特高压直流分层计入系统电压稳定协调控制方法

许中平，赵 峰，李守超，郭 翔，刘亚庆

（1.北京国网信通埃森哲信息技术有限公司，北京 100052；2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100052）

0 引言

电力公司负责满足全社会电力能源的需要，将电力从产生到分配，再到运输到用户端，供用户使用，在社会生产活动中起到了重要作用，为经济发展提供了动力基础。受到地区、发展水平、人口等多方面的影响，我国分为多个地区，每个地区对电力能源的需求量并不一样，存在东部多、西部少、南部多，北部少的不平衡现象。在电力需求量大的地区中如上海、广州、深圳等超一线城市，对电量的需求量尤其大，导致这些地区本身储备的电力能源无法满足需求，存在能源匮乏的问题[1]。为不影响这些地区的发展，满足大电量需求，电力公司提出并实施了跨区电力调度的措施，即从其他地区调出电力能源到能源匮乏地区，以缓解该地区能源紧张的问题。跨区电力调度过程，电压等级不断提高，发展到现在电压等级已经上升到±800kV的特高压[2]。之所以进行电压升级，主要是为了提升跨区输电距离，扩大电力传输容量。然而，特高压直流输电主要采用分层接入的方式，这种方式接入更加灵活，能够极大改善潮流分布，提高输电效率，但是随着不断应用也发现了特高压直流分层接入的缺点，即容易出现换相失败的问题，导致电压稳定性不足，直接影响了电力输送的可靠性[3]。面对上述问题，对特高压直流分层计入系统的电压进行稳定协调控制具有重要的现实意义。

基于上述背景，很多专家和学者都提出了解决方法。例如，俞翔，鲁江，董云龙等人在其研究中首先获取系统的接线方式，线路电阻和电流等三个参数，然后根据三个参数计算压降，最后利用压降对电压参考值进行修正，实现电压的稳态控制[4]。谢季平，张文，杨浩在其研究中首先构建了系统的准稳态模型，分析了不同控制方式下母线电压与逆变器传输功率之间的关系，最后建立系统电压控制优化模型，并进行求解，得出电压稳定协调控制方案[5]。杨丹，党杰，邱威等人在其研究中具体分析出了导致电压失稳的原因，并提出了解决措施，即减小变短路容量或优化直流逆变站参数，为湖南电网电压稳定提供了重要的参考和借鉴[6]。

在前人取得的研究成果的基础上，结合稳定因子概念，提出一种新的电压稳定控制方法。通过该研究为特高压直流分层计入系统电压不稳定问题的解决提供参考，提高电力公司跨区供电的服务质量。

1 特高压直流分层计入系统电压稳定协调控制方法

特高压直流分层计入系统字啊跨区输电工程中发挥了重要作用。通过该系统能有效提高跨地区电网建设的经济性，降低线损，提高电网支撑力，满足大容量电力传输需要[7]。然而，随着特高压直流计入电力系统，使得原有的电力系统复杂程度增大，一旦发生故障，其稳定性很容易受到影响。面对上述问题，提出一种电压稳定协调控制方法。该方法主要分为三部分，即特高压直流分层计入系统建模、电压稳定因子值计算以及电压稳定协调控制实现。下面针对这三个步骤进行具体分析。

1.1 特高压直流分层计入系统建模与稳定性问题分析

分层接入，即通过介入不同等级的电力，以达到稳定原有电网系统的目标。接入的电压等级一般为500kV和1000kV[8]。借鉴一种建模软件-PSCAD/EMTDC软件，建立该系统的简化模型，以为后续分析提供参考和借鉴。建模过程如下：

步骤1：PSCAD/EMTDC软件登录；

步骤2：输入特高压直流分层计入系统相关参数；

步骤3：构造系统接线拓扑图；

步骤4：元件参数标注；

步骤5：设置接入点；

步骤6：读入驱动变量；

步骤7：软件编译器编译并连接；

步骤8：将编译文本导入到软件的存储单元，并利用其中自带的检测程序检验该文本是否存在错误或者乱码的问题。若存在，需要进行修改，并回到步骤7；否则，输出特高压直流分层计入系统模型到显示区，完成建模工作[9]。

通过上述几个步骤的流程，构成接入系统的简化模型，结果如图1所示。

图1 系统简化模型

从图1中可以看出，当特高压直流以分层的方式与交流电网相连后，原有的交流电网变成了更为复杂的交直流混联，这就打通了电网不同层级之间的关联，产生了耦合特性。这时一旦电网中某一个环节出现电压波动异常，也就是失稳，当有电力通过时，就有可能出现电压运输错误，通过电网间的耦合连接，将电力传输到另一层，而不是目标层[10]。面对这种情况，如何保证在特高压接入后电力系统电压的稳定性成为当下电力公司跨区输电项目服务中关注的重点。

1.2 系统电压稳定因子值计算

电压稳定性因子是评判系统运行状态下电压状态的一个重要指示。通过该指标能够判断电压是否发生失稳问题以及稳定水平高低情况[11]。为控制方程的构建提供了重要的基础参数。本章节电压稳定因子值计算主要分为三个部分，即电压稳定因子指标确定、等值模型及特性方程的构建，以及电压稳定因子值求解[12]。下面针对这三个方面进行具体分析。

1.2.1 电压稳定因子指标确定

电压稳定因子描述的是系统在受到扰动时，电压维持在设定范围内的能力[13]。该指标对于电压协调控制有着非常重要的作用。该因子指标计算公式如式(1)所示：

参考上述公式(1)，构建关于所研究目标，即图1对应的系统模型，并将式(1)进行针对性转换。计算公式转换为如式(2)所示：

明确了系统电压状态还不够详细，还需要进一步确定电压稳定的状态的等级[16]。这时需要计算综合电压稳定因子。计算公式如式(3)所示：

式(3)中，ξ代表整体系统的综合电压稳定性因子；m代表接入节点的数量。

将ξ与给定的阈值P进行对比，当ξ小于给定的阈值P，认为整体系统的电压稳定性水平高；当ξ大于给定的阈值P，认为整体系统的电压稳定性水平低。

上述过程完成了稳定因子的基本介绍，为后续研究和控制方案的设计提供了有效地参考。

1.2.2 等值模型及特性方程的构建

从电压稳定因子表达式中存在很多未知变量，使得电压稳定因子并不能直接求得。针对这一问题，本章节构建等值模型及特性方程，为最后的求解做准备[17]。构建的等值模型表达式如式(4)所示：

式(4)中，Di代表第i个换流站交流母线电压；ϖ代表换流阀的换相角；ϑ代表等效阻抗的相角；θ代表熄弧角；Ci代表等效阻抗的幅值；n代表换流站数量。

为上述构建的等值模型式(4)设置特征约束方程。该方程如式(5)所示：

式(5)中，Bi代表无功功率；minBi、maxBi代表系统无功功率的最小值和最大值；minDi、maxDi代表母线电压两端的极值。T代表分层电压转换档位[18]。

1.2.3 电压稳定因子值求解

针对上述建立的等值模型及特性方程，本章节利用粒子群算法进行求解，获得电压稳定因子值[19]。求解过程如下：

步骤1：将式(4)作为粒子群算法中的求解目标，将式(5)作为约束条件；

步骤2：初始化粒子群（每一个粒子代表一个初始解），并设置相关参数；

步骤3：计算每个粒子的适应度，适应度函数计算公式如式(6)所示：

式(6)中，f(x)代表适应度函数；ξ'代表设定的综合电压稳定性因子阈值；x代表粒子。

步骤4：根据上述步骤3结果，进行个体最优和全局最优的替代和更新；

步骤5：判断是否满足特征约束方程？若满足，输出求得的电压稳定因子值。否则，进行下一步骤

步骤6：更新粒子速度Q(k+1)和位置Hi(k+1)，更新式(7)、式(8)如下：

式(7)、式(8)中，k代表迭代次数；Q(k)代表更新前的粒子速度；α、α′代表加速常数；β、β'代表随机数；Pb、Pg代表个体最优值和全局最优值；Hi(k)代表更新前的粒子位置。

步骤7：迭代次数+1，并回到步骤3。重复上述过程，直至满足特征约束方程。

经过上述分析，完成了电压稳定因子值求解，为后续控制方法的设计提供了关键参数。

1.3 电压稳定协调控制实现

电压稳定协调控制主要分为四种方式，具体如表1所示。

重复章节1.2流程，得出表1中不同控制方式的电压稳定因子大小。利用稳定因子建立协调控制方法，实现多种运行方式下接入系统的电压稳定性控制。具体过程如下：

表1 电压稳定协调控制方式

步骤1：输入特高压直流分层计入系统的相关参数。

步骤2：计算每条母线的直流功率，如式(9)所示：

式(9)中，代表第i条母线的直流功率；Di代表第i条母线的输出电压；Li代表第i条母线的输出电流。

步骤3：并计算与标准直流功率之间的比值，如式(10)所示：

式(10)中，Gi代表第i条母线的直流功率与标准直流功率之间的比值；B′代表标准直流功率。

步骤4：将不同控制方式的电压稳定因子与直流功率之比相乘，得出数值记为M1，M2，M3，M4，公式如下所示：

式(11)～式(14)中，ξP/E、ξC/E、ξC/V、ξP/V分别代表P/E控制方式、C/E控制方式、C/V控制方式、P/V控制方式的电压稳定因子。

步骤5：以M1，M2，M3，M4为一端，建立系统稳态方程组，如式(15)所示：

式(15)中，φP/E、φC/E、φC/V、φP/V代表给定的四种不同控制方式的稳态系数；ε代表阶跃响应；σ代表有功扰动量。

步骤6：在方程组两端分别进行对数运算。

步骤7：利用最小二乘拟合算法，求出方程组中包含的各个控制量，包括直流功率、直流电流、直流电压、逆变器熄弧角等。

根据求出的四个控制量，设计控制方案，让特高压直流分层计入系统电压控制在预期范围内，保证接入系统的电压稳定性[20]。

2 算例测试与分析

为测试所研究控制方法的有效性，以基于压降的控制方法、系统电压控制优化模型、基于变短路容量的控制方法为对比项，进行电压稳定性控制测试。

2.1 算例概况

以某特高压直流输电工程为对象，该工程输电系统主要运行参数如表2所示。

表2 某工程特高压直流输电系统主要运行参数

基于表2中给出的相关参数，建立系统模型。

2.2 粒子群算法参数设置

利用粒子群算法推导接入电压稳定因子值时，设置的粒子群运行参数如表3所示。

表3 粒子群算法参数

2.3 不同控制方式下综合电压稳定因子计算结果

按照章节1.2研究，计算四种不同控制方式下综合电压稳定因子，结果如图2所示。

图2 电压稳定因子值对比图

从图2中可以看出，四种控制方式中P/E控制方式下的综合电压稳定因子值最大，其次是P/V控制方式，然后是C/E控制方式、最后是C/V控制方式。

2.4 不同控制方式的控制量计算结果

在将预期稳定电压范围设置为900kV～950kV的情况下，按照章节1.3研究，求出不同控制方式的四个控制量。结果如表4所示。

表4 不同控制方式的控制量

2.5 电压稳定性控制效果对比分析

基于表4控制量对特高压直流分层计入系统进行协调控制，得出系统电压在6h内的电压波动情况。相同测试条件下，利用基于压降的控制方法、系统电压控制优化模型、基于变短路容量的控制方法同样进行控制。对比结果如图3所示。

图3 电压稳定性控制效果对比图

从图3中可以看出，所研究方法协调控制下，特高压直流分层计入系统在6h内电压波动均在900kV～950kV内，而相同测试条件下，利用基于压降的控制方法、系统电压控制优化模型、基于变短路容量的控制方法同样进行控制，系统在6h内电压波动有时会超出900kV～950kV这一范围，由此说明所研究控制方法更有利于保证接入系统电压的稳定输出。

3 结语

我国地区发展水平、人口数量等限制，对电力的需求量并不相同，有的地区过剩，有的地区则不足。为解决电力能源不足的问题，了解决电力过剩地区能源浪费情况，电力公司提出了跨区电力调度的措施。然而，该措施在实施过程中由于输电线路较长，当前的线路电压并无法满足要求，因此，特高压直流分层计入系统被接入电网。但该系统存在一个电压不稳定的问题。针对上述问题，提出一种电压稳定协调控制方法，该方法通过引入稳定因子，计算不同控制方式的控制变量，从而实现协同控制。最后通过测试，系统在5h内电压波动均在预期的稳定电压范围内，证明了所研究控制方法的有效性。

但是本研究还有部分内容不够完善，需要进一步深入研究，如测试中得到的结果过于理想，与实际情况存在一定的差距，因此进一步测试。