基于PI调节器的电力系统二级电压控制动态仿真
2018-05-18赖旬阳吕旭军叶小晖刘宏伟
赖旬阳,吕旭军,郑 彧,叶小晖,刘宏伟
(1.国网浙江德清县供电有限公司,浙江 德清 313200;2.中国电力科学研究院,北京 100192;3.华北电力大学 电气与电子工程学院,北京 102206)
0 引言
电力系统无功的调节对减小系统有功损耗,维持电压稳定有重要作用。相较于发展成熟的基于AGC(自动发电控制)的有功频率调节[1],针对无功电压调节的AVC(自动电压控制)存在诸多困难,如:需要电压调节的节点数目众多;无功调节设备特性各异且分布广泛;控制理论上属于离散-连续混合控制范畴,在混杂系统的稳定性研究方面需要构造的多Lyapounov函数缺乏一般性的方法,在混杂系统最优控制方面常转化为混合二次规划问题,其求解方法尚不成熟等[2]。近些年来,随着电网规模增大,电压等级的提升,针对因无功产生的系统电压稳定性问题逐渐受到广泛关注[3]。因此对AVC系统的仿真建模,在研究其电压调节机理,制定电压控制策略,改善电压质量,提高电力系统稳定性方面具有重大意义。考虑到电压稳定过程较长、时间尺度较大,传统的机电暂态模型和仿真算法难以满足要求。在此借助中国电科院PSD-FDS平台建立二级电压控制中长期仿真模型,模拟二级电压控制调节过程。
常见的AVC控制系统主要有以下几类:
(1)EDF(法国电力公司)于 1972年提出的三层电压控制策略,将电网的电压控制分为一级、二级、三级电压控制,在控制间隔上分别为秒级、分钟级、小时级,实现无功调节的时间上解耦;在实现方法方面,提出了以选取先导节点、划分控制区域为核心的思路实现无功调节在空间上的解耦;20世纪80年代,EDF公司就区域内发电机无功出力的协调问题,提出CSVC(二级电压控制)并投入运行。该策略后来被广泛应用于法国、西班牙、意大利电力系统中。
(2)德国RWE电力公司采用两层电压控制系统,将OPF(最优潮流)无功优化结果直接发送至各厂站,依靠一级电压控制取得良好效果。
(3)20世纪末中国开始展开AVC的研究,在法国三层电压控制的基础上结合中国电网的特点提出了基于EMS(能量管理系统)、SCADA(数据采集与监视控制系统)、RTU(远程终端单元)的“软分区”三层电压控制,该方案于2003年首次在江苏电网运行成功,并在全国逐步推广。近些年来东南亚、非洲等地区也展开了AVC的研究,多以三层电压控制为主。
根据AVC系统的发展状况和研究现状,考虑到参与AVC调节的无功设备众多、控制理论复杂,此处主要针对由发电机参与的AVC无功调节建模。忽略诸如调节变压器变比、投入电容器等措施所涉及到的离散变量控制问题。对三层电压控制的核心——二级电压控制,提出基于PI调节器的二级电压控制基本框架,分别对发电机、发电机励磁系统、过磁限制、负荷特性建模,并根据无功裕度最大原则计算发电机参与因子,协调发电机无功出力,最后采用算例验证了模型的有效性。
1 三层电压控制的基本原理
三层自动电压控制,目前得到广泛应用,见图1。该系统大体上可分为主站、子站两部分。
主站包括三级电压控制和网侧二级电压控制环节,主站SCADA系统接收RTU上传的电网监测数据,通过EMS系统对全网的无功分布情况进行在线动态优化,并将优化结果以先导节点电压Vpref的形式,通过SCADA系统下发至二级电压控制端,该过程的执行周期约30 min左右。先导节点电压偏差信号经网侧NPI(比例积分调节器)、协调无功控制环节输出厂站无功控制信号。
AVC子站通过RTU获取厂站无功调节信息,RTU发送指令作用于二级电压控制的发电机侧GPI(比例-积分调节器)以及变电站的VQC(电压无功控制)系统(不考虑变电站的无功调节过程),GPI输出折合在机励磁系统侧的电压偏差量,由属于一级电压控制的AVR(自动电压调节器)改变发电机励磁电流,促使发电机无功出力跟随指令变化,完成整个调节过程。
图1 三级电压控制原理
2 二级电压控制仿真模型
自动电压控制作为电力系统无功电压调节的主要措施,对电压支撑,维持故障情景下电力系统电压稳定性有重大意义。鉴于二级电压控制在AVC系统承前启后的作用,在重点对二级电压控制建模的同时,分别对三级电压控制进行模拟,给出了一级电压控制发电机励磁的简单模型。
2.1 三级电压控制模拟
在AVC系统中,三级电压控制通过EMS在线无功优化,下发先导节点电压预设指令。为了在控制层面上真实模拟三级电压控制过程,推荐参考同时间段在线电压数据,编制未来24 h的先导节点电压数据,以拟合的电压曲线作为二级电压控制的输入,如图2所示。
图2 三级电压控制下发的电压曲线
2.2 二级电压控制框图
2.3 二级电压控制先导节点的选取、区域划分
二级电压控制的突出特点在于:以控制先导节点电压水平替代对系统每个节点电压的控制,以区域划分的思路实现无功控制在空间上的解耦,从而使无功控制问题得以简化。因此对先导节点的选取,区域的划分,对电压无功控制效果有重大影响。
先导节点的选择多从定义出发,即存在一个先导节点集合,通过调节无功使该集合中先导节点电压维持定值,而其他负荷节点电压偏差最小,最终归结为优化问题[4-5],在计算方法上有启发式算法,进化优化算法[6-7]。区域划分主要有基于电气距离的聚类算法[8]、FCM(模糊聚类算法)和偶图分析法[9-11]。
图3 基于PI调节器的二级电压控制示意
2.4 协调二级电压控制建模
位于主站的网侧二级电压控制器NPI给出了区域内发电机无功调节总量,协调各个发电机无功出力的关键在于选取合适的发电机参与因子。
考虑到不同机组参数不同、运行特性各异,因此发出无功的能力差别很大。同时无功分配时必须满足发电机定子电流约束、转子电流约束、端电压约束以及对稳定裕度的要求。常见的发电机间无功优化分配方法有按容量成比例原则、等功率因数原则、等微增率法和无功裕度最大原则[12]。
发电机无功约束:
区域内发电机无功储备总量在发电机正常运行时:
采用按无功最大原则,协调区域内发电机无功出力,当无功改变量ΔQref>0时,发电机的参与因子为:
当无功改变量ΔQref<0时,发电机的参与因子为:
2.5 一级电压控制建模
由于电压问题涉及的动态过程较长,因此一级电压控制建模不仅要对发电机、励磁系统建模,还需要考虑发电机过磁限制,负荷特性等问题。
子站二级电压控制器GPI输出电压控制信号VERR与发电机机端电压测量值叠加,作为励磁系统输入,该励磁系统模型包括自动电压调节器AVR等值超前滞后环节,综合放大环节,并考虑了励磁机的饱和系数SE,自励磁系数KE,时间常数TE,并采用励磁电压EFD软反馈改善整个励磁调节系统的动态特性[13-15],如图4所示,其中TB与TC为励磁调节器的固有等值时间常数,TA与KA为综合放大环节的时间常数和增益,VF为励磁电压反馈环节的输出,VR为直流励磁机的励磁电压。
图4 直流励磁机励磁系统模型
发电机采用3阶模型,为简化模型只对负荷进行静态建模,不考虑负荷的动态特性如电动机负荷,过励限制采用等效发热反时限特点建模[15]。
3 New England 10机39节点案例仿真
3.1 案例一仿真情景
下面采用IEEE标准39节点案例,在中国电力科学研究院开发的PSD-FDS程序基础上建立基于PI调节器的二级电压控制模型。借鉴FCM(模糊聚类)法将系统划分为以下3个区域[9]:
区域一:{1,2,3,9,18,17,25,26,27,28,29, 30, 39, 37, 38}.
区域二:{4,5,6,7,8,10,11,12,13,14,31,32}.
区域三:{15,16,19,20,21,22,23,24,33,34, 35, 36}.
先导节点:{26,7,15}.
为了验证模型的有效性,现分别对以下情景进行仿真模拟。
Case1:区域三内节点21无功负荷增加。
Case2:区域一内发电机30在t=40 s时无故障退出运行。
3.2 案例一仿真结果
Case1的仿真结果如图5所示,节点21无功负荷增加,区域内节点电压均有不同程度降低,采用AVC无功调节后,电压质量明显改善。
图5 节点21增加无功负荷AVC调节前后区域内电压质量对比
值得注意的是节点21无功负荷增加结束(t=300 s),一段时间(t=1 000 s)后出现电压跌落(见图6),30号发电机出现过励,在励磁限制作用下迫使发电机励磁电流减小(见图7)。
图6 节点21无功负荷增加AVC调节前后电压质量对比
Case2仿真结果如图8所示,发电机GEN30无故障切机后,经AVC调节,区域一内电压普遍提升。
3.3 案例二仿真
案例二采用西北电网数据,验证基于PI调节器的AVC模型对实际大规模系统的适用性[16]。该网络包含1万多个节点,发电机节点近千个,针对陕西区域内的无功电压现象进行模拟。模拟情景为:陕西区域内无功负荷在15 s内增长10%,根据实际网架结构选取363 kV陕北郊母线为先导节点,陕渭河,陕宝二,陕蒲城等23台机组参与AVC的调节。图9—12为仿真结果。
图7 节点21无功负荷增加AVC发电机31励磁电流调节前后对比
图8 发电机GEN30切机AVC调节前后区域内电压质量对比
图9 先导节点电压控制效果
(1)先导节点电压控制效果。
如图9所示,图例V0p为无AVC参与,仅依靠发电机AVR调节发电机端电压,增加无功出力的效果,类似于AVG的一次调频,此处可称之为AVC的一次调压结果;Vpref为先导节点电压给定值,VAP为二次调压结果。可见经过二次调压,先导节点电压可在负荷扰动结束时刻17 s后达到给定值,动作迅速。
(2)负荷节点电压控制效果。
选取区域内3个有代表性的负荷节点,分析AVC的调节效果,图11为负荷节点无功功率变化情况,对应图10可见,若仅有一级电压控制动作,节点电压随着无功负荷的增加而减少,当采用二级电压控制后,区域内电压水平明显提高。
图10 负荷节点电压
(3)发电机无功出力协调控制。
二级电压控制对一级电压控制具有协调作用,如图12所示,发电机2的无功初始值为128 Mvar,最大无功出力为185.9 Mvar,二级电压控制SVC调节前后无功功率分别为135 Mvar与153 Mvar;发电机1的无功初始值为121 Mvar,最大无功出力为319.6 Mvar,二级电压控制SVC调节前后无功功率分别为5 Mvar与224 Mvar。通过设定发电机的参与因子,可使无功储备较大的机组多出力,无功储备小的机组限制出力。
综上,根据仿真结果得出以下结论:
(1)AVC具有提升电压功能。当系统受到扰动时,基于PI调节器的二级电压控制,通过对先导节点的无差调节,区域内所有节点电压质量均得到改善。
(2)AVC对发电机无功出力的协调作用。案例一中的Case1,负荷无功增加时,发电机GEN31过励。通过AVC协调控制,计算协调因子使无功出力在区域内发电机组间合理分配,降低了发电机运行的潜在风险。
4 结语
基于三层电压控制的基本框架,提出了基于PI的二级电压控制建模方法。采用NPI,GPI和协调控制模块实现先导节点无差调节、发电机无功出力协调控制。将AVC的PI调节器控制分为两部分,即NPI和GPI。借鉴AGC中的关键中间控制变量ACE,提出AVC的关键控制变量,按照发电机无功裕度最大原则计算发电机参与因子,最后分别用新英格兰10机39节点算例和西北电网实际算例从电压调节、发电机无功出力两个方面验证了模型的有效性,对改善电压质量,协调发电机无功出力发挥作用。
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