電力系統(tǒng)最佳穩(wěn)態(tài)及最優(yōu)潮流分析研究

楊澤鴻

摘?要：在電力系統(tǒng)的各種優(yōu)化任務(wù)中，具有不同的優(yōu)化算法，其算法解決不同的電力系統(tǒng)優(yōu)化問題。本文通過引入準(zhǔn)確的故障應(yīng)急約束，擴(kuò)展了問題的表達(dá)式和求解方案，給出了系統(tǒng)最優(yōu)穩(wěn)態(tài)安全運(yùn)行點(diǎn)以及介紹最優(yōu)統(tǒng)一潮流控制器，有力解決電力系統(tǒng)最優(yōu)配置問題，改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。通過列舉不同的穩(wěn)態(tài)控制方法，分析電力系統(tǒng)的最佳穩(wěn)態(tài)及最優(yōu)潮流，有效地解決多目標(biāo)無功控制問題，特別是對于大型電力系統(tǒng)，在較大的pc網(wǎng)絡(luò)中并行分配可以進(jìn)一步減少計(jì)算時(shí)間。此外，還可以引入一種混合進(jìn)化的優(yōu)化算法，確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的最優(yōu)值。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);最佳穩(wěn)態(tài);最優(yōu)潮流;經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

隨著社會(huì)生活水平不斷發(fā)展，能源需求不斷擴(kuò)張。人們對氣候變化和化石資源枯竭的廣泛關(guān)注，電力系統(tǒng)的供電來源也逐漸發(fā)展，風(fēng)能發(fā)電、核能發(fā)電、以及太陽能發(fā)電得到迅速發(fā)展成為電力系統(tǒng)的主要支柱。隨著不同發(fā)電源對電力系統(tǒng)做出的重大貢獻(xiàn)，就需要評(píng)估分析不同的發(fā)電源對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。本文通過介紹電力系統(tǒng)的不同控制方法，分析電力系統(tǒng)最佳穩(wěn)態(tài)以及最優(yōu)潮流。通過研究不同的大型發(fā)電場規(guī)劃時(shí)的穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)問題，對特定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，提出確定規(guī)劃最佳穩(wěn)態(tài)的方法，配置感應(yīng)發(fā)電機(jī)和無功補(bǔ)償內(nèi)部和外部電網(wǎng)的損失以及利用多梅爾-丁尼方法計(jì)算電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流，這種方法已被證明是非常強(qiáng)大和通用的[1]。通過引入準(zhǔn)確的故障應(yīng)急約束，擴(kuò)展了問題的表達(dá)式和求解方案，給出了系統(tǒng)最優(yōu)穩(wěn)態(tài)安全運(yùn)行點(diǎn)[2]。

一、電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型分析

不同發(fā)電來源具有相對獨(dú)立的電力系統(tǒng)，在眾多能源中，天然氣是另一種環(huán)保能源，可容納間歇性的可再生能源。首先，在沒有水電的情況下，天然氣發(fā)電（GPG）在調(diào)峰過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因?yàn)樗梢詫┣蟮淖兓龀隹焖俜磻?yīng)。因此，天然氣網(wǎng)絡(luò)在為不斷增長的間歇性可再生能源提供后備供應(yīng)方面變得越來越重要[3]。它利用多余的風(fēng)力或其他可再生能源生產(chǎn)天然氣燃料，儲(chǔ)存在現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)中，然后在需要時(shí)通過GPG將儲(chǔ)存的能量注入電力系統(tǒng)。因此，電力系統(tǒng)和天然氣網(wǎng)的耦合和相互依存日益加深。通過氣體流動(dòng)方程、壓縮功率計(jì)算和節(jié)點(diǎn)質(zhì)量平衡，建立了天然氣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型，燃?xì)狻㈦娋W(wǎng)多時(shí)段聯(lián)合優(yōu)化模型，該模型考慮了燃?xì)饬髁康淖兓匦院途W(wǎng)絡(luò)保障設(shè)施，用于識(shí)別能源集成系統(tǒng)的最優(yōu)協(xié)同擴(kuò)容方案?？煽啃允蔷C合能源系統(tǒng)的另一個(gè)重要問題。它的目的是分析在異常情況下，如故障從一個(gè)系統(tǒng)傳播到另一個(gè)系統(tǒng)的相互依賴性。對電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析?；谝粋€(gè)模型組成的經(jīng)典擺動(dòng)方程表征發(fā)電機(jī)和常數(shù)導(dǎo)納，PV總線和/或PQ總線負(fù)載表示，通常，導(dǎo)致一個(gè)半顯式（或約束）微分方程系統(tǒng)。給出了靜態(tài)穩(wěn)定性的精確定義，并利用靜態(tài)分岔理論的基本概念表明，靜態(tài)穩(wěn)定性的確包括傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性和電壓崩潰的概念，但它為嚴(yán)格的分析提供了基礎(chǔ)。利用李雅普諾夫-施密特約簡和泰勒級(jí)數(shù)展開得到的約簡分岔方程，分析了潮流方程的靜態(tài)分岔問題。這些程序是用符號(hào)計(jì)算（MASYMA）實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果表明，潮流方程的靜態(tài)分岔與發(fā)散型失穩(wěn)或因果關(guān)系的喪失有關(guān)。因果關(guān)系問題被發(fā)現(xiàn)是理解電壓崩潰的一個(gè)重要因素，并在組織全球電力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)時(shí)，負(fù)載不是恒定導(dǎo)納存在的中心作用。

二、電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型意義

不斷增加的輸電網(wǎng)負(fù)荷和負(fù)荷需求的穩(wěn)定增長已經(jīng)推動(dòng)許多電力系統(tǒng)越來越接近其穩(wěn)定極限。電力系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行越來越重要。然而，長期穩(wěn)定模型較大，涉及不同的時(shí)間尺度。長期穩(wěn)定模型的時(shí)域模擬方法在計(jì)算量和數(shù)據(jù)處理方面是昂貴的。在在線穩(wěn)定性評(píng)估中，這些約束甚至更加嚴(yán)格。通過提出的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型（QSS）試圖在長期穩(wěn)定性分析的精度和效率之間達(dá)成一個(gè)很好的折衷。QSS模型所假設(shè)的故障后系統(tǒng)是穩(wěn)定的，長期穩(wěn)定模型是無奇點(diǎn)的，這并不一定是正確的。已經(jīng)有一些努力致力于解決這些問題。然而，另一個(gè)關(guān)鍵問題卻沒有得到足夠的重視，即使?jié)M足了這些假設(shè)，QSS模型仍可能為長期穩(wěn)定模型提供不正確的近似。給出了一些QSS模型穩(wěn)定而長期穩(wěn)定模型存在長期不穩(wěn)定的反例。由于QSS模型不能一致地為長期穩(wěn)定模型提供正確的穩(wěn)定性分析，因此非常需要確定QSS模型工作的條件。本文提出了QSS模型能夠?yàn)殚L期穩(wěn)定模型提供正確逼近的充分條件。簡單來說，如果長期穩(wěn)定模型和工作頻率模型滿足一個(gè)奇點(diǎn)，然后長期穩(wěn)定的工作頻率模型提供了正確的近似模型的軌跡，如果工作頻率模型沿著穩(wěn)定移動(dòng)組件的約束歧管和每個(gè)點(diǎn)的投影軌跡的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的長期穩(wěn)定模型是相應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定模型。此外，如果QSS模型收斂于長期穩(wěn)定平衡點(diǎn)（SEP），則長期穩(wěn)定模型將收斂于同一點(diǎn)。通過導(dǎo)出的分析結(jié)果分析了QSS模型成功或失敗的幾個(gè)數(shù)值例子。

三、電力系統(tǒng)的潮流分析

含光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流分析是研究大型光伏電站并入電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性的基礎(chǔ)。一般來說，PV系統(tǒng)是由電力電子轉(zhuǎn)換器耦合的。因此，穩(wěn)態(tài)建?？梢曰诠夥嚵刑匦院碗娏﹄娮幼儞Q原理。在給定氣象參數(shù)、光伏系統(tǒng)參數(shù)和電網(wǎng)參數(shù)的條件下，該模型可以模擬光伏系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。采用交替迭代法求解模型和潮流方程的統(tǒng)一解。與實(shí)際PV站進(jìn)行比較，分析結(jié)果表明，中午時(shí)段的模擬誤差很小，早晚時(shí)段的模擬誤差較大。此外，氣象參數(shù)和電網(wǎng)參數(shù)的變化也會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行，但輻照度較大，而電網(wǎng)電壓的變化對系統(tǒng)的運(yùn)行影響不大。該潮流分析在IEEE 30總線系統(tǒng)上得到驗(yàn)證，光伏電站不僅可以作為PQ節(jié)點(diǎn)，而且可以作為支持電壓分布的無功功率的PV節(jié)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，過去人們在UPFC潮流分析建模方面做了很多工作。UPFC的目標(biāo)是補(bǔ)償單線輸電系統(tǒng)，而IPFC的目標(biāo)是多線輸電系統(tǒng)的補(bǔ)償和潮流管理。

四、總結(jié)

本文通過討論包括能量傳輸和轉(zhuǎn)換在內(nèi)的聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度和最優(yōu)潮流問題。推導(dǎo)了多能量載體優(yōu)化調(diào)度的一般最優(yōu)條件，并與電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型方法進(jìn)行了比較，優(yōu)化運(yùn)行需要考慮跨時(shí)間的聯(lián)系以及網(wǎng)絡(luò)潮流的影響。網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)包括在最優(yōu)潮流（OPF）的解決方案，但這只優(yōu)化了一個(gè)單一的時(shí)間點(diǎn)。動(dòng)態(tài)最優(yōu)潮流（DOPF）是對最優(yōu)潮流（OPF）的擴(kuò)展，可以覆蓋多個(gè)時(shí)段。通過分析電力系統(tǒng)的最佳穩(wěn)態(tài)以及最優(yōu)潮流，給出了系統(tǒng)最優(yōu)穩(wěn)態(tài)安全運(yùn)行點(diǎn)以及介紹最優(yōu)統(tǒng)一潮流控制器，有力解決電力系統(tǒng)最優(yōu)配置問題，改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

參考文獻(xiàn)

[1]Alsac，O.，and Brian Stott."Optimal load flow with steady-state security.IEEE transactions on power apparatus and systems3（1974）：745-751.

[2]Pang，Chok K.，Antti J.Koivo，and Ahmed H.El-Abiad.Application of pattern recognition to steady-state security evaluation in a power system.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics 6（1973）：622-631.

[3]Shahidehpour，M.O.H.A.M.M.A.D.，Yong Fu，and Thomas Wiedman.Impact of natural gas infrastructure on electric power systems.Proceedings of the IEEE 93.5（2005）：1042-1056.