馬海忠

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，銀川 750001）

引言

特高壓接入電網(wǎng)后的成功運(yùn)行是我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)能力的體現(xiàn)。但現(xiàn)階段，特高壓接入電網(wǎng)后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行仍舊是電力領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。現(xiàn)階段的特高壓下電網(wǎng)運(yùn)行存在可靠性不佳等問題，如何高質(zhì)量的保證特高壓接入后電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行、提高電網(wǎng)的可靠性具有重要意義[1,2]。

劉萬福[3]等首先建立電網(wǎng)運(yùn)行可靠性指標(biāo)；其次，基于集成權(quán)重偏差和客觀權(quán)重建立特高壓接入電網(wǎng)穩(wěn)定性的多目標(biāo)優(yōu)化模型，從而完成電網(wǎng)可靠性提升控制。該方法存在可靠性提升效果不佳的問題。宋福龍[4]等首先對(duì)特高壓接入電網(wǎng)后電網(wǎng)運(yùn)行情況展開評(píng)估；其次，對(duì)電網(wǎng)受電情況展開分析；最后，通過對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和線路參數(shù)控制來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠性提升。該方法存在電網(wǎng)可靠性提升不及時(shí)的問題。陳漢雄[5]等首先建立特高壓接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型；其次，分析特高壓接入電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行情況；最后，通過協(xié)調(diào)控制策略實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠性提升控制。該方法存在電網(wǎng)運(yùn)行狀況不佳的問題。

在特高壓接入電網(wǎng)后，增大特高壓電網(wǎng)的容量和覆蓋范圍會(huì)導(dǎo)致更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)潮流過載和電壓越限問題，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行振蕩。為保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提出功率因角預(yù)測(cè)下特高壓接入后電網(wǎng)過載電壓控制方法。該方法的研究有望為該領(lǐng)域帶來新的技術(shù)與支持，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電網(wǎng)功率因角特性計(jì)算

在特高壓接入下，由于其較高的電壓等級(jí)和輸送能力，會(huì)影響電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，進(jìn)而影響到電力系統(tǒng)功率因數(shù)和功角的產(chǎn)生。通過對(duì)電網(wǎng)功率因角特性的分析，可以評(píng)估特高壓接入后，電力系統(tǒng)內(nèi)部功率因數(shù)和功角是否處于合理范圍。合理范圍的功率因數(shù)可以保證電力系統(tǒng)的能效，而合理范圍的功角可以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和傳輸能力，保證電網(wǎng)可靠性。因此，采取合理措施來確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定供電和傳輸能力，為特高壓接入下電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性提升提供依據(jù)[6-8]。

高端逆變器注入交流電網(wǎng)功率dP公式表達(dá)為：

式中：

Nb—變流器個(gè)數(shù)；

Ub—變流器交流節(jié)點(diǎn)電壓幅值；

ηb—熄弧角；

I—直流電流；

Zb—變流器變漏抗；

b—變流器。

低端逆變器注入交流電網(wǎng)功率Qb公式表達(dá)為：

式中：

γ—功率因角數(shù)。

功率因角數(shù)的余弦公式表達(dá)為：

式中：

v—換相角。

功率因角數(shù)的余弦結(jié)果實(shí)質(zhì)上是計(jì)算電路中有功功率和視在功率之間的夾角，也就是所謂的功率因角。由此，完成了電網(wǎng)的功率因角計(jì)算。

2 基于功率因角的電網(wǎng)電壓軌跡預(yù)測(cè)

特高壓接入電網(wǎng)的設(shè)備通常由大量的節(jié)點(diǎn)、線路和設(shè)備構(gòu)成，具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多變的負(fù)荷條件。同時(shí)，電網(wǎng)的功率因角特性存在一定的動(dòng)態(tài)性，隨著負(fù)荷變化和其他外部條件變化，功率因角也會(huì)發(fā)生變化。因此，及時(shí)監(jiān)測(cè)功率因角，可以預(yù)測(cè)電壓軌跡變化，以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率。根據(jù)特高壓接入電網(wǎng)的功率因角特性分析結(jié)果，基于軌跡靈敏度方法獲取特高壓接入電網(wǎng)后電壓變化預(yù)測(cè)值。

用O表示交流電網(wǎng)控制量，其公式表達(dá)為：

式中：

oz—特高壓分層接入下的交流電網(wǎng)控制量。

用U表示交流電網(wǎng)變化量，其公式表達(dá)為：

式中：

Oc—交流電網(wǎng)控制量的暫態(tài)變量；

e—交流電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)特性的狀態(tài)變量；

u—交流電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值和功率因角的系統(tǒng)變量。

由此，可以得到軌跡靈敏度[9,10]公式表達(dá)為：

通過牛頓迭代法和隱式梯形法求解特高壓直流分層接入電網(wǎng)后的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)函數(shù)[11]，并結(jié)合軌跡靈敏度即可獲取預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的電壓輸出軌跡U?，然后根據(jù)U?獲取特高壓進(jìn)入電網(wǎng)后電壓軌跡變化預(yù)測(cè)值，表達(dá)為：

式中：

Vn—通過牛頓迭代法迭代第 次的電壓值；

t—對(duì)應(yīng)變量在t時(shí)刻的取值。

3 特高壓接入后電網(wǎng)過載電壓控制方法設(shè)計(jì)

在特高壓接入電網(wǎng)中，對(duì)電壓軌跡預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)結(jié)果是后期控制的重要約束條件。因此，將電壓軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果及時(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作的決策依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的控制措施[12]，并確保特高壓電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)特高壓接入電網(wǎng)后電壓軌跡變化，使用有功潮流控制器對(duì)直流換流站母線電壓協(xié)調(diào)控制和輸電線路過載控制，實(shí)現(xiàn)特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升。

3.1 基于有功潮流控制器的線路過載控制

電網(wǎng)電壓需要依賴天氣條件、負(fù)荷變化、發(fā)電機(jī)輸出等輸入數(shù)據(jù)。然而，這些數(shù)據(jù)受測(cè)量誤差、未知故障等因素的影響具有一定的不確定性。進(jìn)而降低了電網(wǎng)工作的準(zhǔn)確性和可靠性，使得特高壓在接入電網(wǎng)受端時(shí)，所產(chǎn)生的功率巨大，故造成電網(wǎng)輸電線路過載風(fēng)險(xiǎn)，且此時(shí)多個(gè)輸電線路均存在過載風(fēng)險(xiǎn)[13]。因此，對(duì)特高壓接入下的電網(wǎng)線路進(jìn)行過載控制。線路過載控制可以通過分析電壓預(yù)測(cè)軌跡、合理調(diào)節(jié)負(fù)荷分配、優(yōu)化電網(wǎng)配置等方法，確保線路電流在安全范圍內(nèi)，并保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。通過有功潮流[14]控制功能對(duì)輸電線路的過載問題展開控制處理。輸電線路負(fù)載電流幅值?Il公式表達(dá)為：

式中：

?Pl—輸電線路l負(fù)載時(shí)的有功功率；

Gl1—輸電線路l母線1 的電導(dǎo)；

Ilc0—有功電流；

Il0—無功電流；

S′—串聯(lián)電流源對(duì)輸電線路電流的影響情況；

Vd—電壓幅值。

由公式（8）可知，有功潮流指令值受到電壓幅值與無功電流、電壓軌跡預(yù)測(cè)約束結(jié)果的影響，導(dǎo)致了輸電線路的負(fù)載電流變化。

輸電線路負(fù)載率E公式表達(dá)為：

式中：

Il,limit—輸電線路l的熱穩(wěn)定電流。

當(dāng)輸電線路的負(fù)載率E超過傳統(tǒng)的過載控制通過設(shè)置負(fù)載率閾值El,set時(shí)，有功潮流控制器通過放大積分誤差負(fù)載信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。

但在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮下述幾個(gè)方向?qū)旊娋€路過載控制的影響：

1）當(dāng)多個(gè)有功潮流控制器存在電網(wǎng)中時(shí)，需要協(xié)調(diào)多個(gè)有功潮流控制器的線路負(fù)載能力。

2）當(dāng)電網(wǎng)中同時(shí)出現(xiàn)多處線路過載問題時(shí)，輸電線路過載控制策略均能處理。

根據(jù)上述需求，改進(jìn)輸電線路的過載控制器設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 改進(jìn)線路過載控制器設(shè)計(jì)

電壓軌跡預(yù)測(cè)約束下，下垂控制系數(shù)的計(jì)算公式表達(dá)為：

式中：

Β—通過有功潮流控制的輸電線路集合；

sgnl—符號(hào)函數(shù)；

El,set—設(shè)定負(fù)載率閾值。

當(dāng)檢測(cè)到Β 中存在線路過載問題時(shí)，如果只有一條線路過載或過載線路的符號(hào)函數(shù)相同，可直接調(diào)節(jié)有功潮流控制器指令以控制輸電線路在熱穩(wěn)限額之下；如果電網(wǎng)輸電線路集合出現(xiàn)符號(hào)函數(shù)不同的過載線路，不能直接通過有功潮流控制器的指令值完成過載控制，需先調(diào)節(jié)過載最為嚴(yán)重的線路，確保輸電線路在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

3.2 基于串、并聯(lián)換流器的過載電壓協(xié)調(diào)控制

在特高壓接入電網(wǎng)的情況下，有功潮流控制器的有功功率控制和無功潮流控制對(duì)直流換流站側(cè)交流母線電壓靈敏度基本相同。由于線路過載控制可能涉及到調(diào)整變壓器的出力或切換線路配置等操作，這可能會(huì)對(duì)輸電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致控制后出現(xiàn)電壓過載波動(dòng)的情況。

為了實(shí)現(xiàn)更好的電壓控制，將有功潮流控制器的并聯(lián)換流器安裝在直流換流站側(cè)，以調(diào)節(jié)其側(cè)鄰近母線電壓。但特高壓接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)受到直流換流站交流母線穩(wěn)態(tài)電壓和暫態(tài)電壓恢復(fù)情況的影響。因此，設(shè)計(jì)一種串、并聯(lián)換流器過載電壓協(xié)調(diào)控制器，來調(diào)節(jié)輸電系統(tǒng)中的過載電壓，以確保特高壓介入后整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

串聯(lián)電流源對(duì)輸電線路電流的影響與電網(wǎng)運(yùn)行工況無關(guān)，但與電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和線路參數(shù)有關(guān)，所以有功電流在過載線路的控制過程中不發(fā)生改變。因此，根據(jù)線路過載情況的不同，在串、并聯(lián)換流器之間，通過下垂控制器來調(diào)整無功控制量的分配，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的潮流控制。串、并聯(lián)換流器過載電壓協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。

圖2 串、并聯(lián)換流器電壓協(xié)調(diào)控制器

圖2中，Kc表示串聯(lián)換流器無功控制器的放大器增益，QZ,set表示正常工況下給定的有功潮流控制器的無功潮流設(shè)定值，Kb表示并聯(lián)換流器無功控制器的放大器增益，Qb,set表示正常工況下并聯(lián)換流器無功功率給定值。

其中，直流換流站交流母線電壓變化值?V公式表達(dá)為：

式中：

Vmax—電壓上限；

V—直流換流站交流母線電壓；

Vmin—電壓下限。

串聯(lián)側(cè)負(fù)載率?Ec公式表達(dá)為：

式中：

并聯(lián)側(cè)負(fù)載率?Eb公式表達(dá)為：

式中：

Fc、Fb—串聯(lián)側(cè)控制電壓的下垂系數(shù)和并聯(lián)側(cè)控制電壓的下垂系數(shù)，通過兩個(gè)下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)無功控制量的分配，完成過載電壓控制，分配公式為：

基于此，通過串聯(lián)、并聯(lián)換流器的過載電壓協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)特高壓接入電網(wǎng)后電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性的提升。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升研究有效性，在Windows 7、Intel core i7-4210H、8 GB操作系統(tǒng)，編程環(huán)境為python3.7 的計(jì)算機(jī)上使用測(cè)試軟件完成實(shí)驗(yàn)。對(duì)比直流分層接入技術(shù)和直流單層接入技術(shù)完成特高壓接入電網(wǎng)方法可知，直流分層接入技術(shù)具有更高的穩(wěn)定性，是未來電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，故以特高壓直流分層接入電網(wǎng)模型為研究對(duì)象。特高壓以直流分層形式接入電網(wǎng)架構(gòu)模型如圖3 所示。

圖3 特高壓直流分層接入電網(wǎng)架構(gòu)模型

如圖3 所示，特高壓直流分層接入電網(wǎng)架構(gòu)中，直流濾波器的直流極限為800 kV，其中，極1 中交流濾波器的交流母線電壓為500 kV，極2 中交流濾波器的交流母線電壓為1 000 kV。采用特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升研究（所提方法）、基于多目標(biāo)優(yōu)化模型的特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升研究（文獻(xiàn)[3]方法）、基于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和線路參數(shù)控制的特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升研究（文獻(xiàn)[4]方法）完成測(cè)試，選擇失負(fù)荷概率、電壓穩(wěn)定性、穩(wěn)定控制時(shí)間三個(gè)參數(shù)衡量電網(wǎng)可靠性。

4.2 結(jié)果分析

1）失負(fù)荷概率

引入失負(fù)荷概率評(píng)價(jià)特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性，失負(fù)荷概率指一段時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)設(shè)施出現(xiàn)緊急停電事件的可能性，失負(fù)荷概率越低，表明特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性越高。

采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法完成特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升，記錄三種方法的失負(fù)荷概率如圖4 所示。

圖4 三種方法的失負(fù)荷概率

分析圖4 可知，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的特高壓接入下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的失負(fù)荷概率均在0.8 以下，所提方法的特高壓接入下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的失負(fù)荷概率在0.5 以下，所提方法的電網(wǎng)失負(fù)荷概率明顯低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法，表明所提方法的特高壓接入下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性較高。

2）電壓穩(wěn)定性

在初始時(shí)刻設(shè)置特高壓接入電網(wǎng)后的過載短路故障，采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法完成特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化控制，記錄三種方法的電網(wǎng)穩(wěn)定性結(jié)果如圖5 所示。

圖5 三種方法的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

分析圖5 可知，在初始時(shí)刻的特高壓接入電網(wǎng)后的過載短路故障后，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電網(wǎng)電壓存在振蕩，未能及時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而所提方法在19s振蕩后，電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)穩(wěn)定，表明所提方法的特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升效果更好。

3）穩(wěn)定控制時(shí)間

采用所提方法、文獻(xiàn)[14]方法完成特高壓接入下的電網(wǎng)波動(dòng)后，穩(wěn)定控制時(shí)間，加入7 次外部接入沖擊，造成電壓波動(dòng)控制如圖6、7 所示。

圖6 本文方法下過載電壓的控制時(shí)效

圖7 文獻(xiàn)[14]方法下過載電壓的控制時(shí)效

分析圖5~7 可知，采用文獻(xiàn)[14] 方法完成特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化控制時(shí)間在（72.1~80.4）s，采用所提方法完成特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化控制時(shí)間在（28.6~40.4）s，所提方法的特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化控制時(shí)間低于文獻(xiàn)[14]方法，表明所提方法完成特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化控制時(shí)間更短、效率更高。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所提方法通過軌跡靈敏度方法準(zhǔn)確對(duì)特高壓接入電網(wǎng)后電壓變化情況實(shí)行預(yù)測(cè)，為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性提升奠定基礎(chǔ)；然后通過有功潮流控制器有效對(duì)特高壓接入電網(wǎng)的線路過載及電壓不穩(wěn)定情況實(shí)行控制，提高了特高壓接入下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可靠性，獲得了更好的特高壓接入電網(wǎng)穩(wěn)定控制方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究特高壓接入下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定控制一直是電力領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題之一。因此，提出特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性提升研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該方法可以有效的提高特高壓接入下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性，且耗費(fèi)較少的時(shí)間對(duì)電壓穩(wěn)定性完成了控制，具有重要現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。