面向扰动的多尺度交直流混联电压校正策略

葛惠阳, 王 彬, 孙宏斌, 符 杨, 夏 天, 王 玮

(1. 上海电力学院电气工程学院, 上海市 200090; 2. 清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京市 100084; 3. 国网甘肃省电力公司, 甘肃省兰州市 730050)

0 引言

随着中国电力系统规模不断扩大,运行方式日益复杂,交流系统与直流系统相互影响导致的一系列问题引起人们的广泛关注。由于交直流系统在实际电网运行中有着强耦合的关系[1-2],交流系统的扰动会严重影响直流系统的运行,甚至可能导致直流闭锁,因此系统运行时应充分考虑多预想故障的N-1安全性,从而保证系统正常且安全的运行[2-5]。电网运行中,电压安全域及校正控制是保证系统安全的常用方法,传统的电压校正控制通常由交流系统的自动电压控制 (automatic voltage control,AVC) 装置完成。通常AVC可应对大部分扰动,然而不同扰动对系统的影响差别很大,针对发生频率较快的扰动,AVC响应速度可能无法满足要求;针对电压幅值波动较大的扰动,AVC装置可能受限于调控能力不足导致无法完成调节目标,从而危害系统的安全运行。

高压直流输电(HVDC)系统具有极高的可控性[6],其调控手段多样,并且不同动作方式特性各有不同。若充分利用这些特点,并应用于电压校正中,就能够实现面向不同扰动分别做出校正策略,从而提高电压控制的灵活性、系统运行的安全性与经济性。但是不同动作方式特性相差较大,不同类型扰动造成的影响也相差较大,若动作方式选取不当,则可能因为调节能力不足导致无法完全消纳扰动的影响,也有可能因为响应速度不及时引发连锁故障,更有可能因为动作成本过高增加不必要的开支[7-8]。因此,目前亟须研究新的方法,针对不同控制模式的直流系统,充分考虑动作方式及扰动的特性后,分多尺度在线评估交直流系统电压安全域(VSR),并对越限电压进行校正控制。

针对上述问题,近年来涌现了一系列交直流系统电压安全及控制的研究[9-15]。文献[16]考虑风电场的消纳能力,研究并网点的电压安全域,为电压安全域模型的建立提供了新的思路。文献[17]在原有安全约束的基础上加入分布式电源出力的约束,但是控制量的选取依旧考虑不足。文献[18]在原有电压安全域求解模型的基础上加入了精确电压约束,提高了计算的准确性。文献[19]研究了暂态交直流系统无功电压优化问题,但是研究未从准稳态角度考虑。文献[20]考虑了多馈入系统相互作用对于安全运行的影响,并分析了控制系统对交直流混联系统的影响程度。文献[21-23]在交直流混联系统潮流计算模型的基础上加入了定变比控制,由于该控制方式对直流系统动作方式的特性考虑不足,故与现场操作有一定偏离。文献[24]对不同控制模式下电压安全的计算收敛性进行研究,但是研究基于离线状态,没有充分考虑N-1情况,无法适应直流系统运行状态多变的特点。文献[25-26]从灵敏度方程研究直流系统控制参数对交直流混联母线电压幅值的影响,但是这些文献仅对一种动作方式的灵敏度方程进行研究。

本文围绕直流系统的动作方式及交流系统的扰动类型,展开了交直流混联电压安全域及校正控制的研究,提出了多尺度的准稳态交直流系统电压安全在线评估架构,并建立了相关优化模型,最后基于某现场实际系统验证了该方法的可行性与有效性。

1 多尺度准稳态交直流混联电压安全域架构

如引言所述,求解交直流系统的电压安全域前,需要对系统的扰动及直流系统的动作方式以一定尺度分类整合,然后再分不同尺度对其建模求解。总结归纳直流系统动作逻辑以及系统的扰动类型如表1所示。

表1 直流系统控制方式特性及应用场景Table 1 Characteristics and application situations of DC control modes

分析表1,可以从动作方式的响应速度、调节范围、应用场景、动作后对系统的影响及成本5个方面将交直流混联的电压安全域以3个尺度划分。

1)ts尺度,扰动发生的频率较高且造成影响较低,直流系统由响应速度快、调节范围小、对系统几乎没有影响且成本低的动作方式——触发角(熄弧角)与换流变分接头参与调节。

2)tm尺度,扰动发生频率较低且造成影响较大,直流系统由响应速度较快、调节范围较大、动作后对系统有一定影响且成本较高的动作方式——无功补偿装置与极限触发角、熄弧角参与调节。

3)tl尺度,扰动发生频率极小且造成影响极大,直流系统由响应速度较慢、调整范围大、动作后对系统有较大影响且动作成本高的动作方式——人工调整直流系统控制参数参与调节。为防止低功率运行导致功率转移,可根据现场实际操作对功率减小幅度进行限定,或通过交流系统频率调节及负荷投切与直流系统低功率运行配合解决此问题。

针对本文提出的动作方式的4个特性(响应速度、调节范围、动作后对系统的影响及成本)的代价系数分别用λt,λa,λe,λc表示。

在此基础上,选取换流变交流侧节点电压作为目标函数,不同尺度的动作方式作为控制量,就可建立并求解VSR模型,从而得到多尺度准稳态交直流混联电压安全域。具体构架如图1所示。

图1 交直流系统VSR构架Fig.1 Structure of VSR in AC/DC systems

首先将直流系统的动作方式以及交流系统的扰动类型进行分类,将其中特性相近的加以归纳整理、划分尺度,然后针对每个尺度分别建立VSR模型,在此模型的基础上搭建电压校正模型。模型搭建的相关研究将在第2节、第3节阐述。

2 多尺度电压安全域优化模型

理论上说,多预想故障电压安全域需要将所有预想故障都考虑到约束条件中。然而由于预想故障集规模较大,造成模型求解难度增大,因此现有方法大多采用基于灵敏度的方法,将问题线性化,再通过潮流计算的方法求解。

电压安全域作为分析系统安全运行的重要一环,是电压校正控制的基础。本文针对三个尺度的动作方式及扰动类型,建立三个电压安全域优化模型。目标函数选取该节点电压幅值,分别求取其极大值与极小值。不同优化模型的约束条件分别由该动作方式控制量约束、系统潮流约束、交直流系统安全约束以及扰动约束等,模型具体表达形式如下[18,22]。

1)ts尺度

选取触发角、熄弧角和换流变分接头为控制量,其函数表示如下:

(1)

交流系统潮流约束[3,5]:

(2)

直流系统潮流约束[25]:

(3)

交流系统电压安全约束[3]:

(4)

直流系统安全约束[6,8,12]:

(5)

控制量约束:

(6)

扰动约束[18]:

(7)

2)tm尺度

选取极限触发角(熄弧角)及无功补偿装置为控制量,此时换流变分接头已调至极限,函数表达如下:

(8)

交流系统潮流约束:

(9)

式中:Qcomp为无功功率补偿值。

直流系统潮流约束见式(3)。直流系统安全约束见式(4)、式(5)。

控制量约束:

(10)

扰动约束:

(11)

3)tl尺度

选取直流系统控制参数、触发角(熄弧角)与换流变分接头为控制量,目标函数为:

(12)

潮流约束见式(2)、式(9)。安全约束见式(4)、式(5)。

控制量约束:

(13)

扰动约束:

(14)

求出电压安全域后,对于电压越限的节点需要校正控制,因此本文在第3节中将在不同尺度的VSR模型上建立电压校正控制优化模型。

3 灵敏度分析及电压校正控制优化模型

3.1 直流系统不同动作方式灵敏度方程

利用控制装置对电压调整实际上是灵敏度的问题,因此本文通过求解不同尺度动作方式对交流侧电压的灵敏度方程,然后快速求解节点电压的校正策略。不同动作方式直流系统灵敏度方程如下。

1)ts尺度对应动作方式灵敏度方程

ts尺度直流系统电压由触发角、熄弧角与变比协同控制,灵敏度方程如下:

(15)

2)tm尺度对应动作方式灵敏度方程

tm尺度直流系统电压由极限触发角、熄弧角与无功补偿装置协同控制。灵敏度方程状态变量与前相同,具体如下:

(16)

3)tl尺度对应动作方式灵敏度方程

tl尺度直流系统电压由控制方式与变比协同控制,选取换流变交流侧电压为状态变量,直流系统控制方式为控制变量[25-26],灵敏度方程如下:

3.2 校正控制优化模型

根据上述分析可知,三种尺度的控制方式各有利弊,因此引入最小控制代价系数λ描述不同动作方式的代价,系数越小表示此动作方式优先级越高。目前没有动作代价统一的衡量标准,考虑到电网运行应优先考虑安全性其次才是经济性,因此动作系数应满足如下关系:λe>λa>λt>λc。每个变量之间的关系用比例表示,由于装置响应速度是固定的,所以选取λt=1;代价系数λe与短路比相关,若短路比越大,则系数越小;代价系数λa与现场设备相关,若调控能力越强则系数越小;代价系数λc受多方面影响,但不同情况下变化不大,因此可认为与λt成固定比例。具体比例的选取应充分考虑现场实际及历史数据。

模型选取系数与调整量最低为目标函数,约束条件分别为电压调整目标约束、电压裕度期望值约束、控制量约束、安全约束等,具体函数表达如下:

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

4 算例分析

为了验证方法的可行有效,本文基于某系统实际模型进行算例分析,实际系统中AVC与直流控制保护装置不同时参与调控,因此本算例中模拟AVC不参与电压校正过程。直流系统采取定功率定电压控制,整流侧电压等级为330 kV,且在换流站交流侧装有无功补偿装置;逆变侧电压等级为500 kV。其控制装置参数见附录B表B1。

算例1: 在线监测系统直流换流变交流侧电压实际值,预想故障集包括正常运行方式,风电场有功出力的变化,负荷变化等,其中风电场有功出力波动及负荷波动曲线见附录B图B1和图B2。将计算条件带入模型后得到结果数据如图2所示。

1)电压安全域上下限变化趋势综合反映了风电场有功出力及负荷波动的N-1情况。例如,系统运行至10:00至12:00之间时,风电场有功出力明显下降,对应电压安全域上下限同时下降;反之,12:00至15:00风电场有功出力上升,电压安全域上下限也随之上升。

图2 算例1电压安全域Fig.2 VSR of case 1

2)三个尺度电压安全域范围相差较大,以08:00时间断面为例,算例1三个尺度电压安全范围分别为:0.968 3～1.017, 0.955 4～1.029, 0.938 6～1.029(标幺值)。

3)系统在13:40时刻电压实际值为1.008,高于电压安全域上限1.006,因此此时系统处于正常但不安全状态。取N-1情况下的期望裕度为10%,通过电压校正模型求解当前时刻电压校正策略的最优解,求得此时将变比调至1.231 3、触发角调至15°,调整后系统节点电压实际值为0.964 6,即系统回到正常且安全的状态。

通过分析可知,考虑预想故障后可得到与实际电压波动趋势相关的电压安全域曲线;不同尺度的电压安全域范围不同,且相差较大;对于电压越限的节点,通过电压校正模型可以求得最优校正策略,从而保证系统的安全运行。

算例2:取另一天的电压实际值,预想故障在算例1的基础上加入线路N-1开断、发电机N-1开断。在18:00时刻模拟某风电场脱网导致无功缺失,将计算条件代入模型后得到结果数据见图3。

1)对比可得,AVC控制所得电压安全域范围大于ts尺度电压安全域,小于tl尺度电压安全域。其上限小于tm尺度电压安全域上限,下限低于tm尺度电压安全域下限。

2)在04:17时刻节点电压越ts尺度电压安全域以及AVC电压安全域上限,处于正常但不安全状态,持续时间大约10 min。可通过两种控制手段对电压进行调节。

方式1:多尺度调节。取N-1情况下的期望裕度为10%,通过模型求得此时将节点注入功率减少84.27 MVA,同时将变比调至1.186 3,总成本为80.75(此处成本为综合考虑各类实际成本因素后的无量纲数值),动作完成时间约十几秒。

图3 算例2电压安全域Fig.3 VSR of case 2

方式2:传统AVC调节。近区某电厂为区域内一级电压控制节点,需通过发电厂的无功输出以及变压器有载调压对电压进行调节,对二者分别取代价系数λ1,2,与多尺度调节的代价系数相对应,通过PSASP仿真可得ΔU1,2,带入模型计算得动作成本为84.61,通过历史数据及现场操作经验得知动作完成时间约几分钟。

3)在两种调节方式都可以完成调节任务时,tm尺度的电压调节速度快于AVC调节速度,且代价更低,因此tm尺度的电压调节方式更利于系统的安全运行。

4)在18:00时模拟风场脱网,造成大量无功缺失,导致电压大幅跌落。由图3可见已此时电压已远低于AVC电压安全域下限,仍处于tl尺度电压安全域范围内,表明此时传统的AVC已无法完成调压任务。取N-1情况下的期望裕度为10%,通过模型求得此时直流传输功率降低296.55 MW,无功补偿装置增加无功注入68.23 MVA,变比调至1.154 7,熄弧角调至13.71°。调节后电压实际值曲线与安全域上下限的变化如图3虚线所示,可见调节后电压位于ts尺度电压安全域范围内。

通过上述分析可知,与传统AVC调节方式相比,本文所提方法具有调节范围更广、灵敏度更高且代价更低的特点。在遇到较小扰动时,该方法能以更小的动作代价完成校正目标;在遇到较大扰动时,该方法可以提供更强的调节能力,保证系统的安全运行。

本文对tm尺度及tl尺度相关算例在附录B中亦有呈现。

5 结语

1)分多个尺度划分直流系统的动作方式可实现面向扰动进行电压校正控制,以不同的动作方式应对不同扰动提高了电压控制的灵活性。

2)不同尺度电压安全域范围不同,当节点电压在电压安全域内可以保证系统处于“正常且安全”的运行状态,当电压越限时通过本文提出的方法可以求得电压最优校正策略,通过对比得知其优于传统AVC校正策略。

3)在一定程度上弥补了传统AVC装置调节能力的缺陷,提高了系统运行的安全性与经济性,但是由于当前直流系统的无功补偿装置不属于交流系统的AVC中,如何将交流系统与直流系统的电压控制协调应用尚需进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。