淺析電力系統(tǒng)中二級(jí)電壓的控制

一、概述

電壓崩潰的基本原因是由于電網(wǎng)中某些地區(qū)無(wú)功不足，造成局部電壓下降，進(jìn)而導(dǎo)致全網(wǎng)電壓水平下降，最終使系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰。在此認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了對(duì)電力系統(tǒng)采取分級(jí)電壓控制的思想。整個(gè)控制系統(tǒng)分為三級(jí)：一級(jí)電壓控制、二級(jí)電壓控制和三級(jí)電壓控制。其中二級(jí)電壓控制的主要目標(biāo)是以某種協(xié)調(diào)方式重新設(shè)置區(qū)域內(nèi)各自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的參考值，使得各節(jié)點(diǎn)電壓滿足運(yùn)行要求。二級(jí)電壓控制是連接其他兩個(gè)層次的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，他能夠從區(qū)域電壓穩(wěn)定的角度出發(fā)，合理、協(xié)調(diào)地分配本區(qū)域內(nèi)各電壓無(wú)功支持源的無(wú)功功率，充分利用區(qū)域的無(wú)功儲(chǔ)備，在一定程度上能夠改善區(qū)域的電壓水平和提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。二級(jí)電壓控制已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究和實(shí)踐，是一種可行的、比較成熟的電壓穩(wěn)定綜合控制技術(shù)。

二、二級(jí)電壓控制原理

二級(jí)電壓控制首先將整個(gè)電力系統(tǒng)分成若干個(gè)控制區(qū)域，這些區(qū)域最理想的狀態(tài)是彼此電氣距離較遠(yuǎn)，相互近似解耦。在每個(gè)控制區(qū)域中選出其最關(guān)鍵的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)稱為“引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)”，二級(jí)電壓控制則是根據(jù)引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓偏離，按照某種預(yù)定的控制方式協(xié)調(diào)地改變區(qū)域各個(gè)控制發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的參考電壓設(shè)定值或其它無(wú)功源的設(shè)定值，從而使得引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓基本保持不變，進(jìn)而維持整個(gè)系統(tǒng)的電壓水平和無(wú)功分布在一個(gè)良好的狀態(tài)。在二級(jí)電壓控制中，整個(gè)系統(tǒng)被劃分為若干近似解耦的控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域選擇其關(guān)鍵性的、能夠反映本區(qū)域負(fù)荷電壓水平的節(jié)點(diǎn)作為引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，并為各引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)挑選能夠?yàn)橹峁┯行щ妷褐С值臒o(wú)功源作為控制發(fā)電機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行中，二級(jí)電壓控制器監(jiān)視引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓，通過(guò)調(diào)整本區(qū)域一次電壓控制器的電壓參考值，將引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值維持在設(shè)定值附近，從而達(dá)到維持整個(gè)區(qū)域電壓水平的目的。任何一個(gè)電力系統(tǒng)都可以看作是由一組局部受控的發(fā)電機(jī)組、負(fù)荷以及連接它們的傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。系統(tǒng)的電壓動(dòng)態(tài)由兩部分組成：一級(jí)電壓控制引起的一級(jí)電壓動(dòng)態(tài)以及由二級(jí)電壓控制引起的二級(jí)電壓動(dòng)態(tài)。其中影響系統(tǒng)一級(jí)電壓動(dòng)態(tài)的主要系統(tǒng)部件包括發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)、負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)，二級(jí)電壓控制只在勵(lì)磁系統(tǒng)中引入附加控制量。

三、二級(jí)電壓控制的模型

當(dāng)建立發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、負(fù)荷以及網(wǎng)絡(luò)的模型后，將這些方程線性化，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)，可以得出二級(jí)電壓控制的模型：

△U1=S1△Q1+S2△U2（1），△Qg=S3△Q1+S4△US（2），式中：△U1為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓變化量；△Qg為發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功的變化量；△Q1為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)無(wú)功變化量；△US為二級(jí)電壓控制附加信號(hào)的變化量；S1、S2、S3、S4為相應(yīng)的系數(shù)矩陣。式（1）反映了負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓與負(fù)荷無(wú)功變化和二級(jí)電壓附加控制之間的關(guān)系。式（2）反映了發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功與負(fù)荷無(wú)功變化和二級(jí)電壓附加控制之間的關(guān)系。由式（1）、式（2）表示的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)一般是不完全可控系統(tǒng)，這說(shuō)明二級(jí)電壓控制無(wú)法完全控制系統(tǒng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓。一般情況下，電壓控制區(qū)內(nèi)的所有發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)都被選為控制機(jī)組參與調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)中的引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目確定后，就需要考慮哪些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)被選為引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。選出的引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有以下的性質(zhì)：當(dāng)引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓保持不變時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)的任何無(wú)功負(fù)荷的變化造成的所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓偏移最小。引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的上述性質(zhì)可以用如下的：最小化問(wèn)題來(lái)描述：min(△UT1Q△U1)（3），其中Q為權(quán)矩陣，用以體現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中重要節(jié)點(diǎn)電壓變化的關(guān)注程度。引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的選擇可以用如下的優(yōu)化問(wèn)題來(lái)描述：minE(△UT1Q△U1)（4），其中E（*）表示對(duì)隨機(jī)函數(shù)取期望值，這是因?yàn)闊o(wú)功負(fù)荷的變動(dòng)是隨機(jī)的。

四、二級(jí)電壓控制的子問(wèn)題

二級(jí)電壓控制問(wèn)題包含了兩個(gè)子問(wèn)題，即：（1）劃分控制區(qū)域、選擇引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的控制發(fā)電機(jī)；（2）設(shè)計(jì)控制規(guī)律，根據(jù)引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差調(diào)整一次電壓控制器的電壓參考值。其中（1）是由離線計(jì)算完成的，對(duì)一個(gè)給定的系統(tǒng)只做一次計(jì)算，選擇出合適的引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和控制發(fā)電機(jī)，在以后的計(jì)算或運(yùn)行中就不再重新選擇。（2）的實(shí)現(xiàn)有不同的方法，一類是在線尋優(yōu)計(jì)算，即根據(jù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的不同類別的擾動(dòng)信息選擇相應(yīng)的性能指標(biāo)，并進(jìn)行在線尋優(yōu)計(jì)算，確定控制規(guī)律，這種方法針對(duì)性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是對(duì)算法的快速性要求高，難于實(shí)現(xiàn)。另一類則是以PID控制器或其它控制器實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)（1）有兩種方法：一種是按照地域分布或行政劃分，首先將全系統(tǒng)分成若干個(gè)控制區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行選擇計(jì)算，找到該區(qū)域的引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)及控制發(fā)電機(jī)；另一種則按照選擇引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的性能指標(biāo)，對(duì)全系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，找出所有的引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和與之對(duì)應(yīng)的控制發(fā)電機(jī)。找出了引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和控制發(fā)電機(jī)的分布，控制區(qū)域的劃分也就確定了。在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，應(yīng)針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的不同情況，靈活地使用上述兩種方法。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以提供系統(tǒng)的運(yùn)行信息，但是這種運(yùn)行信息的獲得卻并不需要遍及每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。也就是說(shuō)總有一些節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信息是具代表性的，我們從這些節(jié)點(diǎn)就有可能獲得反映整個(gè)系統(tǒng)的某方面運(yùn)行情況的信息?！耙龑?dǎo)節(jié)點(diǎn)”就是電力系統(tǒng)中這樣的有代表性的節(jié)點(diǎn)。典型情況下，每一個(gè)控制區(qū)域中只選1個(gè)引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，而電壓/無(wú)功的二級(jí)電壓控制規(guī)律就以該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差作為反饋輸入。