基于多時(shí)間尺度的電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制模型

胡 翼

電力電子化電力系統(tǒng)中，電力電子變流器自身存在非線性與復(fù)雜性，使用脈寬調(diào)制與限幅功能時(shí)存在飽和非線性［1-3］，此類情況下，電力電子化電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析存在一定難度.以往使用時(shí)域仿真法分析電力電子化電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性時(shí)，計(jì)算量較多，仿真耗時(shí)過多，存在一定負(fù)面問題［4-5］.文獻(xiàn)［6］構(gòu)建以最小化電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的總支出成本為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，獲取電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制結(jié)果.文獻(xiàn)［7］首先采集日前風(fēng)電短期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集結(jié)果對(duì)機(jī)組出力進(jìn)行調(diào)整，采用蒙特卡羅法構(gòu)建多組隨機(jī)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差序列，并以此為基礎(chǔ)建立電力系統(tǒng)魯棒調(diào)度模型，但上述兩種模型的電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制效果不好，會(huì)增加在多種故障模式下的電力電子化電力系統(tǒng)網(wǎng)損.

針對(duì)以上問題，本文以電力電子化電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度穩(wěn)定運(yùn)行為宗旨，構(gòu)建基于多時(shí)間尺度的電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制模型，為相關(guān)研究提供參考資料.

1 基于多時(shí)間尺度的電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制模型

1.1 電力電子化電力系統(tǒng)變流器的數(shù)學(xué)模型

電力電子化電力系統(tǒng)變流器屬于三相變流器，若三相電壓平衡，電力電子化電力系統(tǒng)變流器旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)方程為：

其中：Vcd為電力電子化電力系統(tǒng)變流器的直流母線電壓；G為網(wǎng)側(cè)濾波電感；S為濾波電感的內(nèi)阻；t為時(shí)間；cd、cq表示電動(dòng)勢(shì)d、q分量；vd、vq表示Vcd的坐標(biāo)分量；jd、jq表示變流器交流側(cè)電流矢量的坐標(biāo)分量；Rd、Rq表示三相橋臂開關(guān)信號(hào)坐標(biāo)分量.

由于構(gòu)建電力電子化電力系統(tǒng)變流器的數(shù)學(xué)模型能夠獲取電力電子化電力系統(tǒng)的電壓信息，則：

此模型的構(gòu)建，可全面掌握電力電子化電力系統(tǒng)的電壓信息.

1.2 基于無功電壓滾動(dòng)優(yōu)化的電壓優(yōu)化控制方法

1.2.1 日前無功電壓優(yōu)化控制

①目標(biāo)函數(shù).以優(yōu)化安排離散電容/電抗器在次日24 個(gè)時(shí)間段的控制策略為目標(biāo)［8-10］，設(shè)定N為節(jié)點(diǎn)數(shù)目，則讓每個(gè)電網(wǎng)中樞結(jié)點(diǎn)的電壓控制偏差平方和為最低值minΔVΣ,sq：

式中：Vj,t表示電壓控制結(jié)果表示電壓控制參考指標(biāo).

②約束條件.全網(wǎng)潮流方程約束條件為：

式中：Qj,t表示有功功率，此值屬于確定性變量；Wj,t表示無功功率；Hji表示電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣?yán)镌氐膶?shí)部；βji,t表示電壓相角差.

設(shè)定WjD為額定無功容量，mj,t為離散電容的組數(shù)，日前無功電壓優(yōu)化控制模型里，Qj,t、Wj,t的運(yùn)算方法為：

離散電容/電抗器的調(diào)整性能約束條件為：

式中：mj,max表示可投入組數(shù)上限；mj,min表示可投入組數(shù)下限；MjD,max表示單日調(diào)節(jié)次數(shù)最大值.

1.2.2 日內(nèi)無功電壓優(yōu)化控制

①優(yōu)化目標(biāo).設(shè)定電壓預(yù)測(cè)值為V，參考值為V0，則各次滾動(dòng)優(yōu)化的控制對(duì)象為：基于t時(shí)刻電力電子化電力系統(tǒng)電壓狀態(tài)信息在未來M個(gè)時(shí)間段的電壓預(yù)測(cè)控制偏差為最小值［11］，則

式中：右上標(biāo)T 是轉(zhuǎn)置符號(hào).

②約束條件.日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化的約束條件分為節(jié)點(diǎn)電壓幅值上下限、日內(nèi)靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器的調(diào)節(jié)范圍：

式中：電力電子化電力系統(tǒng)電壓幅值上、下限向量依次是Vmax、Vmin；日內(nèi)靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器的有功出力上、下限向量依次是Wmax、Wmin；日內(nèi)靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器在t時(shí)間段中無功出力初始狀態(tài)量是W(t|t)；t時(shí)間段所預(yù)設(shè)未來t+ 1 時(shí)刻中，日內(nèi)靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器的無功調(diào)整值向量是W(t+ 1|t).

在后續(xù)的控制周期中，如此反復(fù)，直至電力電子化電力系統(tǒng)的無功電壓在多時(shí)間尺度中均被有效控制.

1.2.3 無功電壓滾動(dòng)優(yōu)化和校正控制

在實(shí)施多時(shí)間尺度中的滾動(dòng)優(yōu)化之前，為了實(shí)現(xiàn)電力電子化電力系統(tǒng)電壓的高精度控制，將上述優(yōu)化控制后的電壓實(shí)際值設(shè)定為后續(xù)滾動(dòng)優(yōu)化控制的初始值，建立滾動(dòng)優(yōu)化方案，優(yōu)化電力電子化電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度的穩(wěn)定控制效果［12-14］.

式中：t時(shí)間段中靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器無功調(diào)節(jié)指令下，t+1 時(shí)間段的真實(shí)電壓向量描述成Vs(t+ 1|t)，電壓初始值向量是

將上一輪電壓預(yù)測(cè)控制偏差實(shí)施修正，優(yōu)化電力電子化電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度控制效果［15］.詳細(xì)做法為：

式中：t時(shí)間段中電壓偏差是Vα(t) ；校正補(bǔ)償系數(shù)是γ；t+1 時(shí)間段電壓狀態(tài)信息在未來t+1+j時(shí)間段中估計(jì)值與修正值依次為

依次將式（9）、式（10）導(dǎo)入式（7）、式（8），建立日內(nèi)t+1 時(shí)間段的無功電壓滾動(dòng)優(yōu)化控制模型.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)成我國(guó)某地區(qū)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)集群（圖1），總裝機(jī)容量為1 200 MW，風(fēng)電集群結(jié)構(gòu)由三個(gè)變電站和7 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)組成，7 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)均各自匯入各自變電站，3 個(gè)變電站均接入1 個(gè)電力電子化電力系統(tǒng).電力電子化電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度中的運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)集群的運(yùn)行狀態(tài)存在直接聯(lián)系.使用MATLAB 仿真軟件，模擬電力電子化系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)集群環(huán)境.將該風(fēng)電場(chǎng)集群與電力電子化電力系統(tǒng)相接，變電站匯入多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電信息，將匯入的風(fēng)電信息傳輸至電力電子化電力系統(tǒng)，通過電力電子化電力系統(tǒng)控制電壓平穩(wěn)后傳輸至變電站進(jìn)行供電，三者間屬于循環(huán)模式.采用變電站的運(yùn)行效果，判斷本文模型對(duì)電力電子化電力系統(tǒng)的控制效果.

圖1 風(fēng)電集群結(jié)構(gòu)

此風(fēng)電集群的總裝機(jī)容量是1 200 MW，7個(gè)風(fēng)電場(chǎng)均各自匯入各自變電站，3 個(gè)變電站均接入1 個(gè)電力電子化電力系統(tǒng).

風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)信息與無功補(bǔ)償裝置信息見表1.

表1 風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)信息與無功補(bǔ)償裝置信息

2.2 模型使用效果分析

模型使用前后，風(fēng)電機(jī)群的電容/電抗器、靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器的控制方案示意圖見圖2、圖3.

圖2 內(nèi)電容/電抗器控制方案

圖3 靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器的控制方案

使用本文模型前，離散電容/電抗器組投切頻繁致使投入容量波動(dòng)較大，靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器的無功出力存在顯著變動(dòng)；靜止無功補(bǔ)償器/靜止無功發(fā)生器的最高感性、容性無功出力都很小，無功出力變化平穩(wěn)性最為顯著.

使用該模型控制電力電子化系統(tǒng)后，與其相連的變電站電壓變化情況見圖4、圖5、圖6.

圖4 變電站A1

圖5 變電站A2

圖6 變電站A3

分析圖4、圖5、圖6 可知，使用該模型控制后，在不同時(shí)間段，與電力電子化系統(tǒng)連接的3 個(gè)變電站電壓不存在異常波動(dòng)，電壓值穩(wěn)定，說明電力電子化電力系統(tǒng)在多時(shí)間尺度中可平穩(wěn)運(yùn)行.

模擬3 個(gè)變電站存在單相接地、三相短路情況，測(cè)試該模型使用前后的網(wǎng)損率，網(wǎng)損率計(jì)算方法為：

式中，網(wǎng)損量與供電量依次為K1、K2.

測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8 所示.

圖7 單相接地故障下本文模型控制效果

圖8 三相短路故障下本文模型控制效果

分析圖7、圖8 可知，3 個(gè)變電站存在單相接地、三相短路情況時(shí)，該模型對(duì)電力電子化電力系統(tǒng)實(shí)施多時(shí)間尺度穩(wěn)定控制后，3 個(gè)變電站的網(wǎng)損率較小，最大值為0.02.

3 結(jié)論

本文對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制進(jìn)行建模研究，構(gòu)建基于多時(shí)間尺度的電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制模型，得到以下結(jié)論：

（1）在不同時(shí)間段，與電力電子化系統(tǒng)連接的3 個(gè)變電站電壓不存在異常波動(dòng)，電壓值穩(wěn)定，電力電子化電力系統(tǒng)在多時(shí)間尺度中可平穩(wěn)運(yùn)行.

（2）在單相接地、三相短路情況時(shí)，該模型對(duì)電力電子化電力系統(tǒng)實(shí)施多時(shí)間尺度穩(wěn)定控制后，3 個(gè)變電站的網(wǎng)損率最大值是0.02.

雖然該模型在實(shí)驗(yàn)中獲取較好的效果，但網(wǎng)損率的控制還未達(dá)到最佳效果，在日后的研究工作中，將對(duì)電力電子化電力系統(tǒng)多種故障模式中的故障程度進(jìn)行細(xì)化研究，優(yōu)化本文模型的使用效果.