黑啟動(dòng)過程中的負(fù)荷恢復(fù)與系統(tǒng)并網(wǎng)問題研究

黑啟動(dòng)過程中的負(fù)荷恢復(fù)與系統(tǒng)并網(wǎng)問題研究

0并網(wǎng)安全生產(chǎn)目標(biāo)函數(shù)在黑色啟動(dòng)過程中，主干網(wǎng)架的主電源逐漸開始充電，主電源的后端進(jìn)入系統(tǒng)恢復(fù)的最后一步，即全面、快速恢復(fù)負(fù)荷，并逐漸合并每個(gè)子系統(tǒng)。在這一階段的初期,主要目標(biāo)是盡快地恢復(fù)盡可能多的負(fù)荷,約束條件主要包括電壓、線路、變壓器的熱穩(wěn)定,以及系統(tǒng)頻率。這是一個(gè)求解最大可恢復(fù)負(fù)荷的過程,同時(shí)還需要解決恢復(fù)過程中的頻率模擬問題。另外,在這一階段,還需要研究如何快速、有效地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)有功、無功出力來縮小各子系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)的電壓幅值和相角差,以達(dá)到安全并網(wǎng)的目的。文獻(xiàn)[1-3]指出了如何防止大停電事故和恢復(fù)控制技術(shù)是控制中心系統(tǒng)功能發(fā)展的重要研究內(nèi)容;文獻(xiàn)[4]則結(jié)合實(shí)際論述了保證調(diào)度擁有足夠的事故處理能力對(duì)于上海電網(wǎng)的安全生產(chǎn)的重要性。關(guān)于黑啟動(dòng)方面的研究,目前國內(nèi)外已取得了顯著進(jìn)展。如文獻(xiàn)[5-12]則分別從理論和實(shí)踐方面對(duì)黑啟動(dòng)做了較全面地研究,但是系統(tǒng)地研究主網(wǎng)架建立之后的負(fù)荷恢復(fù)與并網(wǎng)控制方面的工作還較少,本文將對(duì)這一階段的問題進(jìn)行分析。與發(fā)電機(jī)的輸出功率可以連續(xù)調(diào)節(jié)不同,負(fù)荷的增加一般是離散的,希望在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變的情況下,系統(tǒng)能恢復(fù)最多的負(fù)荷,并滿足所有的約束。負(fù)荷恢復(fù)問題的目標(biāo)函數(shù)可以寫成其中:l在對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)過程的研究中,式(4)的分析是難點(diǎn)所在。從系統(tǒng)安全的角度出發(fā),在恢復(fù)負(fù)荷之后若再發(fā)生N-1開斷,潮流應(yīng)仍運(yùn)行在可行域A1熱穩(wěn)定和n-1安全問題的求解步驟在恢復(fù)負(fù)荷的過程中,需要保證電網(wǎng)運(yùn)行在熱穩(wěn)定極限和電壓限值內(nèi),另外考慮到恢復(fù)過程的不確定性因素,還需要保證待恢復(fù)電網(wǎng)的N-1安全,即N-1后的系統(tǒng)潮流仍是可求的。由于負(fù)荷的恢復(fù)是一個(gè)離散量,而且每次并不能精確地預(yù)知恢復(fù)負(fù)荷量,因此每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)恢復(fù)的仿真過程實(shí)際上可以定義成2步:第一步是確定在靜態(tài)安全穩(wěn)定約束下能否恢復(fù)該點(diǎn)的負(fù)荷,若能則最大限度地恢復(fù);第二步是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)和切除部分負(fù)荷,保證電網(wǎng)運(yùn)行在熱穩(wěn)定極限和電壓限值內(nèi),同時(shí)還要保證N-1的安全。第一步我們可以采用連續(xù)潮流法計(jì)算得到待恢復(fù)負(fù)荷點(diǎn)的最大可承受負(fù)荷量,但是這時(shí)只能保證基態(tài)的潮流有解,并不能保證不發(fā)生熱穩(wěn)定和N-1安全問題。所以,第二步就要在第一步計(jì)算的基礎(chǔ)上,確保電網(wǎng)不發(fā)生熱穩(wěn)定和N-1安全問題。本文重點(diǎn)研究的是第二步的問題,該問題的模型可以寫成如下形式其中:u是控制變量包括發(fā)電機(jī)出力調(diào)節(jié)、電容器、切負(fù)荷量;c(u)是控制代價(jià);式(6)為熱穩(wěn)定約束和電壓約束;式(7)為控制變量上、下限約束;式(8)為潮流約束方程;式(9)為控制變量在N-1潮流可行域內(nèi)。式(5)~(9)可以分解成2個(gè)子問題求解,其目的首先是要恢復(fù)潮流有解,然后再消除系統(tǒng)越界。首先判斷N-1后潮流解是否可行,若不可行則需要確定N-1后的系統(tǒng)潮流的可行域A然后消除基態(tài)的熱穩(wěn)定越界。可以通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的靈敏度和線性規(guī)劃算法來計(jì)算消除越界需要的控制策略。2潮流不收斂的約束并不合理本文采用基于直角坐標(biāo)的加權(quán)最優(yōu)乘子牛頓潮流法進(jìn)行分析。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)的牛頓-拉夫遜法求解潮流方程時(shí),在正常情況下,潮流迭代將迅速收斂;但在重負(fù)荷或方程病態(tài)時(shí),潮流不易收斂甚至發(fā)散。最優(yōu)乘子牛頓潮流法在求出狀態(tài)變量的修正量時(shí),利用一個(gè)乘子λ來限制修正量的大小,乘子λ的取值應(yīng)使不匹配函數(shù)D(x)取值最小其中:f(x)為潮流約束方程組;S為節(jié)點(diǎn)功率注入矢量。采用最優(yōu)乘子牛頓潮流法在每一步迭代計(jì)算中,最優(yōu)乘子λ以minD(x)為目標(biāo)進(jìn)行選擇。minD(x)=0時(shí),表示潮流收斂。當(dāng)潮流不收斂,D(x)接近最小時(shí),可得到系統(tǒng)的一個(gè)最好的可能解x值得注意的是,這里得到的D(x為最短Euclidean距離。S其中:x但是潮流可行域邊界往往不是超平面,所以式(13)求得的S前面導(dǎo)出的離可行域邊界的距離是基于所有潮流方程的權(quán)重相同,通過最小二乘估計(jì)得到的。但實(shí)際上這些潮流約束方程是有功平衡、無功平衡和電壓平衡的組合,調(diào)整這些量的代價(jià)是不一樣的,所以需要引入不同的權(quán)重系數(shù)。則式(10)化為其中W是權(quán)重系數(shù)對(duì)角陣。有了距離D后,我們就可以定義控制變量u關(guān)于D的靈敏度其中(f(x如果N-1分析發(fā)現(xiàn)存在m個(gè)潮流無可行解的情況,就需要對(duì)求得的控制方案進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化,協(xié)調(diào)優(yōu)化的線性規(guī)劃模型為其中:?u3穩(wěn)態(tài)物理響應(yīng)系統(tǒng)消除了N-1不可行的所有情況后,可能還存在熱穩(wěn)定與電壓越界的情況,本文采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)靈敏度和線性規(guī)劃法對(duì)該問題進(jìn)行求解。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)靈敏度區(qū)別于一般靈敏度在于考慮了電力系統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物理響應(yīng)。所謂準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物理響應(yīng)是指系統(tǒng)在受操作和擾動(dòng)后,不計(jì)系統(tǒng)暫態(tài)過程,但計(jì)及系統(tǒng)擾動(dòng)前后新舊穩(wěn)態(tài)間的總變化。詳細(xì)的公式可以參閱文獻(xiàn)[16]。熱穩(wěn)定越界與電壓越界主要是指支路電流I假設(shè)有L條線路過載,K條母線電壓越限,則控制代價(jià)最小的目標(biāo)模型為其中:?u對(duì)于潮流不可行和熱穩(wěn)定破壞的控制問題,本文采用了靈敏度技術(shù)建模。靈敏度技術(shù)是當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)的線性化結(jié)果,所以在實(shí)際控制中存在誤差。為提高控制的精度,本文采用連續(xù)線性規(guī)劃算法對(duì)這2個(gè)問題進(jìn)行求解,使得每次的優(yōu)化調(diào)節(jié)量控制在一定范圍內(nèi)以確保每步迭代的精度。4動(dòng)態(tài)潮流的計(jì)算保證頻率穩(wěn)定性是負(fù)荷恢復(fù)過程中很重要的約束。電網(wǎng)操作引起功率不平衡,產(chǎn)生凈加速功率P引入慣性中心的概念,認(rèn)為全系統(tǒng)的頻率唯一。每5s計(jì)算一次動(dòng)態(tài)潮流,每0.02s進(jìn)行一次頻率積分。如圖1所示,動(dòng)態(tài)潮流采用的模型由動(dòng)態(tài)單元和網(wǎng)絡(luò)單元2部分構(gòu)成。動(dòng)態(tài)單元包括發(fā)電機(jī)和負(fù)荷模型,采用改進(jìn)歐拉法可以進(jìn)行系統(tǒng)頻率計(jì)算。其中發(fā)電機(jī)模型考慮了轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和發(fā)電機(jī)的一次調(diào)節(jié)特性;負(fù)荷模型則考慮了有功頻率調(diào)節(jié)效益系數(shù)和電壓靜態(tài)特性。動(dòng)態(tài)單元通過積分計(jì)算出各發(fā)電機(jī)注入電網(wǎng)的有功功率P5計(jì)算5.1+j210本文采用IEEE57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了潮流無解恢復(fù)控制研究并對(duì)某省級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)的頻率模擬和并網(wǎng)分析,驗(yàn)證本文算法的有效性。為構(gòu)造潮流無解的方程式,本文把IEEE57節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的8號(hào)節(jié)點(diǎn)的發(fā)電機(jī)有功出力從450MW漲到650MW,9號(hào)節(jié)點(diǎn)的發(fā)電機(jī)有功出力從0MW漲到200MW,同時(shí)把53號(hào)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷從20+j10調(diào)整到220+j210,把54號(hào)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷從4.1+j1.4調(diào)整到204.1+j201.4,此時(shí)潮流不可行。通過7步迭代得到了成本最小的控制策略,如表1所示。其中,初始的潮流不匹配量為3.858pu,總控制成本為61.45。本文采用的控制變量有發(fā)電機(jī)有功出力、機(jī)端電壓(發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)都設(shè)為PV節(jié)點(diǎn))和負(fù)荷的有功、無功功率。其中卸負(fù)荷控制采用等功率因數(shù)的方式,也就是負(fù)荷的有功、無功功率采取同比減載的算法。算例系統(tǒng)中的控制參數(shù)如表2所示。圖2為IEEE57系統(tǒng)每步迭代中的不匹配量,控制算法通過5步的迭代控制使得潮流恢復(fù)到可行。每步迭代后,潮流不匹配量單調(diào)遞減。圖3給出了各步迭代中靈敏度向量與初始靈敏度向量的交角變化趨勢(shì),從圖中可以看出,每步迭代的靈敏度向量的方向是不斷變化的,并與初始的靈敏度向量方向的交角不斷增大,最后近34o。這說明,采用靈敏度控制算法需要采用連續(xù)線性規(guī)劃算法,每步調(diào)整量不能太大,需要保持在一定限值內(nèi)才能保證結(jié)果的精度;另一方面,每步的靈敏度向量與初始的靈敏度向量交角始終保持小于90o,這說明各步的調(diào)整方向基本保持一致,因而采用靈敏度方法可以保證系統(tǒng)良好的收斂性。5.2頻率仿真過程本文以某省級(jí)電網(wǎng)2條聯(lián)絡(luò)線同時(shí)跳閘、系統(tǒng)發(fā)生解列為例。其中一個(gè)孤立小系統(tǒng)的頻率快速下降而引起崩潰,有2臺(tái)容量均為160MVA的機(jī)組成功實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng),對(duì)該小系統(tǒng)的3個(gè)重要負(fù)荷的恢復(fù)進(jìn)行頻率仿真?；緟?shù)如表3所示。為提高仿真的逼真性,本文在程序中加了分布區(qū)間為(-2MW,2MW)的隨機(jī)白噪聲負(fù)荷擾動(dòng)。頻率仿真過程如圖4所示,系統(tǒng)黑啟動(dòng)后,逐步增加出力,系統(tǒng)頻率達(dá)到50.77Hz,然后著手恢復(fù)重要負(fù)荷。合上景大線,它的負(fù)荷約為12.01MW;然后合上景德線,它的負(fù)荷約為11MW;最后,合上景黃線,它的負(fù)荷約為16MW。系統(tǒng)的頻率變化過程如圖4所示。由圖4可知,利用本文的方法,可以很好地模擬負(fù)荷恢復(fù)過程的頻率變化,從而可以用于制定負(fù)荷恢復(fù)的方案。5.3調(diào)節(jié)并網(wǎng)靈敏度本文采用發(fā)電機(jī)有功出力對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓相角度的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)靈敏度某省級(jí)電網(wǎng)在分區(qū)恢復(fù)中最后形成2部分:一部分為主網(wǎng)架系統(tǒng);另一部分為含有3臺(tái)已啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)(新余5號(hào)機(jī),萍鄉(xiāng)4號(hào)機(jī),萍鄉(xiāng)5號(hào)機(jī))的區(qū)域網(wǎng)架。其中主網(wǎng)系統(tǒng)總發(fā)電為3184.8MW,負(fù)荷為3124.8MW;區(qū)域系統(tǒng)總發(fā)電為474.5MW,負(fù)荷為472.2MW。如圖5所示,系統(tǒng)總共存在4個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)。其中1號(hào)和2號(hào)并網(wǎng)點(diǎn)的主系統(tǒng)側(cè)是500kV變電站,3號(hào)和4號(hào)并網(wǎng)點(diǎn)的主系統(tǒng)側(cè)為220kV變電站,因此應(yīng)優(yōu)先選擇1號(hào)和2號(hào)并網(wǎng)點(diǎn)。1號(hào)并網(wǎng)點(diǎn)的兩側(cè)電壓差為4.62kV,2號(hào)并網(wǎng)點(diǎn)的兩側(cè)電壓差為4.08kV,因此選擇2號(hào)并網(wǎng)點(diǎn)為最終并網(wǎng)點(diǎn)。本文采用最大調(diào)節(jié)步長為0.2kV,控制過程如表4所示,其中主網(wǎng)側(cè)為羅坊變220II母線,區(qū)域側(cè)為白沙變220II母線,初始?jí)翰顬?.08kV。通過2次調(diào)節(jié)新余5號(hào)機(jī)的機(jī)端電壓共0.33kV(第1次0.2kV,第2次0.13kV),使得合并點(diǎn)的壓差縮小了0.04kV,達(dá)到了并網(wǎng)要求。第一次調(diào)整前后的機(jī)端電壓對(duì)被控母線的電壓靈敏度如表5所示,由于系統(tǒng)狀態(tài)變化不大,所以各靈敏度系統(tǒng)變化也不大。算例表明,本文方法可以有效求解并網(wǎng)點(diǎn)的壓差控制問題。6負(fù)荷增長的連續(xù)、事先難以確定負(fù)荷恢復(fù)是一個(gè)多階段的過程,每個(gè)階段所能