高郭冰　王蕾　劉洋　婁文靜　徐興東

摘要：為了降低風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，提出了采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化（輸電線路切換）的方法來提高含風(fēng)電系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。建立了以輸電線路切換為控制措施的增強(qiáng)控制模型，該模型以最大化預(yù)測(cè)值確定的電力系統(tǒng)負(fù)荷裕度為目標(biāo)函數(shù)，所有可能風(fēng)電場(chǎng)出力場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)負(fù)荷裕度滿足給定閾值要求，并且拓?fù)鋬?yōu)化后的電力系統(tǒng)滿足靜態(tài)安全運(yùn)行要求。針對(duì)大量風(fēng)電出力場(chǎng)景引發(fā)的計(jì)算難題，提出了一種面向靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題的風(fēng)電場(chǎng)景削減方法。為實(shí)現(xiàn)上述問題的快速求解以適應(yīng)在線應(yīng)用需求，提出了一種階段式的有效切換線路識(shí)別方法。最后通過算例分析驗(yàn)證了所提出方法的有效性。結(jié)果表明，有效的輸電線路切換能夠提高含風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：線路切換;風(fēng)電不確定性;場(chǎng)景削減;靜態(tài)電壓穩(wěn)定性;負(fù)荷裕度

DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.009

中圖分類號(hào)： TM614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2022）04-0063-09

Static Voltage Stability Improvement of Wind Power System by Network Topology Optimization

GAO Guo-bing，WANG Lei，LIU Yang，LOU Wen-jing，XU Xing-dong

（School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000，China）

Abstract：To reduce the impact of wind power connection on static voltage stability， the network topology optimization （transmission line switching） is proposed to improve the static voltage stability margin of wind power system. The line switching model is presented to increase the load margins of power systems. The objective function is to maximize the load margin of the power system determined by the predicted wind output， as well as improving the load margins of all wind scenarios up to a given value， and the power system after topology optimization meets the safe operation requirements. Aiming at the computation problem caused by a large number of wind scenarios， a scenario reduction method tailored for static voltage stability problems is proposed. To solve the proposed problem for online applications， a stage-based effective line switching identification methodology is proposed. Finally， the numerical studies are carried out to verify the effectiveness of the proposed methodology. The results have shown that effective transmission line switching can improve the static voltage stability of wind power grid connected system.

Keywords：line switching; wind power uncertainty; scenarios reduction; static voltage stability; load margin

0引言

風(fēng)力發(fā)電作為清潔無污染的可再生能源之一得到了迅速地發(fā)展。全國風(fēng)電裝機(jī)容量逐年增加，截止2020年上半年，全國新增風(fēng)電并網(wǎng)容量6.32×10⁶kW，累計(jì)風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)到2.17×10⁸kW[1]。由于風(fēng)能的固有屬性，風(fēng)力發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、波動(dòng)性和相關(guān)性。大規(guī)模的風(fēng)電接入會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，例如風(fēng)電場(chǎng)出力不確定性引起的功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)和閃變[2];系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度隨著風(fēng)電滲透率的增加而下降[3]。這都使靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題變得更加復(fù)雜。因此，提高含風(fēng)電系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性對(duì)于促進(jìn)風(fēng)電的消納有著重要的意義。

提高含風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的措施包括為風(fēng)電場(chǎng)配備充足的無功補(bǔ)償裝置[4-5]，如文[6]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和匯集站內(nèi)的各種無功調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，優(yōu)化無功功率分布，從而提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。文[7]通過提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)端電壓來增大含風(fēng)電系統(tǒng)的負(fù)荷裕度。文[8]采用統(tǒng)一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）和靜止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator，STATCOM）聯(lián)合控制的方法。文[9]采用可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置（thyristor controlled series compensation，TCSC）和STATCOM聯(lián)合控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

事實(shí)上，電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性有著積極的作用。文[10]比較了三種風(fēng)電匯集系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出輻射形結(jié)構(gòu)有利于提高風(fēng)電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，即風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的靜態(tài)穩(wěn)定裕度可以通過改變風(fēng)電接入后的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到提高。文[11]通過改變電氣主接線的運(yùn)行方式來優(yōu)化電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高含風(fēng)電系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

作為電網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化的措施之一，輸電線路切換已在電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和穩(wěn)定性增強(qiáng)方面得到廣泛的應(yīng)用。例如，開斷輸電線路可以緩解線路過載或節(jié)點(diǎn)電壓越限、降低系統(tǒng)網(wǎng)損、提高輸電能力[12-14]。文[15]通過輸電線路切換來緩解電壓越限問題。文[16]通過輸電線路開斷提高系統(tǒng)的負(fù)荷裕度，增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性。文[17]表明輸電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)能的調(diào)度很重要，間歇性發(fā)電需要?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主動(dòng)切換輸電線路可以更好地利用輸電網(wǎng)絡(luò)來提高風(fēng)電的滲透率。輸電線切換在改善系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義[12]。與其它控制措施相比，輸電線路切換更加經(jīng)濟(jì)、響應(yīng)速度快且不需要額外投資設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。文[14]提到對(duì)電力系統(tǒng)中的元件進(jìn)行退出和投入是十分常規(guī)的開關(guān)操作，并且在實(shí)際電力系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。美國PJM在其公司官網(wǎng)公布了一組線路切換操作，供運(yùn)行操作人員應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的線路過載情況[18]。

然而以往研究并未涉及輸電線路切換對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，因此本文提出應(yīng)用輸電線路切換優(yōu)化電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。首先建立了基于線路切換的風(fēng)電系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定增強(qiáng)控制數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了一種基于階段式的求解策略。該求解方法保留了原問題的非線性特性，可給出多組可行解供運(yùn)行人員參考選擇。為降低大量風(fēng)電出力場(chǎng)景帶來的計(jì)算難度，本文提出了一種面向靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題的場(chǎng)景削減方法。最后在IEEE 118和1648節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

1含風(fēng)電的輸電線路切換控制模型

1.1目標(biāo)函數(shù)

1.2約束條件

2含風(fēng)電的輸電線路切換問題求解方法

2.1階段1：風(fēng)電場(chǎng)景的生成與削減

本階段采用基于場(chǎng)景的方法模擬風(fēng)電場(chǎng)出力的不確定性，為解決大量風(fēng)電場(chǎng)景引起的計(jì)算問題，本文提出了面向靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題的場(chǎng)景削減方法，對(duì)大量風(fēng)電場(chǎng)景進(jìn)行聚類和削減，從而得到具有代表性的中心場(chǎng)景。

2.2階段2：中心場(chǎng)景有效切換線路篩選和排序

2.3階段3：中心場(chǎng)景下有效切換線路的準(zhǔn)確識(shí)別

3算例分析

3.1IEEE 118節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)

4.2IEEE 1648節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)

本算例在IEEE 1648節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模電力系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，15個(gè)風(fēng)電場(chǎng)分別接在母線41、122、271、277、314、460、591、1097、1231、1237、1262、1288、1373、1549、1586，預(yù)測(cè)風(fēng)電出力分別為440MW、17.7MW、488MW、21.7MW、660MW、601MW、531MW、909MW、552MW、1030MW、962MW、726MW、764MW、863MW、941MW。根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)荷需求，設(shè)定節(jié)點(diǎn)272～420上的104個(gè)負(fù)荷增加25%，給定節(jié)點(diǎn)1、3、8、20、108、202、274上的7臺(tái)發(fā)電機(jī)注入功率增長為205MW、262MW、205MW、262MW、150MW、150MW、150MW。風(fēng)電場(chǎng)出力為預(yù)測(cè)值時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷裕度為3956.37MW（參數(shù)化λ_s0=3.184），取期望安全裕度為λth，s=4114.59MW（參數(shù)化λ_th，s=3.311）。

經(jīng)過場(chǎng)景削減后得到62個(gè)中心場(chǎng)景。應(yīng)用本文所提方法可以得到切換線路識(shí)別結(jié)果見表2，當(dāng)切換單條線路時(shí)，有3條線路投入和3條線路斷開可以使預(yù)測(cè)值和所有場(chǎng)景滿足給定的安全負(fù)荷裕度閾值要求，預(yù)測(cè)值下系統(tǒng)負(fù)荷裕度最大的解是斷開線路272～274。斷開線路122～281后，所有場(chǎng)景負(fù)荷裕度的標(biāo)準(zhǔn)差與未切換線路相比，由0.0189降低到0.0046，降低了因風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)造成負(fù)荷裕度的波動(dòng)。

進(jìn)行多條線路切換時(shí)，與未切換時(shí)比較，預(yù)測(cè)值下的負(fù)荷裕度（提高了11.7%）和所有場(chǎng)景負(fù)荷裕度的均值均得到了提高。同時(shí)切換2條線路與斷開單條線路272～274比較，均值沒有明顯提升，標(biāo)準(zhǔn)差沒有明顯降低，所以本算例中切換單條線路要優(yōu)于切換多條線路。

圖5給出了斷開一條最佳線路272～274后的所有中心場(chǎng)景負(fù)荷裕度與未切換線路的對(duì)比，通過線路切換后，所有中心場(chǎng)景的負(fù)荷裕度值都得到了提升。

切換線路前后所有場(chǎng)景的負(fù)荷裕度如圖6所示，通過實(shí)施最佳線路272～274的斷開后，所有場(chǎng)景的負(fù)荷裕度都得到了提高，且所有場(chǎng)景都能滿足給定的負(fù)荷裕度閾值要求。

4結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的不確定性引起系統(tǒng)的負(fù)荷裕度波動(dòng)，提出了通過切換輸電線路（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化）提高風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。本文建立了含風(fēng)電的輸電線路切換優(yōu)化模型，提出了一種階段式的求解方法，提高含風(fēng)電系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定負(fù)荷裕度。所提方法分別在IEEE 118和1648節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)中進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真結(jié)果表明，有效的線路切換在提高風(fēng)電場(chǎng)出力場(chǎng)景負(fù)荷裕度的同時(shí)，可以降低風(fēng)電場(chǎng)出力隨機(jī)性引起的負(fù)荷裕度波動(dòng)，提高風(fēng)電并網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

當(dāng)然切換輸電線路并不是在所有情況下都適用。在某些算例中，可能出現(xiàn)切換線路不能使得全部風(fēng)電場(chǎng)景下系統(tǒng)的負(fù)荷裕度滿足閾值要求，此時(shí)需要結(jié)合其他傳統(tǒng)電壓增強(qiáng)控制（例如投入無功補(bǔ)償裝置、調(diào)整變壓器分接頭等），這將作為本文的后續(xù)工作內(nèi)容。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）