【高风电渗透率下混合多馈入交直流系统两阶段电压控制分析案例6700字】

高风电渗透率下混合多馈入交直流系统两阶段电压控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3532高风电渗透率下混合多馈入交直流系统两阶段电压控制分析案例 128281.1引言 1116011.2两级电压控制框架 2121981.3基于电压灵敏度的分区方法 319631.4两阶段分布式电压协调控制模型与流程 4213111.4.1紧急电压控制模型 6254811.4.2紧急电压控制流程 8204201.4.3预防电压控制模型 944091.4.4预防性电压控制流程 9251121.5算例分析 10308991.5.1算例系统 10323641.5.2算例仿真 12引言随着我国海上风电场的大规模建设与投运，如何合理接纳海上风电成为电力系统亟待解决的问题之一。其中风电并网方式是影响交流电网的重要因素，不同并网方式对交流系统的影响各有不同。现有常见风电并网方式分为交流、传统直流和柔性直流并网。因柔性直流由可关断器件组成，不存在换相失败的问题且可进行有功、无功解耦控制等多种优良特性，是现有海上风电并网的最佳选择。当大规模风电通过VSC-MTDC馈入到交直流混合电网中时，由于风电出力存在随机性和波动性，导致馈入电网电压产生波动甚至越限。为了充分利用VSC-MTDC的灵活可控性，提高长期电压控制的有效性和快速性，本文提出了一种基于不同运行状态的两阶段分布式电压控制策略。在第一控制阶段，系统在受到较大扰动后进入紧急运行状态。首先，控制器判断该区域的无功储备是否能满足控制要求。若不能，则向相邻区域发送请求，并按电压灵敏度大小增加无功设备，直到满足控制要求。然后通过MPC使用选出的快速响应无功器件和VSC-MTDC进行电压控制，目标是使电压偏差和控制成本最小化。第二控制阶段为预防性电压控制，在保证系统电压在安全范围内的同时，通过无功功率置换，增加快速响应无功设备的备用裕度，提高系统对紧急事件的应对能力。仿真结果证明，该控制策略能够增加快速响应无功设备的备用裕度，提高系统长期电压控制的有效性和快速性。两级电压控制框架首先，我们将介绍基于不同系统运行状态的两级电压控制框架，如图3-1所示。根据该区域电压偏离参考值的最大值，将电力系统划分为正常、警报和紧急状态。1)正常运行状态:电压偏离参考值小于预防电压控制偏差，不进行控制。2)警戒运行状态:电压偏差大于但仍小于紧急控制启动偏差，系统进行预防性电压控制，以避免受到干扰后电压发生越限。3)紧急运行状态:电压偏差大于时，系统采用两阶段电压控制使系统进入正常运行状态。图3-1由电压偏差定义的运行状态第二，我们将介绍不同运行状态之间的转换。如图3-2所示，运行状态的变化过程可分为故障过程和电压恢复过程。图3-2基于电压的运行状态和变换当系统受到大扰动进入紧急运行状态时，启动两阶段电压控制。首先，利用VSC变流器、SVC等快速响应装置对系统进行紧急电压控制，使系统进入警戒运行状态；然后系统利用发电机和并联电容器代替快速响应装置进行预防性电压控制，使系统进入正常运行状态，提高系统对突发事迹的紧急处理能力。基于电压灵敏度的分区方法随着海上风电大规模接入交流电网，交流系统风电接入模式从原有的单点接入逐渐向多点接入发展。当风电通过多端柔性直流接入电网时，每个接入点对电网的影响范围不同，各区域控制目标亦不同，这将导致原有集中式控制难以满足多区域多目标电压统一协调控制的要求。与此同时，按照三级电压控制规程中的要求，也要求对系统无功-电压进行分区控制，实现无功的就地平衡，降低对通信系统的依赖，提高该地区的电压稳定性与控制的灵活性，避免无功长距离传输造成的损失。因此需要对系统进行电压分区，作为后续电压控制的基础。输电网电抗远大于电阻，有功功率对电压灵敏度较小，所以风电有功功率预测误差对分区的影响可以忽略不计。因此，本文使用风电预测出力数据，以风电接入点为聚类中心，进行基于电压灵敏度的分区。聚类分为两步，首先求解风电接入点对PQ节点的电压灵敏度，并将PQ节点进行聚类，形成初步分区。然后求解PV节点对初步分区区域内节点的平均电压灵敏度，并将其分配到到初步分区中形成最终分区[66]。分区采用基于灵敏度的电气距离，灵敏度的计算方法如文献[67]所示，在潮流计算中采用雅各布矩阵逆矩阵的方法： (3-1)为了准确地考虑有功功率对电压的影响，这里不考虑PQ的完全解耦。让，公式可简化为： (3-2)根据灵敏度矩阵，得到节点和之间的电压灵敏度: (3-3)完成PQ节点聚类后，需要求解PV节点对初步聚类后每个PQ节点的平均电压灵敏度： (3-4)式中，为PV节点g对PQ分区r内节点的平均电压灵敏度，为区域r内PQ节点数，为PV节点g对PQ节点k的电压灵敏度，可通过扰动法得到。在保证连通性的前提下，将PV节点聚类到平均灵敏度最大的区域。两阶段分布式电压协调控制模型与流程在1.3节分区方法的基础上，将系统划分为多个区域，对每个区域进行电压控制。在紧急控制时，当区域内的无功控制量和柔性直流控制量无法满足电压控制的要求，向相邻区间发出控制请求，进行区间协调控制，若仍无法满足则启动切负荷控制，最终使电压处于安全的范围内。在警戒控制时，仅使用区域内无功控制量，此时的控制目标有两个，一、使电压不发生越限；二、优化系统无功备用分布，增加快速无功备用，如VSC换流站，使系统在面对扰动时可以快速响应，避免出现电压越限的情况。具体控制流程如图3-3所示。图3-1.系统电压控制流程图系统电压控制的具体步骤：第一步：获取风电预测出力和电网实时运行状态信息。第二步：根据第一步获取的信息进行基于电压灵敏度的分区第三步：获取各区域内最低和最高节点电压信息，判断其与设定值的偏差是否大于，如果大于，系统进入紧急控制模式，如果不大于，进入步骤五。第四步：判断区域内无功和柔性直流控制量是否能满足电压控制要求。如果能，执行区域内紧急电压控制。如果不能，则添加系统间电压灵敏度最大的无功控制变量到控制序列中，进行区域间电压协调控制，若仍无法满足则启动切负荷控制。控制完成后，返回步骤三。第五步：判断系统最高或最低电压与设定值的偏差是否大于，若大于，则系统进入预防性电压控制模式，若不大于，则视为正常运行模式，不进行控制。1.4.1紧急电压控制模型当区域内最低或最高节点电压与基准值的偏差大于时，启动紧急电压控制。在实施控制前，先要计算该区域内无功和柔性直流有功控制量是否能满足控制的要求，即式(3-1,3-2) (3-5) (3-6)公式中，为控制变量的灵敏度.分别为控制变量的当前值、最大值和最小值，为控制变量的个数，为裕度系数，为控制前的电压幅值，和是紧急电压控制的上下限。当不能满足式(3-5,3-6)时，在控制序列中加入相邻区域灵敏度最大的控制变量，再次进行计算，直到满足要求为止。当相邻区域无功设备全部加入控制序列后，启动LCC熄弧角和有功功率控制，若仍无法满足电压控制要求，启动切负荷控制。需要注意所有LCC-HVDC控制需要在保证其换相成功的基础上进行，即熄弧角大于临界熄弧角。确定控制变量后，进行基于MPC的分布式电压控制。基于轨迹灵敏度将原有问题线性化进行求解。每次迭代完成后，区域间传递施加控制量序列，以防止重复控制的发生。MPC具体目标函数与约束如下： (3-7)s.t. (3-8) (3-9) (3-10) (3-11)在公式中，目标函数分为两部分：电压偏差和控制成本，,分别为电压偏差和控制变量的权重系数。k表示第k个控制周期。,分别是预测周期和控制周期数。是第k时刻的电压参考值。,分别是第k时刻控制前后的电压幅值。在正常情况下，取区域内最高或最低节点电压，当区域内含LCC受端换流站时，取区域内最高或最低节点电压和LCC馈入端母线节点电压。是第i个控制量在第k时刻对控制量u电压的灵敏度。是第i个控制量在第k时刻的变化量。,是控制变量的上下限值。,是控制变量单次变化的上下限值。,,分别表示VSC换流站的有功功率、无功功率和容量。风力的随机性会影响风电馈入区域电网的电压控制效果，其原因是预测数据与实时数据存在偏差。传统确定性控制方法没有考虑到风力的随机特性，导致在预测偏差较大时，控制效果不理想。对此的处理方法有鲁棒控制，机会约束[68]等。本文选择机会约束，因其在考虑风电对电网电压影响的同时可以有较好的经济性，控制不过于保守。约束条件定义为： (3-12)为当前系统电压幅值。，分别为系统电压幅值可接受的上限和下限。，分别为无功功率和风电有功功率的灵敏度。，分别为无功控制量和风电有功功率的变化量。为需要满足的概率。假设风功率输出的预测误差遵循均值为0、方差为σ2的正态分布。是风电预测值,，是风电场的总装机容量，则其概率表达如式（3-13,3-14） (3-13) (3-14)为方便求解，可将机会约束转化为与其等价不等式约束。具体方法是，得到风功率预测输出，通过式（3-12）确定风电预测误差的概率分布，设定约束条件下的置信度β。根据正态分布公式，在一定的概率分布下，可以得到一定置信度下相应的风功率预测偏差值，将机会约束转化为确定性的不等式约束。将其作为约束条件加入到优化控制问题中。 (3-15) (3-16)1.4.2紧急电压控制流程当系统受到大扰动时，电压发生越限时，为了保证系统的安全，需进行紧急电压控制。如图3-4为紧急电压控制具体步骤：图3-4紧急电压控制流程图1)启动：当交流系统节点电压与设定值的偏差大于时，启动紧急电压控制。2)时域仿真：求解预测时域内系统的预测轨迹及各控制量的轨迹灵敏度。3)控制量选择：判断区域内无功控制量和柔直有功功率控制量能否满足电压控制的要求，若无法满足，则增加相邻区域无功控制量，安装灵敏度大小依次增加，直到满足要求。若仍无法满足，启动切负荷控制。4)优化问题求解：求解式(3-3)中目标函数，得到交直流系统电压控制优化问题的最优控制序列。5)滚动控制：在控制采样下一周期的初始时刻，施加第一组最优控制序列。并系统电压进行检测，若满足控制要求，则结束计算；否则返回步骤2)。1.4.3预防电压控制模型当系统发生大扰动时，系统电压进入紧急状态，此时应优先使用快速响应无功设备进行电压控制，保证系统的电压安全。当电压恢复到警戒范围内时，此时系统电压处于较为安全的状态，如果仍然使用快速响应无功资源将导致系统无功备用不平衡。系统再次发生扰动时，将无法做出快速响应。因此，需要用传统的发电机和并联电容器替代快速响应无功资源，使整个系统的无功更加均衡，以保证系统有更多的快速无功备用，提高系统的电压稳定性。具体控制如下：当区域内最大电压偏差大于且小于时，启动预防性电压控制，其目标函数分为三部分：控制成本、无功备用和电压波动。与紧急控制相比，预防控制中无功备用项权重系数较大，控制成本和电压波动项权重系数较小。其目的是在预防性控制时，首要目的是增加快响应设备（VSC）无功功率备用裕度，同时减小电压波动和控制代价，其中电压波动项作为电压的软约束。 (3-17) (3-18) (3-19)在公式中，为控制代价的权重系数，为第i个无功裕度的权重系数，为电压波动的权重系数，为第i个控制变量在k时刻的无功裕度，为时间段内的平均电压，,分别为无功功率输出的最大值和当前值。1.4.4预防性电压控制流程在紧急电压控制之后，为了使系统的无功备用分布更加合理，进行预防性电压控制，如图3-5为其具体步骤为：1)启动：当交流系统电压与设定值的偏差小于时，启动预防性控制。2)时域仿真：求解预测时域内系统的预测轨迹及各控制量的轨迹灵敏度。3)优化问题求解：求解式（3-13）中目标函数，得到交直流系统电压控制优化问题的最优控制序列。4)滚动控制：在下一个控制采样周期初始时刻，施加最优控制序列。检测系统电压，若满足要求，则结束计算；否则返回步骤2)。图3-5预防性电压控制流程图算例分析1.5.1算例系统仿真系统是基于Nordic32的混合多馈入交直流系统。根据第三节的分区方法，可以得到如图3-6的分区结果，将电网分区四个区域。4032-4044交流线路改为传统直流输电（LCC-HVDC）。海上风电场额定容量为3000MW，通过多端柔性直流（VSC-MTDC）馈入交流电网母线4012,4044,4062，分别对应柔性直流换流站VSC1，VSC2，VSC3，风电场换流站为VSC4。为了保持发电与负荷的平衡，将中心区域的负荷L1-L5(2750MW)增加到原来的1.2倍。删除原系统发电机g10（600MVA）和发电机g17（530MVA）。换流站VSC1、VSC2为P-V下垂控制[69]，VSC2为恒定有功控制，VSC4为恒频控制。VSC-HVDC的具体控制参数为：VSC1（bus4012）：P-V下垂控制，Ps=600MW，Udc=1.0p.u.，下垂系数K=6，定无功功率控制，Qs=255Mvar。VSC2（bus4044）：P-V下垂控制，Ps=550MW，Udc=0.99p.u.，下垂系数K=6，定无功功率控制，Qs=0Mvar。3)VSC3（bus4063）：定有功功率控制，Ps=530MW，定交流电压控制，Us=1.01p.u。3)VSC4:(风电场)：定频率控制：f=50HZ，定交流电压控制，Us=1.01p.u.。传统直流电压为±500kV，正负双极运行，传输容量为2000MVA。在整流器和逆变器上安装滤波器和无功补偿装置（800MVar）。整流器采用恒定有功功率控制，逆变器采用恒定熄弧角控制，初始熄弧角整定值为18°。自恢复负荷参数选择为：,，；发电机端电压设定值为0.9~1.1p.u.；并联电容器按组进行投切；OLTC变比在0.9~1.1之间变化，步长为0.025；单次切负荷最大比例为5%；单一负荷最大切除比例为；传统直流有功功率在容量范围内调节；逆变侧熄弧角临界值为；柔性直流有功功率在容量范围内连续可调，无功在容量范围的内调节。图3-6含风电混合多馈入交直流系统MPC器参数选择：，控制器的采样周期，则；在紧急电压控制中，电压目标参考值为0.95p.u.或1.05p.u.；目标函数中电压幅值偏差项的权重为10；各控制变量的控制权值相同，均取1。当其他资源耗尽时，负载削减开始。在预防性无功控制中，控制代价的权重系数取为1，并联电容器、发电机电压参考值、柔性直流电功率设定值的无功裕度权重系数分别为1、2、10，电压偏差项权重系数为10，电压目标参考值为1.0p.u.。利用python调用电力系统仿真工具Powerfactory实现MPC，通过优化工具包Gurobi求解优化问题。1.5.2算例仿真A.场景一电网正常运行未出现故障，由于风电出力的波动性，使受端交流系统的部分母线电压出现较大波动甚至越限，需要对电压进行控制。风力输出曲线如图11所示，控制前后的电压曲线如图3-7所示。图3-7风电场预测出力曲线图3-8为采用本文的两级控制方案前后对比，控制后母线4044的电压没有发生越限。在80-300s内，优先使用响应速度最快的VSC换流站无功功率控制对电压进行控制，使其稳定在0.95～1.05p.u之间，300s后开始进行预防性无功电压控制，增加并联电容和发电机的投入量，减小VSC的无功出力，以增加VSC换流站无功裕度，最终使电压稳定在1.01～1.03p.u之间。图3-8控制前后母线4044电压幅值曲线各控制在控制时域内无功功率裕度如表3-2、表3-3所示。在t=100s时，电压发生越限，此时控制速度最快，灵敏度最大的VSC2换流站的无功功率优先被使用，在t=150s时，电压达到最高值，此时VSC换流站无功裕度最小，为0.343。300～900s内，未出现电压越限的情况，但电压波动较大。此时采取预防性电压控制，并逐渐增加发电机和并联电容的投入以替代快速响应的VSC换流站无功功率，使换流站的无功裕度增大，为突发事件保留足够的快速响应无功备用，其效果在场景二中得到验证。表3-2换流站无功裕度时刻VSC1换流站无功裕度VSC2换流站无功裕度T=0s0.6580.500T=150s0.5720.343T=900s0.6540.492表3-3投入电容/抗器时刻4012LCC逆变侧并联电容T=0s-100MVar600MVarT=150s-100MVar450MVarT=900s-50MVar525MVarB.场景二为验证场景一中无功置换的效果，进行场景二的算例仿真。在场景一完成控制后的下一个控制时域内，输电线路4031-4044双回线的一条在50s时因故障停运，在OLTC和发电机过励磁装置的作用下，在318s发生系统电压崩溃。仿真将对比在上一个控制时域内进行有无进行无功置换对下一个控制时域内电压稳定性的影响。图3-9未施加控制时的母线电压曲线图3-9为系统在50s时发生输电线路4031-4044的断线故障后母线B42和4044的电压变化情况。系统的电压崩溃原因是负荷的自恢复特性，OLTC的动作和发电机过励磁。OLTC根据其低压侧电压进行就地控制，在电压降落过程中试图将负荷侧电压抬升，反而造成负荷所需的无功大量增加，最后导致系统无法提供负荷所需的无功而发生电压崩溃。图3-10为发电机励磁电压曲线，可以看到在电压崩溃过程中有五台发电机发生过励磁限制。靠近系统最低电压节点B42的发