CN104362652A - 发电机励磁调差系数的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种发电机励磁调差系数的控制方法和装置，所述方法包括步骤：A、获取系统的系统参数；B、以系统中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数；C、以所述最佳的发电机励磁调差系数控制发电机，以所述最佳的无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。通过使用本发明的发电机励磁调差系数的控制方法和装置可使电力系统的网损降低，同时使全网的电压得到明显提升，提高了系统运行的经济效益和电能质量。

Description

发电机励磁调差系数的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电力系统分析和控制领域，特别是涉及到电力系统设备的优化控制技术。

背景技术

发电机励磁调差主要是对发电机无功电流和无功功率变化进行的电压补偿，起到稳定分配直接并联运行的各发电机无功功率，以及维持变压器高压侧母线电压稳定的作用。现在电力系统广泛采用无功补偿装置来提高负荷功率因数和电压质量，因此无功补偿容量会影响发电机励磁调差系数的设定。

迄今为止，本领域内发电机励磁调差系数的控制方法主要涉及考虑调差系数对稳定性的影响的方法，特别是涉及到以网损最小为目标的调差系数控制方法，以及在电网全运行方式下满足电网运行要求为目的调差系数控制方法，但是还没有考虑电网无功补偿的发电机励磁调差系数的控制方法。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种考虑到电网无功补偿的发电机励磁调差系数的控制方法，以实现最佳的发电机励磁调差系数和最佳的无功补偿容量。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种发电机励磁调差系数的控制方法，所述方法包括步骤：

A、获取系统的系统参数；

B、以系统中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数；

C、以所述最佳的发电机励磁调差系数控制发电机，以所述最佳的无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。

其中所述系统的系统参数包括系统的导纳矩阵，发电机的空载电压，负荷节点的有功功率和无功功率，发电机输出的有功功率。

另外，所述潮流方程约束为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i=\mathrm{1,2},...n-1\\ Q_i+Q_{\mathrm{ci}}-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i=\mathrm{1,2},...r\\ (U_{G0i}{U}_i-U_i^2)/{\mathrm{\δ}}_i-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\\ =0,i=r+1,r+2,...n\end{array}\right.$

其中P_i，Q_i分别为节点i的注入有功功率和无功功率；

Q_ci为母线i的无功补偿容量；

U_i，U_j分别为节点i，j的电压幅值；

r为发电机节点的数目；

G_ij是导纳矩阵的实部；B_ij是导纳矩阵的虚部；

n是母线的数目；

θ_ij是母线i和母线j电压的相角差，即θ_i-θ_j；

U_G0i是发电机i的空载电压；

δ_i是发电机i的励磁调差系数。

另一方面，所述励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束分别为：

δ_min≤δ≤δ_max和

Q_min≤Q_ci≤Q_max

其中δ是发电机的励磁调差系数，Q_ci是补偿节点的无功补偿容量；

所述励磁调差系数的最小值和最大值δ_min、δ_max根据发电机无功调压的要求确定；

所述无功补偿容量的最小值和最大值Q_min、Q_max根据电力系统调压的要求而确定。

并且所述各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为：

U_min≤U≤U_max和

Q_Gmin≤Q_G≤Q_Gmax

其中U是各节点电压，Q_G是发电机节点无功功率；

所述各节点电压的最小值和最大值U_min和U_max根据系统安全要求确定；

所述发电机节点无功功率的最小值和最大值Q_Gmin和Q_Gmax根据发电机参数确定。

一种发电机励磁调差系数的控制装置，包括：

输入单元，用于获取系统的系统参数；

优化单元，用于以网络中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数；

控制单元，以优化单元所确定的最佳发电机励磁调差系数控制发电机，以优化单元所确定的最佳无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。

通过采用本发明的发电机励磁调差系数的控制方法和装置，将无功补偿容量作为控制变量来获得最佳的励磁调差系数和最佳无功补偿容量。本发明方法将无功补偿容量和发电机的调差系数进行综合优化，克服了现有技术将无功补偿容量忽略掉的不足，而且确定的最佳无功补偿容量可以使补偿节点的无功补偿容量更加合理。通过使用本发明的发电机励磁调差系数的控制方法和装置可使电力系统的网损进一步降低，同时使全网的电压得到明显提升，提高了系统运行的经济效益和电能质量。

附图说明

图1是本发明实施方式发电机励磁调差系数的控制方法的流程图。

图2是本发明实施方式一个应用实例的电路拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的发电机励磁调差系统的控制方法流程图如图1所示，具体而言该方法包括以下步骤：

A、获取系统的系统参数；

B、以网络中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数；

C、以所述最佳的发电机励磁调差系数控制发电机，以所述最佳的无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。

因此，本发明的发电机励磁调差系数控制方法中，优化目标为：

$f\left(P_G\right)=\underset{i=1}{\overset{N_G}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}+\underset{i=1}{\overset{N_L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Li}}$

其中，P_Gi为发电机节点的注入功率；P_Li为负荷节点的注入功率。N_G是发电机的总数目，N_L是负荷节点的总数目。

步骤A中的系统参数有很多，本领域内技术人员可以根据实际情况自由选取，例如对系统有更多的优化目标时，需要将更多的参数引入考虑范围，本领域技术人员可以根据实际需求选择步骤A中所用到的系统参数，这里不进行详细对比描述。在一个具体实施例中，所述系统的系统参数包括系统的导纳矩阵，发电机的空载电压，负荷节点的有功功率和无功功率，发电机发出的有功功率。

通过以上方法，本发明将无功补偿容量和发电机的调差系数进行综合优化，克服了现有方法将无功补偿忽略掉的不足，而且确定的最佳无功补偿容量可以使变电站的无功补偿容量更加合理。

在本发明的实施方式中，所述潮流方程约束为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i=\mathrm{1,2},...n-1\\ Q_i+Q_{\mathrm{ci}}-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i=\mathrm{1,2},...r\\ (U_{G0i}{U}_i-U_i^2)/{\mathrm{\δ}}_i-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\\ =0,i=r+1,r+2,...n\end{array}\right.$

其中P_i，Q_i分别为节点i的注入有功功率和无功功率；

Q_ci为母线i的无功补偿容量；

U_i，U_j分别为节点i，j的电压幅值；

r为发电机节点的个数；

G_ij是导纳矩阵的实部；B_ij是导纳矩阵的虚部；

n是母线的数目；

θ_ij是母线i和母线j电压的相角差，即θ_i-θ_j；

U_G0i是发电机i的空载电压；

δ_i是发电机i的励磁调差系数。

另一方面，所述励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束分别为：

δ_min≤δ≤δ_max和

Q_min≤Q_ci≤Q_max

其中δ是发电机的励磁调差系数，Q_ci是补偿节点的无功补偿容量；

所述励磁调差系数的最小值和最大值δ_min、δ_max根据发电机无功调压的要求确定；

所述补偿节点的无功补偿容量的最小值和最大值Q_min、Q_max根据电力系统调压的要求而确定。

并且，所述各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为：

U_min≤U≤U_max和

Q_Gmin≤Q_G≤Q_Gmax

其中U是各节点电压，Q_G是发电机节点无功功率；

所述各节点电压的最小值和最大值U_min和U_max根据系统安全要求确定；

所述发电机节点无功功率的最小值和最大值Q_Gmin和Q_Gmax根据发电机参数确定。

以上优化问题是个非线性优化问题，可以使用多种优化方法来求取取最优值，例如禁忌搜索方法、模拟退火方法、遗传方法等，本领域技术人员可以根据本发明实施方式的教导来进行选择适用。

例如在本发明一个实施例中，采用图1中的MATLAB优化工具箱中的fmincon方法来获取所述优化问题的最优值。

为了实施本发明的发电机励磁调差参数的控制方法，本发明的实施方式中还包括一种发电机励磁调差系数的控制装置，包括：

输入单元，用于获取网络的系统参数；

优化单元，用于以网络中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数；

控制单元，以优化单元所确定的最佳发电机励磁调差系数控制发电机，以优化单元所确定的最佳无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。

以下将通过一个更加具体的示例来说明本发明的有益效果。

本发明实施方式中，一个应用场景的电路拓扑结构图如图2所示，这是新英格兰10机39节点系统的拓扑结构。所述新英格兰系统包括10台发电机，39个节点，12台变压器，34条线路。所述新英格兰系统代表美国新英格兰州的一个345kV电力网络，其中10号发电机是一个等值机，可以认为其为无差调节，其他发电机均为单元接线方式。

步骤1：获取新英格兰系统的系统参数，包括系统的导纳矩阵，发电机的空载电压，负荷节点的有功功率和无功功率，发电机发出的有功功率等。

步骤2：以新英格兰系统中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数。

首先，对优化目标中各个变量赋初值，包括节点的电压幅值和相角，发电机的励磁调差系数，补偿节点的无功补偿容量。所述赋初值的方式根据经验方式任意选择即可。

特别地，利用MATLAB优化工具箱中的fmincon方法来求取以上优化问题的解为表1和表2：

表1最佳的发电机励磁调差系数

以及

表2最佳的无功补偿容量

步骤3：以所述最佳的发电机励磁调差系数控制发电机，以所述最佳的无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。

因此，利用本发明的发电机励磁调差系数控制方法，补偿节点的最佳无功补偿量如表2所示，优化后的最小网损为44.88MW。

由计算结果可以看出，通过本发明的方法，优化励磁调差系数及无功补偿容量使系统的无功功率分布更加合理，从而使系统的网损最小。不仅如此，由于系统内无功分布更加合理，母线的电压分布也更加合理，也更有利于维持系统电压的稳定。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种发电机励磁调差系数的控制方法，所述方法包括步骤：

A、获取系统的系统参数；

B、以系统中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数；

C、以所述最佳的发电机励磁调差系数控制发电机，以所述最佳的无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。

2.权利要求1中所述的发电机励磁调差系数的控制方法，其特征在于，所述系统的系统参数包括系统的导纳矩阵，发电机的空载电压，负荷节点的有功功率和无功功率，发电机输出的有功功率。

3.权利要求2中所述的发电机励磁调差系数的控制方法，其特征在于，所述潮流方程约束为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_i(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i=\mathrm{1,2},...n-1\\ Q_i+Q_{\mathrm{ci}}-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i=\mathrm{1,2},...r\\ (U_{G0i}{U}_i-U_i^2)/{\mathrm{\δ}}_i-U_i\underset{\mathrm{j\ϵi}}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\\ =0,i=r+1,r+2,...n\end{array}\right.$

其中P_i，Q_i分别为节点i的注入有功功率和无功功率；

Q_ci为母线i的无功补偿容量；

U_i，U_j分别为节点i，j的电压幅值；

r为发电机节点的数目；

G_ij是导纳矩阵的实部；B_ij是导纳矩阵的虚部；

n是母线的数目；

θ_ij是母线i和母线j电压的相角差，即θ_i-θ_j；

U_G0i是发电机i的空载电压；

δ_i是发电机i的励磁调差系数。

4.权利要求2中所述的发电机励磁调差系数的控制方法，其特征在于，所述励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束分别为：

δ_min≤δ≤δ_max和

Q_min≤Q_ci≤Q_max

其中δ是发电机的励磁调差系数，Q_ci是补偿节点的无功补偿容量；

所述励磁调差系数的最小值和最大值δ_min、δ_max根据发电机无功调压的要求确定；

所述无功补偿容量的最小值和最大值Q_min、Q_max根据电力系统调压的要求而确定。

5.权利要求2中所述的发电机励磁调差系数的控制方法，其特征在于，所述各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为：

U_min≤U≤U_max和

Q_Gmin≤Q_G≤Q_Gmax

其中U是各节点电压，Q_G是发电机节点无功功率；

所述各节点电压的最小值和最大值U_min和U_max根据系统安全要求确定；

所述发电机节点无功功率的最小值和最大值Q_Gmin和Q_Gmax根据发电机参数确定。

6.一种发电机励磁调差系数的控制装置，包括：

输入单元，用于获取系统的系统参数；

优化单元，用于以网络中发电机节点的注入功率和负荷节点的注入功率之和为优化目标；以潮流方程约束、励磁调差系数和无功补偿容量的限制约束、各节点电压的安全约束、发电机节点无功功率约束为约束条件，确定最佳的无功补偿容量和发电机的励磁调差系数；

控制单元，以优化单元所确定的最佳发电机励磁调差系数控制发电机，以优化单元所确定的最佳无功补偿容量对补偿节点进行无功补偿。