功率因角预测下特高压接入后电网可靠性提升方法设计

2024-04-26马海忠

环境技术 2024年3期

马海忠

（国网宁夏电力有限公司，银川 750001）

引言

特高压接入电网后的成功运行是我国电网建设能力的体现。但现阶段，特高压接入电网后电网的安全稳定运行仍旧是电力领域研究的重点。现阶段的特高压下电网运行存在可靠性不佳等问题，如何高质量的保证特高压接入后电网的稳定运行、提高电网的可靠性具有重要意义[1,2]。

刘万福[3]等首先建立电网运行可靠性指标；其次，基于集成权重偏差和客观权重建立特高压接入电网稳定性的多目标优化模型，从而完成电网可靠性提升控制。该方法存在可靠性提升效果不佳的问题。宋福龙[4]等首先对特高压接入电网后电网运行情况展开评估；其次，对电网受电情况展开分析；最后，通过对电网结构和线路参数控制来实现电网可靠性提升。该方法存在电网可靠性提升不及时的问题。陈汉雄[5]等首先建立特高压接入电网结构模型；其次，分析特高压接入电网稳定运行情况；最后，通过协调控制策略实现电网可靠性提升控制。该方法存在电网运行状况不佳的问题。

在特高压接入电网后，增大特高压电网的容量和覆盖范围会导致更复杂的网络结构，会出现潮流过载和电压越限问题，导致电网运行振荡。为保证电网运行的稳定性，提出功率因角预测下特高压接入后电网过载电压控制方法。该方法的研究有望为该领域带来新的技术与支持，具有重要的现实意义。

1 电网功率因角特性计算

在特高压接入下，由于其较高的电压等级和输送能力，会影响电力系统的结构和运行方式，进而影响到电力系统功率因数和功角的产生。通过对电网功率因角特性的分析，可以评估特高压接入后，电力系统内部功率因数和功角是否处于合理范围。合理范围的功率因数可以保证电力系统的能效，而合理范围的功角可以保证电力系统的稳定性和传输能力，保证电网可靠性。因此，采取合理措施来确保电力系统稳定供电和传输能力，为特高压接入下电网网架结构的可靠性提升提供依据[6-8]。

高端逆变器注入交流电网功率dP公式表达为：

式中：

Nb—变流器个数；

Ub—变流器交流节点电压幅值；

ηb—熄弧角；

I—直流电流；

Zb—变流器变漏抗；

b—变流器。

低端逆变器注入交流电网功率Qb公式表达为：

式中：

γ—功率因角数。

功率因角数的余弦公式表达为：

式中：

v—换相角。

功率因角数的余弦结果实质上是计算电路中有功功率和视在功率之间的夹角，也就是所谓的功率因角。由此，完成了电网的功率因角计算。

2 基于功率因角的电网电压轨迹预测

特高压接入电网的设备通常由大量的节点、线路和设备构成，具有复杂的拓扑结构和多变的负荷条件。同时，电网的功率因角特性存在一定的动态性，随着负荷变化和其他外部条件变化，功率因角也会发生变化。因此，及时监测功率因角，可以预测电压轨迹变化，以提高电网的稳定性和效率。根据特高压接入电网的功率因角特性分析结果，基于轨迹灵敏度方法获取特高压接入电网后电压变化预测值。

用O表示交流电网控制量，其公式表达为：

式中：

oz—特高压分层接入下的交流电网控制量。

用U表示交流电网变化量，其公式表达为：

式中：

Oc—交流电网控制量的暂态变量；

e—交流电网负荷恢复特性的状态变量；

u—交流电网节点电压幅值和功率因角的系统变量。

由此，可以得到轨迹灵敏度[9,10]公式表达为：

通过牛顿迭代法和隐式梯形法求解特高压直流分层接入电网后的准稳态函数[11]，并结合轨迹灵敏度即可获取预测时域内的电压输出轨迹U∗，然后根据U∗获取特高压进入电网后电压轨迹变化预测值，表达为：

式中：

Vn—通过牛顿迭代法迭代第次的电压值；

t—对应变量在t时刻的取值。

3 特高压接入后电网过载电压控制方法设计

在特高压接入电网中，对电压轨迹预测实时结果是后期控制的重要约束条件。因此，将电压轨迹预测结果及时转化为实际操作的决策依据，以实现及时有效的控制措施[12]，并确保特高压电网的稳定运行。根据特高压接入电网后电压轨迹变化，使用有功潮流控制器对直流换流站母线电压协调控制和输电线路过载控制，实现特高压接入下的电网网架结构可靠性提升。

3.1 基于有功潮流控制器的线路过载控制

电网电压需要依赖天气条件、负荷变化、发电机输出等输入数据。然而，这些数据受测量误差、未知故障等因素的影响具有一定的不确定性。进而降低了电网工作的准确性和可靠性，使得特高压在接入电网受端时，所产生的功率巨大，故造成电网输电线路过载风险，且此时多个输电线路均存在过载风险[13]。因此，对特高压接入下的电网线路进行过载控制。线路过载控制可以通过分析电压预测轨迹、合理调节负荷分配、优化电网配置等方法，确保线路电流在安全范围内，并保证电网的可靠运行。通过有功潮流[14]控制功能对输电线路的过载问题展开控制处理。输电线路负载电流幅值∆Il公式表达为：

式中：

∆Pl—输电线路l负载时的有功功率；

Gl1—输电线路l母线1 的电导；

Ilc0—有功电流；

Il0—无功电流；

S′—串联电流源对输电线路电流的影响情况；

Vd—电压幅值。

由公式（8）可知，有功潮流指令值受到电压幅值与无功电流、电压轨迹预测约束结果的影响，导致了输电线路的负载电流变化。

输电线路负载率E公式表达为：

式中：

Il,limit—输电线路l的热稳定电流。

当输电线路的负载率E超过传统的过载控制通过设置负载率阈值El,set时，有功潮流控制器通过放大积分误差负载信号实现控制。

但在实际应用中需要考虑下述几个方向对输电线路过载控制的影响：

1）当多个有功潮流控制器存在电网中时，需要协调多个有功潮流控制器的线路负载能力。

2）当电网中同时出现多处线路过载问题时，输电线路过载控制策略均能处理。

根据上述需求，改进输电线路的过载控制器设计如图1 所示。

图1 改进线路过载控制器设计

电压轨迹预测约束下，下垂控制系数的计算公式表达为：

式中：

Β—通过有功潮流控制的输电线路集合；

sgnl—符号函数；

El,set—设定负载率阈值。

当检测到Β 中存在线路过载问题时，如果只有一条线路过载或过载线路的符号函数相同，可直接调节有功潮流控制器指令以控制输电线路在热稳限额之下；如果电网输电线路集合出现符号函数不同的过载线路，不能直接通过有功潮流控制器的指令值完成过载控制，需先调节过载最为严重的线路，确保输电线路在安全范围内运行。

3.2 基于串、并联换流器的过载电压协调控制

在特高压接入电网的情况下，有功潮流控制器的有功功率控制和无功潮流控制对直流换流站侧交流母线电压灵敏度基本相同。由于线路过载控制可能涉及到调整变压器的出力或切换线路配置等操作，这可能会对输电系统的电压稳定性产生影响，并导致控制后出现电压过载波动的情况。

为了实现更好的电压控制，将有功潮流控制器的并联换流器安装在直流换流站侧，以调节其侧邻近母线电压。但特高压接入电网的安全稳定运行会受到直流换流站交流母线稳态电压和暂态电压恢复情况的影响。因此，设计一种串、并联换流器过载电压协调控制器，来调节输电系统中的过载电压，以确保特高压介入后整个系统的电压稳定。

串联电流源对输电线路电流的影响与电网运行工况无关，但与电网网架结构和线路参数有关，所以有功电流在过载线路的控制过程中不发生改变。因此，根据线路过载情况的不同，在串、并联换流器之间，通过下垂控制器来调整无功控制量的分配，以实现电力系统中的潮流控制。串、并联换流器过载电压协调控制器设计原理如图2 所示。

图2 串、并联换流器电压协调控制器

图2中，Kc表示串联换流器无功控制器的放大器增益，QZ,set表示正常工况下给定的有功潮流控制器的无功潮流设定值，Kb表示并联换流器无功控制器的放大器增益，Qb,set表示正常工况下并联换流器无功功率给定值。

其中，直流换流站交流母线电压变化值∆V公式表达为：

式中：

Vmax—电压上限；

V—直流换流站交流母线电压；

Vmin—电压下限。

串联侧负载率∆Ec公式表达为：

式中：

并联侧负载率∆Eb公式表达为：

式中：

Fc、Fb—串联侧控制电压的下垂系数和并联侧控制电压的下垂系数，通过两个下垂系数，实现无功控制量的分配，完成过载电压控制，分配公式为：

基于此，通过串联、并联换流器的过载电压协调控制，实现特高压接入电网后电网网架结构可靠性的提升。

4 实验与分析

4.1 实验参数设置

为了验证特高压接入下的电网网架结构可靠性提升研究有效性，在Windows 7、Intel core i7-4210H、8 GB操作系统，编程环境为python3.7 的计算机上使用测试软件完成实验。对比直流分层接入技术和直流单层接入技术完成特高压接入电网方法可知，直流分层接入技术具有更高的稳定性，是未来电网发展趋势，故以特高压直流分层接入电网模型为研究对象。特高压以直流分层形式接入电网架构模型如图3 所示。

图3 特高压直流分层接入电网架构模型

如图3 所示，特高压直流分层接入电网架构中，直流滤波器的直流极限为800 kV，其中，极1 中交流滤波器的交流母线电压为500 kV，极2 中交流滤波器的交流母线电压为1 000 kV。采用特高压接入下的电网网架结构可靠性提升研究（所提方法）、基于多目标优化模型的特高压接入下的电网网架结构可靠性提升研究（文献[3]方法）、基于电网结构和线路参数控制的特高压接入下的电网网架结构可靠性提升研究（文献[4]方法）完成测试，选择失负荷概率、电压稳定性、稳定控制时间三个参数衡量电网可靠性。

4.2 结果分析

1）失负荷概率

引入失负荷概率评价特高压接入下的电网网架结构的可靠性，失负荷概率指一段时间内电网设施出现紧急停电事件的可能性，失负荷概率越低，表明特高压接入下的电网网架结构的可靠性越高。

采用所提方法、文献[3]方法、文献[4]方法完成特高压接入下的电网网架结构可靠性提升，记录三种方法的失负荷概率如图4 所示。

图4 三种方法的失负荷概率

分析图4 可知，文献[3]方法和文献[4]方法的特高压接入下电网结构的失负荷概率均在0.8 以下，所提方法的特高压接入下电网结构的失负荷概率在0.5 以下，所提方法的电网失负荷概率明显低于文献[3]方法和文献[4]方法，表明所提方法的特高压接入下电网结构可靠性较高。

2）电压稳定性

在初始时刻设置特高压接入电网后的过载短路故障，采用所提方法、文献[3]方法、文献[4]方法完成特高压接入下的电网网架结构可靠性优化控制，记录三种方法的电网稳定性结果如图5 所示。

图5 三种方法的电网结构稳定性

分析图5 可知，在初始时刻的特高压接入电网后的过载短路故障后，文献[3]方法和文献[4]方法的电网电压存在振荡，未能及时达到稳定状态，而所提方法在19s振荡后，电网电压迅速恢复稳定，表明所提方法的特高压接入下的电网网架结构可靠性提升效果更好。

3）稳定控制时间

采用所提方法、文献[14]方法完成特高压接入下的电网波动后，稳定控制时间，加入7 次外部接入冲击，造成电压波动控制如图6、7 所示。

图6 本文方法下过载电压的控制时效

图7 文献[14]方法下过载电压的控制时效

分析图5~7 可知，采用文献[14] 方法完成特高压接入下的电网网架结构可靠性优化控制时间在（72.1~80.4）s，采用所提方法完成特高压接入下的电网网架结构可靠性优化控制时间在（28.6~40.4）s，所提方法的特高压接入下的电网网架结构可靠性优化控制时间低于文献[14]方法，表明所提方法完成特高压接入下的电网网架结构可靠性优化控制时间更短、效率更高。

通过实验结果可知，所提方法通过轨迹灵敏度方法准确对特高压接入电网后电压变化情况实行预测，为电网结构可靠性提升奠定基础；然后通过有功潮流控制器有效对特高压接入电网的线路过载及电压不稳定情况实行控制，提高了特高压接入下电网结构的可靠性，获得了更好的特高压接入电网稳定控制方法。