考慮暫態過電壓抑制的新能源送出型電網無功優化方法

李文竹,寇漢鵬

(國網內蒙古東部電力有限公司呼倫貝爾供電公司,內蒙古 呼倫貝爾 021000)

0 引言

清潔高效的能源供給體系建設是我國實現能源結構轉型和促進新型電力系統發展的關鍵環節,是解決能源危機和環境問題的有效手段[1-3]。截止2021年底,我國風電裝機總容量達到了3.28億千瓦,但由于風能資源分布不均特性,使風電并網集中在華北、西北等區域,其中,華北地區風電裝機8 819萬千瓦,占比26.9%,西北風電裝機7 505萬千瓦,占比22.8%,另外隨著大容量特高壓直流輸電技術的發展,利用跨區直流通道外送電力成為促進集中接入新能源跨區域消納,實現廣域源荷電量平衡的有效手段[4-5]。但新能源送出型電網容易受到直流暫態故障影響,暫態過電壓問題越來越突出,對線路輸電能力和換流站近區電網穩定性產生了嚴重影響,研究新能源送出型電網暫態過電壓抑制策略具有重要意義。

針對暫態過電壓抑制問題,國內外大學和研究機構開展了廣泛研究。文獻[6]針對直流故障引起的暫態過電壓問題,建立了暫態過電壓風險模型,實現了暫態過電壓復雜問題的機理解析表達,能夠對暫態過電壓過程進行定量描述。文獻[7]針對換相失敗引起的暫態過電壓問題,提出暫態過電壓無功功率控制方法,降低故障期間直流系統無功交換,從而實現暫態過電壓的抑制。文獻[8]為分析雷擊暫態過電壓分布規律,采用ATP-EMTP電磁暫態仿真軟件對暫態過電壓過程進行量化,可提高模型的計算精度。文獻[9]對多重雷擊暫態過電壓機理進行了分析與建模,為暫態過電壓抑制的防雷設計奠定了基礎。文獻[10]針對新能源外送基地由于直流故障引起的暫態過電壓問題,提出了基于能量同步轉換技術的暫態過電壓抑制方法,能夠解決新能源脫網問題,提高直流送端電網的穩定性。文獻[11]分析了制約新能源送端電網送出能力的制約因素,針對暫態過電壓和穩態低電壓問題,提出了調相機的分布式配置方法,能夠有效抑制暫態過電壓問題,并且能夠指導新能源送端電網規劃,提升新能源送出能力。文獻[12]對特高壓直流受端換相失敗引起的暫態過電壓過程機理進行分析,分別建立了多類型風電機組的暫態無功電壓響應模型。文獻[13]進一步提出了暫態無功控制策略,有效提升了風電機組暫態過電壓抑制能力。文獻[14]分析了輸電桿塔與接地系統的暫態過電壓機理,采用電感效應與火花效應的暫態分析方法,能夠有效提升輸電桿塔模型的建模精度,能夠有效對暫態過電壓進行判斷。文獻[15]針對直流近區因直流單極閉鎖故障引起的暫態過電壓問題,提出了基于調相機協調的暫態過電壓直流控制策略,結果表明能夠有效阻斷暫態過電壓的傳遞,提升新能源并網穩定性。文獻[16]針對雷擊引起的高壓直流輸電線路過電壓問題,研究了瞬時過電壓和反擊閃絡顯現的機理,能夠有效評估雷電流峰值和接地電阻對屏蔽失效閃絡的變化影響。文獻[17]為分析風電暫態過電壓機理,建立了風電等值電路和參數計算模型,能夠提高過電壓的辨識精度和準確性。文獻[18]對同步發電機暫態過電壓機理進行了分析,采用接地系統對暫態過電壓進行抑制,可有效提升同步發電機并網穩定性。文獻[19]針對暫態過電壓定量分析問題,提出暫態電壓評價指標,能夠量化電壓穩定性評估精度,有效提升超高壓直流輸電暫態過抑制效果。文獻[20]針對大規模新能源的暫態過電壓問題,提出源荷緊急調度方案。文獻[21]在此基礎上進一步提出了快速暫態過電壓計算方法,有效提升了可再生能源并網的穩定性。文獻[22]針對直流系統故障造成的暫態問題,對功角穩定和無功冗余機理進行了分析,能夠提升電網穩定,并且提升新能源消納能力。文獻[23]針對新能源機組的暫態問題,提出了風機控制策略和模型參數優化方法,對直流故障后的暫態過電壓進行抑制,提升了電網安全穩定運行能力。文獻[24]針對斷路器投切暫態過電壓問題,提出了融合數據的暫態過電壓機理分析模型,能夠有效提升暫態過電壓的辨識精度。文獻[25]針對弱送端電網暫態過電壓問題,提出了風機并網控制策略,對暫態過電壓量化精度和抑制效果都有所提升。文獻[26]從暫態過電壓引起新能源連鎖脫網機理分析出發,定義了暫態過電壓嚴重性指標,能夠有效提升暫態過電壓辨識精度。文獻[27]提出了風電低穿控制策略,可有效提升在交直流故障擾動后的風電并網系統的穩定性,能夠抑制暫態過電壓水平。文獻[28]采用調相機對高壓直流送端系統進行無功控制,能夠有效改善事故后電網的穩定水平,提升暫態過電壓抑制能力。文獻[29]分析了暫態過電壓抑制機理,量化了暫態壓升與新能源脫網數量之間的復雜對應關系,對提升新能源送出型電網規劃具有指導意義。文獻[30]針對弱送端系統暫態過電壓問題與功角失穩問題,研究了暫態過電壓峰值的影響機理,對弱送端系統一次能源配比優化與暫態過電壓抑制效果之間的關系進行了定量研究,有效提升了弱送端電網穩定運行能力。

上述文獻均對不同故障下的暫態過電壓產生機理及抑制策略進行了深入研究,并且取得來了較好的暫態過電壓抑制效果。但新能源送出型電網的電網耦合特性復雜程度較高,具有不確定性的新能源占比較高,暫態過電壓機理尚不清晰,并且針對暫態過電壓抑制的無功控制策略也難以在新能源送出型電網上實現高效應用,給暫態過電壓抑制帶來了新的挑戰。針對新能源送出型電網在暫態故障下容易產生過電壓問題,提出考慮暫態過電壓抑制的新能源送出型電網無功優化方法,并通過仿真算例對模型的有效性進行了驗證,結果表明所提方法能夠一定程度改善暫態過電壓峰值,對保障新能源送出型電網安全穩定具有重要意義。

1 新能源送出型電網暫態過電壓機理

圖1為新能源送出型電網等值電路。新能源送出型電網構成主要包括本地交流電網、無功調節設備、火電機組、風電、光伏,因此等值電路由等值本地交流電網、等值無功調節設備、等值風電集群、等值光伏集群構成。

圖1 新能源送出型電網等值電路

等值本地交流電網模型為

(1)

式中,Pgrid、Qgrid分別為等值本地交流電網輸出有功、無功功率;Egrid為等值發電機電勢;Ugrid為等值輸出電壓;δgrid為等值功角。

等值電容器模型為

(2)

式中,Qcapacitor為等值電容器輸出無功功率;Xcapacitor為電容器的容抗;Ucapacitor為等值輸出電壓。

等值調相機模型為

(3)

式中,Epm為等值調相機空載電勢;ipm為等值d軸電流;Xpm為等值電抗;Upm為等值輸出電壓。

等值風電集群模型為

(4)

式中,Pwind、Qwind分別為等值風電集群輸出有功功率、無功功率;Cwind、Dwind分別為等值直流電容、軸系阻尼系數;Rwind、Xwind為等值發電機電阻和電抗;N為集群內風電場數量。

等值光伏集群模型為

(5)

式中,Ppv、Qpv分別為等值光伏集群輸出有功功率、無功功率;Cpv、Lpv分別為等值并聯電容和濾波電感;Xcq為等值發電機電抗;M為集群內光伏電站數量。

當新能源送出型電網的直流外送通道發生直流閉鎖故障時,交流側等值電抗為

(6)

式中,Xaceq為新能源送出型電網交流系統等值電抗;Sac為換流站交流側母線短路容量。

當新能源送出型電網的直流外送通道發生直流閉鎖故障時換流站交流母線暫態電壓變化的標幺值表示為

(7)

(8)

2 新能源送出型電網暫態過電壓抑制方法

考慮無功調節設備和新能源集群對新能源送出型電網暫態過電壓抑制作用,本研究建立新能源送出型電網無功優化模型,目的是實現暫態過電壓引起的暫態能量變化能夠在無功調節設備和新能源集群之間完成有效分配,提高弱送端電網的無功調節裕度,為直流閉鎖故障下送端電網穩定運行提供支撐。

新能源送出型電網無功優化問題的目標函數為

(9)

式中,Qi為新能源送出型電網無功調節設備的無功出力,是決策變量,具體是指風電集群、光伏集群、調相機和電容器的無功出力;Qi,min為新能源送出型電網無功調節設備的無功出力的最小值;N為新能源送出型電網無功調節設備數量。

新能源送出型電網無功優化問題的約束條件主要包括潮流方程等式約束、調節設備出力范圍不等式約束以及電壓范圍不等式約束。

2.1 無功平衡約束

基于等值交流電網、等值無功調節設備、等值新能源集群、換流站及直流外送通道組成的新能源送出型電網,其無功平衡約束為

(10)

式中,Qdc為直流外送通道的無功功率。

2.2 調相機和電容器約束

(11)

式中,Ucapacitor,i,max、Upm,i,max分別為電容器和調相機的電壓上限;Ucapacitor,i,min、Upm,i,min分別為電容器和調相機的電壓下限;Qcapacitor,i,max、Qpm,i,max分別為電容器和調相機的無功上限;Qcapacitor,i,min、Qpm,i,min分別為電容器和調相機的無功下限。

1)風電集群約束

(12)

式中,Swind,max為風電集群最大視在容量。

2)光伏集群約束

(13)

式中,Spv,max為光伏集群最大視在容量。

3 求解算法及優化策略

新能源送出型電網無功優化具有非凸非線性特征,采用傳統優化方法難以快速準確的找到全局最優解,考慮到智能算法在處理非線性優化問題中的優勢,本研究采用約束自適應粒子群算法對優化模型進行求解。

傳統粒子群算法以目標函數作為適應值從而對粒子的優劣進行判斷,適應值只由目標函數來度量,本研究建立雙適應值函數,在建立目標函數適應值的同時,建立約束條件的適應值,但由于約束條件的作用是將粒子約束在合理范圍內,因此約束適應值應當作為違反度值,優勢在于能夠克服利用粒子群算法對具有復雜約束條件優化問題求解的局限性。

雙適應值包括適應值F1和違反適應值F2,分別為

(14)

式中,f(xi)為新能源送出型電網無功優化問題的目標函數;gm(xi)、hn(xi)分別為新能源送出型電網無功優化問題目標函數中的等式約束和不等式約束,共同構成了違反適應值,體現了對粒子與邊界之間的位置距離;pm、qn分別為各項約束條件的權重系數。

為了體現無功平衡約束、調相機和電容器約束、以及風電光伏集群約束之間關系,建立自適應違反適應值權重的自適應調整策略。

(15)

其中,

(16)

(17)

為了避免無功調節設備超出調節范圍而引起的不可行解的適應度優于可行域內可行解的適應度的問題,采用ε常數來對粒子進行比較:若兩個粒子違反適應值均小于ε,則采用兩個粒子適應值來對粒子優劣進行判斷,即適應值較小的為優;若兩粒子違反適應值均大于ε,則違反適應值較小的為優;若兩個粒子違反適應值分布于ε兩側,則違反適應值較小的為優。

粒子群算法的優勢是粒子具有多樣性,能夠模擬無功優化問題中所有無功調節設備的出力值,因此需控制不可行解具有一定的比例,筆者通過不可行解設定值與不可行解實際所占比例的關系,來對ε動態調整,從而實現粒子多樣性的目的,ε取值為

(18)

式中,ψ為不可行解比例設定值;β為不可行解實際值。

為了避免粒子群算法由于收斂過快而導致陷入局部最優的問題,需要對粒子的變異策略進行改進,使變異策略隨著迭代次數的不同而進行動態調整,為量化粒子群狀態,筆者引入適應度方差和多樣性函數來對粒子優化性能進行度量。粒子適應度方差函數表示粒子集中程度,粒子適應度方差函數為:

(19)

其中,f=max{1,max{|f(i)-f′|}}。

粒子多樣性函數為

(20)

當迭代后期粒子搜索范圍需要減小時,對粒子速度設置擾動函數如下:

vi=vi+viδ(C-t)/C

(21)

式中,vi為粒子速度;C為迭代次數;δ為擾動隨機數。

具體求解流程見圖2。

圖2 基于改進粒子群算法的優化模型求解流程

4 算例分析

本研究基于改進的IEEE 39節點系統,并采用蒙東某新能源送出型電網實際運行數據建立以暫態過電壓抑制為目標的無功控制模型仿真算例,其中風電場裝機總容量400 MW,火電廠裝機容量30 MW,光伏電站裝機容量175 MW,風光出力及負荷曲線見圖3。為驗證所提新能源送出型電網暫態電壓模型對于暫態條件下電壓量化結果的計算精度,本研究采用計算模型和PSCAD仿真模型相對比的方式來進行驗證,即通過配置不同無功調節設備,分別對計算模型與仿真模型的暫態過電壓結果進行對比分析,用以量化新能源送出型電網暫態過電壓結果,判斷暫態過電壓模型計算精度。

圖3 風光出力及負荷曲線

表1為暫態電壓有效值對比結果。本研究所提方法對暫態過電壓計算值的相對誤差相較于其他方式有明顯降低,并且暫態過電壓得到了有效抑制,有效調動了無功調節設備和新能源集群等暫態過電壓抑制資源,提高了新能源送出型電網應對直流閉鎖故障的電壓恢復能力。

表1 暫態電壓有效值對比結果

為驗證在直流閉鎖故障下本研究所提無功調節設備和新能源集群的協調效果以及暫態過電壓的抑制效果,設置直流單極閉鎖故障和直流雙極閉鎖故障兩種故障,并且在兩種故障下設計3種暫態過電壓抑制策略:

策略一:只調節新能源集群的無功出力。

策略二:只調節無功調節設備的無功出力。

策略三:協同調節新能源集群和無功調節設備的無功出力,即本研究所提策略。

4.1 直流單極閉鎖故障

圖4為在穩定運行至0.5 s時發生直流單極閉鎖故障下,在3種暫態過電壓抑制策略下光伏電站并網點、風電場并網點、換流站交流母線3處母線電壓的變化情況。由圖可知,3種策略下暫態過電壓均得到的抑制,但3種策略的暫態過電壓抑制程度不盡相同,3種策略下光伏電站并網點電壓分別變化了1.204 8%、1.301 2%、0.096 4%,3種策略下風電場并網點電壓分別變化了1.108 4%、1.156 6%、0.192 8%,3種策略下換流站交流母線電壓分別變化了1.204 8%、1.397 6%、1.012 0%,策略一和策略二相對于本研究所提策略三而言,暫態過電壓變化率較大,抑制程度較小,并且對于光伏電站并網點電壓和風電場并網點電壓的控制效果,也相較于策略三的電壓控制效果較差,對于電壓幅值來說,雖然三種策略都能在一定程度上維持電壓穩定,但在策略一和策略二的控制方式下,穩定點幅值相較于故障前變化過大,進而對近區電網造成一定程度的失穩風險。

圖4 直流單極閉鎖故障下各母線電壓

4.2 直流雙極閉鎖故障

圖5為在穩定運行至0.5 s時發生直流雙極閉鎖故障下各母線電壓的變化情況。相對于直流單極閉鎖故障,直流雙極閉鎖故障對新能源送出型電網電壓影響程度更大,3種策略下光伏電站并網點電壓分別變化了1.272 3%、1.262 7%、0.038 6%,3種策略下風電場并網點電壓分別變化了0.963 9%、0.944 6%、0.771 1%,3種策略下換流站交流母線電壓分別變化了1.166 3%、1.147 0%、1.118 1%,策略一和策略二這種單一的無功控制手段難以在一定之間內將電壓恢復至正常范圍內,電壓變化后的穩定點相較于變化前有較大的偏差,存在導致新能源連鎖脫網的風險,并且嚴重威脅了換流站和近區送出端電網設備安全。而本研究所提暫態過電壓抑制策略能夠使電壓較快的恢復至正常水平,提高了送出型電網暫態過電壓的抑制能力,使暫態能量在各無功調節設備之間得到了有效分配,抑制了系統暫態過電壓水平。

圖5 直流雙極閉鎖故障下各母線電壓

為進一步驗證本研究所提改進粒子群算法對于暫態過電壓抑制問題的求解效果,進行所提算法與傳統粒子群算法的對比實驗。

圖6為采用本研究所提改進粒子群算法與傳統粒子群算法進行比較后的換流站交流母線電壓曲線變化情況?？梢钥闯?在穩定運行至1 s時發生直流閉鎖故障,雙約束適應值粒子群算法能夠提升算法收斂速度,并且避免粒子陷入局部最優解的問題,電壓恢復效果優于傳統算法,并且能夠對暫態能量在新能源集群與無功調節設備之間進行有效分配,提高了新能源集群與無功調節設備參與暫態過電壓抑制的響應能力,提升了送出型電網穩定運行能力,進而提高了新能源送出型電網的新能源消納能力。

圖6 換流站交流母線電壓

5 結論

1)提出了新能源送出型電網新能源集群暫態過電壓抑制無功控制模型,對新能源送出型電網換流站交流母線處等值交流電網、等值無功調節設備、等值新能源集群的有功無功平衡特性進行了量化。

2)建立了新能源送出型電網無功優化模型,并采用改進粒子群算法對模型進行求解,能夠提高暫態電壓計算精度。

3)直流單極閉鎖故障下,光伏電站并網點、風電場并網點、換流站交流母線3處母線電壓的變化率分別為0.096 4%、0.192 8%、1.012 0%。

4)直流雙極閉鎖故障下,光伏電站并網點、風電場并網點、換流站交流母線3處母線電壓的變化率分別為0.038 6%、0.771 1%、1.118 1%,暫態過電壓得到了有效抑制。