CN103199549A - 一种受端电网动态无功补偿装置配置位置选择的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受端电网动态无功补偿装置配置位置选择的方法。受端电网动态无功补偿装置配置位置选择是基于电力系统安全稳定和动态电压支撑量化分析方法，以系统电压稳定裕度和支撑效果反映配置位置对系统综合影响。该方法克服静态配置方法不能反映系统扰动的影响，综合全面反映了动态无功补偿装置配置站点对系统安全稳定特性的改善效果，充分发挥了动态无功补偿装置作用。因此，受端电网动态无功补偿装置配置位置选择方法具有较好的实际指导意义。

Description

一种受端电网动态无功补偿装置配置位置选择的方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，提出了一种受端电网动态无功补偿装置配置位置选择的方法。

背景技术

随着电力系统的日趋复杂和负荷水平的快速增长，受端电网电压稳定问题受到了越来越多的关注。基于大功率电力电子的柔性交流输电系统(FlexibleAC Transmission System，FACTS)技术广泛应用于电力工业，对增强电力系统运行的稳定性和安全性、提高输电能力和用电效率、在节能及改善电能质量等方面都发挥越来越重要的作用。与传统无功补偿设备相比，以静止无功补偿器(static var compensator，SVC)和静止同步补偿器(static synchronouscompensator，STATCOM)为代表的动态无功补偿装置具有快速响应特性，可以有效提高系统的动态无功储备，改善系统的暂态电压稳定性。而选择合适的安装地点是充分发挥动态无功补偿装置作用的前提条件，具有重要的实际意义。动态无功补偿装置作为一种典型的柔性输电(FACTS)装置，具有以下作用：①当系统发生故障或突增负荷时，动态地提供电压支撑，确保节点电压的稳定性，提高电力系统暂态稳定水平，减少低压释放负荷数量，并防止因暂态电压崩溃导致的大面积恶性停电事故；②动态地维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输功率极限，提高交直流远距离输电能力；③抑制系统过电压，改善系统电压稳定性；④阻尼电力系统功率振荡；⑤在负荷侧，抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高功率因数、改善电能质量。受端系统中大城市负荷中心由于抗暂态电压稳定的条件恶化，对动态无功补偿装置有广泛的需求，主要体现在：①由于资源与环境等因素的限制，远方区外供电比例加大，负荷区内缺乏足够的动态电压支撑和动态无功储备；②空调比例增加，负荷变化随机性加大，负荷事故时的调节特性变坏；③手动投切的补偿电容比例过大，恶化严重故障时的电压支撑能力；④电力电子技术的广泛应用，很多负荷对电压的灵敏度降低，不利于电压的恢复。在用户侧，如冶金、铁路牵引、化工/农药、风力发电以及有剧烈波动负荷的各个行业都迫切需要加装动态无功补偿装置来保证对用户供电的稳定性和可靠性。动态无功补偿可实时响应系统的无功需求，动态无功补偿装置最佳配置地点和配置容量随着场景(包括方式和扰动)不同而变化，而且装置的配置必须考虑对暂态过程的控制效果。动态无功补偿装置设备造价昂贵，但配置结论具有强烈的特定性，难以广泛、大容量采用。如何确定最佳的配置位置是关键，因此提出建立一种受端电网动态无功补偿装置配置位置选择的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据受端系统分区运行的区域电网存在的暂态电压安全风险，结合时域仿真计算数据求出分区内各点的阻抗模裕度指标排出系统电压薄弱节点顺序，筛选出配置位置的待选点集，再综合反映暂态支撑效果的轨迹灵敏度指标，确定动态无功补偿装置布点。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种受端电网动态无功补偿装置配置位置选择的方法，包括下列步骤：

(1)确定受端电网所研究的区域和运行方式，利用电力系统综合分析软件电力系统综合分析平台(PSD-BPA)计算系统功率同步扰动，在负荷功率同步增大时，考虑电压控制节点(PV)无功功率越限约束，得到电力系统运行各时段的动态仿真数据；

(2)计算各负荷节点(PQ)系统综合动态等值阻抗、负荷静态等值阻抗和阻抗模裕度；

(a)负荷静态等值阻抗：

$Z_{\mathrm{it}}=\frac{V_{\mathrm{it}}}{I_{\mathrm{it}}}---\left(1\right)$

式中：Z_it为i节点t时刻的负荷静态等值阻抗；V_it为i节点t时刻负荷节点电压值；I_it为i节点t时刻负荷电流

(b)综合动态等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{iTHEVt}}=\frac{d{V}_i}{d{I}_i}=\frac{V_{\mathrm{it}}-V_{i(t-1)}}{I_{\mathrm{it}}-I_{i(t-1)}}---\left(2\right)$

式中：Z_iTHEVt为i节点t时刻的综合动态等值阻抗；dV_i为i节点t时刻的电压变化率；dI_t为i节点t时刻的电流变化率；V_it为系统i节点t时刻的的负荷电压值；V_i(t-1)为系统i节点t-1时刻的负荷电压值；I_it为系统i节点t时刻的负荷电流值；I_i(t-1)为系统i节点t-1时刻的负荷电流值；

(c)负荷阻抗模裕度为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{it}}=\frac{\left|Z_{\mathrm{iLDt}}\right|-\left|Z_{\mathrm{iTHEVt}}\right|}{\left|Z_{\mathrm{iLDt}}\right|}---\left(3\right)$

(d)节点负荷阻抗模裕度平均值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{it}}}{n}---\left(4\right)$

式中：μ_it为负荷阻抗模裕度；0≤μ_it＜1，

为t时刻负荷阻抗模裕度平均值；

Z_iLDt为系统i方式下t时刻的负荷静态阻抗值；Z_iTHEVt为系统i方式下t时刻的综合动态等值阻抗；

根据阻抗模裕度μ_it大小，对电力系统节点电压稳定性强弱排序，确定准稳态分析方法系统电压稳定性较弱的节点集合，μ_it低于

的平均值的点确定为安装静止同步补偿器(STATCOM)的待选节点{B₁，B₂，…，B_m}；

(3)针对受端电网所研究的区域，对电力系统进行时域扫描，根据故障后各节点电压降之和确定威胁电力系统暂态电压稳定的关键故障集合{F₁，F₂，...，F_NI}；

(4)待选节点配置容量，待选节点电压等级为500KV配置容量为±200Mvar，待选节点电压等级220KV则配置容量为±30Mvar；

(5)分别在各个待选节点安装STATCOM，对关键故障集合{F₁，F₂，...，F_N1}再次进行时域仿真；

(6)根据时域仿真结果，计算节点B_j(j＝1，2，...，m)的改进轨迹灵敏度指标(TSI)；

${\mathrm{TSI}}_j=\underset{l=1}{\overset{N_l}{\mathrm{\Σ}}}\left\{W_{\mathrm{Fl}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[W_{\mathrm{bi}}\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k\frac{V_{i,l}(t_k,Q_{j0}+\mathrm{\Δ}{Q}_{j\left(\mathrm{STATCOM}\right)})-V_{i,l}(t_k,Q_{j0})}{S_{\mathrm{STATCOM}}}\left]\right\}---\left(5\right)$

式中：TSI_j为节点B_j的改进TSI；N₁为考察故障总数；W_Fl为故障F₁的权重；F₁(1＝1，2，¨，N₁)；W_bi为节点B_i电压的权重；V_i，l(t_k，Q_j0+ΔQ_j(STATCOM))为节点B_j安装额定容量为S_STATCOM的STATCOM后，在故障F₁下，节点电压V_i在t＝t_k时刻的值；Q_j(STATCOM)为在节点B_j安装STATCOM后，STATCOM释放的无功功率)；V_i，l(t_k，Q_j0)为安装STATCOM前，在故障F₁下，V_i在t＝t_k时刻的值；当采样间隔Δt为常数且足够小时，[V_i，l(t_k，Q_j0+ΔQ_j(STATCOM)-V_i，l(t_k，Q_j0)]Δt为在节点B_j安装STATCOM后电压曲线V_i(t)在时间区间[t₁，t_Nk]内的V-t面积增量；

(7)对待选安装节点根据TSI按照升序排序，TSI指标值最大者即为待选节点{B1，B2，…，Bm}中选出的动态无功补偿装置配置点；

(8)将选出的动态无功补偿装置配置点安装STATCOM保持配置状态并从待选节点{B₁，B₂，…，Bm}中去除，在其余待选节点{B₁，B₂，…，B_m}中分别安装STATCOM，对关键故障集合{F₁，F₂，...，F_NI}再次进行时域仿真，按照(6)(7)步流程选择需要增加的配置点集直至满足故障状态下每个节点电压暂态恢复阶段第一个时间刻度电压水平均达≥0.75Pu以上，确定最终配置点集；

(9)确定无功补偿装置配置位置最终配置方案。

本发明基于综合量化指标分析手段，即以阻抗模裕度指标为电压稳定强弱指标，又以轨迹灵敏度指标为电压支撑效果的指标，并以暂态电压研究目标要求为目标优化了动态无功补偿装置布点。该动态无功补偿装置优化配置点的选择方法应用于受端电网分区的动态无功补偿装置配置方案研究过程中，将以电压稳定强弱和补偿效果的综合量化指标为依据，更准确的找出STATCOM的配置位置，提高电网安全稳定裕度。本发明具有如下技术效果：1、可以考察更多故障形式下的动态无功优化配置问题考虑了实际STATCOM动态无功补偿装置输出的无功功率随安装节点电压值一次成正比变化的特性，指标计算的计算量相对其他方法有所减少。2、采用了该动态无功补偿装置量化配置点的选择方法，可协调准稳态与动态优化动态无功补偿装置配置分析方法，更直接准确的处理动态无功补偿装置实际配置站点的选择。3、采用了该方法为确定动态无功补偿装置最优配置方案提供了理论和分析基础，并可以评估对电网中各节点电压安全特性的综合影响效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是某实际电网地理接线图。

图2是本发明方法的流程图。

图3是本发明T1配置STATCOM装置后暂态电压的支撑效果图。

具体实施方式

如图1所示区域电网系统，是某个实际电网地理接线图，作为本发明研究受端区域电网，包括1个500KV平衡站点P1，9个220KV的PQ节点，编号分别为T1～T9，每条节点所带的系统参数如下表；1个发电站G1，发电功率：600+j204；系统在夏季最大运行方式条件下进行研究。

下面结合附图2所示的案例，对本发明方法进行详细描述：

(1)利用电力系统综合仿真分析(PSD-BPA软件)在稳定文件填写LI卡设置对研究区域在t＝12s时间内负荷持续增加5％的场景进行时域仿真分析，共包括9个PQ节点，确定待考察PQ节点为{T1，T2，…，T9}，记第i个PQ节点的编号为i，整理出每个PQ节点初始状态的电压、有功和无功状态参数的数据(表1)。

节点名称	变压器额定总容量	有功负荷	无功负荷
				T1	630/285	630	81
T2	720/300	627	125
				T3	600/260	391	78
T4	960/320	646	129
				T5	720/240	197	39
T6	690/345	564	100
				T7	720/240	53	11
T8	720/330	195	39
				T9	720/240	408	82

表1

(2)计算该场景下各PQ节点的综合动态等值阻抗、负荷静态等值阻抗和阻抗模裕度，定义阻抗模裕度为电压安全裕度，记场景下节点i的裕度为μ_it。

(a)负荷静态等值阻抗：

$Z_{\mathrm{it}}=\frac{V_{\mathrm{it}}}{I_{\mathrm{it}}}---\left(1\right)$

式中：Z_it为i节点t时刻的负荷静态等值阻抗；V_it为i节点t时刻负荷节点电压值；I_it为i节点t时刻负荷电流

(b)综合动态等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{iTHEVt}}=\frac{d{V}_i}{d{I}_i}=\frac{V_{\mathrm{it}}-V_{i(t-1)}}{I_{\mathrm{it}}-I_{i(t-1)}}---\left(2\right)$

式中：Z_iTHEVt为i节点t时刻的综合动态等值阻抗；dV_t为i节点t时刻的电压变化率；dI_t为i节点t时刻的电流变化率；

V_it为系统i节点t时刻的的负荷电压值；V_i(t-1)为系统i节点t-1时刻的负荷电压值；I_it为系统i节点t时刻的负荷电流值；I_i(t-1)为系统i节点t-1时刻的负荷电流值

(c)负荷阻抗模裕度为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{it}}=\frac{\left|Z_{\mathrm{iLDt}}\right|-\left|Z_{\mathrm{iTHEVt}}\right|}{\left|Z_{\mathrm{iLDt}}\right|}---\left(3\right)$

(d)节点负荷阻抗模裕度平均值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{it}}}{n}---\left(4\right)$

式中μ_it为负荷阻抗模裕度；0≤μ_it＜1，

为t时刻负荷阻抗模裕度平均值；

Z_iLDt为系统i节点t时刻的负荷静态阻抗值；Z_iTHEVt为系统i节点t时刻的综合动态等值阻抗；

在t＝1s时刻T1～T9各个PQ节点的阻抗模裕度计算结果如表2：

T1	0.372754
		T2	0.385242
T3	0.433707
		T4	0.429126
T5	0.401831
		T6	0.337127

T7	0.429464
		T8	0.446426
T9	0.41491

表2

为所研究片区薄弱节点，确定待选的STATCOM安装点为{T1，T2，T5，T6}。

(3)对电力系统进行时域扫描，以故障状态下研究区域节点电压降之和的排序的前5位确定为威胁系统暂态电压稳定的关键故障集合{F₁，F₂，...，F_N1}。

(4)本次研究区域内待选节点电压电压等级全部为220KV则配置的STATCOM容量选为±30Mvar。

(5)分别在各个待选节点安装STATCOM，对关键故障集合{F₁，F₂，...，F_N1}再次进行时域仿真。

(6)根据第6步时域仿真结果，计算节点B_j(j＝1，2，...，m)的改进轨迹灵敏度(TSI)，TSI是动态无功补偿装置配置后对电力系统各节点电压支撑效果的衡量指标，指标越大表明支撑效果越好。根据TSI_j对待选安装节点进行排序，指标值最大者即为最优安装节点B_j。

${\mathrm{TSI}}_j=\underset{l=1}{\overset{N_l}{\mathrm{\Σ}}}\left\{W_{\mathrm{Fl}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[W_{\mathrm{bi}}\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k\frac{V_{i,l}(t_k,Q_{j0}+\mathrm{\Δ}{Q}_{j\left(\mathrm{STATCOM}\right)})-V_{i,l}(t_k,Q_{j0})}{S_{\mathrm{STATCOM}}}\left]\right\}---\left(5\right)$

式中：TSI_j为节点B_j的改进TSI；N₁为考察故障总数；W_Fl为故障F₁的权重；F₁(1＝1，2，¨，N₁)；W_bi为节点B_i电压的权重；V_i，l(t_k，Q_j0+ΔQ_j(STATCOM))为节点B_j安装额定容量为S_STATCOM的STATCOM后，在故障F₁下，节点电压V_i在t＝t_k时刻的值；Q_j(STATCOM)为在节点B_j安装STATCOM后，STATCOM释放的无功功率，它随着节点B_j电压的变化而变化；V_i，l(t_k，Q_j0)为安装STATCOM前，在故障F₁下，V_i在t＝t_k时刻的值；当采样间隔Δt为常数且足够小时，[V_i，l(t_k，Q_j0+ΔQ_j(STATCOM))-V_i，l(t_k，Q_j0)]Δt为在节点B_j安装STATCOM后电压曲线V_i(t)在时间区间[t₁，t_Nk]内的V-t面积增量；计算结果如表3：

表3

(7)对待选安装节点根据TSI按照升序排序，TSI₁＝3.652426004指标值最大者T1为选出的动态无功补偿装置配置点；

(8)在T1配置±30Mvar的STATCOM后，系统在故障集{F₁，F₂，...，F_N1}中的所有故障状态下每个节点电压暂态恢复阶段第一个时间刻度电压水平均达≥0.75Pu以上，则T1确定为最终配置点；

(9)STATCOM配置在T2，重复故障集场景下的仿真分析，计算该配置方案的TSI₂＝2.839426004；

比较第8步和第9步确定的不同配置方案的TSI₁＞TSI₂，结果说明了同样的配置容量，通过本发明方法确定的配置点对系统的电压稳定性提供的支撑效果最佳。

图3所示中a、b为T1节点在同一故障场景下的动态电压曲线，a曲线表示动态无功补偿装置(STATCOM)配置前的电压变化曲线；b曲线表示所研究区域采用了本发明方法确定T1为配置点，在T1配置±30Mvar的动态无功补偿装置(STATCOM)后动态电压变化曲线，从图中看出故障切除后，b曲线上节点的电压恢复速度和恢复水平都有所提高，反映了配置方案对动态电压支撑的良好效果。

Claims (1)

1.一种受端电网动态无功补偿装置配置位置选择的方法，包括下列步骤：

(1)确定受端电网所研究的区域和运行方式，利用电力系统综合分析软件电力系统综合分析平台(PSD-BPA)计算系统功率同步扰动，在负荷功率同步增大时，考虑电压控制节点(PV)无功功率越限约束，得到电力系统运行各时段的动态仿真数据；

(2)计算各负荷节点(PQ)系统综合动态等值阻抗、负荷静态等值阻抗和阻抗模裕度；

(a)负荷静态等值阻抗：

$Z_{\mathrm{it}}=\frac{V_{\mathrm{it}}}{I_{\mathrm{it}}}---\left(1\right)$

式中：Z_it为i节点t时刻的负荷静态等值阻抗；V_it为i节点t时刻负荷节点电压值；I_it为i节点t时刻负荷电流；

(b)综合动态等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{iTHEVt}}=\frac{d{V}_i}{d{I}_i}=\frac{V_{\mathrm{it}}-V_{i(t-1)}}{I_{\mathrm{it}}-I_{i(t-1)}}---\left(2\right)$

式中：Z_iTHEVt为i节点t时刻的综合动态等值阻抗；dV_i为i节点t时刻的电压变化率；dI_t为i节点t时刻的电流变化率；V_it为系统i节点t时刻的的负荷电压值；V_i(t-1)为系统i节点t-1时刻的负荷电压值；T_it为系统i节点t时刻的负荷电流值；I_i(t-1)为系统i节点t-1时刻的负荷电流值；

(c)负荷阻抗模裕度为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{it}}=\frac{\left|Z_{\mathrm{iLDt}}\right|-\left|Z_{\mathrm{iTHEVt}}\right|}{\left|Z_{\mathrm{iLDt}}\right|}---\left(3\right)$

(d)节点负荷阻抗模裕度平均值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{it}}}{n}---\left(4\right)$

式中：μ_it为负荷阻抗模裕度；0≤μ_it＜1，

为t时刻负荷阻抗模裕度平均值；

Z_iLDt为系统i方式下t时刻的负荷静态阻抗值；Z_iTHEVt为系统i方式下t时刻的综合动态等值阻抗；

根据阻抗模裕度μ_it大小，对电力系统节点电压稳定性强弱排序，确定准稳态分析方法系统电压稳定性较弱的节点集合，μ_it低于

的平均值的点确定为安装静止同步补偿器(STATCOM)的待选节点{B₁，B₂，…，B_m}；

(3)针对受端电网所研究的区域，对电力系统进行时域扫描，根据故障后各节点电压降之和确定威胁电力系统暂态电压稳定的关键故障集合{F₁，F₂，...，F_NI}；

(4)待选节点配置容量，若待选节点电压等级为500KV配置容量则为±200Mvar，若待选节点电压等级220KV则配置容量为±30Mvar；

(5)分别在各个待选节点安装STATCOM，对关键故障集合{F₁，F₂，...，F_NI}再次进行时域仿真；

(6)根据时域仿真结果，计算节点B_j(j＝1，2，...，m)的改进轨迹灵敏度指标(TSI_j)；

${\mathrm{TSI}}_j=\underset{l=1}{\overset{N_l}{\mathrm{\Σ}}}\left\{W_{\mathrm{Fl}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[W_{\mathrm{bi}}\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k\frac{V_{i,l}(t_k,Q_{j0}+\mathrm{\Δ}{Q}_{j\left(\mathrm{STATCOM}\right)})-V_{i,l}(t_k,Q_{j0})}{S_{\mathrm{STATCOM}}}\left]\right\}---\left(5\right)$

式中：TSI_j为节点B_j的改进TSI；N₁为考察故障总数；W_F1为故障F₁的权重，F₁(1＝1，2，¨，N₁)；W_bi为节点B_i电压的权重；V_i，l(t_k，Q_j0+ΔQ_j(STATCOM))为节点B_j安装额定容量为S_STATCOM的STATCOM后，在故障F₁下，节点电压V_i在t＝t_k时刻的值；Q_j(STATCOM)为在节点B_j安装STATCOM后，STATCOM释放的无功功率)；V_i，l(t_k，Q_j0)为安装STATCOM前，在故障F₁下，V_i在t＝t_k时刻的值；当采样间隔Δt为常数且足够小时，[V_i，l(t_k，Q_j0+ΔQ_j(STATCOM))-V_i，l(t_k，W_j0)]Δt为在节点B_j安装STATCOM后电压曲线V_i(t)在时间区间[t₁，t_Nk]内的V-t面积增量；

(7)对待选安装节点根据TSI_j按照升序排序，TSI_j指标值最大者即为待选节点{B1，B2，…，Bm}中选出的动态无功补偿装置配置点；

(8)在选出的动态无功补偿装置配置点安装STATCOM，进行对关键故障集合{F₁，F₂，...，F_NI}的时域仿真，如果未达到在故障状态下每个节点电压暂态恢复阶段第一个时间刻度电压水平均达≥0.75Pu以上的配置方案暂态稳定目标，则将该配置点保持配置状态并从待选节点{B₁，B₂，…，Bm}中去除，再在其余待选节点{B₁，B₂，…，B_m}中分别安装STATCOM，对关键故障集合{F₁，F₂，...，F_NI}再次进行时域仿真，按照(6)、(7)步方法求出需要增加的配置点集，直至满足故障状态下每个节点电压暂态恢复阶段第一个时间刻度电压水平均达≥0.75Pu以上；

(9)得出优化配置点集，确定无功补偿装置配置位置最终配置方案。

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