特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方法

許中平，趙 峰，李守超，郭 翔，劉亞慶

（1.北京國(guó)網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，北京 100052；2.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100052）

0 引言

電力公司負(fù)責(zé)滿足全社會(huì)電力能源的需要，將電力從產(chǎn)生到分配，再到運(yùn)輸?shù)接脩舳?，供用戶使用，在社?huì)生產(chǎn)活動(dòng)中起到了重要作用，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了動(dòng)力基礎(chǔ)。受到地區(qū)、發(fā)展水平、人口等多方面的影響，我國(guó)分為多個(gè)地區(qū)，每個(gè)地區(qū)對(duì)電力能源的需求量并不一樣，存在東部多、西部少、南部多，北部少的不平衡現(xiàn)象。在電力需求量大的地區(qū)中如上海、廣州、深圳等超一線城市，對(duì)電量的需求量尤其大，導(dǎo)致這些地區(qū)本身儲(chǔ)備的電力能源無(wú)法滿足需求，存在能源匱乏的問(wèn)題[1]。為不影響這些地區(qū)的發(fā)展，滿足大電量需求，電力公司提出并實(shí)施了跨區(qū)電力調(diào)度的措施，即從其他地區(qū)調(diào)出電力能源到能源匱乏地區(qū)，以緩解該地區(qū)能源緊張的問(wèn)題?？鐓^(qū)電力調(diào)度過(guò)程，電壓等級(jí)不斷提高，發(fā)展到現(xiàn)在電壓等級(jí)已經(jīng)上升到±800kV的特高壓[2]。之所以進(jìn)行電壓升級(jí)，主要是為了提升跨區(qū)輸電距離，擴(kuò)大電力傳輸容量。然而，特高壓直流輸電主要采用分層接入的方式，這種方式接入更加靈活，能夠極大改善潮流分布，提高輸電效率，但是隨著不斷應(yīng)用也發(fā)現(xiàn)了特高壓直流分層接入的缺點(diǎn)，即容易出現(xiàn)換相失敗的問(wèn)題，導(dǎo)致電壓穩(wěn)定性不足，直接影響了電力輸送的可靠性[3]。面對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)的電壓進(jìn)行穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于上述背景，很多專家和學(xué)者都提出了解決方法。例如，俞翔，魯江，董云龍等人在其研究中首先獲取系統(tǒng)的接線方式，線路電阻和電流等三個(gè)參數(shù)，然后根據(jù)三個(gè)參數(shù)計(jì)算壓降，最后利用壓降對(duì)電壓參考值進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)態(tài)控制[4]。謝季平，張文，楊浩在其研究中首先構(gòu)建了系統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，分析了不同控制方式下母線電壓與逆變器傳輸功率之間的關(guān)系，最后建立系統(tǒng)電壓控制優(yōu)化模型，并進(jìn)行求解，得出電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方案[5]。楊丹，黨杰，邱威等人在其研究中具體分析出了導(dǎo)致電壓失穩(wěn)的原因，并提出了解決措施，即減小變短路容量或優(yōu)化直流逆變站參數(shù)，為湖南電網(wǎng)電壓穩(wěn)定提供了重要的參考和借鑒[6]。

在前人取得的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合穩(wěn)定因子概念，提出一種新的電壓穩(wěn)定控制方法。通過(guò)該研究為特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定問(wèn)題的解決提供參考，提高電力公司跨區(qū)供電的服務(wù)質(zhì)量。

1 特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方法

特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)字啊跨區(qū)輸電工程中發(fā)揮了重要作用。通過(guò)該系統(tǒng)能有效提高跨地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，降低線損，提高電網(wǎng)支撐力，滿足大容量電力傳輸需要[7]。然而，隨著特高壓直流計(jì)入電力系統(tǒng)，使得原有的電力系統(tǒng)復(fù)雜程度增大，一旦發(fā)生故障，其穩(wěn)定性很容易受到影響。面對(duì)上述問(wèn)題，提出一種電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方法。該方法主要分為三部分，即特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)建模、電壓穩(wěn)定因子值計(jì)算以及電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)。下面針對(duì)這三個(gè)步驟進(jìn)行具體分析。

1.1 特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性問(wèn)題分析

分層接入，即通過(guò)介入不同等級(jí)的電力，以達(dá)到穩(wěn)定原有電網(wǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)。接入的電壓等級(jí)一般為500kV和1000kV[8]。借鑒一種建模軟件-PSCAD/EMTDC軟件，建立該系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，以為后續(xù)分析提供參考和借鑒。建模過(guò)程如下：

步驟1：PSCAD/EMTDC軟件登錄；

步驟2：輸入特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)；

步驟3：構(gòu)造系統(tǒng)接線拓?fù)鋱D；

步驟4：元件參數(shù)標(biāo)注；

步驟5：設(shè)置接入點(diǎn)；

步驟6：讀入驅(qū)動(dòng)變量；

步驟7：軟件編譯器編譯并連接；

步驟8：將編譯文本導(dǎo)入到軟件的存儲(chǔ)單元，并利用其中自帶的檢測(cè)程序檢驗(yàn)該文本是否存在錯(cuò)誤或者亂碼的問(wèn)題。若存在，需要進(jìn)行修改，并回到步驟7；否則，輸出特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)模型到顯示區(qū)，完成建模工作[9]。

通過(guò)上述幾個(gè)步驟的流程，構(gòu)成接入系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，結(jié)果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

從圖1中可以看出，當(dāng)特高壓直流以分層的方式與交流電網(wǎng)相連后，原有的交流電網(wǎng)變成了更為復(fù)雜的交直流混聯(lián)，這就打通了電網(wǎng)不同層級(jí)之間的關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生了耦合特性。這時(shí)一旦電網(wǎng)中某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)電壓波動(dòng)異常，也就是失穩(wěn)，當(dāng)有電力通過(guò)時(shí)，就有可能出現(xiàn)電壓運(yùn)輸錯(cuò)誤，通過(guò)電網(wǎng)間的耦合連接，將電力傳輸?shù)搅硪粚?，而不是目?biāo)層[10]。面對(duì)這種情況，如何保證在特高壓接入后電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性成為當(dāng)下電力公司跨區(qū)輸電項(xiàng)目服務(wù)中關(guān)注的重點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)電壓穩(wěn)定因子值計(jì)算

電壓穩(wěn)定性因子是評(píng)判系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下電壓狀態(tài)的一個(gè)重要指示。通過(guò)該指標(biāo)能夠判斷電壓是否發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題以及穩(wěn)定水平高低情況[11]。為控制方程的構(gòu)建提供了重要的基礎(chǔ)參數(shù)。本章節(jié)電壓穩(wěn)定因子值計(jì)算主要分為三個(gè)部分，即電壓穩(wěn)定因子指標(biāo)確定、等值模型及特性方程的構(gòu)建，以及電壓穩(wěn)定因子值求解[12]。下面針對(duì)這三個(gè)方面進(jìn)行具體分析。

1.2.1 電壓穩(wěn)定因子指標(biāo)確定

電壓穩(wěn)定因子描述的是系統(tǒng)在受到擾動(dòng)時(shí)，電壓維持在設(shè)定范圍內(nèi)的能力[13]。該指標(biāo)對(duì)于電壓協(xié)調(diào)控制有著非常重要的作用。該因子指標(biāo)計(jì)算公式如式(1)所示：

參考上述公式(1)，構(gòu)建關(guān)于所研究目標(biāo)，即圖1對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)模型，并將式(1)進(jìn)行針對(duì)性轉(zhuǎn)換。計(jì)算公式轉(zhuǎn)換為如式(2)所示：

明確了系統(tǒng)電壓狀態(tài)還不夠詳細(xì)，還需要進(jìn)一步確定電壓穩(wěn)定的狀態(tài)的等級(jí)[16]。這時(shí)需要計(jì)算綜合電壓穩(wěn)定因子。計(jì)算公式如式(3)所示：

式(3)中，ξ代表整體系統(tǒng)的綜合電壓穩(wěn)定性因子；m代表接入節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

將ξ與給定的閾值P進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)ξ小于給定的閾值P，認(rèn)為整體系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性水平高；當(dāng)ξ大于給定的閾值P，認(rèn)為整體系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性水平低。

上述過(guò)程完成了穩(wěn)定因子的基本介紹，為后續(xù)研究和控制方案的設(shè)計(jì)提供了有效地參考。

1.2.2 等值模型及特性方程的構(gòu)建

從電壓穩(wěn)定因子表達(dá)式中存在很多未知變量，使得電壓穩(wěn)定因子并不能直接求得。針對(duì)這一問(wèn)題，本章節(jié)構(gòu)建等值模型及特性方程，為最后的求解做準(zhǔn)備[17]。構(gòu)建的等值模型表達(dá)式如式(4)所示：

式(4)中，Di代表第i個(gè)換流站交流母線電壓；?代表?yè)Q流閥的換相角；?代表等效阻抗的相角；θ代表熄弧角；Ci代表等效阻抗的幅值；n代表?yè)Q流站數(shù)量。

為上述構(gòu)建的等值模型式(4)設(shè)置特征約束方程。該方程如式(5)所示：

式(5)中，Bi代表無(wú)功功率；minBi、maxBi代表系統(tǒng)無(wú)功功率的最小值和最大值；minDi、maxDi代表母線電壓兩端的極值。T代表分層電壓轉(zhuǎn)換檔位[18]。

1.2.3 電壓穩(wěn)定因子值求解

針對(duì)上述建立的等值模型及特性方程，本章節(jié)利用粒子群算法進(jìn)行求解，獲得電壓穩(wěn)定因子值[19]。求解過(guò)程如下：

步驟1：將式(4)作為粒子群算法中的求解目標(biāo)，將式(5)作為約束條件；

步驟2：初始化粒子群（每一個(gè)粒子代表一個(gè)初始解），并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；

步驟3：計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度，適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算公式如式(6)所示：

式(6)中，f(x)代表適應(yīng)度函數(shù)；ξ'代表設(shè)定的綜合電壓穩(wěn)定性因子閾值；x代表粒子。

步驟4：根據(jù)上述步驟3結(jié)果，進(jìn)行個(gè)體最優(yōu)和全局最優(yōu)的替代和更新；

步驟5：判斷是否滿足特征約束方程？若滿足，輸出求得的電壓穩(wěn)定因子值。否則，進(jìn)行下一步驟

步驟6：更新粒子速度Q(k+1)和位置Hi(k+1)，更新式(7)、式(8)如下：

式(7)、式(8)中，k代表迭代次數(shù)；Q(k)代表更新前的粒子速度；α、α′代表加速常數(shù)；β、β'代表隨機(jī)數(shù)；Pb、Pg代表個(gè)體最優(yōu)值和全局最優(yōu)值；Hi(k)代表更新前的粒子位置。

步驟7：迭代次數(shù)+1，并回到步驟3。重復(fù)上述過(guò)程，直至滿足特征約束方程。

經(jīng)過(guò)上述分析，完成了電壓穩(wěn)定因子值求解，為后續(xù)控制方法的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵參數(shù)。

1.3 電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)

電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制主要分為四種方式，具體如表1所示。

重復(fù)章節(jié)1.2流程，得出表1中不同控制方式的電壓穩(wěn)定因子大小。利用穩(wěn)定因子建立協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行方式下接入系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性控制。具體過(guò)程如下：

表1 電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方式

步驟1：輸入特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

步驟2：計(jì)算每條母線的直流功率，如式(9)所示：

式(9)中，代表第i條母線的直流功率；Di代表第i條母線的輸出電壓；Li代表第i條母線的輸出電流。

步驟3：并計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)直流功率之間的比值，如式(10)所示：

式(10)中，Gi代表第i條母線的直流功率與標(biāo)準(zhǔn)直流功率之間的比值；B′代表標(biāo)準(zhǔn)直流功率。

步驟4：將不同控制方式的電壓穩(wěn)定因子與直流功率之比相乘，得出數(shù)值記為M1，M2，M3，M4，公式如下所示：

式(11)～式(14)中，ξP/E、ξC/E、ξC/V、ξP/V分別代表P/E控制方式、C/E控制方式、C/V控制方式、P/V控制方式的電壓穩(wěn)定因子。

步驟5：以M1，M2，M3，M4為一端，建立系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方程組，如式(15)所示：

式(15)中，φP/E、φC/E、φC/V、φP/V代表給定的四種不同控制方式的穩(wěn)態(tài)系數(shù)；ε代表階躍響應(yīng)；σ代表有功擾動(dòng)量。

步驟6：在方程組兩端分別進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算。

步驟7：利用最小二乘擬合算法，求出方程組中包含的各個(gè)控制量，包括直流功率、直流電流、直流電壓、逆變器熄弧角等。

根據(jù)求出的四個(gè)控制量，設(shè)計(jì)控制方案，讓特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)電壓控制在預(yù)期范圍內(nèi)，保證接入系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性[20]。

2 算例測(cè)試與分析

為測(cè)試所研究控制方法的有效性，以基于壓降的控制方法、系統(tǒng)電壓控制優(yōu)化模型、基于變短路容量的控制方法為對(duì)比項(xiàng)，進(jìn)行電壓穩(wěn)定性控制測(cè)試。

2.1 算例概況

以某特高壓直流輸電工程為對(duì)象，該工程輸電系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 某工程特高壓直流輸電系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)

基于表2中給出的相關(guān)參數(shù)，建立系統(tǒng)模型。

2.2 粒子群算法參數(shù)設(shè)置

利用粒子群算法推導(dǎo)接入電壓穩(wěn)定因子值時(shí)，設(shè)置的粒子群運(yùn)行參數(shù)如表3所示。

表3 粒子群算法參數(shù)

2.3 不同控制方式下綜合電壓穩(wěn)定因子計(jì)算結(jié)果

按照章節(jié)1.2研究，計(jì)算四種不同控制方式下綜合電壓穩(wěn)定因子，結(jié)果如圖2所示。

圖2 電壓穩(wěn)定因子值對(duì)比圖

從圖2中可以看出，四種控制方式中P/E控制方式下的綜合電壓穩(wěn)定因子值最大，其次是P/V控制方式，然后是C/E控制方式、最后是C/V控制方式。

2.4 不同控制方式的控制量計(jì)算結(jié)果

在將預(yù)期穩(wěn)定電壓范圍設(shè)置為900kV～950kV的情況下，按照章節(jié)1.3研究，求出不同控制方式的四個(gè)控制量。結(jié)果如表4所示。

表4 不同控制方式的控制量

2.5 電壓穩(wěn)定性控制效果對(duì)比分析

基于表4控制量對(duì)特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，得出系統(tǒng)電壓在6h內(nèi)的電壓波動(dòng)情況。相同測(cè)試條件下，利用基于壓降的控制方法、系統(tǒng)電壓控制優(yōu)化模型、基于變短路容量的控制方法同樣進(jìn)行控制。對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓穩(wěn)定性控制效果對(duì)比圖

從圖3中可以看出，所研究方法協(xié)調(diào)控制下，特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)在6h內(nèi)電壓波動(dòng)均在900kV～950kV內(nèi)，而相同測(cè)試條件下，利用基于壓降的控制方法、系統(tǒng)電壓控制優(yōu)化模型、基于變短路容量的控制方法同樣進(jìn)行控制，系統(tǒng)在6h內(nèi)電壓波動(dòng)有時(shí)會(huì)超出900kV～950kV這一范圍，由此說(shuō)明所研究控制方法更有利于保證接入系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定輸出。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)地區(qū)發(fā)展水平、人口數(shù)量等限制，對(duì)電力的需求量并不相同，有的地區(qū)過(guò)剩，有的地區(qū)則不足。為解決電力能源不足的問(wèn)題，了解決電力過(guò)剩地區(qū)能源浪費(fèi)情況，電力公司提出了跨區(qū)電力調(diào)度的措施。然而，該措施在實(shí)施過(guò)程中由于輸電線路較長(zhǎng)，當(dāng)前的線路電壓并無(wú)法滿足要求，因此，特高壓直流分層計(jì)入系統(tǒng)被接入電網(wǎng)。但該系統(tǒng)存在一個(gè)電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方法，該方法通過(guò)引入穩(wěn)定因子，計(jì)算不同控制方式的控制變量，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。最后通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)在5h內(nèi)電壓波動(dòng)均在預(yù)期的穩(wěn)定電壓范圍內(nèi)，證明了所研究控制方法的有效性。

但是本研究還有部分內(nèi)容不夠完善，需要進(jìn)一步深入研究，如測(cè)試中得到的結(jié)果過(guò)于理想，與實(shí)際情況存在一定的差距，因此進(jìn)一步測(cè)試。