考虑暂态过电压抑制的新能源送出型电网无功优化方法

2023-12-29李文竹寇汉鹏

电瓷避雷器 2023年6期

李文竹,寇汉鹏

(国网内蒙古东部电力有限公司呼伦贝尔供电公司,内蒙古呼伦贝尔 021000)

0 引言

清洁高效的能源供给体系建设是我国实现能源结构转型和促进新型电力系统发展的关键环节,是解决能源危机和环境问题的有效手段[1-3]。截止2021年底,我国风电装机总容量达到了3.28亿千瓦,但由于风能资源分布不均特性,使风电并网集中在华北、西北等区域,其中,华北地区风电装机8 819万千瓦,占比26.9%,西北风电装机7 505万千瓦,占比22.8%,另外随着大容量特高压直流输电技术的发展,利用跨区直流通道外送电力成为促进集中接入新能源跨区域消纳,实现广域源荷电量平衡的有效手段[4-5]。但新能源送出型电网容易受到直流暂态故障影响,暂态过电压问题越来越突出,对线路输电能力和换流站近区电网稳定性产生了严重影响,研究新能源送出型电网暂态过电压抑制策略具有重要意义。

针对暂态过电压抑制问题,国内外大学和研究机构开展了广泛研究。文献[6]针对直流故障引起的暂态过电压问题,建立了暂态过电压风险模型,实现了暂态过电压复杂问题的机理解析表达,能够对暂态过电压过程进行定量描述。文献[7]针对换相失败引起的暂态过电压问题,提出暂态过电压无功功率控制方法,降低故障期间直流系统无功交换,从而实现暂态过电压的抑制。文献[8]为分析雷击暂态过电压分布规律,采用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件对暂态过电压过程进行量化,可提高模型的计算精度。文献[9]对多重雷击暂态过电压机理进行了分析与建模,为暂态过电压抑制的防雷设计奠定了基础。文献[10]针对新能源外送基地由于直流故障引起的暂态过电压问题,提出了基于能量同步转换技术的暂态过电压抑制方法,能够解决新能源脱网问题,提高直流送端电网的稳定性。文献[11]分析了制约新能源送端电网送出能力的制约因素,针对暂态过电压和稳态低电压问题,提出了调相机的分布式配置方法,能够有效抑制暂态过电压问题,并且能够指导新能源送端电网规划,提升新能源送出能力。文献[12]对特高压直流受端换相失败引起的暂态过电压过程机理进行分析,分别建立了多类型风电机组的暂态无功电压响应模型。文献[13]进一步提出了暂态无功控制策略,有效提升了风电机组暂态过电压抑制能力。文献[14]分析了输电杆塔与接地系统的暂态过电压机理,采用电感效应与火花效应的暂态分析方法,能够有效提升输电杆塔模型的建模精度,能够有效对暂态过电压进行判断。文献[15]针对直流近区因直流单极闭锁故障引起的暂态过电压问题,提出了基于调相机协调的暂态过电压直流控制策略,结果表明能够有效阻断暂态过电压的传递,提升新能源并网稳定性。文献[16]针对雷击引起的高压直流输电线路过电压问题,研究了瞬时过电压和反击闪络显现的机理,能够有效评估雷电流峰值和接地电阻对屏蔽失效闪络的变化影响。文献[17]为分析风电暂态过电压机理,建立了风电等值电路和参数计算模型,能够提高过电压的辨识精度和准确性。文献[18]对同步发电机暂态过电压机理进行了分析,采用接地系统对暂态过电压进行抑制,可有效提升同步发电机并网稳定性。文献[19]针对暂态过电压定量分析问题,提出暂态电压评价指标,能够量化电压稳定性评估精度,有效提升超高压直流输电暂态过抑制效果。文献[20]针对大规模新能源的暂态过电压问题,提出源荷紧急调度方案。文献[21]在此基础上进一步提出了快速暂态过电压计算方法,有效提升了可再生能源并网的稳定性。文献[22]针对直流系统故障造成的暂态问题,对功角稳定和无功冗余机理进行了分析,能够提升电网稳定,并且提升新能源消纳能力。文献[23]针对新能源机组的暂态问题,提出了风机控制策略和模型参数优化方法,对直流故障后的暂态过电压进行抑制,提升了电网安全稳定运行能力。文献[24]针对断路器投切暂态过电压问题,提出了融合数据的暂态过电压机理分析模型,能够有效提升暂态过电压的辨识精度。文献[25]针对弱送端电网暂态过电压问题,提出了风机并网控制策略,对暂态过电压量化精度和抑制效果都有所提升。文献[26]从暂态过电压引起新能源连锁脱网机理分析出发,定义了暂态过电压严重性指标,能够有效提升暂态过电压辨识精度。文献[27]提出了风电低穿控制策略,可有效提升在交直流故障扰动后的风电并网系统的稳定性,能够抑制暂态过电压水平。文献[28]采用调相机对高压直流送端系统进行无功控制,能够有效改善事故后电网的稳定水平,提升暂态过电压抑制能力。文献[29]分析了暂态过电压抑制机理,量化了暂态压升与新能源脱网数量之间的复杂对应关系,对提升新能源送出型电网规划具有指导意义。文献[30]针对弱送端系统暂态过电压问题与功角失稳问题,研究了暂态过电压峰值的影响机理,对弱送端系统一次能源配比优化与暂态过电压抑制效果之间的关系进行了定量研究,有效提升了弱送端电网稳定运行能力。

上述文献均对不同故障下的暂态过电压产生机理及抑制策略进行了深入研究,并且取得来了较好的暂态过电压抑制效果。但新能源送出型电网的电网耦合特性复杂程度较高,具有不确定性的新能源占比较高,暂态过电压机理尚不清晰,并且针对暂态过电压抑制的无功控制策略也难以在新能源送出型电网上实现高效应用,给暂态过电压抑制带来了新的挑战。针对新能源送出型电网在暂态故障下容易产生过电压问题,提出考虑暂态过电压抑制的新能源送出型电网无功优化方法,并通过仿真算例对模型的有效性进行了验证,结果表明所提方法能够一定程度改善暂态过电压峰值,对保障新能源送出型电网安全稳定具有重要意义。

1 新能源送出型电网暂态过电压机理

图1为新能源送出型电网等值电路。新能源送出型电网构成主要包括本地交流电网、无功调节设备、火电机组、风电、光伏,因此等值电路由等值本地交流电网、等值无功调节设备、等值风电集群、等值光伏集群构成。

图1 新能源送出型电网等值电路

等值本地交流电网模型为

(1)

式中,Pgrid、Qgrid分别为等值本地交流电网输出有功、无功功率;Egrid为等值发电机电势;Ugrid为等值输出电压;δgrid为等值功角。

等值电容器模型为

(2)

式中,Qcapacitor为等值电容器输出无功功率;Xcapacitor为电容器的容抗;Ucapacitor为等值输出电压。

等值调相机模型为

(3)

式中,Epm为等值调相机空载电势;ipm为等值d轴电流;Xpm为等值电抗;Upm为等值输出电压。

等值风电集群模型为

(4)

式中,Pwind、Qwind分别为等值风电集群输出有功功率、无功功率;Cwind、Dwind分别为等值直流电容、轴系阻尼系数;Rwind、Xwind为等值发电机电阻和电抗;N为集群内风电场数量。

等值光伏集群模型为

(5)

式中,Ppv、Qpv分别为等值光伏集群输出有功功率、无功功率;Cpv、Lpv分别为等值并联电容和滤波电感;Xcq为等值发电机电抗;M为集群内光伏电站数量。

当新能源送出型电网的直流外送通道发生直流闭锁故障时,交流侧等值电抗为

(6)

式中,Xaceq为新能源送出型电网交流系统等值电抗;Sac为换流站交流侧母线短路容量。

当新能源送出型电网的直流外送通道发生直流闭锁故障时换流站交流母线暂态电压变化的标幺值表示为

(7)

(8)

2 新能源送出型电网暂态过电压抑制方法

考虑无功调节设备和新能源集群对新能源送出型电网暂态过电压抑制作用,本研究建立新能源送出型电网无功优化模型,目的是实现暂态过电压引起的暂态能量变化能够在无功调节设备和新能源集群之间完成有效分配,提高弱送端电网的无功调节裕度,为直流闭锁故障下送端电网稳定运行提供支撑。

新能源送出型电网无功优化问题的目标函数为

(9)

式中,Qi为新能源送出型电网无功调节设备的无功出力,是决策变量,具体是指风电集群、光伏集群、调相机和电容器的无功出力;Qi,min为新能源送出型电网无功调节设备的无功出力的最小值;N为新能源送出型电网无功调节设备数量。

新能源送出型电网无功优化问题的约束条件主要包括潮流方程等式约束、调节设备出力范围不等式约束以及电压范围不等式约束。

2.1 无功平衡约束

基于等值交流电网、等值无功调节设备、等值新能源集群、换流站及直流外送通道组成的新能源送出型电网,其无功平衡约束为

(10)

式中,Qdc为直流外送通道的无功功率。

2.2 调相机和电容器约束

(11)

式中,Ucapacitor,i,max、Upm,i,max分别为电容器和调相机的电压上限;Ucapacitor,i,min、Upm,i,min分别为电容器和调相机的电压下限;Qcapacitor,i,max、Qpm,i,max分别为电容器和调相机的无功上限;Qcapacitor,i,min、Qpm,i,min分别为电容器和调相机的无功下限。

1)风电集群约束

(12)

式中,Swind,max为风电集群最大视在容量。

2)光伏集群约束

(13)

式中,Spv,max为光伏集群最大视在容量。

3 求解算法及优化策略

新能源送出型电网无功优化具有非凸非线性特征,采用传统优化方法难以快速准确的找到全局最优解,考虑到智能算法在处理非线性优化问题中的优势,本研究采用约束自适应粒子群算法对优化模型进行求解。

传统粒子群算法以目标函数作为适应值从而对粒子的优劣进行判断,适应值只由目标函数来度量,本研究建立双适应值函数,在建立目标函数适应值的同时,建立约束条件的适应值,但由于约束条件的作用是将粒子约束在合理范围内,因此约束适应值应当作为违反度值,优势在于能够克服利用粒子群算法对具有复杂约束条件优化问题求解的局限性。

双适应值包括适应值F1和违反适应值F2,分别为

(14)

式中,f(xi)为新能源送出型电网无功优化问题的目标函数;gm(xi)、hn(xi)分别为新能源送出型电网无功优化问题目标函数中的等式约束和不等式约束,共同构成了违反适应值,体现了对粒子与边界之间的位置距离;pm、qn分别为各项约束条件的权重系数。

为了体现无功平衡约束、调相机和电容器约束、以及风电光伏集群约束之间关系,建立自适应违反适应值权重的自适应调整策略。

(15)

其中,

(16)

(17)

为了避免无功调节设备超出调节范围而引起的不可行解的适应度优于可行域内可行解的适应度的问题,采用ε常数来对粒子进行比较:若两个粒子违反适应值均小于ε,则采用两个粒子适应值来对粒子优劣进行判断,即适应值较小的为优;若两粒子违反适应值均大于ε,则违反适应值较小的为优;若两个粒子违反适应值分布于ε两侧,则违反适应值较小的为优。

粒子群算法的优势是粒子具有多样性,能够模拟无功优化问题中所有无功调节设备的出力值,因此需控制不可行解具有一定的比例,笔者通过不可行解设定值与不可行解实际所占比例的关系,来对ε动态调整,从而实现粒子多样性的目的,ε取值为

(18)

式中,ψ为不可行解比例设定值;β为不可行解实际值。

为了避免粒子群算法由于收敛过快而导致陷入局部最优的问题,需要对粒子的变异策略进行改进,使变异策略随着迭代次数的不同而进行动态调整,为量化粒子群状态,笔者引入适应度方差和多样性函数来对粒子优化性能进行度量。粒子适应度方差函数表示粒子集中程度,粒子适应度方差函数为:

(19)

其中,f=max{1,max{|f(i)-f′|}}。

粒子多样性函数为

(20)

当迭代后期粒子搜索范围需要减小时,对粒子速度设置扰动函数如下:

vi=vi+viδ(C-t)/C

(21)

式中,vi为粒子速度;C为迭代次数;δ为扰动随机数。

具体求解流程见图2。

图2 基于改进粒子群算法的优化模型求解流程

4 算例分析

本研究基于改进的IEEE 39节点系统,并采用蒙东某新能源送出型电网实际运行数据建立以暂态过电压抑制为目标的无功控制模型仿真算例,其中风电场装机总容量400 MW,火电厂装机容量30 MW,光伏电站装机容量175 MW,风光出力及负荷曲线见图3。为验证所提新能源送出型电网暂态电压模型对于暂态条件下电压量化结果的计算精度,本研究采用计算模型和PSCAD仿真模型相对比的方式来进行验证,即通过配置不同无功调节设备,分别对计算模型与仿真模型的暂态过电压结果进行对比分析,用以量化新能源送出型电网暂态过电压结果,判断暂态过电压模型计算精度。

图3 风光出力及负荷曲线

表1为暂态电压有效值对比结果。本研究所提方法对暂态过电压计算值的相对误差相较于其他方式有明显降低,并且暂态过电压得到了有效抑制,有效调动了无功调节设备和新能源集群等暂态过电压抑制资源,提高了新能源送出型电网应对直流闭锁故障的电压恢复能力。

表1 暂态电压有效值对比结果

为验证在直流闭锁故障下本研究所提无功调节设备和新能源集群的协调效果以及暂态过电压的抑制效果,设置直流单极闭锁故障和直流双极闭锁故障两种故障,并且在两种故障下设计3种暂态过电压抑制策略:

策略一:只调节新能源集群的无功出力。

策略二:只调节无功调节设备的无功出力。

策略三:协同调节新能源集群和无功调节设备的无功出力,即本研究所提策略。

4.1 直流单极闭锁故障

图4为在稳定运行至0.5 s时发生直流单极闭锁故障下,在3种暂态过电压抑制策略下光伏电站并网点、风电场并网点、换流站交流母线3处母线电压的变化情况。由图可知,3种策略下暂态过电压均得到的抑制,但3种策略的暂态过电压抑制程度不尽相同,3种策略下光伏电站并网点电压分别变化了1.204 8%、1.301 2%、0.096 4%,3种策略下风电场并网点电压分别变化了1.108 4%、1.156 6%、0.192 8%,3种策略下换流站交流母线电压分别变化了1.204 8%、1.397 6%、1.012 0%,策略一和策略二相对于本研究所提策略三而言,暂态过电压变化率较大,抑制程度较小,并且对于光伏电站并网点电压和风电场并网点电压的控制效果,也相较于策略三的电压控制效果较差,对于电压幅值来说,虽然三种策略都能在一定程度上维持电压稳定,但在策略一和策略二的控制方式下,稳定点幅值相较于故障前变化过大,进而对近区电网造成一定程度的失稳风险。

图4 直流单极闭锁故障下各母线电压

4.2 直流双极闭锁故障

图5为在稳定运行至0.5 s时发生直流双极闭锁故障下各母线电压的变化情况。相对于直流单极闭锁故障,直流双极闭锁故障对新能源送出型电网电压影响程度更大,3种策略下光伏电站并网点电压分别变化了1.272 3%、1.262 7%、0.038 6%,3种策略下风电场并网点电压分别变化了0.963 9%、0.944 6%、0.771 1%,3种策略下换流站交流母线电压分别变化了1.166 3%、1.147 0%、1.118 1%,策略一和策略二这种单一的无功控制手段难以在一定之间内将电压恢复至正常范围内,电压变化后的稳定点相较于变化前有较大的偏差,存在导致新能源连锁脱网的风险,并且严重威胁了换流站和近区送出端电网设备安全。而本研究所提暂态过电压抑制策略能够使电压较快的恢复至正常水平,提高了送出型电网暂态过电压的抑制能力,使暂态能量在各无功调节设备之间得到了有效分配,抑制了系统暂态过电压水平。

图5 直流双极闭锁故障下各母线电压

为进一步验证本研究所提改进粒子群算法对于暂态过电压抑制问题的求解效果,进行所提算法与传统粒子群算法的对比实验。

图6为采用本研究所提改进粒子群算法与传统粒子群算法进行比较后的换流站交流母线电压曲线变化情况。可以看出,在稳定运行至1 s时发生直流闭锁故障,双约束适应值粒子群算法能够提升算法收敛速度,并且避免粒子陷入局部最优解的问题,电压恢复效果优于传统算法,并且能够对暂态能量在新能源集群与无功调节设备之间进行有效分配,提高了新能源集群与无功调节设备参与暂态过电压抑制的响应能力,提升了送出型电网稳定运行能力,进而提高了新能源送出型电网的新能源消纳能力。