趙德駿,原曉陽(yáng)
(國(guó)電山西潔能有限公司,山西 太原 030006)
電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定一直是電力部門(mén)和相關(guān)工作者工作的目標(biāo)。在過(guò)去,人們關(guān)注的重點(diǎn)是電力電能是否供應(yīng)充足,但是,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,隨著國(guó)民環(huán)保和節(jié)能意識(shí)的覺(jué)醒,如何在滿足目前電負(fù)荷的基礎(chǔ)上來(lái)保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)損和提高電能質(zhì)量,成為了目前電力工作者的研究目標(biāo)。
配電網(wǎng)的優(yōu)化就是在滿足配電網(wǎng)無(wú)功和電壓質(zhì)量的前提下,通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器的可投切電容器和可調(diào)分接頭,最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)電壓保持在合格水平,達(dá)到減少網(wǎng)損的目標(biāo)。關(guān)于配電網(wǎng)無(wú)功的優(yōu)化研究是一個(gè)多約束和多變量混合的非線性規(guī)劃問(wèn)題。目前,我國(guó)關(guān)于該問(wèn)題的研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]:1) 基于數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題的數(shù)值優(yōu)化算法研究。數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題的優(yōu)化方法主要有線性規(guī)劃方法、非線性規(guī)劃方法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法和混合整數(shù)規(guī)劃方法等。該方法的優(yōu)點(diǎn)是收斂性好,最優(yōu)解有著良好的可靠性和運(yùn)行的穩(wěn)定性;缺點(diǎn)是計(jì)算量太大,計(jì)算時(shí)間比較長(zhǎng)。2) 基于人工智能的優(yōu)化算法。人工智能采用啟發(fā)式計(jì)算,有神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、模糊算法等方法[2]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是全局搜索的能力強(qiáng);缺點(diǎn)是收斂速度比較慢,可能產(chǎn)生早熟的問(wèn)題。因此,如何結(jié)合兩種算法的優(yōu)勢(shì),快速找到一種能夠得到全局最優(yōu)解的方法,是配電網(wǎng)優(yōu)化研究中所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。
電子電力變壓器的工作原理[3]:在輸入方,將工頻信號(hào)通過(guò)電子電力變換器轉(zhuǎn)化成各種高頻信號(hào),這個(gè)過(guò)程稱之為“升頻”;升頻后的高頻信號(hào)通過(guò)高頻隔離變壓器耦合,再通過(guò)電子電力變換器還原為工頻交流信號(hào),這個(gè)過(guò)程稱之為“降頻”。這個(gè)過(guò)程是通過(guò)一定的控制方案來(lái)控制電子電力裝置的工作方式,將波形、電壓和頻率轉(zhuǎn)換成電能。
據(jù)電子電力變換中是否有直流環(huán)節(jié)的存在,電子電力變換的實(shí)現(xiàn)方式又分為兩種:1) 在變換中沒(méi)有直流環(huán)節(jié)的存在。在該方式中,高頻變壓器在輸入方進(jìn)行“升頻”,在輸出方進(jìn)行“降頻”;2) 在變換中有直流環(huán)節(jié)的存在。在該方式中,高頻變壓器在輸入方和輸出方都采用AC/DC/AC變換。
電子電力變壓器采用的是一種三級(jí)結(jié)構(gòu)[4],包括輸入、中間隔離和輸出三級(jí)。在輸入級(jí),有多個(gè)功能相同的模塊,這些模塊是串聯(lián)的;在中間隔離級(jí),是由多輸入且單輸出的變壓器組成;在輸出級(jí),也由功能模塊組成,這些功能模塊與輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)相同。
輸入級(jí)的電網(wǎng)提供高電壓,這些高電壓被平均地分配到各個(gè)功能模塊上,這些模塊再將輸入方輸入的工頻信號(hào)由交流調(diào)制為直流,然后調(diào)制為中頻信號(hào)輸送給中間隔離級(jí)。隔離級(jí)將接收到的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合,輸送到輸出方,輸出方再將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào),然后再逆變?yōu)楣ゎl交流信號(hào)進(jìn)行輸出。
為確保電子電力變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定,在輸入方采用直流電壓的控制策略,在輸出方采用交流電壓的控制策略。
在輸入方,據(jù)調(diào)制的原理,則有公式:
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(1)
輸出的高壓功率如下:
Ps=UsU1sinδ1/X1.
(2)
Qs=Us(Us-U1cosδ1)/X1.
(3)
解得輸入方的穩(wěn)態(tài)模型如下:
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(4)
在輸出方,U2(輸出電壓)和Udc(直流電壓)的關(guān)系如下:
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(5)
輸出方功率如下:
(6)
Q0=U0(U2cosδ2-U0)/X2.
(7)
解得輸出方的穩(wěn)態(tài)模型如下:
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(8)
配電網(wǎng)的優(yōu)化問(wèn)題并不僅僅是一個(gè)技術(shù)方面的問(wèn)題,而是關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)等方面的一個(gè)綜合問(wèn)題。配電網(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題的難點(diǎn)在于優(yōu)化模型的建立和優(yōu)化策略的改進(jìn)。
配電網(wǎng)的優(yōu)化問(wèn)題實(shí)際上是一種特殊的最優(yōu)解問(wèn)題,目標(biāo)函數(shù)如公式(9),公式中參數(shù)δ代表電壓的越界懲罰因子。
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(9)
目標(biāo)函數(shù)的約束條件有等式約束和不等式約束兩個(gè)。等式約束是平衡負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率的約束條件(如公式(10)),不等式約束則分為控制變量約束(如公式(11))和狀態(tài)變量約束(如公式(12))。
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(10)
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(11)
(Ci:補(bǔ)償裝置的投入組數(shù);Ti:變壓器檔位)
Vimin≤Vi≤Vimax
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(12)
(Vi:節(jié)點(diǎn)i的電壓)
配電網(wǎng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以有多重計(jì)算方法,但大體的計(jì)算步驟都分為以下六步。
Step1:將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)、變量參數(shù)、各個(gè)約束條件等初始數(shù)據(jù)讀入。
Step2:產(chǎn)生一組控制變量的初始值。
Step3:根據(jù)當(dāng)前的控制變量對(duì)原始數(shù)據(jù)當(dāng)中的相應(yīng)部分作出修改,計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功值、有功值和電壓值。
Step4:以適應(yīng)函數(shù)為依據(jù),評(píng)價(jià)每一個(gè)個(gè)體值。
Step5:根據(jù)優(yōu)化模型,形成優(yōu)化后的個(gè)體。
Step6:若結(jié)果滿足收斂性,則結(jié)束優(yōu)化算法,輸出結(jié)果;否則返回第三步,再次計(jì)算。
電壓質(zhì)量的穩(wěn)定與否是衡量電力系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一,而電壓質(zhì)量的好壞又取決于整個(gè)電力系統(tǒng)中無(wú)功分布的合理程度[5]。無(wú)功容量若是不足,電力系統(tǒng)運(yùn)行的電壓就不足,若這時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)分接頭都有可能造成電壓失去穩(wěn)定,可能發(fā)生電壓的崩潰。在此背景下提出的基于電子電力變壓器的配電網(wǎng)優(yōu)化算法,可以有效控制和改善電壓在穩(wěn)定性方面的性能。