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摘要:经济在快速的发展,社会在不断的进步,无功电压控制是电网安全和经济运行的重要手段,在保证电力系统电压质量方面起到了重要的作用。如何对电网进行分区是无功电压控制中的一个重要的课题。
关键词:电力系统;无功电压控制;分区;综述
引言
现代电力系统己发展到大电网、大机组、特高压、交直流混联和新能源大规模接入阶段。电网规模的扩大和新能源不断并入电网给电力系统的运行带来了复杂性,电力系统无功电压控制面临着新的挑战。为了保证经济性和资源节约性,电力系统中发输变电等设备的使用接近其极限,导致电力系统发生事故的概率增加。随着经济发展,负荷增长速度加快,当网络运行在重载情况下时,可能会出现电压跌落现象,严重时发生电压崩溃。
1二级电压控制原理
二级电压控制作为分级电压控制的关键环节,其研究主要包含了以下内容:对系统进行分区、选择主导节点和对应的控制发电机;设计控制规律,依据主导节点电压偏差来调节一级电压控制器的电压设定值。二级电压控制综合调动系统无功源,调节无功潮流分布,有利于改善电压水平和防止电压崩溃,在电力系统中有相当的重要性。二级电压控制的原理是对电网进行划分,变为若干个控制区域,区域间有着较远的电气距离,彼此呈现弱祸合状态。每个控制区域有一个或多个特殊的负荷节点,称之为主导节点。
2电力系统无功电压控制分区研究
2.1先负荷节点后无功源节点分区
依据负荷节点之间的电气距离对电网进行分区,然后再对无功源节点进行归并,这种方法应用较为广泛。无功源节点的归并如文献「2}]提出的“最小连通性”原则所述:y无功源节点仅与某个子区域相连接时,直接将无功源节点归并到该区域;2)无功源节点与若干个子区域相连时,归并至电气距离最近的负荷节点所在分区;3)仅仅与其他无功源节点相连时,归并到其他无功源节点所在分区。无功分区中,若存在多个负荷分区同时与无功源相邻,运用“最小连通性”原则时将造成无功源节点归并出现困难,所得分区不完全能确保区域内无功源对负荷的强控制作用。
2.2先无功源节点后负荷节点分区
先对无功源节点进行分区,然后依据无功源节点对负荷节点的控制的强弱,对负荷节点进行归并分区。文献「_50]应用凝聚的层次聚类算法对无功源节点进行分区,再基于多无功源节点对单负荷节点短路阻抗实现负荷节点的映射分区。分为三阶段对电网进行分区。第一阶段对经由辐射状支路连接的无功源节点归入同一个分区,第二阶段将负荷节点并入与之电气距离最近的无功源节点进行分区,第三阶段对初始分区进行聚类,得到最终的分区结果。对比于前两种分区形式,这里所提分区形式更能保证区域内有足够的无功源数目,保证无功源节点对负荷节点的强控制作用。
2.3基于组合聚类的无功电压控制分区
随着电力系统规模的扩大,使得整个电网的全局性控制实现困难,无功电压分区控制是以局部控制实现全局控制的重要方法。聚类分区方法是无功电压控制分区中应用较为广泛的方法,本章引入一个新的聚类有效性指标,即距离评价函数,可以对组合聚类算法的聚类效果和最优聚类数目进行评价。在以往的聚类分析中,一般是在常规潮流计算雅可比矩阵基础上得到无功源节点对负荷节点的控制灵敏度,本章基于节点电压方程推导出无功源节点对负荷节点的控制灵敏度,不需要计算雅可比矩阵及省去了相应的求导过程。
2.4风电接入下基于复杂网络理论的无功电压控制分区
近年来,风力发电在我国新能源中的发展最为迅速,尤其在风能资源丰富的地区,如吉林、内蒙、河北和福建等,由于风力发电具有波动性、间歇性的特点,对电力系统电压稳定运行带来的影响也会随着其大规模的发展而日益严重起来。风电接入电网后,电力系统运行时各个状态量都会随着风电有功出力的变化而相应变化,从而控制区域内的潮流波动和走向也会发生变化,这导致了分区结果发生变化,致使一级电压控制器参数设定值发生变化,导致无功设备频繁调控,这对稳定有着不利的影响。为了避免风电接入对电力系统无功电压控制分区所造成的不利影响,研究风电接入下无功电压控制分区意义重大。目前,无功电压分区算法主要有人工智能法、聚类方法和复杂网络理论方法等。这些分区方法可较好地适用于一般电网,而对应用于风电接入下的电力系统的分区将有一定的难度。文献「_56]将风电场离散化为多个场景,将有功期望作为风电稳定出力,采用模糊聚类法对电网进行分区。该文章一次性求取风电的有功期望较难体现风电接入下各节点的电气距离波动性对电网分区的影响。文献「_57]针对风电接入下的电网,提出节点间电气距离期望矩阵,采用AP聚类分区,电气距离期望矩阵体现了风电接入带来的波动性,AP聚类可直接得出最优分区数目,但无法保证区域内的无功就地平衡。上述含风电场的电网分区方法均采用的是聚类方法。本章将复杂网络理论的社团发现算法应用于风电接入下的电网无功分区,提出了电压调控灵敏度期望矩阵和改进的Fast-Newman算法。该分区方法考虑了风电的不确定因素,依据模块度指标可评价网络划分的质量和得到最优分区数目。
2.5常用电气距离定义方法
无功电压控制分区中以各个区域的无功电压弱祸合为目标,节点间的祸合程度一般以节点间的电气距离来表征。电气距离近则祸合程度高,相反则祸合程度低,联系不紧密。电气距离有多种定义的方法,一般都是在常规潮流计算雅可比矩阵基础之上定义计算。主要是以下两种:采用PQ分解法推导电气距离和采用极坐标牛顿一拉夫逊法推导电气距离。电气距离有三个特点:可表示节点间联系紧密程度,比如节点之间灵敏度大即电气距离小则表示节点间联系紧密;对称性,节点i和节点J的距离,应该与节点J和节点i的距离相等,电气距离应具对称性;非负性,距离的概念应该是非负值,而灵敏度矩阵则正负不定,因此,通常对灵敏度矩阵做相应的变换以满足这一特性。
2.6改变变压器变比调压
利用调节变压器的分接头来调压是调整电压的基本方法之一,在既不需要增加设备又不需要增加费用的情况下,即可把电压抬高或者降低,尤其是有载调压变压器,即使在不停电的情况下也可以对电压进行调节,既灵活而又方便,可使系统运行在较高的电压水平,使得无功潮流得到了优化,降低了线损,从而提高了电网的经济效益。但系统无功不足的时候,最好不要采用调节变压器分接头的办法来提高电力系统电压。原因是当某一地区的电压通过调变压器分接头而升高后,流过变压器无功功率增加,所以该地区所需的无功功率增大,进而可能会增加系统的无功缺额,然后导致整个系统的电压水平进一步下降,严重的还会产生电压崩溃。(3)利用无功补偿装置调压无功补偿装置可为电力系统提供无功功率,进而调整系统电压,减少线路损耗和变压器损耗。常用的无功补偿设备有静电电容器、同步调相机、静止无功补偿器和静止同步补偿器等。
结语
近年来国内外发生多起电力系统电压失稳事件,电力系统电压稳定问题日渐成为国内外学者关注的焦点,无功电压控制在保证电力系统安全稳定运行方面起到了重要的作用。在无功电压控制中,如何对网络进行合理的划分是一个重要的研究方向。本文研究了传统电网和风电接入下电网的无功分区方法,所做工作和所取得的成果归纳如下:(1)介绍了无功电压控制分区的研究背景和意义,总结了自动电压控制系统和无功电压控制分区方法的研究现状,简要介绍了各种方法的优缺点。(2)介绍了二级电压控制原理,阐述了电网分区的原则、分区形式、常用的电气距离定义,建立无功源节点对负荷节点的电压控制灵敏度矩阵,采用K-means聚类算法对电网负荷节点进行分区,最后利用无功源节点归并原则得到最终分区结果。(3)提出了一种基于组合聚类的无功电压控制分区方法。基于网络节点电压方程建立了节点电压控制灵敏度矩阵。采用组合聚类算法进行分区,基于距离评价函数对不同聚类数目下的结果进行评价,得到最优的分区结果。对IEEE39节点算例测试结果显示,所提方法可以得到较为满意的分区结果。
参考文献:
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