CN109193690A - 一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特高压交直流混合输电系统的无功优化策略，属于特高压交直流电网运行、无功优化技术领域。其能有效起到直流系统故障后抑制暂态电压升高的作用，从而实现在保证直流大规模外送条件下降低风机高压脱网的数量。包括以下步骤：步骤1、获取特高压交直流输电系统潮流计算所需稳态运行参数，包括系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压及相位角；步骤2、根据获取的运行参数，计算特高压交直流输电系统初始潮流和目标函数初值；步骤3、确定系统稳态运行的目标函数和约束条件；步骤4、考虑暂态特性的目标函数和约束条件，确定无功优化策略发电机转子约束条件；步骤5、采用粒子群算法对得出的优化数据寻求最优解。

Description

一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法
技术领域
本发明涉及一种特高压交直流混合输电系统的无功优化策略，特别涉及一种考虑暂态特性的特高压交直流混合输电系统的无功优化策略，属于特高压交直流电网运行、无功优化技术领域。
背景技术
风电和光伏等新能源电力发展迅速，大规模开发和集中式送出是新能源发展的主要特征之一。随着特高压交直流混合输电系统的出现及不断投运，大规模新能源电力通过有效汇集远距离输送到负荷中心，既满足了大规模新能源电力外送的需求，又实现了特高压交直流系统的利用率。随着风电装机和并网容量的不断增加，特高压交直流混合输电系统的安全稳定运行受到严重挑战。
特高压直流系统发生双极闭锁故障或换相失败可能导致附近大规模风机高压脱网。特高压直流系统和风电的稳定运行需要系统提供一点的短路容量，同时在故障后系统恢复稳定运行也需要系统提供必要的电压支撑。系统中火电机组，包括直流配套电源及主网机组，可以提供系统稳定运行所需要的短路容量和电压支撑。如何结合特高压交直流风火混送系统中新能源机组风电、火电和直流系统的相互作用机理，充分调动火电机组的动态无功调节能力，进行风电、火电和直流系统的协调控制，是解决电网运行和控制问题切实可行的技术手段，对大电网的运行具有积极而重要的现实意义。
目前，特高压交直流混合输电系统无功/电压支撑能力矛盾突出，已经成为电力系统安全、稳定、高效运行的一大难题。随着风电、光伏等大规模新能源电力的投运，电网电压突变耐受能力减弱，容易引发大规模新能源电力连锁脱网，对系统的稳定造成更大的冲击。大量风电机组不具备低电压/高电压穿越能力，风电场动态无功能力不足、无功补偿设备快速自动调整能力弱及控制方式不合理等因素进一步助增了故障后暂态电压的升高。考虑特高压交直流混合输电系统的无功电压支撑能力和风电、火电和直流协调控制策略是电网运行急需解决的关键问题。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其通过考虑特高压交直流混合输电系统故障后的暂态电压支撑能力和风电、火电和直流系统协调控制，基于粒子群算法，构建特高压交直流混合输电系统运行方式优化模型，能有效起到直流系统故障后抑制暂态电压升高的作用，从而实现在保证直流大规模外送条件下降低风机高压脱网的数量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括以下步骤：
步骤1、获取特高压交直流输电系统潮流计算所需稳态运行参数，包括系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压及相位角；
步骤2、根据获取的运行参数，计算特高压交直流输电系统初始潮流和目标函数初值；(特高压交直流输电系统是指交流电压为500-1000kv，直流电压为±800kv的输电线路。)
步骤3、确定系统稳态运行的目标函数和约束条件；
步骤4、考虑暂态特性的目标函数和约束条件，确定无功优化策略发电机转子约束条件；
步骤5、采用粒子群算法对得出的优化数据寻求最优解；
步骤6、得出优化结果。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2包括：
步骤2.1、在ADPSS中建立特高压交直流输电系统模型，将运行参数输入到已建好的特高压交直流输电系统模型中；
步骤2.2、通过仿真计算，得到初始潮流和目标函数初值，包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗。
作为本发明的另一种优选方案，所述步骤3包括：
步骤3.1、根据稳态运行参数和潮流计算结果，改变特高压模型中各机组的运行方式及新能源电力的投入；
步骤3.2、改变参数的同时，确保系统不失稳，从而确定系统稳态约束条件。
作为本发明的另一种优选方案，所述步骤4包括：
步骤4.1、根据稳态约束条件，得到系统的最佳运行水平；
步骤4.2、设置暂态故障，计算故障后各节点稳态电压初始值和暂态电压最大值；
步骤4.3、以故障切除时间到仿真结束时间内电压偏差的积分最小为目标函数，根据约束条件，进行无功优化；
步骤4.4、优化过程中需满足发电机转子约束条件；
步骤4.5、优化过程中需注意风电场暂态电压升高值须小于1.1p.u.。
作为本发明的另一种优选方案，所述步骤5包括：
步骤5.1、初始化粒子群体(群体规模为无功调节节点集合变量个数)，得到一组初始粒子，即初始解；
步骤5.2、计算每个粒子的适应度，即针对每种补偿情况，进行潮流计算，并根据潮流计算结果计算目标函数值；
步骤5.3、根据适应度更新pbest、gbest更新粒子位置速度得到新的粒子群体，即得到一组新的无功控制集合；
步骤5.4、若达到最大迭代次数或目标函数值满足优化要求，停止计算，否则重复5.2步骤。
作为本发明的另一种优选方案，所述步骤6中，粒子群算法通过MATLAB平台编程实现；潮流和暂态稳定性计算通过ADPSS实现；无功调节根据粒子群计算结果在ADPSS中人工调整计算数据来实现。
作为本发明的另一种优选方案，获取交直流输电系统潮流计算所需稳态运行参数是指交直流系统网络的拓扑结构、输电网络参数，系统发电和负荷参数，直流系统控制参数等。
与现有技术相比本发明有益效果。
本特高压交直流混合输电系统运行考虑了暂态特性，可以更真实的反映混合输电系统的无功优化，获取了充足、准确的稳态运行方式数据，并通过仿真软件不断优化暂态运行方式，可以获得真实可靠的无功优化策略。
本无功优化策略可提高系统运行的稳定性，由于是通过粒子群算法获得了最优的暂态运行方式，从而更好的抑止系统发生故障时的暂态电压变化，因此可使交直流混合输电系统更加稳定。
本发明便于商业化开发。随着特高压交直流输电系统的增多，本发明的无功优化策略的开发必然具有较大需求，本发明具有较好的商业开发前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明一种考虑暂态特性的特高压交直流混合输电系统的无功优化策略总体流程图。
图2是本发明采用粒子群算法进行无功调节的流程图。
图3是本发明某风电场优化前的暂态电压特性曲线。
图4是本发明某风电场优化后的暂态电压特性曲线。
具体实施方式
如图1-4所示，一种考虑暂态特性的特高压交直流混合输电系统的无功优化策略包括以下步骤：
步骤1)：获取交直流输电系统潮流计算所需稳态运行参数，包括系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角；
步骤2)：根据获取的运行参数，计算特高压交直流系统初始潮流和目标函数初值。
具体包括：
第一步：在ADPSS中建立特高压交直流输电系统模型，将运行参数输入到已建好的特高压电网模型中；
第二步：通过仿真计算，得到初始潮流和目标函数初值，包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗。
其中计算特高压交直流系统目标函数，包括：
a.特高压直流换流母线、风电场母线的运行状态受限于故障前的直流输送容量、风电机组投运容量和火电机组不同容量配比的影响；
b.根据电网运行方式的安排，以系统直流网损，交流网损，各负荷节点电压偏差和风电场母线节点电压偏差最小值为优化目标进行电压控制；其优化控制目标函数为：
其中，Pac.Loss和Pdc.Loss分别为有功和无功网损，ULi和UWi分别为负荷母线电压和风电场母线电压，和分别为负荷母线初始电压和风电场母线初始电压，ΔULimax和ΔUWimax分别为各种运行情况下负荷母线允许电压偏差最大值和风电场母线允许电压偏差最大值。ω1、ω2和ω3分别为网损加权系数、负荷节点电压质量加权系数、风电场母线电压质量加权系数，三者之和为1。
步骤3)：确定系统稳态运行的目标函数和约束条件；
具体包括：
第一步：根据稳态运行参数和潮流计算结果，改变特高压模型中各机组的运行方式及新能源电力的投入；
第二步：改变参数的同时，确保系统不失稳，从而确定系统稳态约束条件；
其中态运行的目标函数和约束条件，包括：
a.其稳态运行的目标函数是一个有关节点电压幅值和功角功率方程组，其功率方程为
其等式约束方程主要体现在其线路损耗的功率，具体方程为
其中i,j为节点的编号；Pgi,Qgi为发电节点有功和无功出力；Pdi，Qdi为负荷节点的有功和无功负荷；ΔQci为该节点的无功调节功率；Ui,Uj,θi为节点电压的幅值和相角；Gij,Bij为节点导纳矩阵中的相应元素；
b.稳态运行的不等式约束方程包主要对节点无功，节点电压和发电机功率作为约束，其公式为：
其中，QCi为无功补偿节点的无功补偿容量；Uik为关键节点电压；PGn和PGn分别为发电机有功和无功功率；max与min对应各变量上下限值。
步骤4)：考虑暂态特性的目标函数和约束条件，确定无功优化策略
具体包括：
第一步:根据稳态约束条件，得到系统的最佳运行水平；
第二步:设置暂态故障，计算故障后各节点稳态电压初始值和暂态电压最大值；
第三步:以故障切除时间到仿真结束时间内电压偏差的积分最小为目标函数，根据约束条件，进行无功优化；
第四步:优化过程中需满足发电机转子约束条件；
其中，所述的暂态运行的目标函数和约束条件，包括
a.其暂态运行的目标函数是一个与暂态电压瞬时值与稳态电压初始值的微分方程，其方程为
其中，Ui(t)为t时刻i节点暂态电压，Ui(0)为i节点初始状态电压；
b.其暂态运行的约束条件可描述发电机励磁、换流器、动态无功装置等元件的动态响应特性，其约束方程为：
其中x为状态变量，y为代数变量，u为控制变量；
其中，所述的发电机转子约束条件，包括：
发电机转子约束：
max(Δδ′)≤ε
其中，Δδ′表示各发电机功角差，ε为规定的转子功角差最大值。
步骤5)：采用粒子群算法对得出的优化数据寻求最优解；
具体包括：
第一步:初始化粒子群体(群体规模为无功调节节点集合变量个数)，得到一组初始粒子，即初始解；
第二步：计算每个粒子的适应度，即针对每种补偿情况，进行潮流计算，并根据潮流计算结果计算目标函数值；
第三步：根据适应度更新pbest、gbest更新粒子位置速度得到新的粒子群体，即得到一组新的无功控制集合；
第四步：若达到最大迭代次数或目标函数值满足优化要求，停止计算，否则重复二步骤。
步骤6)得出优化结果：
第一步:粒子群算法通过MATLAB平台编程实现。
第二步:潮流和暂态稳定性计算通过ADPSS实现。
第三步：无功调节根据粒子群计算结果在ADPSS中人工调整计算数据来实现。
图1是总体流程图，与上述计算步骤是一致的，值得说明的是从图中的流程可以看出，本方法是通过确定系统暂态运行的约束条件，并利用粒子群算法不断优化而得出的无功优化策略，这是与其它方法本质的区别所在。
图2是粒子群算法优化示意图，粒子群优化算法中每个优化问题的潜在解是搜索所在空间中的一个粒子，所有的粒子都会有一个对应的函数值来衡量每个粒子解的优越程度，每个粒子还会有一个对应的速度来决定自身飞翔的距离和方法，最终可以实现从全局域内搜索到最优解的目的。
图3、4分别是某风电场优化前后的暂态电压特性曲线，从图中可以明显看出优化后某风电场的暂态电压有明显的下降，这也说明了本策略的有效性。
表1.某地四个风电场母线暂态电压优化结果
本发明提供一种可靠且有效的基于风电、火电和直流协调控制的特高压交直流混合输电系统的无功优化策略。本发明采用的这种优化方法，以改善特高压交直流风火混送系统双极闭锁故障后暂态电压支撑能力为目标，通过对系统中风电、直流和火电机组的协调控制，实现直流输送功率和风电并网容量的增加，同时实现抑制直流系统闭锁故障后暂态电压升高的目的，从而可有效改善和降低直流系统闭锁故障后大规模新能源机组高压脱网的局面，为特高压交直流风火混送系统的安全稳定运行分析与控制提供技术依据和实用化方法。
本发明提出的特高压交直流混合输电系统无功优化策略得基本思想是：通过对特高压交直流风火混送系统中风电、直流和火电机组的协调优化控制，改善特高压交直流风火混送系统运行方式，从而实现直流输送功率和风电并网容量的增加，同时实现抑制直流系统闭锁故障后暂态电压升高的目的。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取特高压交直流输电系统潮流计算所需稳态运行参数，包括系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压及相位角；
步骤2、根据获取的运行参数，计算特高压交直流输电系统初始潮流和目标函数初值；
步骤3、确定系统稳态运行的目标函数和约束条件；
步骤4、考虑暂态特性的目标函数和约束条件，确定无功优化策略发电机转子约束条件；
步骤5、采用粒子群算法对得出的优化数据寻求最优解；
步骤6、得出优化结果。
2.根据权利要求1所述的一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其特征在于：所述步骤2包括：
步骤2.1、在ADPSS中建立特高压交直流输电系统模型，将运行参数输入到已建好的特高压交直流输电系统模型中；
步骤2.2、通过仿真计算，得到初始潮流和目标函数初值，包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗。
3.根据权利要求1所述的一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其特征在于：所述步骤3包括：
步骤3.1、根据稳态运行参数和潮流计算结果，改变特高压模型中各机组的运行方式及新能源电力的投入；
步骤3.2、改变参数的同时，确保系统不失稳，从而确定系统稳态约束条件。
4.根据权利要求1所述的一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其特征在于：所述步骤4包括：
步骤4.1、根据稳态约束条件，得到系统的最佳运行水平；
步骤4.2、设置暂态故障，计算故障后各节点稳态电压初始值和暂态电压最大值；
步骤4.3、以故障切除时间到仿真结束时间内电压偏差的积分最小为目标函数，根据约束条件，进行无功优化；
步骤4.4、优化过程中需满足发电机转子约束条件；
步骤4.5、优化过程中需注意风电场暂态电压升高值须小于1.1p.u.。
5.根据权利要求1所述的一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其特征在于：所述步骤5包括：
步骤5.1、初始化粒子群体，得到一组初始粒子，即初始解；
步骤5.2、计算每个粒子的适应度，即针对每种补偿情况，进行潮流计算，并根据潮流计算结果计算目标函数值；
步骤5.3、根据适应度更新pbest、gbest更新粒子位置速度得到新的粒子群体，即得到一组新的无功控制集合；
步骤5.4、若达到最大迭代次数或目标函数值满足优化要求，停止计算，否则重复5.2步骤。
6.根据权利要求1所述的一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其特征在于：所述步骤6中，粒子群算法通过MATLAB平台编程实现；潮流和暂态稳定性计算通过ADPSS实现；无功调节根据粒子群计算结果在ADPSS中人工调整计算数据来实现。
7.根据权利要求1所述的一种特高压交直流混合输电系统的无功优化方法，其特征在于：获取交直流输电系统潮流计算所需稳态运行参数包括交直流系统网络的拓扑结构、输电网络参数，系统发电和负荷参数、直流系统控制参数。
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