CN110768263A - 一种暂态电压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种暂态电压控制方法。该方法可利用暂态电压稳定裕度指标定量评估暂态电压稳定性，并结合改进电压无功轨迹灵敏度优化交直流受端电网无功配置方案。首先，结合电力系统对负荷母线和中枢母线的电压稳定要求，限制暂态最低电压和稳态恢复电压水平，针对不同跌落程度赋予不同的权重，构造了基于多二元表的暂态电压稳定裕度指标；然后，针对多直流馈入受端电网的情况，提出了电压稳定支撑VSS指标，筛选无功补偿的候选母线；接着，利用暂态电压稳定裕度指标，改进电压无功轨迹灵敏度指标；最后，提出了一种结合改进电压无功轨迹灵敏度和暂态电压稳定裕度指标的交直流受端电网动态无功优化配置方案。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统运行控制技术领域，尤其涉及一种暂态电压的控制方法。
背景技术
随着西电东送战略的实施，我国电力系统已步入大电网、大机组、远距离输电的时代，由于直流输电具有输送距离长、输送容量大、运行损耗小等优点，特高压直流远距离输电规模持续增加。通过特高压直流输电工程将大火电基地、大风/光新能源基地、西南大水电基地的功率集中馈入负荷中心，形成多直流馈入受端电网。受端电网“强直弱交”特征突出，暂态电压稳定问题更加严重。高压直流输电在传输有功功率的同时也消耗大量无功功率，将对电网的电压稳定问题带来新的挑战：直流功率的馈入相当于受端等容量的同步发电机组退出运行，系统抗干扰能力降低；受端电网结构更加复杂，交直流相互作用，交流系统故障可能导致多回直流同时换相失败甚至闭锁等连锁故障，由N-1/N-2故障转变为N-k故障，严重威胁电网的安全运行。此外，并联电容器的无功输出随着电压的降低平方减小，导致交流系统对直流系统无功支撑减小，若大量采用不利于维持逆变站交流母线电压稳定；现代电力电子设备的广泛使用将消耗大量无功功率，使得电压稳定问题进一步恶化。
电力系统是一个高度复杂的非线性动力学系统，电压稳定同元件动态特性息息相关，需采用动态分析方法才能准确分析电压失稳机理和电压稳定水平。目前动态分析方法主要有这几种：时域仿真法、能量函数法和非线性动力学法。时域仿真法用微分代数方程来描述电力系统的动态特性，保留约束条件和非线性特征，通过数值积分逐步求解方程，获取电压随时间变化曲线。但是由于系统元件的非线性，时域仿真法计算量大、耗费时间长。能量函数法通过计算故障后系统能量与临界能量之差判断系统稳定性，但是，复杂系统中合乎李雅普诺夫准则的能量函数构造和临界能量的确定困难。非线性动力学法主要是指分岔理论，由于系统参数的变化，导致系统的结构稳定性发生变化，表现为系统结构稳定性的消失，但是，非线性动力学法如何应用于实际电网的暂态电压稳定分析还有待完善。目前仍缺乏实用的暂态电压稳定判据。
发明内容
本发明的目的是提供一种暂态电压控制方法，该方法利用一种基于电压轨迹数据的暂态电压稳定裕度指标来评估暂态电压稳定性，利用电压稳定支撑指标筛选无功补偿的候选母线，并利用暂态电压稳定裕度指标改进电压无功轨迹灵敏度指标，优化交直流受端电网的动态无功配置方案。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种暂态电压控制方法，所述方法包括：
步骤1、结合电力系统对负荷母线和中枢母线的电压稳定要求，限制暂态最低电压和稳态恢复电压水平，构造了基于多二元表的暂态电压稳定裕度指标；
步骤2、针对多直流馈入受端电网的情况，提出了电压稳定支撑VSS指标，筛选无功补偿的候选母线；
步骤3、利用暂态电压稳定裕度指标，改进电压无功轨迹灵敏度指标；
步骤4、提出了一种结合改进电压无功轨迹灵敏度和暂态电压稳定裕度指标的交直流受端电网动态无功优化配置方案。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法解决了现有实用暂态电压评估指标区分度低的问题，满足了电力系统对负荷母线和中枢母线的电压稳定要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于多二元表的暂态电压加权量化分析；
图2为本发明实施例提供的轨迹灵敏度指标的物理意义；
图3为本发明实施例提供的基于改进轨迹灵敏度的动态无功优化配置流程图；
图4为本发明实施例所举实例中各节点的归一化电压无功改进轨迹灵敏度指标；
图5为本发明实施例所举实例中不同补偿方式下的电压变化曲线。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，具体分析过程如下所示：
步骤1、结合电力系统对负荷母线和中枢母线的电压稳定要求，限制暂态最低电压和稳态恢复电压水平，构造了基于多二元表的暂态电压稳定裕度指标；
电压可接受性定义如下：在暂态过程中，电压偏离设置值的持续时间不能超过规定要求。数学上，可接受性可用二元表判据(Vcr,Tcr)表示，即电压超出设定值Vcr(上限或下限)的最长持续时间Tb不超过Tcr时，则认为电压的偏移是可以接受的。
但是，单二元表判据不能考虑偏离(跌落)程度等问题，所以在单二元表的基础之上，构造多二元表判据。设定在动态过程中电压满足跌落情形下多二元表判据[(Vcr.1,Tcr.1),...,(Vcr.n,Tcr.n)]要求时，即Tbi＜Tcri认为系统是稳定的，对不同跌落水平的区间赋予不同权重，细化电压跌落水平对系统稳定的影响，如图1所示为本发明实施例提供的基于多二元表的暂态电压加权量化分析。
按照不同跌落程度赋予不同权重的思想，定义节点i的暂态电压稳定裕度指标如下：
其中：t1和t1′分别为电压跌落过程中低于Vcr.1和恢复过程中高于Vcr.1的时刻，Tb1＝t1′-t1为动态过程中电压低于Vcr.1的持续时间；Kk为权重系数，当电压分别位于Vcr.n以下、…、Vcr.2～Vcr.1，即状态跌落过程和提升过程中，分别位于(tn,t′n)、…、(t1,t2)∪(t′2,t′1)时，赋予不同的权重系数Kn、…、K1。
当系统状态处于临界稳定时，满足ηV＝0。故可以此为依据逐级求解权重系数，具体如下式所示。
对上述基于多二元表判据的指标，一般有Vcr.i＜Vcr.j时，Tcr.i＞Tcr.j，即跌落越浅，其最大可接受持续时间越长，对应的权重系数就相对较小；反之，跌落越深，对应的权重系数相对较大。
上述指标中，可根据暂态电压跌落可接受性的实用判据相关标准，以及电网的实际运行经验，对负荷母线和中枢点母线灵活设置不同的多二元表判据。
对于节点i，其暂态电压稳定裕度指标在数值计算中，可按照如下计算：
其中：T为仿真步长，mT＝Tb1。
同时，计算所有关键母线(i＝1,…,n)的暂态电压稳定裕度指标，然后可定义最小值作为该故障下系统的暂态电压跌落稳定裕度，即ηV＝min(ηV1,…,ηVn)，当ηV＞0，则认为系统暂态电压稳定。
针对系统电压安全防御，可设置合适的门槛值ηcr，当ηV≤ηcr时认为系统可能存在电压失稳的风险，提前采取控制措施避免可能出现的电压事故。同时，基于对关键母线的暂态稳定裕度指标排序，可确定实施电压控制的薄弱区域。
步骤2、针对多直流馈入受端电网的情况，提出了电压稳定支撑VSS指标，筛选无功补偿的候选母线；
确定最优的无功补偿接入点，对提升多直流馈入受端电网的电压稳定性至关重要。首先，应筛选出候选母线集合。一般而言，故障随机发生而电气距离是固定的，补偿点与逆变站的电气距离越近，补偿效果越好。考虑直流额定功率的加权和作为评价指标，定义电压稳定支撑VSS指标：
其中：PNj为第j条直流额定功率；交直流系统电压耦合作用因子ADVCFji主要取决于网架结构的电气距离；ΔVi为无功投入后在无功补偿点处的电压提升大小，初步确定时假设均相同；Kj为权重系数。
电压稳定支撑VSS指标越大，在该点进行无功补偿的效果越好。
步骤3、利用暂态电压稳定裕度指标，改进电压无功轨迹灵敏度指标；
电力系统通常可由一组微分代数方程表示：
其中：x、y、λ分别为系统的状态变量、代数变量和系统参数；x0、y0为初值。由此可得上述方程的解(即为系统轨迹)为：
通过对其关于参数λ泰勒展开，忽略二次及以上高阶项，可得
其中：xλ(t)、yλ(t)即为x、y对λ的轨迹灵敏度，轨迹灵敏度反映了系统参数变化对变量变化的敏感程度。
当Δλ→0，采用摄动法可近似计算轨迹灵敏度，即
在节点j安装动态无功补偿装置后，根据节点电压Vi关于注入无功Qj的轨迹灵敏度确定最优的安装位置，可定义无功电压轨迹灵敏度指标，如下式所示：
其中：n为节点总数、Wbi为节点i的权重，Nk、tk分别为采样点总数和采样时刻、Vi、Qj分别为节点i的电压和节点j的无功补偿容量，而为Vi关于Qj在tk时刻的轨迹灵敏度。
考虑到固定容量(SN)的SVG注入系统的无功功率ΔQj是随着母线电压的变化而不断变化，不是恒定无功功率注入，可构造如下轨迹灵敏度指标IITSj：
上式等式右边反映了在节点j安装容量为SN的SVG前后系统各节点电压响应曲线采样时长或者仿真时长内的增加量，如图2所示。
加入SVG后节点电压跌落程度减小，采用加入SVG前后换流母线节点电压暂态稳定裕度指标变化情况，取差值后作为后节点电压改进轨迹灵敏度指标，可更加准确反映母线暂态电压改善程度：
IITSj越大，说明在该节点接入SVG对换流母线的电压支撑能力越好，减小故障对直流功率的影响和受端电网的有功功率缺额，达到改善暂态电压稳定性的目的。
步骤4、提出了一种结合改进电压无功轨迹灵敏度和暂态电压稳定裕度指标的交直流受端电网动态无功优化配置方案。
基于无功电压轨迹灵敏度的动态无功优化配置流程图见图3，具体步骤如下：
1)首先定义交流母线对逆变站换流母线的电压支撑指标，通过交流母线与逆变站换流母线的电气距离的远近初步确定接入SVG的候选母线集合；
2)分别在1)中候选母线集合的各候选节点接入同容量SVG，并进行仿真分析；
3)分析2)中仿真结果，计算各候选节点的IITSj，并归一化处理；
4)对3)的结果按照总体、区域大小排序，优先选择各区域最优安装节点进行补偿，再次进行故障仿真；当各最优节点的变压器达到容量上限后，仍未能使系统暂态电压满足稳定要求，则选取区域内相对最优安装节点作为候选节点进行补偿，至系统电压稳定；比较各个方案下系统暂态电压稳定裕度的大小，确定无功补偿最优配置方案。
下面以实例来对本发明所述方法进行论证。
本实施例利用PSD-BPA软件进行仿真实验，主要考虑N-2故障，分别在各候选节点(1-15号)加入容量为200Mvar的SVG，进行故障仿真验证；Wbi则考虑为各条直流额定传输功率。对计算结果进行归一化处理，结果如图4所示。
图4表明，采用考虑不同电压跌落程度赋予不同权重的改进轨迹灵敏度指标可得到结果，节点1、节点5和节点11为各区域最优安装节点；而由等权重考虑电压跌落计算的轨迹灵敏度指标确定节点3、节点11和节点5为最优安装地点。
在相同故障条件下，分别在节点1(补偿方式1)和节点3(补偿方式2)安装同容量的SVG，仿真结果见图5。补偿方式1和补偿方式2对应的节点暂态电压稳定裕度分别为0.637和0.456，且在节点1安装动态无功补偿装置对电压的抬升量明显优于节点3。
因此，相比于等权重考虑电压跌落计算的轨迹灵敏度指标，本文所采用的考虑不同电压跌落程度赋予不同权重的改进轨迹灵敏度指标更加合理。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种暂态电压控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、结合电力系统对负荷母线和中枢母线的电压稳定要求，限制暂态最低电压和稳态恢复电压水平，构造了基于多二元表的暂态电压稳定裕度指标；
步骤2、针对多直流馈入受端电网的情况，提出了电压稳定支撑VSS指标，筛选无功补偿的候选母线；
步骤3、利用暂态电压稳定裕度指标，改进电压无功轨迹灵敏度指标；
步骤4、提出了一种结合改进电压无功轨迹灵敏度和暂态电压稳定裕度指标的交直流受端电网动态无功优化配置方案。
2.根据要求1所述的暂态电压控制方法，其特征在于：所述步骤1中，结合电力系统对负荷母线和中枢母线的电压稳定要求，针对不同跌落程度赋予不同的权重，构造了基于多二元表的暂态电压稳定裕度指标：
计算所有关键母线的暂态电压稳定裕度指标，然后可定义最小值作为该故障下系统的暂态电压跌落稳定裕度，即
，当
，则认为系统暂态电压稳定；
针对系统电压安全防御，可设置合适的门槛值，当时认为系统可能存在电压失稳的风险，提前采取控制措施避免可能出现的电压事故。
3.根据要求1所述的暂态电压控制方法，其特征在于：所述步骤2中，用电压稳定支撑VSS指标确定候选母线集合：
其中：交直流系统电压耦合作用因子ADVCF ji主要取决于网架结构的电气距离；ΔV i为无功投入后在无功补偿点处的电压提升大小。
4.根据要求1所述的暂态电压控制方法，其特征在于：所述步骤3中，在节点j安装动态无功补偿装置后，根据节点电压关于注入无功的轨迹灵敏度确定最优的安装位置，可定义无功电压轨迹灵敏度指标，如下式所示：
其中：为节点i的权重，
为
关于
在
时刻的轨迹灵敏度；
考虑到固定容量（SN）的SVG注入系统的无功功率是随着母线电压的变化而不断变化，不是恒定无功功率注入，构造如下轨迹灵敏度指标：
采用电压暂态稳定裕度指标取差值后作为后节点电压改进轨迹灵敏度指标，可更加准确反映母线暂态电压改善程度：
5.根据要求1所述的暂态电压控制方法，其特征在于：所述步骤4中，利用改进电压无功轨迹灵敏度和暂态电压稳定裕度指标，优化交直流受端电网动态无功配置方案。
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