电力系统最佳稳态及最优潮流分析研究

杨泽鸿

摘 要：在电力系统的各种优化任务中，具有不同的优化算法，其算法解决不同的电力系统优化问题。本文通过引入准确的故障应急约束，扩展了问题的表达式和求解方案，给出了系统最优稳态安全运行点以及介绍最优统一潮流控制器，有力解决电力系统最优配置问题，改善电力系统的运行状况。通过列举不同的稳态控制方法，分析电力系统的最佳稳态及最优潮流，有效地解决多目标无功控制问题，特别是对于大型电力系统，在较大的pc网络中并行分配可以進一步减少计算时间。此外，还可以引入一种混合进化的优化算法，确定经验参数的最优值。

关键词：电力系统;最佳稳态;最优潮流;经验参数

随着社会生活水平不断发展，能源需求不断扩张。人们对气候变化和化石资源枯竭的广泛关注，电力系统的供电来源也逐渐发展，风能发电、核能发电、以及太阳能发电得到迅速发展成为电力系统的主要支柱。随着不同发电源对电力系统做出的重大贡献，就需要评估分析不同的发电源对电力系统电压稳定性的影响。本文通过介绍电力系统的不同控制方法，分析电力系统最佳稳态以及最优潮流。通过研究不同的大型发电场规划时的稳态电力系统问题，对特定网络进行研究，提出确定规划最佳稳态的方法，配置感应发电机和无功补偿内部和外部电网的损失以及利用多梅尔-丁尼方法计算电力系统最优潮流，这种方法已被证明是非常强大和通用的[1]。通过引入准确的故障应急约束，扩展了问题的表达式和求解方案，给出了系统最优稳态安全运行点[2]。

一、电力系统的稳态模型分析

不同发电来源具有相对独立的电力系统，在众多能源中，天然气是另一种环保能源，可容纳间歇性的可再生能源。首先，在没有水电的情况下，天然气发电（GPG）在调峰过程中发挥了关键作用，因为它可以对供求的变化做出快速反应。因此，天然气网络在为不断增长的间歇性可再生能源提供后备供应方面变得越来越重要[3]。它利用多余的风力或其他可再生能源生产天然气燃料，储存在现有的天然气网络中，然后在需要时通过GPG将储存的能量注入电力系统。因此，电力系统和天然气网的耦合和相互依存日益加深。通过气体流动方程、压缩功率计算和节点质量平衡，建立了天然气系统的稳态模型，燃气、电网多时段联合优化模型，该模型考虑了燃气流量的变化特性和网络保障设施，用于识别能源集成系统的最优协同扩容方案。可靠性是综合能源系统的另一个重要问题。它的目的是分析在异常情况下，如故障从一个系统传播到另一个系统的相互依赖性。对电力系统的静态稳定性进行了分析。基于一个模型组成的经典摆动方程表征发电机和常数导纳，PV总线和/或PQ总线负载表示，通常，导致一个半显式（或约束）微分方程系统。给出了静态稳定性的精确定义，并利用静态分岔理论的基本概念表明，静态稳定性的确包括传统的稳态稳定性和电压崩溃的概念，但它为严格的分析提供了基础。利用李雅普诺夫-施密特约简和泰勒级数展开得到的约简分岔方程，分析了潮流方程的静态分岔问题。这些程序是用符号计算（MASYMA）实现的。结果表明，潮流方程的静态分岔与发散型失稳或因果关系的丧失有关。因果关系问题被发现是理解电压崩溃的一个重要因素，并在组织全球电力系统动力学时，负载不是恒定导纳存在的中心作用。

二、电力系统的稳态模型意义

不断增加的输电网负荷和负荷需求的稳定增长已经推动许多电力系统越来越接近其稳定极限。电力系统的长期稳定运行对电力系统的安全运行越来越重要。然而，长期稳定模型较大，涉及不同的时间尺度。长期稳定模型的时域模拟方法在计算量和数据处理方面是昂贵的。在在线稳定性评估中，这些约束甚至更加严格。通过提出的准稳态模型（QSS）试图在长期稳定性分析的精度和效率之间达成一个很好的折衷。QSS模型所假设的故障后系统是稳定的，长期稳定模型是无奇点的，这并不一定是正确的。已经有一些努力致力于解决这些问题。然而，另一个关键问题却没有得到足够的重视，即使满足了这些假设，QSS模型仍可能为长期稳定模型提供不正确的近似。给出了一些QSS模型稳定而长期稳定模型存在长期不稳定的反例。由于QSS模型不能一致地为长期稳定模型提供正确的稳定性分析，因此非常需要确定QSS模型工作的条件。本文提出了QSS模型能够为长期稳定模型提供正确逼近的充分条件。简单来说，如果长期稳定模型和工作频率模型满足一个奇点，然后长期稳定的工作频率模型提供了正确的近似模型的轨迹，如果工作频率模型沿着稳定移动组件的约束歧管和每个点的投影轨迹的稳定区域内的长期稳定模型是相应的暂态稳定模型。此外，如果QSS模型收敛于长期稳定平衡点（SEP），则长期稳定模型将收敛于同一点。通过导出的分析结果分析了QSS模型成功或失败的几个数值例子。

三、电力系统的潮流分析

含光伏发电系统的电网潮流分析是研究大型光伏电站并入电网稳态特性的基础。一般来说，PV系统是由电力电子转换器耦合的。因此，稳态建模可以基于光伏阵列特性和电力电子变换原理。在给定气象参数、光伏系统参数和电网参数的条件下，该模型可以模拟光伏系统的稳态运行。采用交替迭代法求解模型和潮流方程的统一解。与实际PV站进行比较，分析结果表明，中午时段的模拟误差很小，早晚时段的模拟误差较大。此外，气象参数和电网参数的变化也会影响系统的运行，但辐照度较大，而电网电压的变化对系统的运行影响不大。该潮流分析在IEEE 30总线系统上得到验证，光伏电站不仅可以作为PQ节点，而且可以作为支持电压分布的无功功率的PV节点。研究发现，过去人们在UPFC潮流分析建模方面做了很多工作。UPFC的目标是补偿单线输电系统，而IPFC的目标是多线输电系统的补偿和潮流管理。

四、总结

本文通过讨论包括能量传输和转换在内的联合经济调度和最优潮流问题。推导了多能量载体优化调度的一般最优条件，并与电力系统的稳态模型方法进行了比较，优化运行需要考虑跨时间的联系以及网络潮流的影响。网络效应包括在最优潮流（OPF）的解决方案，但这只优化了一个单一的时间点。动态最优潮流（DOPF）是对最优潮流（OPF）的扩展，可以覆盖多个时段。通过分析电力系统的最佳稳态以及最优潮流，给出了系统最优稳态安全运行点以及介绍最优统一潮流控制器，有力解决电力系统最优配置问题，改善电力系统的运行状况。

参考文献

[1]Alsac，O.，and Brian Stott."Optimal load flow with steady-state security.IEEE transactions on power apparatus and systems3（1974）：745-751.

[2]Pang，Chok K.，Antti J.Koivo，and Ahmed H.El-Abiad.Application of pattern recognition to steady-state security evaluation in a power system.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics 6（1973）：622-631.

[3]Shahidehpour，M.O.H.A.M.M.A.D.，Yong Fu，and Thomas Wiedman.Impact of natural gas infrastructure on electric power systems.Proceedings of the IEEE 93.5（2005）：1042-1056.