TWI479159B - 電壓穩定度即時估測方法 - Google Patents

Description

電壓穩定度即時估測方法

本發明係有關一種估測方法，特別是一種電壓穩定度即時估測方法。

由於電力系統容易受到間歇性能源的擾動而影響電壓穩定度，因此電壓穩定度評估系統被廣泛地用於維護並強化大型電力系統的穩定度。用來避免電壓崩潰的方法通常需要一有效的即時電壓穩定度的監測系統。最近幾年，隨著同步相角測量單元(PMU)的廣泛發展，一種用於廣域電壓穩定度評估之基於PMU測量的即時電壓穩定度系統逐漸成為趨勢。

目前習知技術中，用來評估即時電壓穩定度的方法包含兩種，一種為以模型為主，另一種則為以測量為主。以模型為主之評估方法須具備精確的系統參數。透過使用數學技術，避免在崩潰點(collapse point)計算單一的系統，利用這類方法的計算可達到相當精確之結果。此種評估方法還有一優點為其所有物理拘束(例如，發電機之虛功限制以及傳輸線之熱限制等)可於評估時一併被考慮。然而，此種評估方法之計算複雜度相當高，且其應用被限制在即時平台上。

由於近期PMU技術之發展，以測量為主之評估方法為電壓穩 定度評估方法帶來一嶄新的局面。早期，電壓穩定度之評估係於一單一位置收集所有測量資訊。單埠模型之最大電力傳輸理論為單一負載匯流排之電壓穩定度提供了一理論基礎。不同之電壓穩定度指標(Voltage Stability Indicator，VSI)分別代表了不同之物理解釋。此類方法的優點在於計算方法較為簡單，因此，相當適合應用於即時系統。然而，由於單一PMU僅能得到少量之資訊，因此，以測量為主之評估方法在精確度上受到很大的限制。

考量到結合不同的位置之測量結果需求，各種仰賴PMU透過可靠的通訊網路從更多位置擷取資訊的方法逐漸發展中。其中一種為廣域測量型之耦合單埠等效電路，其概念係將一網狀網路(mesh network)解耦合為一與一外部阻抗耦接之單埠等效電路，以供電壓穩定度之估量。此種方法在每一負載匯流排上收集資料以獲得一修正後之等效電路。每一負載匯流排之電壓穩定度指標可經由其相對應之等效電路被計算出。然而，目前已知之單埠等效電路計算方法僅適用於線性比例增加的系統負載，而真實系統負載變化情形可能為非線性變化，從IEEE匯流排系統的測試結果發現，非線性負載變化會導致已知的單埠等效電路產生低估真實電壓穩定度之情形。

習知技術中耦合一外部阻抗至一單埠等效電路之方法將會導致不精確之電壓穩定度評估。此不精確係來自於無效的固定電壓比例(V_Li /V_Lj )以及固定耦合阻抗Z_coupled 之假設。為方便說明，利用IEEE 14匯流排系統之耦合單埠等效模型進行說明，並假設八個負載係各自以一線性比例增加。圖1所示為習知技術中耦合單埠等效模型示意圖。圖2所示為圖1中所示之耦合單埠等效模型之八個負載其分別之電壓比例(V_Li /V_Lj )。圖3所示為依據 圖1中所示之等效電路其分別之耦合阻抗Z_coupled 。每一等效電路之耦合阻抗Z_coupled 係透過兩個連續之PMU量測在每一負載匯流排上計算而得。圖4所示為習知技術中在IEEE 14匯流排系統中之八個耦合單埠模型之最大負載度參數預測。從圖4中可知，第五個負載匯流排經過評估後，因為其具有最大電壓變化，因此被視為一臨界穩定負載匯流排。圖4意味著第五個等效電路之最大負載度參數在所有等效電路之負載度參數中是最小的，且其數值可代表著整個系統的最大負載度參數。針對第五個等效電路，圖5所示為經耦合單埠等效模型所估測出來的結果與經由連續潮流法(CPFLOW)之計算結果之比較圖。如圖5所示，利用耦合單埠等效模型所估算出來之最大負載度參數為0.71而經由連續潮流法所估算出來之最大負載度參數為1.363。

因此，為提供更精準的電壓穩定度估算結果，耦合阻抗Z_coupled 必須經過調整，此乃為業界一大考驗。

本發明係提供一種電壓穩定度即時估測方法，包含建立一多埠等效模組以及一等效阻抗；從一測量系統中取得兩個連續樣本，以計算電力系統之虛功響應係數；利用虛功響應係數以及等效阻抗計算修正係數；建立一具有修正後之等效阻抗以及電壓之修正耦合單埠模型；以及利用修正模型的最大負載度參數進行電壓穩定度估測。

1102~1110‧‧‧步驟

圖1所示為習知技術中耦合單埠等效模型示意圖。

圖2所示為圖1中所示之耦合單埠等效模型之八個負載其分別之電壓比例(V_Li /V_Lj )。

圖3所示為依據圖1中所示之等效電路其分別之耦合阻抗Z_coupled 。

圖4所示為習知技術中在IEEE 14匯流排系統中之八個耦合單埠模型之最大負載度參數預測。

圖5所示為經耦合單埠等效模型所估測出來的結果與經由連續潮流法(CPFLOW)之計算結果之比較圖。

圖6所示為根據本發明一實施例之等效電路示意圖。

圖7所示為IEEE 14匯流排系統之虛功響應係數示意圖。

圖8所示為根據本發明一實施例之並聯補償示意圖。

圖9所示為根據本發明一實施例之修正後之耦合單埠等效電路。

圖10所示為根據本發明一實施例之利用加入一修正係數α _i 後之估算結果與連續潮流(CPFLOW)計算結果。

圖11所示為根據本發明一實施例之電壓穩定度估算流程方法。

以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。

此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中 具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。

圖6所示為根據本發明一實施例之等效電路示意圖。其係僅需考慮一側之邊界匯流排，其外部系統係以一耦合單埠模型表示之，且其內部系統係以一當地負載模型表示。如圖6所示，各個邊界匯流排上之電壓係以V_bi 表示之，其中i=1,2,3…n。此種等效電路模型可透過下列增量型解耦合電力潮流方程式解釋之：

其中，Bw矩陣係從網路導納(admittance)矩陣Y=G+jB中擷取而出。V_b 及V_t 則分別代表邊界匯流排以及內部系統上之電壓。△|V_b |代表所有邊界匯流排上之電壓大小之偏差，△|V_t |代表所有內部系統上之電壓大小之偏差。△Q_b 為所有邊界匯流排之虛功偏差，△Q_t 為所有內部系統之虛功偏差。

從方程式(1)可知，關於邊界匯流排上之電壓偏差△|V_b |之虛功響應可由下列方程式表示之：△Q _wb =|V _b |B ^' _w △|V _b | (2)

其中，△Q_Wb 為虛功響應偏差，Vb為匯流排電壓，且當可在當地負載匯流排上測量到兩個連續樣本時，可得到邊界匯流排上之電壓大小之偏差△|V_b |。因此，虛功響應係數B ^' _w 可透過方程式(3)計 算得之：

虛功響應係數B ^' _w 表示關於邊界匯流排上的電壓偏差△|V_b |之虛功響應偏差△Q_Wb 的標準化比例。

如上所述可知，在耦合單埠模型中揭露一不佳之估測，方程式(2)中所使用之虛功響應係數B ^' _w 與實際上PMU所即時測量出來的不同。為了降低不匹配，在耦合單埠模型中加入一額外之虛功支持係為必要，因此可達到所有本地負載匯流排之虛功響應非常接近PMU所測量得到數值之目的。

為了確保有精確的電壓穩定度估算，可利用為整個智慧電網考慮虛功響應，以修改多埠模型。由於PMU皆被設置於單一負載匯流排中，所有負載的變化性將會透過廣域測量系統被集合在一起。每一負載匯流排之虛功響應係數可被即時收集。若每一等效電路之虛功響應係數與廣域電力系統所產生的虛功響應係數相近，則整個電力系統以及等效電路中之不匹配情形將會被減消。

由於從第i個負載匯流排兩個連續的PMU測量為有效，因此第i個等效電路在時間k時之負載變化可由下列方程式得之：

其中，虛功變化△Q_i 與負載匯流排電壓變化△|V_Li |之間的關係可透過下列方程式得之：△P _i =γ _i (k )△Q _i (5)

2|Z _eq,i |² |V _Li |² (2|V _Li |△|V _Li |+X _eq,i △Q _i +R _eq,i γ _i (k )△Q _i )+2|V _Li |△|V _Li ||Z _eq,i |² (2P _i R _eq,i +2Q _i X _eq,i -|E _eq,i |² )+2△Q _i |Z _eq,i |⁴ (P _i γ _i (k )+△Q _i )=0 (6)

因此，第i個等效電路之虛功響應係數BF_eq,i (k)可透過下列方程式得之：

透過結合方程式(6)及(7)，第i個等效電路之虛功響應係數可表示為：

另一方面，第i個負載之廣域系統之虛功響應係數BF_system,i (k)可透過下列方程式得之：

由於廣域系統之虛功響應係數BF_system,i (k)係由PMU樣本中計算得來，其變化相當明顯。當系統負載度參數λ增加時，虛功響應係數BFsystem,i(k)將會趨近於零。圖7所示為IEEE 14匯流排系統之虛功響應係數示意圖。

如同前述，目前已知之單埠等效電路計算方法被發現會低估真實的電壓穩定度。其意味著廣域系統之虛功響應係數BF_system,i (k)大於等效電路之虛功響應係數BF_eq,i (k)。因此，顯示等效阻抗Z_eq,i 大於實際系統值。為了得到更精準的電壓穩定度評估，最好的方法在於降低等效阻抗Z_eq,i 。

如圖8所示，在既有的等效電路中加入一額外之併聯電納(shunt admittance)以提供虛功支持。更具體而言，係在等效電路中加入一耦接至負載匯流排之補償電納Y_Ci 。因此，負載匯流排電壓V_Li 將變成：V _Li =E _eq,i -Z _eq,i I ^' _Li (10)

E _eq,i =Z _eq,i I ^' _Li +V _Li (11)

其中，降低後之負載電流I ^' _Li 可表示為：

透過結合方程式(10)及(12)，負載匯流排電壓V_Li 可表示為：V _Li =(α _i Z _eq,i I _Li +V _Li )-α _i Z _eq,i I _Li (13)

其中，修正係數α _i 係由下列方程式定義之：

因此，併聯補償可透過將修正係數α _i 乘以等效阻抗Z_eq,i 被傳遞。換言之，透過修正等效電路的虛功響應係數與從廣域PMU測量中所測得的數據一致，即可決定修正係數α _i 之大小。如下列方程式所示：BF ^' _eq,i (k )=BF _systesm,i (k ) (15)

其中，BF ^' _eq,i (k )為具有修正係數α _i 之修正耦合單埠等效電路的虛功響應係數。為了降低等效阻抗，修正係數α _i 被限制在0與1之間，因此，第i個修正後之耦合單埠等效電路之負載電壓V_Li 可被修 正為：V _Li =E ^' _eq,i -Z ^' _eq,i I _Li (16)

E ^' _eq,i =α _i Z _eq,i I _Li +V _Li Z ^' _eq,i =α _i Z _eq,i (17)

圖9所示為根據本發明一實施例之修正後之耦合單埠等效電路。修正後之耦合單埠等效電路之虛功響應係數BF ^' _eq,i 可透過將第i個等效阻抗Z ^' _eq,i 帶入方程式(8)而得之。透過將實數部分以及虛數部分分離，第i個修正後之等效電壓可表示為：E ^' _eq,i =V _Li +Z ^' _eq,i I _Li =V _Li +α _i V _Line,i =(V _LRi +jV _LMi )+α _i (V _Ri +jV _Mi ) (18)

其中，V _Li =V _LRi +jV _LMi ，且V _Line,i =V _Ri +jV _Mi ，若將方程式(8)以及(18)帶入方程式(15)，則可透過下列方程式得到修正係數α _i ：

其中，係數a、b、以及c可由下列方程式表示之： a =BF _system,i (k )|Z _eq,i | ² (P _i γ _i (k )+Q _i )-|V _Line,i | ² <0 b =BF _system,i (k )(X _eq,i |V _Li |+R _eq,i |V _Li | ² γ _i (k )) -2V _Ri V _LRi -2V _Mi V _LMi +2P _i R _eq,i +2Q _i X _eq,i <0 c =2 |V _Li |-|V _Li | ² >0

修正係數α _i 根據方程式(19)可表示為：

圖10所示為根據本發明一實施例之利用加入一修正係數α _i 後之估算結果與連續潮流(CPFLOW)計算結果。從圖10中可知，加入修正係數α _i 後可降低實際與估算結果之間的誤差，進而大幅提升電壓穩定度的估算精確度。

圖11所示為根據本發明一實施例之電壓穩定度估算流程方法。在步驟1102中，建立一多埠等效模組以及一以測量為主之等效阻抗Z_eq,i 。在步驟1104中，從廣域PMU測量系統中取得兩個連續樣本，以計算系統之虛功響應係數BF_system,i 。在步驟1106中，利用虛功響應係數BF_system,i 以及等效阻抗Z_eq,i 計算一修正係數。在步驟1108中，建立一具有修正後之等效阻抗Z ^' _eq,i 以及電壓E ^' _eq,i 之修正耦合單埠模型。在步驟1110中，利用修正模型的最大負載度參數進行電壓穩定度估測。

本發明係揭露一種以測量為主之電壓穩定度估測方法，利用比對「即時PMU測量而得之資料」以及「估算結果」之間之差距，進而得到一修正係數，利用此係數可修正估算的結果以降低實際與估算結果之間之誤差。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。

1102~1110‧‧‧步驟

Claims (7)

1. 一種電壓穩定度即時估測方法，包含：建立一多埠等效模組以及一等效阻抗；從一測量系統中取得兩個連續樣本，以計算一電力系統之一虛功響應係數；利用該虛功響應係數以及該等效阻抗計算一修正係數；建立一具有一修正後等效阻抗以及一電壓之一修正耦合單埠模型；以及利用一修正模型的最大負載度參數進行該電力系統之電壓穩定度估測。
2. 如請求項1所述之電壓穩定度即時估測方法，其中，該測量系統包含一相角測量單元。
3. 如請求項1所述之電壓穩定度即時估測方法，其中，該計算該電力系統之該虛功響應係數之該步驟包含：利用計算該電力系統之該虛功響應係數。
4. 如請求項1所述之電壓穩定度即時估測方法，其中，該利用該虛功響應係數以及該等效阻抗計算該修正係數之步驟包含：利用計算該修正係數，其中，α _i 為該修正係數，Y_Ci 為一補償電納，V_Li 為負載匯流排電壓，I_Li 為負載匯流排電流。
5. 如請求項1所述之電壓穩定度即時估測方法，其中，該利用該虛功響應係數以及該等效阻抗計算該修正係數之步驟包含：利用計算該修正係數。
6. 如請求項5所述之電壓穩定度即時估測方法，其中，該修正係數之該計算步驟更包含：利用計算該修正係數中之a,b,c係數。
7. 如請求項1所述之電壓穩定度即時估測方法，其中，該修正係數係介於0與1之間。