特高压交直流混合电网无功优化控制

特高压交直流混合电网无功优化控制

梅芳1宋锋2

（1山东电力工程咨询院有限公司山东济南250013；

2国家电力投资集团山东能源发展有限公司山东济南250013）

摘要：本文主要针对某地区特高压交直流混合电网的特点，提出了电压在线监测､无功解算策略和实施策略｡特高压交直流电网中的无功优化控制是基于一种灵敏度分析和粒子群算法相结合的无功电压优化控制方法｡

关键词：特高压交直流；混合电网；无功优化控制

特高压输电系统具有输送距离远､容量大､损耗小等特点，对我国大规模可再生能源的送出及消纳具有重要作用.特高压交直流输电工程相继投入运行，电网的一体化特征不断加强，电压和频率稳定性问题日益突出，运行特性发生深刻变化.本文以特高压交直流输电系统为背景，对特高压交直流混合电网无功优化控制进行分析｡

1、优化控制模型

1.1基本思想

对于某地区特高压混合电网，电压运行受到的影响因素较多，各电压等级之间，运行方式与电压水平之间的无功相互作用较强，为保证系统的电压运行，需要进行在线的优化调节｡所以，选择有代表性的节点电压作为观测量，建立电压与无功补偿点之间的状态方程；根据电压与通过无功控制节点无功的不断调整，使系统电压水平得到优化｡由于无功和电压问题的稳态分析，在研究中，把直流系统等值为无功可调的负荷节点｡

1.2优化目标

某地区特高压电网中，特高压交流与直流并存，电气距离很近，相互之间影响很大｡就特高压交流电网而言，在1000kV层面，没有发电机，也没有其它的连续无功调节设备，仅依靠高抗进行无功平衡控制，本级及下一电压等级电网电压控制难度较大；就特高压直流系统而言，其消耗的无功随着有功功率的增加而增大，依靠换流站的电容器和滤波器进行无功补偿｡某地区特高压交直流混合电网的控制目标是使区域内一组关键节点的电压维持在设定值，在控制预先确定的一组关键节点的电压偏差最小的同时保证控制区域内有较多的无功储备｡

该优化控制模型的本质是对3个不同优先级的控制目标进行折中处理｡即通过引入级电压控制信号并进行控制，使控制区内节点电压维持在设定值；调控机组的无功功率输出，维持电压控制区域内有较多的无功储备｡同时，通过对不同电压等级电网的无功分层分区平衡进行控制，减少不同电压等级网络间的无功交换｡

控制变量分为两类，一类是可以连续调节的无功容量，考虑到特高压规划暂时还没有调相机和动态无功补偿装置，仅考虑500kV层面的发电机可调节无功容量；另一类变量是离散调节变量，按装置实际容量进行投切，包括1000kV和500kV电网高抗､低抗和低容｡在实际控制中，主要遵循以控制发电机无功功率为主，辅以其他控制设备，如果仅靠发电机不能起到很好的控制效果，则考虑对其它控制设备进行优化控制｡

2､机电—电磁暂态混合仿真的基本原理及其接口技术

电力系统机电暂态仿真以基波､单相和相量模拟技术为主要特征，在进行换流装置和FACTS等电力电子装置的快速暂态特性仿真方面不能满足仿真的精确性.电磁暂态仿真程序受模型､算法等多方面因素的限制，在进行仿真时要对电力系统进行等值简化，混合仿真的基本原理如图1所示｡

大电网机电—电磁暂态混合仿真，通常分为以下几个步骤:确定需要仿真分析的目标网架结构及其相关参数，根据实际情况搭建特高压交直流电网的机电暂态仿真模型，并进行潮流计算分析.根据潮流的计算分析结果以及目标网架的具体情况确定分网方案和接口，利用手工分网方法将目标网架合理划分出机电暂态子网和电磁暂态子网.搭建电磁暂态仿真模型，并添加机电暂态接口和电磁暂态接口，然后按步骤的潮流计算结果填写电磁暂态子网初始潮流分布.提交机电暂态子网和电磁暂态子网任务和作业，执行机电—电磁暂态混合仿真计算，并对计算结果进行输出｡

图1机电一体原理图

3､无功优化解算策略

上述无功优化问题的控制变量包含连续和离散两种，对于高抗和低容，在每个补偿点的数量极为有限，变量的空间维度在可控的范围内；对于发电机无功等连续变量，进行离散化处理，按10Mvar一档分为若干调节档位｡采用灵敏度分析和粒子群优化相结合的方法来进行求解｡先进行灵敏度分析，通过分析结果来确定可能的无功补偿点的位置；同时，通过灵敏度分析，确定发电机节点可能的补偿容量，在补偿容量附近，选择若干档位进行分析｡通过以上处理，大大减少了优化的变量空间，满足工程计算的需要｡粒子群优化算法的基本思想:PSO中每个优化问题的潜在解是搜索所在空间中的一个粒子，所有的粒子都会有一个对应的函数值来衡量每个粒子解的优越程度，每个粒子还会有一个对应的速度来决定自身飞翔的距离和方法，最终可以实现从全局域内搜索到最优解的目的｡

4､优化控制实施策略

进行优化控制的目的是使控制区域内控制节点的电压维持在设定值，此时的控制信号计算对包含多个观测节点的区域进行计算，在计算过程中考虑发电机对观测节点的控制作用｡所有观测节点和关键节点的电压遥测值通过控制中心进行搜集，此外控制中心还搜集有关参与电压控制的控制机组的母线电压和发电功率(包括有功和无功功率)，并将这些信息传递给多变量电压协调优化控制器｡为避免传统无功电压控制系统在进行控制过程中可能造成不良影响，控制信号直接对每台发电机的电压调节器进行控制｡某地区特高压电网的电压协调优化控制系统的典型运行模式是通过调整控制区域内所有控制机组的无功出力从而调节控制区域内所有观测节点电压维持在设定值｡通常每一次控制与下一次控制之间都有100s及以上的时间间隔｡控制系统必须考虑系统运行约束，同时对控制信号进行校验，防止出现不合理的控制命令｡电压协调优化控制系统的每一步的控制过程当中都考虑了网络约束｡

在实际使用中，这些约束主要包括:

1)运用电压协调优化系统改善系统，进行电压稳定性优化控制时，系统初始状态电压控制系统必须是稳定的｡这实际上是在电压控制过程中，对每一步所允许的附加信号变化施加了一定的约束｡

2)在进行优化控制时需考虑发电机励磁约束，根据实际运行确定发电机无功出力的上下限｡可实现减少无功不恰当生产和传输过程中产生的有功损耗，同时维持系统中有较多的无功储备｡为避免转子过热，需对励磁电流进行控制，过大的励磁电流将会引发发电机组过励磁保护动作｡因此，在进行控制过程中需考虑发电机励磁约束，将其工作点限制在一定的范围内｡3)在实际运行过程中考虑发电机端电压运行约束，发电机端电压需控制在规定的范围内，通常允许有10%的机端电压变化｡该优化控制策略还在理论研究阶段，并没有实际应用｡

结束语

主要针对某地区特高压交直流混合电网的特点，提出了电压在线监测､无功解算策略和实施策略｡特高压交直流电网中的无功优化控制是基于一种灵敏度分析和粒子群算法相结合的无功电压优化控制方法｡

参考文献

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