CN111799810A - 一种交直流系统无功控制方法及系统 - Google Patents

一种交直流系统无功控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交直流系统无功控制方法及系统，其包括：通过预先建立的柔性直流装置无功电压校正模型监测交直流系统在轻负荷时段是否有无功倒送，如果发生无功倒送情况，则系统电压会上升，设定电压上限值，对电压进行调控，得到无功调整量；由预先设置的输电网无功优化模型对交直流系统的无功电压进行分析，将柔性直流装置与输电网中已有的无功调节装置进行配合，进行无功调节，得到电压稳定裕度和电网全天网损；同时判断无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损是否满足预先设定的条件，满足则进入下一步，反之，则重新计算；根据满足条件的无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损，对交直流系统进行无功控制。

Description

一种交直流系统无功控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种电网供电技术领域，特别是关于一种含柔性直流装置的交直流系统无功控制方法及系统。
背景技术
随着交直流技术的发展，柔性直流装置的研究也更为深入，对柔性装置的无功电压支撑能力研究有明显不足，同时，交直流系统的互支撑的无功控制能力也是研究的重点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种含柔性直流装置的交直流系统无功控制方法及系统，其通过对直流装置和输电系统中无功装置的电压控制，实现对交直流系统无功控制能力的协调优化调度，在考虑柔性直流装置的无功电压特性的同时，提高了交直流系统的无功控制能力。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种交直流系统无功控制方法，其特征在于包括：1)通过预先建立的柔性直流装置无功电压校正模型监测交直流系统在轻负荷时段是否有无功倒送，如果发生无功倒送情况，则系统电压会上升，设定电压上限值，对电压进行调控，得到无功调整量；2)由预先设置的输电网无功优化模型对交直流系统的无功电压进行分析，将柔性直流装置与输电网中已有的无功调节装置进行配合，进行无功调节，得到电压稳定裕度和电网全天网损；3)判断无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损是否满足预先设定的条件，满足则进入下一步，反之，则转至步骤1)重新计算；4)根据满足条件的无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损，对交直流系统进行无功控制。
进一步，所述柔性直流装置无功电压校正模型由无功倒送模型F1和电压校正控制模型F2构成：
Figure BDA0002572673050000011
式中,QG为无功源出力；w1和w2为目标函数的权重系数，在[0，1]间取值，且w1+w2＝1；Umax为轻负荷时段的电压最大值，Umin为轻负荷时段的电压最小值，pf为轻负荷时段高压变电站功率因数，Qmax为轻负荷时段无功调整量最大值，Qmin为轻负荷时段无功调整量最小值；ΔQ是无功调整量。
进一步，所述无功倒送模型F1为：
Figure BDA0002572673050000021
式中，pfset是轻负荷时段高压变电站功率因数的控制限值；NQ是超出功率因数控制限值的变电站集合；pfh是第h个越限变电站的功率因数；CQ是功率因数对无功的灵敏度。
进一步，所述电压校正控制模型F2为：
Figure BDA0002572673050000022
式中，NU为高电压越限节点集合；Uk为第k个越限节点电压；Uset为电压控制上限值；CU为电压对无功的灵敏度。
进一步，所述输电网无功优化模型为双层目标函数，其中上层目标函数为电压稳定裕度模型，下层目标函数为电网全天网损最小模型。
进一步，所述电压稳定裕度模型F4为：
Figure BDA0002572673050000023
Figure BDA0002572673050000024
式中,SDC为柔性直流装置的容量；PDC为柔性直流装置的实时有功；QDC为柔性直流装置的实时无功；Qset为柔性直流装置无功的理想运行状态。
进一步，所述电网全天网损最小模型为：
Figure BDA0002572673050000025
式中，Ploss为电网全天网损；Gij为节点i与节点j之间的支路电导；U为节点电压幅值；θ为节点电压相角；N为正整数。
进一步，所述电网全天网损最小模型的约束条件包括有功无功平衡约束、节点电压约束、节点无功约束、变压器变比约束、电容器分接头动作次数约束和变压器分接头动作次数约束。
进一步，所述步骤S4中的控制方法为：
在轻负荷时段，优先控制变电站低压侧的电容/电抗器，通过切电容/投电抗的方式校正变电站的功率因数和高压侧母线电压；当没有可调节的电容/电抗器时，利用分区内发电机的进相运行能力吸收容性无功，最后利用柔性直流吸收分区内多余的无功；
在重负荷时段，优先采用投电容/切电抗的方式消除电压和功率因数越限，其次增加分区内发电机的无功出力，最后再利用柔性直流的无功支撑能力；
当没有电压和功率因数越限时，通过求解电压稳定裕度模型实现动态无功功率置换：首先投切可调节的电容/电抗器来置换柔性直流的无功出力，其次是在满足发电机运行约束的基础上，用发电机的无功出力置换柔性直流的无功出力。
一种交直流系统无功控制系统，其包括轻负荷电压调控模块、无功调节模块、判断模块和无功控制模块；所述轻负荷电压调控模块通过预先建立的柔性直流装置无功电压校正模型监测交直流系统在轻负荷时段是否有无功倒送，如果发生无功倒送情况，则系统电压会上升，设定电压上限值，对电压进行调控，得到无功调整量；所述无功调节模块由预先设置的输电网无功优化模型对交直流系统的无功电压进行分析，将柔性直流装置与输电网中已有的无功调节装置进行配合，进行无功调节，得到电压稳定裕度和电网全天网损；所述判断模块判断无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损是否满足预先设定的条件，满足则进入下一步，反之，则转至所述轻负荷电压调控模块重新计算；所述无功控制模块根据满足条件的无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损，对交直流系统进行无功控制。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明根据输电网中动态无功补偿装置的特性，在实现交直流电网可靠性的前提下，结合柔性直流装置和离散无功补偿设备的特性，建立双层优化数学模型，实现对交直流输电系统的柔性直流装置及输电网中含混合整数变量的动态无功装置进行优化；并通过深入研究电力系统动态无功补偿设备的离散特性和求解混合整数变量的非线性规划(Mixed Integer Nonlinear Programming，MINLP)问题，结合双层优化构架，形成以满足电压裕度指标为上层目标，以有功网损最小为下层目标的含有整数变量及动作次数约束的动态无功优化问题。实现了对交直流系统无功控制能力的协调优化调度，提高了交直流系统的无功控制能力。
附图说明
图1是本发明控制方法的整体流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供一种含柔性直流装置的交直流系统无功控制方法，该方法考虑了交直流系统柔性直流装置无功电压校正及无功控制能力。如图1所示，本发明包括以下步骤：
1)通过预先建立的柔性直流装置无功电压校正模型监测交直流系统在轻负荷时段是否有无功倒送，如果发生无功倒送情况，则系统电压会上升，设定电压上限值，对电压进行调控，得到无功调整量；
其中，柔性直流装置无功电压校正模型由无功倒送模型和电压校正控制模型构成；
以抑制轻负荷时段的无功功率倒送为目标建立无功倒送模型F1为：
Figure BDA0002572673050000041
式(1)中，pfset是轻负荷时段高压变电站功率因数的控制限值；NQ是超出功率因数控制限值的变电站集合；pfh是第h个越限变电站的功率因数；CQ是功率因数对无功的灵敏度；ΔQ是无功调整量。
理想状态下pfset在[0.92，1]间运行，为感性功率因数。但通常受端城市电网在轻负荷时段普遍存在无功倒送的情况，即功率因数为容性。所以，实际应用中通常将pfset设为绝对值接近于1的容性功率因数，在数学上可以表示为负数。
另外，由于轻负荷时段无功倒送经常会引发电压越上限，校正高电压越限的电压校正控制模型F2为：
Figure BDA0002572673050000042
式(2)中，NU为高电压越限节点集合；Uk为第k个越限节点电压；Uset为电压控制上限值；CU为电压对无功的灵敏度。
则根据式(1)和式(2)，得到柔性直流装置无功电压校正模型F3为：
Figure BDA0002572673050000051
式(3)中,QG为无功源出力；下标max、min分别是限值的上限和下限。w1和w2为目标函数的权重系数，在[0，1]间取值，且w1+w2＝1。其中，Umax为轻负荷时段的电压最大值，Umin为轻负荷时段的电压最小值，pf为轻负荷时段高压变电站功率因数，Qmax为轻负荷时段无功调整量最大值，Qmin为轻负荷时段无功调整量最小值。无功调整量指标作为优化函数中无功的重要指标可以防止过量无功调整导致的电压越限。
需要说明的是，柔性直流的双向无功调节上、下限值不是固定的，而是需满足视在功率的限制，由柔性直流的实时有功功率在功率圆图上对应的无功调节范围来确定。
上述联合控制模型的物理意义是以最小的无功调整量校正电网中越上限的节点电压和无功倒送超标的变电站，且不能引发新的电压和功率因数越限。
2)在步骤1)进行的同时，由预先设置的输电网无功优化模型对交直流系统的无功电压进行分析，将柔性直流装置与输电网中已有的无功调节装置进行配合，进行无功调节，得到电压稳定裕度和电网全天网损，以提高整体含柔性直流装置的无功调节能力；
输电网无功优化模型为双层目标函数，其中上层目标函数为电压稳定裕度模型，下层目标函数为以电网全天网损最小为目标的优化模型(即电网全天网损最小模型)；
21)上层目标函数：
柔性直流能够缓解重负荷时段动态无功支撑不足的问题，同时与输电网络中的具有无功调节能力的装置配合，以提高整体含柔性直流装置的输电网的无功调节能力，以电压稳定裕度为目标的电压稳定裕度模型F4为：
Figure BDA0002572673050000052
式(4)中,SDC为柔性直流装置的容量；PDC为柔性直流装置的实时有功；QDC为柔性直流装置的实时无功；Qset为柔性直流装置无功的理想运行状态。上式中为使柔性直流装置具有充足的双向无功调节能力，理想状态下Qset应为0，在实际运行中可将Qset控制在0附近的区间内。
上述电压稳定裕度模型的物理意义是在不引起电压和功率因数越限的基础上，利用传统无功源的调节能力置换柔性直流的无功出力，提高柔性直流装置的双向无功储备裕度。
裕度指标是常用的电压稳定指标之一，其定义为：从系统给定的运行状态出发，通过负荷增长或传输功率的增长逐步逼近电压崩溃点，则系统当前运行点到电压崩溃点的距离可作为电压稳定程度的指标。
裕度指标具有的优点有：首先能较直观的表示当权运行点到电压崩溃点距离的量度；然后，系统运行点到电压崩溃点的距离与裕度指标的大小呈线性关系；其次，可以比较方便地计及过度过程中约束条件、负荷增长方式的各种因素。因此，在本实施例中采用电压稳定裕度指标的分析方法。
22)下层目标函数为：
系统有可投切电容器组和带有载调压分接头的变压器。电网全天网损最小模型为下层优化目标函数，其以全天配电系统网损之和(能量损耗)最小为目标：
Figure BDA0002572673050000061
式(5)中，Ploss为电网全天网损；Gij为节点i与节点j之间的支路电导；U为节点电压幅值；θ为节点电压相角；N为正整数。
电网全天网损最小模型的约束条件如下：
(1)有功无功平衡约束：
Figure BDA0002572673050000062
式(7)中，N为配电网节点总数；PGi(t)、PLi(t)分别为t时段节点i的有功注入和有功负荷；QGi(t)、QCi(t)、QLi(t)、QRi(t)分别为节点i的无功注入、容性无功补偿容量、感性无功补偿容量和无功负荷；Bij、δij分别为节点i和j之间的电纳和节点电压相角差，sinij为节点i,j之间相角值。
(2)节点电压约束：
Umin≤U≤Umax (8)
式(8)中，U＝[U1,U2,U3,…,U24]T，代表24个时段内的各母线电压矩阵。Ui为母线电压行矢量。
(3)节点无功约束：
Qmin≤Q≤Qmax (9)
式(9)中，Q＝[Q1,Q2,Q3,…,Q24]T，代表24个时段内的各电容器组的容量矩阵。Qt为时段t内的容量值行矢量。
(4)变压器变比约束：
Tmin≤T≤Tmax (10)
式(10)中，T＝[T1,T2,T3,…,T24]T，代表24个时段内的各分接头档位矩阵。Tt为时段t内的档位值行矢量。
(5)电容器分接头动作次数约束：
Figure BDA0002572673050000071
上式中，KC代表24小时内各电容器组的总动作次数。Si(t)表示t时刻电容器组的开关状态，Si(t)＝0表示未动作，Si(t)＝1表示动作一次。
(6)变压器分接头动作次数约束：
Figure BDA0002572673050000072
式中，KT代表24小时内各变压器的分接头总动作次数。Ti(t)表示变压器分接头在t时刻所处的档位，tap表示变压器的档位变换系数。
3)同时判断无功调整量、电压稳定裕度及系统有功损耗是否满足预先设定的条件，满足则进入下一步，反之，则转至步骤S1重新计算；
预先设定的条件为，需同时满足以下三点：
(1)无功调整量小于预先设定的调整量指标，即满足柔性直流装置无功电压校正模型F3的约束条件；
(2)电压稳定裕度大于预先设定的稳定裕度指标，即满足电压稳定裕度模型F4的约束条件；
(3)系统有功损耗小于预先设定的潮流网损，即满足电网全天网损最小模型的约束条件。
4)根据满足条件的无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损，对含柔性直流装置的交直流系统进行无功控制：
在轻负荷时段，治理高电压越限和无功倒送时，优先控制变电站低压侧的电容/电抗器，通过切电容/投电抗的方式校正变电站的功率因数和高压侧母线电压。当没有可调节的电容/电抗器时，利用分区内发电机的进相运行能力吸收容性无功，最后利用柔性直流吸收分区内多余的无功。
在重负荷时段，治理低电压越限和功率因数偏低时，优先采用投电容/切电抗的方式消除电压和功率因数越限。其次增加分区内发电机的无功出力，最后再利用柔性直流的无功支撑能力。
当没有电压和功率因数越限时，通过求解式(4)实现动态无功功率置换。具体置换方法是：首先投切可调节的电容/电抗器来置换柔性直流的无功出力，其次是在满足发电机运行约束的基础上，可用发电机的无功出力置换柔性直流的无功出力。
与轻负荷时段不同的是，受端城市电网在重负荷时段，正常运行时无功功率流向整体呈高电压等级向低电压等级层层输送状态，无功电压运行，通常不存在全局性问题。局部偶尔会出现低电压越限、功率因数偏低的情况，此时可按上述联合控制模型和电压稳定裕度模型予以校正。
需要说明的是，以柔性直流为核心的无功电压控制策略是在电网调度端实施的集中式控制。当发生故障导致电压严重跌落时，柔性直流装置随即转入就地控制模式，不再接受电网调度的控制指令，利用其动态无功调节能力快速支撑电网电压。待电网故障消除后，再恢复为集中控制模式。
本发明还提供一种交直流系统无功控制系统，其包括轻负荷电压调控模块、无功调节模块、判断模块和无功控制模块；
轻负荷电压调控模块通过预先建立的柔性直流装置无功电压校正模型监测交直流系统在轻负荷时段是否有无功倒送，如果发生无功倒送情况，则系统电压会上升，设定电压上限值，对电压进行调控；
无功调节模块由预先设置的输电网无功优化模型对交直流系统的无功电压进行分析，将柔性直流装置与输电网中已有的无功调节装置进行配合，进行无功调节；
判断模块同时判断无功调整量、电压稳定裕度及系统有功损耗是否满足预先设定的条件，满足则进入下一步，反之，则转至轻负荷电压调控模块重新计算；
无功控制模块根据满足条件的无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损，对含柔性直流装置的交直流系统进行无功控制。
综上，在实际工程中，通过求解可实现对电压和功率因数的校正控制。当同时存在电压和功率因数越限时，可取w1＝w2＝0.5；当只有功率因数越限时，可取w1＝1、w2＝0；当只有电压越限时，可取w1＝0、w2＝1。
本发明通过建立含有柔性直流装置的输电网无功电压控制模型，其中柔性直流能够缓解重负荷时段动态无功支撑不足的问题，同时输电网络中的具有无功调节能力的装置配合，以提高整体含柔性直流装置的输电网的无功调节能力，以电压稳定裕度为目标建立电压稳定裕度指标控制模型，由此来约束柔性直流装置的无功电压；通过下层目标函数构建的网损最小模型和电压稳定裕度的约束实现含有柔性直流装置电网的无功优化；通过上下层函数的统一优化，从电压稳定和潮流网损两个方面全面的分析了含柔性直流装置的交直流输电网络的稳定特性，并给出了最优控制方案。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置、和计算机程序产品的流程图和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和方框图中的每一流程和方框、以及流程图和方框图中的流程和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种交直流系统无功控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过预先建立的柔性直流装置无功电压校正模型监测交直流系统在轻负荷时段是否有无功倒送，如果发生无功倒送情况，则系统电压会上升，设定电压上限值，对电压进行调控，得到无功调整量；
2)由预先设置的输电网无功优化模型对交直流系统的无功电压进行分析，将柔性直流装置与输电网中已有的无功调节装置进行配合，进行无功调节，得到电压稳定裕度和电网全天网损；
3)判断无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损是否满足预先设定的条件，满足则进入下一步，反之，则转至步骤1)重新计算；
4)根据满足条件的无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损，对交直流系统进行无功控制。
2.如权利要求1所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述柔性直流装置无功电压校正模型由无功倒送模型F1和电压校正控制模型F2构成：
F3＝w1F1+w2F2
Figure FDA0002572673040000011
式中,QG为无功源出力；w1和w2为目标函数的权重系数，在[0，1]间取值，且w1+w2＝1；Umax为轻负荷时段的电压最大值，Umin为轻负荷时段的电压最小值，pf为轻负荷时段高压变电站功率因数，Qmax为轻负荷时段无功调整量最大值，Qmin为轻负荷时段无功调整量最小值；ΔQ是无功调整量。
3.如权利要求2所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述无功倒送模型F1为：
Figure FDA0002572673040000012
式中，pfset是轻负荷时段高压变电站功率因数的控制限值；NQ是超出功率因数控制限值的变电站集合；pfh是第h个越限变电站的功率因数；CQ是功率因数对无功的灵敏度。
4.如权利要求2所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述电压校正控制模型F2为：
Figure FDA0002572673040000021
式中，NU为高电压越限节点集合；Uk为第k个越限节点电压；Uset为电压控制上限值；CU为电压对无功的灵敏度。
5.如权利要求1所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述输电网无功优化模型为双层目标函数，其中上层目标函数为电压稳定裕度模型，下层目标函数为电网全天网损最小模型。
6.如权利要求5所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述电压稳定裕度模型F4为：
Figure FDA0002572673040000022
Figure FDA0002572673040000023
式中,SDC为柔性直流装置的容量；PDC为柔性直流装置的实时有功；QDC为柔性直流装置的实时无功；Qset为柔性直流装置无功的理想运行状态。
7.如权利要求5所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述电网全天网损最小模型为：
Figure FDA0002572673040000024
式中，Ploss为电网全天网损；Gij为节点i与节点j之间的支路电导；U为节点电压幅值；θ为节点电压相角；N为正整数。
8.如权利要求7所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述电网全天网损最小模型的约束条件包括有功无功平衡约束、节点电压约束、节点无功约束、变压器变比约束、电容器分接头动作次数约束和变压器分接头动作次数约束。
9.如权利要求1至8任一项所述交直流系统无功控制方法，其特征在于：所述步骤S4中的控制方法为：
在轻负荷时段，优先控制变电站低压侧的电容/电抗器，通过切电容/投电抗的方式校正变电站的功率因数和高压侧母线电压；当没有可调节的电容/电抗器时，利用分区内发电机的进相运行能力吸收容性无功，最后利用柔性直流吸收分区内多余的无功；
在重负荷时段，优先采用投电容/切电抗的方式消除电压和功率因数越限，其次增加分区内发电机的无功出力，最后再利用柔性直流的无功支撑能力；
当没有电压和功率因数越限时，通过求解电压稳定裕度模型实现动态无功功率置换：首先投切可调节的电容/电抗器来置换柔性直流的无功出力，其次是在满足发电机运行约束的基础上，用发电机的无功出力置换柔性直流的无功出力。
10.一种交直流系统无功控制系统，其特征在于包括：轻负荷电压调控模块、无功调节模块、判断模块和无功控制模块；
所述轻负荷电压调控模块通过预先建立的柔性直流装置无功电压校正模型监测交直流系统在轻负荷时段是否有无功倒送，如果发生无功倒送情况，则系统电压会上升，设定电压上限值，对电压进行调控，得到无功调整量；
所述无功调节模块由预先设置的输电网无功优化模型对交直流系统的无功电压进行分析，将柔性直流装置与输电网中已有的无功调节装置进行配合，进行无功调节，得到电压稳定裕度和电网全天网损；
所述判断模块判断无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损是否满足预先设定的条件，满足则进入下一步，反之，则转至所述轻负荷电压调控模块重新计算；
所述无功控制模块根据满足条件的无功调整量、电压稳定裕度及电网全天网损，对交直流系统进行无功控制。
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