CN1954280A - 电力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力网的电压稳定，且具体涉及一种用于对电力网系统进行电压稳定以便保持电压的方法，该系统包括发电网系统侧和用电网侧，其中电力传递Y_LD－其中Y_LD是功率负载阻抗－动态地保持在最大功率传递的轨迹n²Y_LDZ_LN＝1之下，其中Y_LD是功率负载阻抗，Z_LN是传输线阻抗，以及n是变压器比，Y_LD优选地保持在稳定平衡。

Description

电力系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统，且具体而言是一种用于对电力网系统进行电压稳定以便保持电压的方法，所述系统包括发电网系统侧和用电网侧。

背景技术

电力系统由若干连接在一起的电部件(例如发电机、传输线、负载)组成，其目的是电功率的产生、传输和使用。

在常规的线上抽头变换器(OLTC)中，由具有时间延迟和死区(deadband)的简单积分器来给出控制。死区的大小设置了对长期电压偏差的容限。用于积分器的基准信号是次级电压设置点。其通常恒定地保持在所需的次级电压。

电力系统的电压稳定性由IEEE Power System EngineeringCommittee定义为该系统保持电压以便当负载导纳增加时，负载功率将增加，使得功率和电压都可控制的能力[2]。

电力网中的电压稳定性是广泛研究的问题。若干导致系统范围停电的电压崩溃使得这个问题成为电力系统界的主要关注。

在当今现有技术的实践中，使用下面的方法来检测系统接近于电压不稳定：

1.在负载需要太多的功率时，发电机将使用其旋转能量来启动，意味着电压的频率(50/60Hz)将开始降低。检测低的频率已是一种太慢的停止例如2003年美国东部的电压崩溃的措施。

2.过载的另一征兆是负载电压下降。然而已经表明，这也不是一种用于电网不稳定的好措施。

使用以上方法中的任一种(或相似的)，电力公司所采取的措施通常是下面的一个或两个：

1.连接电容器组，以增加可由负载消耗的有功效果。如果及时地这么做，有时可避免电压崩溃。这种方法的缺点是，它使得网络对负载变化更加敏感。

2.断开一定数量的负载(负载削减(load shedding))。这是非常“昂贵的”措施，且因此被电力公司尽可能地避免。然而，这种措施可防止整个电力网崩溃。

本发明涉及电力系统的动态稳定性。发明人提出一种旨在电力网稳定的基于动态反馈和前馈的补偿。希望这种控制结构起紧急控制方案的作用，即，它将在网络接近电压崩溃的临界情况下有效。

图1中示出所考虑的电力系统。它是放射状系统(radial system)，包括发电机E_s、具有阻抗 的传输线、具有线上抽头变换器(OLTC)的变压器和具有阻抗 的负载。线上抽头变换器将负载侧的电压调节于所需值V_ref。负载本身动态地改变其阻抗。大多数负载是这样的，即它们试图吸收一定量的功率。那意味着，当负载电压下降时，负载将减小它们的阻抗，以保持功率恒定。

该系统中有两个控制回路，相互独立地起作用。

·变压器中的线上抽头变换器(OLTC)，其试图将负载侧的电压恒定地保持在基准值V_ref。

·负载本身可被视为控制系统，其改变它的阻抗(或相等地，导纳)，以吸收给定的功率。

问题是，即使系统能够处置负载所需的功率，这两个独立的控制回路可由于它们的非线性相互作用而将该系统驱使成电压不稳定。

发明内容

本发明提出一种通用方法，其当线路和/或负载阻抗变化时瞬时地改变OLTC的表现，以便将系统驱使到临界运转状态中。

重要地再次指出，所提出的控制结构意图在动态不稳定性的情况下工作。这意味着，在线路和/或负载阻抗改变(例如由于线路故障或来自负载的功率需求增加)之后，电力网仍然静态地能够传递该负载功率需求。

具体地，本发明的方法的特征在于，功率传递Y_LD-其中Y_LD是功率负载阻抗-动态地保持在最大功率传递的轨迹(loci)n²Y_LDZ_LN＝1之下，其中，Y_LD是功率负载阻抗，Z_LN是传输线阻抗，且n是变压器比，优选地保持Y_LD稳定平衡。

本发明使用数学模型：

为便于引用，所用变量的列表汇集如下：

· ${\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}=Z_{\mathrm{LD}}{e}^{\mathrm{j\Φ}}-$ 负载阻抗，

· ${\tilde{Y}}_{\mathrm{LD}}=1/{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}-$ 负载导纳，

· ${\tilde{Z}}_{\mathrm{LN}}=Z_{\mathrm{LN}}{e}^{\mathrm{j\θ}}-$ 传输线阻抗，

· ${\tilde{E}}_s=E_s{e}^{j0}-$ 发电机电压，

变压器初级侧电压，

变压器次级侧电压，

·n-变压器比，

·v_ref-基准电压，

变压器初级绕组中的电流，

变压器次级绕组中的电流，

对于图1中的系统，可以声明一些基本的关系[4]：

${\tilde{V}}_2/{\tilde{V}}_1={\tilde{I}}_1/{\tilde{I}}_2=n$

${\tilde{E}}_s={\tilde{I}}_l{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{V}}_1={\tilde{I}}_2(n{\tilde{Z}}_{\ln }+1/n{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}})$

$P_R=\left|{{\tilde{I}}_2}^2{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}\right|\cos \mathrm{\Φ}={E_s}^2\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n^2}{{|Z_{\ln }+Z_{\mathrm{LD}}/n^2|}^2}\cos \mathrm{\Φ}$

$V_2=\left|{\tilde{I}}_2{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}\right|=E_s\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n}{{|{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}/n^2|}^2}$

所述函数是非线性函数，其确定了有功功率对线路和负载阻抗的典型的依从关系(图2)。最初，对于增加的Y_LD，有功功率将增加。然而，在某个负载导纳之后，所传递的有功功率开始减少。对于Z_LD/n²＝Z_ln，将通过线路来传输最大有功功率。

那么对于恒定的有功功率负载，合适的模型是：

${\stackrel{\·}{Y}}_{\mathrm{LD}}=P_{\mathrm{ref}}-P_R=P_{\mathrm{r\ϵf}}-{E_s}^2\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n^2}{|{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}/n^2|}\cos \mathrm{\Φ}---\left(1\right)$

而OLTC可由积分器来近似：

$\stackrel{\·}{n}=V_{\mathrm{ref}}-E_s\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n}{|{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}/n^2|}---\left(2\right)$

为了理解所提出的模型的表现，首先考虑等式(1)中的动态系统。由于内在的非线性，该系统可以具有对应于基准有功功率的两个平衡点(见图2)。可以示出，峰值左边的平衡点是稳定的，而另一个不稳定。这将确定电力系统的典型表现。在达到所传递的有功功率的最大值之后，如果负载导纳继续增加，则该系统进入不稳定的区域。如果负载导纳达到对应于不稳定的平衡点的值，这将导致不稳定。

图3示出对以上模型的模拟结果。图中的变量是最大可传递有功功率、所传递的有功功率和负载阻抗。在这种情形下，负载试图吸收0.7(虚线)的有功功率。线路阻抗的初始值是1。通过将线路阻抗改变到1.5，在t＝75模拟了线路中的故障。如在第一子图中所示，这意味着，通过线路可传递的最大功率将刚好下降到0.7以下。负载试图通过减小其阻抗来吸收所需的有功功率(见第二和第三子图)。然而，因为该功率不可获得，系统将以不稳定和电压崩溃结束。

考虑该模型中的等式(1)和(2)，关于标量的情形，保持相似的定性表现。图4示出在平衡点(以星号标记)附近的向量场。通过曲线n²Y_LDZ_ln＝1给出虚线，即，最大功率传递的轨迹(这在线路阻抗和负载阻抗相等时发生)。注意曲线右边的不稳定表现。

本数学模型能够捕捉两种不稳定情形。

1.图3中示出第一种情形。其中由于传输线中的某种故障，该系统不再能够传递所需的有功功率。这对应于该系统没有实平衡点时的情况。这是经典的情形，其甚至可利用静态方法来分析。

2.另一种不稳定的情形是，存在稳定的平衡点，但该系统由于某些瞬态而以不稳定结束。在图6中，通过线路阻抗的逐步增加，在50的时间单位处，模拟了传输线中的故障。该步是这样的，即仍然存在稳定的平衡点，即，网络应该能够传递所需的有功功率。然而，由于该工作点接近最大可传递有功功率，Yn²的过冲将把系统驱使到不稳定区域中，且电压将崩溃。

本文中所述的方法增加了稳定性裕度，使得第二种情形的风险显著减小。所述方法的稳定性特性也有助于在已经进行负载削减的过载情况之后恢复稳定性。

所提出的方法在应用以上方法1和2之前使用。该方法在保持稳定性的同时，不会给用户带来不便。如果尽管用这些方法，也不能保持稳定性(由于太大的功率需求)，应该采取以上的方法。

如图4中可见，理想地将系统从稳定性极限(虚线)以上的不稳定区域移开。因为负载动态不能改变(除非通过负载削减)，我们建议瞬时改变变压器比n，使得避开不稳定区域。

随后的部分描述在实践中如何通过改变提供给标准OLTC的基准电压V_ref来间接地实现这一点。

图7中示出所提出的补偿器的结构的框图。

所述补偿器由两个子系统组成。第一个子系统由前馈补偿器组成，且第二个由反馈控制器组成。

前馈补偿的目的是，在传输线中的故障的情形下，改善系统的收敛比。换句话说，在线路故障的情形下，补偿器将把系统驱使到稳定的平衡点。然而，仅当故障之后系统仍处于稳定区域中(即n²Y_LDZ_ln＜1)时，该方法才起作用。

通过所提出的简化的模型暗示了使用这种补偿的思想。很直接地表明，线路阻抗Z_ln充当了系统上的负载干扰，类似于P_ref。另外，可以认为线路阻抗是可测量的。那么，使用来自线路阻抗的前馈补偿以便减小线路故障的影响是自然的。如果变压器比n可直接使用获得以用于控制目的，可(至少在理论上)完全消除线路故障的瞬时影响。尽管只有V_ref可获得，仍然有可能相当地改善系统的线路故障表现。

补偿子系统旨在防止电网进入不稳定工作状态。为此，它使用关于线路阻抗的信息。

通过一阶滤波器给出适当的前馈补偿

$H_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{sTd}}{\mathrm{sT}+1}$

其中T、T_d是调节参数(tuning parameter)。

如果系统进入不稳定区域(即n²Y_LDZ_ln＞1)，则必须应用另一控制策略，其在下一部分中描述。

当系统处于不稳定区域中时，希望将其驱使回到稳定工作状态。只要系统处于不稳定区域中，这就可通过减小基准电压来实现。通过静态非线性反馈可实现这种补偿。在图4中，作为补偿的结果，在线n²Y_LDZ_ln＝1以上的向量场将向内指向(见图5)。在图中可看出，稳定平衡点的吸引区域已经得到可观的增加。

这里应该提到，近来在[3]已经提出了在电压稳定性研究中使用距函数f峰值的距离的思想。然而，它从未被用于电压基准信号的动态补偿(就作者所知)。

因此第二控制子系统旨在将电网从不稳定工作状态驱使到稳定工作状态。为此，它使用关于线路阻抗、负载阻抗和变压器比的信息。

合适的反馈控制器是：

V_fb＝-max(0，α(n²Y_LD-1/Z_ln))

其中α是影响平衡点的吸引区域的调节参数。

为了获得更真实的模拟结果，已对初始设计模型进行了以下修改：

·已经根据基准模型[5]缩放了动态，

·已经为负载辐角(load argument)引入附加动态，

·已经增加了负载削减输入k，

·关于变压器比n引入了饱和与量化。后者意在模拟机械抽头变换器，

·因为抽头变换器固有地是离散系统，使用了OLTC动态的离散时间表示。注意此时抽头变换器只能进行一步。

·为了避免颤动，OLTC系统通常包含关于控制误差的死区。

这样，模拟模型如下：

$\stackrel{\·}{Y}=1/T((1-k)P_{\mathrm{ref}}-{E_s}^2\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n^2}{{|{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}/n^2|}^2}\cos \mathrm{\Φ})$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}=(1-k)Q_{\mathrm{ref}}-1/\mathrm{T\Φ}-{E_s}^2\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n^2}{{|{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}/n^2|}^2}\sin \mathrm{\Φ}$

η(t+h)＝η(t)+qsign(e(t))

$e\left(t\right)=\mathrm{dzn}(V_{\mathrm{ref}}-E_s\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n}{|{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}/n^2|})$

n＝sat(η)

关于n的饱和度具有极限n_min＝0.75，n_max＝1.25，且死区具有极限±0.03。所选择的量化步长q是0.027。所选择的采样时间是30秒，其近似抽头变换器和OLTC延迟定时器的机械延迟。

三级控制系统由以下的补偿器组成：

·前馈补偿： $H_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=\frac{3\mathrm{Os}}{2\mathrm{Os}+1}$ 具有“脏导数(dirty derivative)”特性，且低通滤波器具有与所控制的系统的时间常数相当的时间常数。

·反馈补偿：

V_fb＝-max(0，α(n²Y_LD-1/Z_ln))。参数α影响平衡点的吸引区域。在模拟中α＝1.1。

前两个控制信号(与)如下增加基准值：

$e\left(t\right)=\mathrm{dzn}(V_{\mathrm{ref}}+V_{\mathrm{ff}}+V_{\mathrm{fb}}-E_s\frac{Z_{\mathrm{LD}}/n}{|{\tilde{Z}}_{\ln }+{\tilde{Z}}_{\mathrm{LD}}/n^2|})$

其中，dzn是死区函数。

然而，更复杂的增加也是可能的，例如V_ff以V_fb为条件。

在模拟中，已经使用了下面的参数：

V_ref＝1.1，P_ref＝0.78，E_s＝1.5，T＝60，以及θ＝1.47弧度。另外，在第一模拟情形(图8)中，基准无功功率是Q_ref＝0.16。当线路阻抗Z_ln从1增加到1.2时，该情形包括在t＝800秒的线路跳闸(line tripping)。在模拟中的前800秒表示所研究的平衡点的初始瞬态，且它没有物理解释。在故障时刻，V_ff显著增大。然而，因为尚未到达新的平衡点，系统结束在不稳定工作区域中(在大约1100秒处)。这将触发该控制器的第二级，从而减小V_fb。这将导致总基准电压值的下降，使得系统返回到稳定区域中。注意在整个控制序列中，并未进行第三控制级(负载削减)，即k＝0。

重要地注意到，由于低的采样频率，第一步(即V_ff)对故障时序敏感。相似地，如果多步(例如两步)是可能的，则性能将显著增加。然而，即使在延迟定时器与控制误差成反比的现有技术OLTC的情形下，在补偿线路跳闸方面可获得可观的改善。

参考

[1]Miroslav Begovic and Damir Novosel.A novel method for voltage instabilityprotection.In Proceedings of the 35th Hawaii Internation Conference on SystemSciences，2002.

[2]Miroslav Begovic，Damir Novosel，and Mile Milisavljevic.Trends in power systemprotection and control.In Decision Support Systems 30，pages 269-278，2001.

[3]D.E.Julian，R.P.Schulz，K.T.Vu，W.H.Quaintance，N.B.Bhatt，and D.Novosel.Quantifying proximity to voltage collapse using the voltage instability predictor(vip).In Power Engineering Society Summer Meeting，IEEE，2000.

[4]Prabha Kundur.Power System Stability and Control.McGraw-Hill，Inc.，1993.

[5]Mats Larsson.A simple test system illustrating load-voltage dynamics in powersytems.In http://www.dii.unisi.It/hybrid/cc/.

[6]Khoi Tien Vu and Damir Novosel.Voltage instability predictor (VIP)-method andsystem for performing adaptive control to improve voltage stability In powersystems.In United States Patent Nr.US 6,219,591 B1，2001.

Claims (4)

1.一种用于通过动态受控的变压器比n来进行电力网系统的电压稳定的方法，所述系统包括发电网系统侧和用电网侧。

2.如权利要求1的方法，其中通过改变电压基准来动态地控制加给变压器的线上抽头变换器。

3.如权利要求2的方法，其中通过一阶滤波器H_ff(s)＝sT_d/(sT+1)来提供前馈补偿，其中T和T_d是调节参数。

4.如权利要求2的方法，其中根据等式V_fb＝-max(0，α(n²Y_LD-1/Z_LN))来提供反馈控制器，其中n、Y_LD和Z_LN具有上面所给出的含义，且α是影响平衡点的吸引区域的调节参数。

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