厲文秀
(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇南京 210098)
在自然界,系統(tǒng)狀態(tài)的未來發(fā)展趨勢(shì)往往既取決于當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),也與過去的狀態(tài)密切相關(guān),這類現(xiàn)象稱為時(shí)滯現(xiàn)象。時(shí)滯現(xiàn)象在電力系統(tǒng)的控制回路中非常普遍,在過去分析電力系統(tǒng)時(shí),往往忽略時(shí)滯的影響,這主要是因?yàn)榭刂破饔杀镜亓繕?gòu)成,此時(shí)的通信延時(shí)在10 ms以下[1-4]。但是,隨著互聯(lián)電力系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度的不斷增加,大量功率需要遠(yuǎn)距離傳輸,區(qū)域間功率振蕩的可能性和危害性日益增加,僅靠局部反饋信號(hào)設(shè)計(jì)的控制器越來越難保證互聯(lián)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,必須充分利用廣域量測(cè)系統(tǒng)所能提供的遠(yuǎn)方設(shè)備信息,進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)同控制,方能確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而廣域量測(cè)信息存在明顯的延時(shí),不能完全忽略,因此研究時(shí)滯環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-8]。
現(xiàn)實(shí)生活中電力系統(tǒng)總是存在著各種各樣隨機(jī)干擾,這些干擾有的是由擾動(dòng)引起的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、參數(shù)變化,有的是由可再生能源、電動(dòng)汽車等接入引起的外部隨機(jī)激勵(lì)。當(dāng)前隨著可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng),其隨機(jī)性對(duì)電力系統(tǒng)的影響不容忽略,有必要研究隨機(jī)因素作用下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題[9-10]。
隨機(jī)電力系統(tǒng)中加入時(shí)滯,其研究的難度大大增加。近年來隨著隨機(jī)H∞控制問題的解決,隨機(jī)時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒控制問題的研究取得了一定進(jìn)展,出現(xiàn)了一些新的研究成果。文獻(xiàn)[11]研究了一類帶Markovian切換的非線性時(shí)滯隨機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題;文獻(xiàn)[12-13]通過使用模型轉(zhuǎn)換和線性矩陣不等式的方法,研究了一類時(shí)滯不確定隨機(jī)系統(tǒng)的平均時(shí)間延遲和指數(shù)穩(wěn)定性的魯棒控制;文獻(xiàn)[14-15]研究了不確定隨機(jī)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性條件。
目前在電力系統(tǒng)領(lǐng)域,隨機(jī)時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究還未見報(bào)道。本文以勵(lì)磁系統(tǒng)輸入信號(hào)延時(shí)作為時(shí)滯環(huán)節(jié),并通過引入負(fù)荷擾動(dòng)項(xiàng),建立單機(jī)無窮大隨機(jī)時(shí)滯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;仿真獲得隨機(jī)時(shí)滯電力系統(tǒng)的受擾軌跡,分析不同時(shí)滯、不同擾動(dòng)強(qiáng)度下隨機(jī)時(shí)滯電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性;負(fù)荷模型分別采用恒阻抗、恒功率、恒電流模型,分析比較采用不同負(fù)荷模型對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。仿真表明,3種負(fù)荷模型所能承受的時(shí)滯上限能力從大到小依次為:恒阻抗模型、恒電流模型、恒功率模型。
用于描述負(fù)荷特性的數(shù)學(xué)模型稱之為負(fù)荷模型[16]。如果所采用的負(fù)荷模型不夠準(zhǔn)確,在系統(tǒng)仿真過程中,會(huì)影響電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題,甚至仿真得到的結(jié)果與系統(tǒng)的真實(shí)情況存在很大的差異[17-20]。
一個(gè)靜態(tài)負(fù)荷模型表示任意瞬時(shí)的負(fù)荷特性是該瞬時(shí)的母線電壓幅值和頻率的代數(shù)函數(shù)。有功功率分量P和無功功率分量Q分別予以考慮。本文只考慮與電壓相關(guān)的負(fù)荷模型。
傳統(tǒng)上負(fù)荷對(duì)電壓的依賴特性用指數(shù)模型來表示
式(1)中,P和Q為當(dāng)母線電壓幅值為V時(shí)的負(fù)荷有功和無功分量;下標(biāo)“0”表示初始運(yùn)行條件時(shí)相關(guān)變量的值。
這個(gè)模型的參數(shù)是指數(shù)a和b。當(dāng)這些指數(shù)等于0、1或2,該模型分別表示恒功率、恒電流或恒阻抗特性。對(duì)于合成負(fù)荷,它們的值取決于負(fù)荷分量的綜合特性。指數(shù)a(或b)接近等于當(dāng)U=U0時(shí)的斜率dP/dU(或dQ/dU)。對(duì)于合成的系統(tǒng)負(fù)荷,指數(shù)a通常在0.5~1.8的范圍內(nèi);指數(shù)b的典型值在1.5~6.0之間。指數(shù)b的一個(gè)突出特點(diǎn)是,它的變化是電壓的非線性函數(shù)。這是配電變壓器和電動(dòng)機(jī)的磁飽和所引起的。電壓越高,Q也就明顯的越大。
廣泛用來表示負(fù)荷的電壓依賴性的另一種模型是多項(xiàng)式模型
這個(gè)模型通常稱為ZIP模型,因?yàn)樗怯珊阕杩梗╖)、恒電流(I)和恒功率(P)分量組成的。該模型的參數(shù)是系數(shù)p1~p3和q1~q3,它們定義了每個(gè)分量的比率。
以圖1所示3節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng),其中發(fā)電機(jī)采用三階實(shí)用模型,計(jì)及勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。
圖1 典型3節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig. 1 A classical three-bus power system
系統(tǒng)中負(fù)荷模型采用的是集結(jié)負(fù)荷模型,包括商業(yè)居民負(fù)荷和工業(yè)負(fù)荷。商業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷均采用恒功率靜態(tài)模型;工業(yè)負(fù)荷包括靜態(tài)工業(yè)負(fù)荷和動(dòng)態(tài)工業(yè)負(fù)荷兩部分,其中靜態(tài)工業(yè)負(fù)荷采用(ZIP)模型(即恒阻抗、恒電流和恒功率負(fù)荷模型),以恒功率模型為例,動(dòng)態(tài)工業(yè)負(fù)荷則可以表示為如下形式[21-22]:
式(3)中,P0,Q0分別為商業(yè)居民負(fù)荷的有功、無功負(fù)荷;P1,Q1分別為工業(yè)負(fù)荷中靜態(tài)部分的恒功率有功、無功負(fù)荷;U、θ為負(fù)荷母線處電壓及相角。Kpω,Kqω,Kpv,Kqv,Kqv2和T為負(fù)荷特性常數(shù)。
在式(3)的基礎(chǔ)上,建立數(shù)學(xué)模型
式(4)中,Xd和Xq分別為dq軸同步電抗;E′q為q軸暫態(tài)電勢(shì);X′d為d軸暫態(tài)電抗;δ和ω分別為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的功角和角速度;ω0為角速度的初始穩(wěn)態(tài)值;Tj為發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù);Pm為機(jī)械功率;Pe為電磁功率;D為阻尼系數(shù);T′d0為d軸的暫態(tài)時(shí)間常數(shù);Ef為勵(lì)磁電勢(shì)。PL和QL是負(fù)荷母線從網(wǎng)絡(luò)中吸收的有功功率和無功功率,是U,θ,δ的函數(shù)。其表達(dá)式為
式(5)中,E′0、Y′0和θ′0是根據(jù)戴維南等效定理,將負(fù)荷點(diǎn)上并聯(lián)的電容C并入無窮大母線后系統(tǒng)的等值參數(shù)
其中Y=1/X0,X0=Xl/2+XT2,XT2為降壓變壓器T2的電抗。
式(4)中的Pe、Id、Vg可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓向量圖,得到關(guān)系式
式(7)中,EQ為假想電動(dòng)勢(shì);Eq為空載電動(dòng)勢(shì);V為無窮大母線電壓;Vg為勵(lì)磁系統(tǒng)端電壓。
一般認(rèn)為功角穩(wěn)定性問題與有功負(fù)荷的變化有關(guān),而電壓穩(wěn)定性與無功負(fù)荷有關(guān),所以本文只考慮無功負(fù)荷發(fā)生隨機(jī)變動(dòng)。在系統(tǒng)已知負(fù)荷模型中加入隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng),這樣模型系統(tǒng)中無功負(fù)荷形式為
對(duì)于隨機(jī)微分方程來說,只有滿足一些特殊表達(dá)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)才能夠解析求解,更多的情況需通過數(shù)值計(jì)算方法獲得解過程的軌跡。EM數(shù)值方法是隨機(jī)微分方程最簡(jiǎn)單的數(shù)值求解的方法[23-24]。設(shè)隨機(jī)過程X(t)是隨機(jī)微分方程(6)的解過程,對(duì)于某個(gè)正整數(shù)N,記Δt=(T-t0)/N,τj=jΔt,Xj=X(τj),j=0,1,2,…,N,則EM數(shù)值方法的差分迭代公式為:
系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:
Tj=10.0 s,Xd=0.982 pu,Xq=0.982 pu,X′d=0.344 pu,Xe=0.604 pu,D=0.5,T′d0=5.0 s,Vg0=1.05 pu,Pm=0.45 pu,ω0=314.15 rad/s,Ka=5,Ta=0.5 s,C=12,Kpω=-0.4,Kqω=-0.03,Kpv=0.3,Kqv,=-2.8,Kqv2=2.1,T=8.5,P0=0.6,Q0=1.3,P1=0,Q0=10.946。
采用EM數(shù)值方法仿真獲得系統(tǒng)電壓變化曲線,仿真1 000次并平均,根據(jù)平均響應(yīng)曲線分析時(shí)滯對(duì)穩(wěn)定性的影響。
1)σ0=0.01
從圖2中,我們可以看出,當(dāng)激勵(lì)強(qiáng)度σ0=0.01時(shí),電壓振蕩幅度比較小,當(dāng)時(shí)滯比較小時(shí),負(fù)荷母線電壓變化比較平衡,系統(tǒng)穩(wěn)定。而當(dāng)隨著時(shí)滯τ逐漸增大到τ=0.139 s時(shí),母線電壓大幅度降低,系統(tǒng)失穩(wěn)。
2)σ0=0.5
3)σ0=1
從圖3中可以看出,當(dāng)激勵(lì)強(qiáng)度σ0=0.5時(shí),電壓振蕩幅度比較小,當(dāng)時(shí)滯比較小時(shí),負(fù)荷母線電壓變化比較平衡,系統(tǒng)穩(wěn)定。而當(dāng)隨著時(shí)滯τ逐漸增大到τ=0.121 s時(shí),母線電壓大幅度降低,系統(tǒng)失穩(wěn)。圖4中,當(dāng)激勵(lì)強(qiáng)度σ0=1時(shí),無論有沒有時(shí)滯,或者時(shí)滯數(shù)值為多大,系統(tǒng)都失穩(wěn)。比較圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn),隨著激勵(lì)強(qiáng)度的增加,負(fù)荷母線電壓呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)振蕩,這主要是由于隨機(jī)擾動(dòng)添加到了Q1中,負(fù)荷點(diǎn)的電壓則對(duì)無功波動(dòng)反應(yīng)迅速,而且隨機(jī)激勵(lì)強(qiáng)度越大,系統(tǒng)振蕩頻率越快。
圖4 σ0=1時(shí)電壓響應(yīng)曲線Fig. 4 The voltage curve under σ0=1
表1列出了不同隨機(jī)擾動(dòng)強(qiáng)度,不同時(shí)滯作用下系統(tǒng)的穩(wěn)定域與不穩(wěn)定域。
表1 恒功率模型時(shí)不同時(shí)滯、不同激勵(lì)強(qiáng)度下的電壓穩(wěn)定性Tab. 1 Stability under different excitation intensities and time delays with constant power load
從表1中,可分析出:隨機(jī)時(shí)滯電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性不僅取決于激勵(lì)的強(qiáng)度,還與時(shí)滯的大小密切有關(guān)。且隨著激勵(lì)強(qiáng)度的增加,系統(tǒng)可承受的時(shí)滯上限逐漸降低,穩(wěn)定域縮小。
當(dāng)負(fù)荷采用恒阻抗模型時(shí),即
分析在這種模型條件下,不同時(shí)滯、不同激勵(lì)強(qiáng)度下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果如表2所示。
表2 恒阻抗模型時(shí)不同時(shí)滯、不同激勵(lì)強(qiáng)度下的電壓穩(wěn)定性Tab. 2 Stability under different excitation intensities and time delays with constant impedance load
當(dāng)負(fù)荷采用恒阻抗模型時(shí),即
分析在這種模型條件下,不同時(shí)滯、不同激勵(lì)強(qiáng)度下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果如表3所示。
表3 恒電流模型時(shí)不同時(shí)滯、不同激勵(lì)強(qiáng)度下的電壓穩(wěn)定性Tab. 3 Stability under different excitation intensities and time delays with constant current load
綜合表1—表3可知,采用不同的負(fù)荷模型,對(duì)時(shí)滯隨機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)有不同的影響。在相同的隨機(jī)激勵(lì)強(qiáng)度下,不同的負(fù)荷模型所能承受的時(shí)滯上限有所差異。3種負(fù)荷模型所能承受的時(shí)滯上限的能力由大到小的順序?yàn)椋汉阕杩鼓P?恒電流模型>恒功率模型。其原因在于:系統(tǒng)中負(fù)荷母線處安裝的電容,其作用是為了支撐負(fù)荷點(diǎn)的電壓,但負(fù)荷模型中隨機(jī)擾動(dòng)的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)并略有下降。由于恒阻抗模型所需無功功率與電壓平方值成正比,恒電流模型所需無功功率與電壓值成正比,因此這兩種模型所需要的無功功率都會(huì)隨著系統(tǒng)電壓的降低而減少,且恒阻抗模型減少的程度多于恒電流模型。而恒功率模型所需的無功功率并不隨系統(tǒng)電壓變化而變化,導(dǎo)致系統(tǒng)電壓進(jìn)一步下降,因此會(huì)更加不利于系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。
本文基于一個(gè)經(jīng)典3節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)模型,以勵(lì)磁系統(tǒng)輸入信號(hào)延時(shí)作為時(shí)滯環(huán)節(jié),并通過引入負(fù)荷擾動(dòng)項(xiàng),建立隨機(jī)時(shí)滯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并運(yùn)用隨機(jī)歐拉法對(duì)該微分方程組進(jìn)行數(shù)值求解,仿真分析不同時(shí)滯、不同擾動(dòng)強(qiáng)度下隨機(jī)時(shí)滯電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性;同時(shí)負(fù)荷模型分別采用恒阻抗、恒功率、恒電流模型,分析比較不同負(fù)荷模型對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。仿真表明,3種負(fù)荷模型所能承受的時(shí)滯上限能力從大到小依次為:恒阻抗模型、恒電流模型、恒功率模型。
[1] 江全元,鄒振宇,曹一家,等. 考慮時(shí)滯影響的電力系統(tǒng)分析和時(shí)滯控制研究進(jìn)展[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(3): 2-7.JIANG Quanyuan,ZOU Zhenyu,CAO Yijia,et al.Overview of power system stability analysis and wide-area control in consideration of time delay[J]. Automation of Electric Power System,2005,29(3): 2-7(in Chinese).
[2] 關(guān)海平,焦曉亮. 600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況的調(diào)研分析[J]. 節(jié)能技術(shù),2011,29(1): 57-65.GUAN Haiping,JIAO Xiaoliang. Study and analysis on operating conditions of 600 MW turbo-generator sets[J].Energy Conservation Technology,2011,29(1): 57-65(in Chinese).
[3] 劉春梅,李勇,辛楊,等. 電力系統(tǒng)低頻振蕩的影響因素研究[J]. 陜西電力,2011,39(6): 12-15.LIU Chunmei,LI Yong,XIN Yang,et al. Study on influencing factors of low frequency oscillation of power system[J]. Shaanxi Electric Power,2011,39(6): 12-15(in Chinese).
[4] 韓志勇,李志強(qiáng),李瑩,等. 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)引起電力電力系統(tǒng)共振機(jī)理低頻振蕩擾動(dòng)分析[J]. 陜西電力,2009,37(7): 1-5.HAN Zhiyong,LI Zhiqiang,LI Ying,et al. Power system low frequency oscillation of resource mechanism induced by disturbance of turbine-governing system[J]. Shaanxi Electric Power,2009,37(1): 1-5(in Chinese).
[5] 楊培宏,馮義,張遇杰. 基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制方法[J]. 陜西電力,2008,36(2): 11-15.YANG Peihong,F(xiàn)ENG Yi,ZHANG Yujie. Low-frequency oscillation damping method for power system based on wide-area measurement system[J]. Shaanxi Electric Power,2008,36(2): 11-15(in Chinese).
[6] 張秀坤,蔣明東. 國(guó)產(chǎn)600 MW汽輪機(jī)配汽方式優(yōu)化改造[J]. 節(jié)能技術(shù),2005,23(1): 87-90.ZHANG Xiukun,JIANG Mingdong,et al. Optimum governing of 600 MW turbine[J]. Energy Conservation Technology,2005,23(1): 87-90(in Chinese).
[7] 楊培宏,劉達(dá). 基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器適配器方案[J]. 陜西電力,2009,38(4): 11-14.YANG Peihong,LIU Da. Study of power system atabilizer configuration based on wide-area measurement system[J].Shaanxi Electric Power,2009,38(4): 11-14(in Chinese).
[8] 劉東暉,錢乙衛(wèi),劉東英. WAMS在陜西電網(wǎng)的應(yīng)用分析[J]. 陜西電力,2012,40(6): 63-65.LIU Donghui,QIAN Yiwei,LIU Dongying. Application of WAMS in shanxi power network[J]. Shaanxi Electric Power,2008,36(2): 11-15(in Chinese).
[9] NWANKPA C O,SHAHIDEHPOUR S M,SCHUSSZ. A stochastic approach to small disturbance stability analysis[J].IEEE Trans on Power Systems,1992,7(4):1519-15287.
[10] BACHELIER L. Theorie de la speculation[J]. Annales Scitifiques De L.E.N.S. 1990(17):21-86.
[11] YUE D,HAN Q L. Delay-dependent exponential stability of stochastic systems with time-varying delay,nonlinearity,and Markovian switching[J]. IEEE Trans on Automation Control,2005,52(2):217-222.
[12] YUE D,WON S. Delay-dependent robust stability of stochastic systems with time delay and nonlinearity uncertainties[J]. IEE Electron Lett,2001,37(15):992-993.
[13] CHEN W H,GUAN Z H,LU X M. Delay-dependent exponential stability of uncertain stochastic systems with multiple delays:an LMI approach[J]. System & Control,Lett,2005(54):547-555.
[14] HUA M,DENG F,LIU X,et al. Robust delay-dependent exponential stability of uncertain stochastic system with time-varying delay[J]. Circuits Syst Signal Process,2010(29):519-526.
[15] XU S Y,CHEN T. Robust H∞control for uncertain stochastic systems with state delay[J]. IEEE Trans on Automatic Control,2002,47(12):2089-2094.
[16] 倪以信,陳壽孫,張寶霖. 動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2002.
[17] 彭旭東,邱澤晶,肖楚鵬. 電力用戶能效監(jiān)測(cè)與需求響應(yīng)研究綜述[J]. 節(jié)能技術(shù),2013,31(3): 243-246.PENG Xudong,QIU Zejing,XIAO Chupeng. Overview on power efficiency monitoring and user demand response[J].Energy Conservation Technology,2013,31(3): 243-246(in Chinese).
[18] 李明,郭運(yùn)泉,韓英義. 63 kV變電所及其10 kV配電線路最佳無功補(bǔ)償[J]. 節(jié)能技術(shù),2001,19(2): 42-43..LI Ming,GUO Yunquan,HAN Yingyi. The optimal reactive power compensation for the 63 kV substation and 10 kV distribution line[J].Energy Conservation Technology,2001,19(2): 42-43(in Chinese).
[19] 郭培源. 經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)與最佳無功補(bǔ)償[J]. 節(jié)能技術(shù),1992(3): 10-13,8 GUO Peiyuan. Economic power factor and optimal reactive power compensation[J]. Energy Conservation Technology,1992(3): 10-13,8(in Chinese).
[20] 高寧,趙有東,翟紗,等. 電力行業(yè)中電壓概念淺析[J].西北水電,2013(2): 57-61.GAO Ning,ZHAO Youdong,ZHAI Sha,et al. The concept of voltage in the electric power industry[J]. Northwest Hydropower,2013(2): 57-61(in Chinese).
[21] 肖炏,郭永基. 負(fù)荷隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,40(9):9-12.XIAO Kai,GUO Yongji. Effects of stochastic load model on power system voltage stability[J]. Journal of Tsinghua University:Science and Technology,2000,40(9):9-12(in Chinese).
[22] 邱妍,趙晉泉,朱永忠. 負(fù)荷隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2009,29(2):77-81.QIU Yan,ZHAO Jinquan,ZHU Yongzhong. Effect of stochastic load disturbance on power system voltage stability based on bifurcation theory[J]. Electric Power Automation Equipment,2009,29(2):77-81(in Chinese).
[23] 劉詠飛,鞠平,薛禹勝,等. 隨機(jī)激勵(lì)下電力系統(tǒng)特性的計(jì)算分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(9):137-142.LIU Yongfei,JU Ping,XUE Yusheng,et al. The calculation and analysis of power system under random excitation[J].Automation of Electric Power System,2014,38(9):137-142(in Chinese).
[24] HAMDY M A. Euler-maruyama numerical solution of some stochastic functional differential equations[J]. Internation Journal of Applied Mathematics and Computation,2007,11(1):13-30.