定問題,但是會改變系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程,從而影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動暫態(tài)過程。所以,可以通過能量函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的功角穩(wěn)定控制。定義系統(tǒng)能量函數(shù)Vi[ui(t)]=uiT(t)Riui(t),Ri為正定矩陣。可再生能源電網(wǎng)的最優(yōu)能量控制可描述為給定初始狀態(tài)S0以及暫態(tài)過程的時(shí)間T?Z,控制輸入向量ui(0),…,ui(T-1),使得Zi(T)=1-Δθi,同時(shí)最小化功角振蕩,其中Δθi是功角相對于初始狀態(tài)的改變量,功角穩(wěn)定最優(yōu)控制模型如下:

        式中:Vi[ui(t)]為系統(tǒng)的能量函數(shù);si(t)為第i個機(jī)組的狀態(tài)變量;zi(t)為系統(tǒng)的輸出變量;A,B,C為輔助參數(shù)。

        可再生能源電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)與能量控制均須滿足穩(wěn)定性約束,即對任意t?[0,T],都有-si(t)?Si,ui(t)?Ui。利用線性不等式的方法對穩(wěn)定性約束進(jìn)行處理。

        4 算例分析

        以某地電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)為算例,區(qū)域電網(wǎng)1和區(qū)域電網(wǎng)2間為可再生能源匯集區(qū)。以互聯(lián)電網(wǎng)兩種極限故障進(jìn)行仿真,驗(yàn)證本文功角穩(wěn)定控制方法的有效性?;ヂ?lián)電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖5 互聯(lián)電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)Fig.5 Basic structure of interconnected power grid

        該互聯(lián)電網(wǎng)主要由區(qū)域電網(wǎng)1~5組成,并與區(qū)域電網(wǎng)6相連。其中區(qū)域電網(wǎng)3是主要的受電區(qū)域,區(qū)域電網(wǎng)1,4除了是主要送電區(qū)域之外,還與部分電廠直接相連。該電網(wǎng)存在的主要問題是區(qū)域電網(wǎng)1外送存在低頻振蕩問題,故障比較嚴(yán)重時(shí)可能會引起功角失穩(wěn)。因此,以區(qū)域電網(wǎng)1外送作為主要的研究目標(biāo),分析本文中提到的方法,并驗(yàn)證其有效性。圖6為區(qū)域電網(wǎng)1與區(qū)域電網(wǎng)2的連接結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖6 區(qū)域電網(wǎng)1與區(qū)域電網(wǎng)2的結(jié)構(gòu)Fig.6 Connection structure of regional power grid 1 and regional power grid 2

        選取比較嚴(yán)重的兩個故障形式。故障1:5-6雙回線路三相短路,0.1 s跳雙回;故障2:4-5雙回線路三相短路,0.1 s跳雙回。

        ①進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算,確定振蕩中心

        兩個故障計(jì)算結(jié)果都發(fā)生了功角失穩(wěn),統(tǒng)計(jì)的振蕩中心如表1所示。

        表1 振蕩中心統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical chart of oscillation center line

        同時(shí)統(tǒng)計(jì)動態(tài)過程中的功角波動和電壓波動作為后續(xù)發(fā)電機(jī)排序的重要指標(biāo)。發(fā)電機(jī)功角波動為所有時(shí)刻功角相對于初值的差值絕對值之和,電壓波動為所有時(shí)刻發(fā)電機(jī)高壓側(cè)母線電壓相對初值的差值絕對值之和。

        ②根據(jù)振蕩中心和聯(lián)絡(luò)線確定可調(diào)整區(qū)域

        根據(jù)互聯(lián)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),指定聯(lián)絡(luò)線如圖7所示。

        圖7 指定聯(lián)絡(luò)線示意圖Fig.7 Specified link schematic diagram

        結(jié)合振蕩中心和聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)可以將系統(tǒng)分為如圖8所示的多個區(qū)域。故障1發(fā)生時(shí),可降低出力區(qū)域?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)1,可增加出力區(qū)域?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)2和3;故障2發(fā)生時(shí),可降低出力區(qū)域?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)1,可增加出力區(qū)域?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)2和3。由于可再生能源匯集在兩個故障控制措施中,其功能定位是矛盾的,不對其進(jìn)行調(diào)整。

        圖8 基于振蕩中心和聯(lián)絡(luò)線的可調(diào)區(qū)域Fig.8 Adjustable area based on oscillation center and link

        ③確定可調(diào)發(fā)電機(jī)及其順序

        針對選取的兩個故障,可根據(jù)發(fā)電機(jī)動態(tài)過程中出力區(qū)域的發(fā)電機(jī)端電壓變化量和發(fā)電機(jī)相連電壓等級來確定順序。由于故障發(fā)生在500 kV電網(wǎng),因此優(yōu)先考慮500 kV電網(wǎng)直接相連的發(fā)電機(jī)。故障1對應(yīng)的可降低出力發(fā)電機(jī)及其排序如表2所示。故障2與故障1基本一致,不再列出。

        表2 故障1可降低出力發(fā)電機(jī)Table 2 fault one generator list output can be reduce

        可增加出力發(fā)電機(jī)基本采用上述類似的方法來確定,優(yōu)先考慮500 kV直接相連的發(fā)電機(jī)。故障1對應(yīng)的可增加出力發(fā)電機(jī)如表3所示。由于發(fā)電機(jī)較多,僅列出前10組。故障2與其類似,不再列出。

        表3 故障1可增加出力部分發(fā)電機(jī)Table 3 fault one Generator list output can be increase

        ④確定可行的調(diào)整控制措施

        在表2和表3的基礎(chǔ)之上進(jìn)行發(fā)電機(jī)組合。先確定可調(diào)整的功率范圍以減少組合數(shù),然后確定組合,并采用時(shí)域仿真計(jì)算,確定可行的調(diào)整方法。針對選取的兩個故障,首先分別進(jìn)行計(jì)算,然后再組合進(jìn)行計(jì)算校核,最終確定適應(yīng)兩者的可行調(diào)整控制方法。對于每組故障都可以給出多種發(fā)電機(jī)組合措施。表4給出了故障1和故障2的一組可調(diào)整控制措施。

        表4 故障1和故障2的可調(diào)整控制措施Table 4 adjustable control methods for fault one and two

        表4中,故障1的調(diào)整措施量比較大,涉及到的發(fā)電機(jī)較多,而故障2調(diào)整措施量相對較小,涉及到的發(fā)電機(jī)較少。在上述措施基礎(chǔ)上須加以綜合考慮,得到對于兩個故障都可行的調(diào)整措施。由于兩者的可調(diào)整區(qū)域具有一定的重疊性,因此首先以故障1措施作為基準(zhǔn),校核對故障2的有效性;如果無效,則增加故障2的部分措施繼續(xù)進(jìn)行校驗(yàn)。最終結(jié)果表明,若故障1的措施對故障2有效,即將故障1的措施作為最終的有效措施。

        5 結(jié)論

        以電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別為基礎(chǔ),結(jié)合基于離線穩(wěn)定計(jì)算分析中的人工分析基本方法,提出了振蕩中心識別、可調(diào)整區(qū)域識別、可調(diào)整設(shè)備識別和通過時(shí)域仿真法確定可行控制措施。

        結(jié)合振蕩中心、管轄范圍,并綜合考慮各故障的可調(diào)區(qū)域,確定最終的網(wǎng)絡(luò)分解和調(diào)整策略。根據(jù)各個振蕩區(qū)域的動態(tài)特性確定可調(diào)整的發(fā)電機(jī)及順序。

        利用本文提出的新能源電力系統(tǒng)分布式?jīng)Q策控制方法,分析接入高比例可再生能源下的系統(tǒng)功角穩(wěn)定性,能夠較好地應(yīng)對系統(tǒng)故障,維持系統(tǒng)的功角穩(wěn)定。

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