CN103560529B - 一种抑制电力系统交流联络线不规则功率波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制电力系统交流联络线不规则功率波动的控制方法，其采用在线自适应方式、通过多回直流输电系统协调抑制多回交流联络线不规则功率波动。本发明能够协调控制多回直流输电系统的直流调制控制器，与只采用单回直流输电系统的直流调制控制器相比，其抑制效果将更加显著；同时能够综合考虑多回交流联络线的不规则功率波动，避免了当直流调制控制器被用于抑制某一回交流联络线不规则功率波动时，引起其它交流联络线不规则功率波动加剧的问题。本发明对电力系统的运行方式具有自适应性，避免了当电力系统的运行方式发生变化后原有直流调制控制器对交流联络线不规则功率波动的抑制效果减弱的问题。

Description

一种抑制电力系统交流联络线不规则功率波动的控制方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，具体涉及一种抑制电力系统交流联络线不规则功率波动的控制方法。

背景技术

发电站把石化能、水能、核能、风能和太阳能等转化为电能，电能经整流站、逆变站、变电站和电力线路输送并分配至用户，在那里经电动机、电炉和电灯等负载设备又将电能转化为机械能、热能和光能等。故发电站、整流站、逆变站、变电站、电力线路以及各种用电负载等联系在一起组成的统一整体称为电力系统。

在电力系统中，各个区域电网之间往往仅通过数回交流联络线互相联接。由于各个区域电网之间的功率交换以及各个区域电网内部的负荷变化幅度相对较大，正常运行时各回交流联络线上必将存在一定幅值的功率波动。实际运行经验表明，各个区域电网之间的交流联络线功率波动具有明显的不规则性，波动周期一般为数十秒到数分钟，波动幅值也同样具有不规则性。这种交流联络线的不规则功率波动严重威胁电力系统的安全稳定运行。当交流联络线的不规则功率波动幅值较大时，其甚至有可能引起电力系统的静态稳定破坏，继而导致大停电事故。因此，抑制交流联络线上的不规则功率波动对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

何剑和孙华东等在标题为直流功率调制抑制交流联络线随机功率波动的研究（中国电机工程学报）的文献中提出了一种采用单回直流输电系统抑制单回交流联络线不规则功率波动的方法。实际研究表明，由于单回直流输电系统的功率调制量往往有限，当交流联络线不规则功率波动幅值较大时，单回直流输电系统的直流调制控制器通常不足以很好地抑制交流联络线的不规则功率波动。另外，由于在直流调制控制器的参数设计过程中仅考虑一回交流联络线的功率波动情况，其还有可能引起其它交流联络线的不规则功率波动加剧。更进一步地，上述方法也未能考虑电力系统运行方式对直流调制控制器控制效果的影响。因此，当电力系统的运行方式发生明显变化后，原有直流调制控制器对交流联络线不规则功率波动的抑制效果将可能明显减弱。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种抑制电力系统交流联络线不规则功率波动的控制方法，能够有效抑制多回交流联络线的不规则功率波动。

一种抑制电力系统交流联络线不规则功率波动的控制方法，包括如下步骤：

（1）实时对电力系统进行测量，根据测量得到的数据确定系统当前时刻的工况；

（2）判断系统当前时刻的工况相对上一时刻的工况是否发生改变，若是，则执行步骤（3），若否，则返回步骤（1）；

（3）使系统中各直流输电线路对应调制控制器的增益系数作为优化对象，根据系统当前时刻的工况构建系统关于调制控制器增益系数的数学模型如下：

$\underset{k_q(q=\mathrm{1,2},...,N_{\mathrm{dc}})}{\mathrm{Min}}\left(\underset{p=\mathrm{1,2},...,N_{\mathrm{ac}}}{\max }{\mathrm{\σ}}_p\right)$

$S.T.\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ\δ}}_i={\mathrm{\Δ\ω}}_i$

${2H}_i\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ\ω}}_i=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)}-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Li}}-\underset{N_{\mathrm{aci}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{ack}}-\underset{N_{\mathrm{dci}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{dcl}}$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)}=\frac{1}{T_{\mathrm{CH}(i,j)}}({\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)}-{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)})$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)}=\frac{1}{T_{G(i,j)}}(-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i}{R_{(i,j)}}-{\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)})$

其中：k_q为系统中第q条直流输电线路对应调制控制器的增益系数，q为自然数且1≤q≤N_dc，N_dc为系统中直流输电线路的总数，σ_p为系统中第p回交流联络线单位时段的功率标准差，p为自然数且1≤p≤N_ac，N_ac为系统中交流联络线的总数，Δδ_i和Δω_i分别为系统中第i块区域电网发电机群的等值功角变化量和等值转速变化量，H_i为系统中第i块区域电网发电机群的等值惯性时间常数，i为自然数且1≤i≤N_area，N_area为系统中区域电网的总数，ΔP_m(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的机械功率变化量，j为自然数且1≤j≤N_geni，N_geni为第i块区域电网中的发电机总数，ΔP_Li为第i块区域电网中负荷的功率变化量，ΔP_i-ack为第i块区域电网所连交流联络线中第k条交流联络线的功率变化量，ΔP_i-dcl为第i块区域电网所连直流输电线路中第l条直流输电线路的功率变化量，k为自然数且1≤k≤N_aci，l为自然数且1≤l≤N_dci，N_aci和N_dci分别为第i块区域电网所连交流联络线和直流输电线路的总数，ΔP_v(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器输出变化量，T_G(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器时间常数，T_CH(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的原动机时间常数，R_(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器调差系数，t为时间；

（4）对所述的数学模型进行求解，得到系统中各直流输电线路对应调制控制器的增益系数，进而使调制控制器根据该增益系数对对应的直流输电线路进行控制。

所述的功率标准差σ_p的计算表达式如下：

${\mathrm{\σ}}_p=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{acp}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中：ΔP_acp(t)为t时刻第p回交流联络线的功率变化量，T为仿真总时长。

所述的功率变化量ΔP_i-ack的计算表达式如下：

${\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{ack}}=\frac{{\mathrm{\Δ\δ}}_i-{\mathrm{\Δ\δ}}_{\mathrm{ik}}}{x_k}$

其中：Δδ_i为第i块区域电网发电机群的等值功角变化量，Δδ_ik为与第i块区域电网通过第k条交流联络线相连的另一区域电网的发电机群的等值功角变化量，x_k为第k条交流联络线的线路阻抗。

所述的功率变化量ΔP_i-dcl的计算表达式如下：

ΔP_i-dcl＝k_lΔP_l

其中：k_l为第l条直流输电线路对应调制控制器的增益系数，ΔP_l为第l条直流输电线路对应调制控制器的输入量。

所述的步骤（2）中，判断系统当前时刻的工况相对上一时刻的工况是否发生改变的标准为：根据测量数据进行判断，若当前时刻系统中任一区域电网输电网络的拓扑结构相对于上一时刻发生改变，则判定系统的工况发生改变。

所述的步骤（4）中，采用Hooke-Jeeves算法（模式搜索法）对数学模型进行求解。

本发明控制方法具有以下优点：

（1）能够协调控制多回直流输电系统的直流调制控制器，与只采用单回直流输电系统的直流调制控制器相比，其抑制效果将更加显著。

（2）能够综合考虑多回交流联络线的不规则功率波动，避免了当直流调制控制器被用于抑制某一回交流联络线不规则功率波动时，引起其它交流联络线不规则功率波动加剧的问题。

（3）对电力系统的运行方式具有自适应性，避免了当电力系统的运行方式发生变化后原有直流调制控制器对交流联络线不规则功率波动的抑制效果减弱的问题。

综合上述三方面因素可以看出，与现有技术相比本发明能够更加有效地抑制交流联络线不规则功率波动，并且对电力系统运行方式的自适应能力更强。

附图说明

图1为本发明控制方法的流程示意图。

图2为直流调制控制器的传递函数结构示意图。

图3为未采用控制、采用现有技术控制以及采用本发明控制下系统特高压交流联络线的功率波动曲线。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明控制方法进行详细说明。

本实施方式所研究的电力系统为中国三华特高压电网，其由华北电网、华中电网和华东电网组成。研究目的是抑制中国三华特高压电网中特高压交流联络线的不规则功率波动。如图1所示，针对上述电力系统，本实施方式的工作流程如下：

（1）利用能量管理系统和广域测量系统实时对电力系统进行测量，根据测量得到的数据确定系统当前时刻的工况；

（2）判断系统当前时刻的工况相对上一时刻的工况是否发生改变，若是，则执行步骤（3），若否，则返回步骤（1）；其判断标准为：根据测量数据进行判断，若当前时刻系统中任一区域电网输电网络的拓扑结构相对于上一时刻发生改变，则判定系统的工况发生改变。

（3）使系统中各直流输电线路对应调制控制器的增益系数作为优化对象，根据系统当前时刻的工况构建系统关于调制控制器增益系数的数学模型如下：

$\underset{k_q(q=\mathrm{1,2},...,N_{\mathrm{dc}})}{\mathrm{Min}}\left(\underset{p=\mathrm{1,2},...,N_{\mathrm{ac}}}{\max }{\mathrm{\σ}}_p\right)$

$S.T.\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ\δ}}_i={\mathrm{\Δ\ω}}_i$

${2H}_i\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ\ω}}_i=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)}-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Li}}-\underset{N_{\mathrm{aci}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{ack}}-\underset{N_{\mathrm{dci}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{dcl}}$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)}=\frac{1}{T_{\mathrm{CH}(i,j)}}({\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)}-{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)})$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)}=\frac{1}{T_{G(i,j)}}(-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i}{R_{(i,j)}}-{\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)})$

${\mathrm{\σ}}_p=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{acp}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$

${\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{ack}}=\frac{{\mathrm{\Δ\δ}}_i-{\mathrm{\Δ\δ}}_{\mathrm{ik}}}{x_k}$

ΔP_i-dcl＝k_lΔP_l

其中：k_q为系统中第q条直流输电线路对应调制控制器的增益系数，q为自然数且1≤q≤N_dc，N_dc为系统中直流输电线路的总数，σ_p为系统中第p回交流联络线单位时段的功率标准差，p为自然数且1≤p≤N_ac，N_ac为系统中交流联络线的总数，Δδ_i和Δω_i分别为系统中第i块区域电网发电机群的等值功角变化量和等值转速变化量，H_i为系统中第i块区域电网发电机群的等值惯性时间常数，i为自然数且1≤i≤N_area，N_area为系统中区域电网的总数，ΔP_m(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的机械功率变化量，j为自然数且1≤j≤N_geni，N_geni为第i块区域电网中的发电机总数，ΔP_Li为第i块区域电网中负荷的功率变化量，ΔP_i-ack为第i块区域电网所连交流联络线中第k条交流联络线的功率变化量，ΔP_i-dcl为第i块区域电网所连直流输电线路中第l条直流输电线路的功率变化量，k为自然数且1≤k≤N_aci，l为自然数且1≤l≤N_dci，N_aci和N_dci分别为第i块区域电网所连交流联络线和直流输电线路的总数，ΔP_v(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器输出变化量，T_G(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器时间常数，T_CH(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的原动机时间常数，R_(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器调差系数，t为时间；ΔP_acp(t)为t时刻第p回交流联络线的功率变化量，T为仿真总时长，Δδ_ik为与第i块区域电网通过第k条交流联络线相连的另一区域电网的发电机群的等值功角变化量，x_k为第k条交流联络线的线路阻抗，k_l为第l条直流输电线路对应调制控制器的增益系数，ΔP_l为第l条直流输电线路对应调制控制器的输入量。

本实施方式，选择当前运行方式下，华北电网、华中电网和华东电网中的各个直流输电系统的直流调制控制器增益整定值作为优化对象，这里所选择的直流输电系统为三常直流输电系统、三广直流输电系统和宁东直流输电系统。三常直流输电系统和三广直流输电系统的控制对象为华中和华北电网之间的特高压交流联络线。宁东直流输电系统的控制对象为华东和华北电网之间的特高压交流联络线。

本实施方式所采用的直流调制控制器的结构如图2所示。在图2中，ΔP_ac(q,u)为直流调制控制器的控制对象（即某回交流联络线）的功率，ΔP_dcq为直流调制控制器的附加直流功率指令值，P_dcq0为直流输电系统的初始直流功率指令值，P_dcq为直流输电系统的最终直流功率指令值，k_q为直流调制控制器的增益，T_w为直流调制控制器隔直环节的时间常数。

（4）采用Hooke-Jeeves算法对上述数学模型进行求解，得到系统中各直流输电线路对应调制控制器的增益系数，进而使调制控制器根据该增益系数对对应的直流输电线路进行控制。

本实施方式在所研究的运行方式下，三常直流输电系统、三广直流输电系统和宁东直流输电系统的直流调制控制器的增益整定值最终分别为1.08、1.07和0.23。

将得到的直流调制控制器增益的优化结果发送至各个直流输电系统的直流调制控制器，更新各个直流调制控制器的增益整定值。

为了进一步验证本实施方式的实际作用效果，图3给出了没有控制时、采用现有技术后以及采用本实施方式后特高压交流联络线的功率波动曲线。其中在应用现有技术时，采用三常直流输电系统的直流调制控制器抑制特高压交流联络线的不规则功率波动。从图3的对比结果可以看出：与现有技术相比，采用本实施方式后特高压交流联络线的不规则功率波动得到了更好的抑制。

Claims (6)

1.一种抑制电力系统交流联络线不规则功率波动的控制方法，包括如下步骤：

(1)实时对电力系统进行测量，根据测量得到的数据确定系统当前时刻的工况；

(2)判断系统当前时刻的工况相对上一时刻的工况是否发生改变，若是，则执行步骤(3)，若否，则返回步骤(1)；

(3)使系统中各直流输电线路对应调制控制器的增益系数作为优化对象，根据系统当前时刻的工况构建系统关于调制控制器增益系数的数学模型如下：

$\underset{k_q(q=\mathrm{1,2},...,N_{\mathrm{dc}})}{\mathrm{Min}}\left(\underset{p=\mathrm{1,2},...,N_{\mathrm{ac}}}{\max }{\mathrm{\σ}}_p\right)$

$\begin{array}{cc}S.T.& \frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_i={\mathrm{\Δ\ω}}_i\end{array}$

$2H_i\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ\ω}}_i=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)}-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{Li}}-\underset{N_{\mathrm{aci}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{ack}}-\underset{N_{\mathrm{dci}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{dcl}}$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)}=\frac{1}{T_{\mathrm{CH}(i,j)}}({\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)}-{\mathrm{\ΔP}}_{m(i,j)})$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)}=\frac{1}{T_{G(i,j)}}(-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i}{R_{(i,j)}}-{\mathrm{\ΔP}}_{v(i,j)})$

其中：k_q为系统中第q条直流输电线路对应调制控制器的增益系数，q为自然数且1≤q≤N_dc，N_dc为系统中直流输电线路的总数，σ_p为系统中第p回交流联络线单位时段的功率标准差，p为自然数且1≤p≤N_ac，N_ac为系统中交流联络线的总数，Δδ_i为系统中第i块区域电网发电机群的等值功角变化量，Δω_i为系统中第i块区域电网发电机群的等值转速变化量，H_i为系统中第i块区域电网发电机群的等值惯性时间常数，i为自然数且1≤i≤N_area，N_area为系统中区域电网的总数，ΔP_m(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的机械功率变化量，j为自然数且1≤j≤N_geni，N_geni为第i块区域电网中的发电机总数，ΔP_Li为第i块区域电网中负荷的功率变化量，ΔP_i-ack为第i块区域电网所连交流联络线中第k条交流联络线的功率变化量，ΔP_i-dcl为第i块区域电网所连直流输电线路中第l条直流输电线路的功率变化量，k为自然数且1≤k≤N_aci，l为自然数且1≤l≤N_dci，N_aci为第i块区域电网所连交流联络线的总数，N_dci为第i块区域电网所连直流输电线路的总数，ΔP_v(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器输出变化量，T_G(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器时间常数，T_CH(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的原动机时间常数，R_(i,j)为第i块区域电网中第j发电机的调速器调差系数，t为时间；

(4)对所述的数学模型进行求解，得到系统中各直流输电线路对应调制控制器的增益系数，进而使调制控制器根据该增益系数对对应的直流输电线路进行控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的功率标准差σ_p的计算表达式如下：

${\mathrm{\σ}}_p=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{acp}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中：ΔP_acp(t)为t时刻第p回交流联络线的功率变化量，T为仿真总时长。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的功率变化量ΔP_i-ack的计算表达式如下：

${\mathrm{\ΔP}}_{i-\mathrm{ack}}=\frac{{\mathrm{\Δ\δ}}_i-{\mathrm{\Δ\δ}}_{\mathrm{ik}}}{x_k}$

其中：Δδ_ik为与第i块区域电网通过第k条交流联络线相连的另一区域电网的发电机群的等值功角变化量，x_k为第k条交流联络线的线路阻抗。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的功率变化量ΔP_i-dcl的计算表达式如下：

ΔP_i-dcl＝k_lΔP_l

其中：k_l为第l条直流输电线路对应调制控制器的增益系数，ΔP_l为第l条直流输电线路对应调制控制器的输入量。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，判断系统当前时刻的工况相对上一时刻的工况是否发生改变的标准为：根据测量数据进行判断，若当前时刻系统中任一区域电网输电网络的拓扑结构相对于上一时刻发生改变，则判定系统的工况发生改变。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，采用Hooke-Jeeves算法对数学模型进行求解。