電力系統最佳穩態及最優潮流分析研究

楊澤鴻

摘?要：在電力系統的各種優化任務中，具有不同的優化算法，其算法解決不同的電力系統優化問題。本文通過引入準確的故障應急約束，擴展了問題的表達式和求解方案，給出了系統最優穩態安全運行點以及介紹最優統一潮流控制器，有力解決電力系統最優配置問題，改善電力系統的運行狀況。通過列舉不同的穩態控制方法，分析電力系統的最佳穩態及最優潮流，有效地解決多目標無功控制問題，特別是對于大型電力系統，在較大的pc網絡中并行分配可以進一步減少計算時間。此外，還可以引入一種混合進化的優化算法，確定經驗參數的最優值。

關鍵詞：電力系統;最佳穩態;最優潮流;經驗參數

隨著社會生活水平不斷發展，能源需求不斷擴張。人們對氣候變化和化石資源枯竭的廣泛關注，電力系統的供電來源也逐漸發展，風能發電、核能發電、以及太陽能發電得到迅速發展成為電力系統的主要支柱。隨著不同發電源對電力系統做出的重大貢獻，就需要評估分析不同的發電源對電力系統電壓穩定性的影響。本文通過介紹電力系統的不同控制方法，分析電力系統最佳穩態以及最優潮流。通過研究不同的大型發電場規劃時的穩態電力系統問題，對特定網絡進行研究，提出確定規劃最佳穩態的方法，配置感應發電機和無功補償內部和外部電網的損失以及利用多梅爾-丁尼方法計算電力系統最優潮流，這種方法已被證明是非常強大和通用的[1]。通過引入準確的故障應急約束，擴展了問題的表達式和求解方案，給出了系統最優穩態安全運行點[2]。

一、電力系統的穩態模型分析

不同發電來源具有相對獨立的電力系統，在眾多能源中，天然氣是另一種環保能源，可容納間歇性的可再生能源。首先，在沒有水電的情況下，天然氣發電（GPG）在調峰過程中發揮了關鍵作用，因為它可以對供求的變化做出快速反應。因此，天然氣網絡在為不斷增長的間歇性可再生能源提供后備供應方面變得越來越重要[3]。它利用多余的風力或其他可再生能源生產天然氣燃料，儲存在現有的天然氣網絡中，然后在需要時通過GPG將儲存的能量注入電力系統。因此，電力系統和天然氣網的耦合和相互依存日益加深。通過氣體流動方程、壓縮功率計算和節點質量平衡，建立了天然氣系統的穩態模型，燃氣、電網多時段聯合優化模型，該模型考慮了燃氣流量的變化特性和網絡保障設施，用于識別能源集成系統的最優協同擴容方案。可靠性是綜合能源系統的另一個重要問題。它的目的是分析在異常情況下，如故障從一個系統傳播到另一個系統的相互依賴性。對電力系統的靜態穩定性進行了分析。基于一個模型組成的經典擺動方程表征發電機和常數導納，PV總線和/或PQ總線負載表示，通常，導致一個半顯式（或約束）微分方程系統。給出了靜態穩定性的精確定義，并利用靜態分岔理論的基本概念表明，靜態穩定性的確包括傳統的穩態穩定性和電壓崩潰的概念，但它為嚴格的分析提供了基礎。利用李雅普諾夫-施密特約簡和泰勒級數展開得到的約簡分岔方程，分析了潮流方程的靜態分岔問題。這些程序是用符號計算（MASYMA）實現的。結果表明，潮流方程的靜態分岔與發散型失穩或因果關系的喪失有關。因果關系問題被發現是理解電壓崩潰的一個重要因素，并在組織全球電力系統動力學時，負載不是恒定導納存在的中心作用。

二、電力系統的穩態模型意義

不斷增加的輸電網負荷和負荷需求的穩定增長已經推動許多電力系統越來越接近其穩定極限。電力系統的長期穩定運行對電力系統的安全運行越來越重要。然而，長期穩定模型較大，涉及不同的時間尺度。長期穩定模型的時域模擬方法在計算量和數據處理方面是昂貴的。在在線穩定性評估中，這些約束甚至更加嚴格。通過提出的準穩態模型（QSS）試圖在長期穩定性分析的精度和效率之間達成一個很好的折衷。QSS模型所假設的故障后系統是穩定的，長期穩定模型是無奇點的，這并不一定是正確的。已經有一些努力致力于解決這些問題。然而，另一個關鍵問題卻沒有得到足夠的重視，即使滿足了這些假設，QSS模型仍可能為長期穩定模型提供不正確的近似。給出了一些QSS模型穩定而長期穩定模型存在長期不穩定的反例。由于QSS模型不能一致地為長期穩定模型提供正確的穩定性分析，因此非常需要確定QSS模型工作的條件。本文提出了QSS模型能夠為長期穩定模型提供正確逼近的充分條件。簡單來說，如果長期穩定模型和工作頻率模型滿足一個奇點，然后長期穩定的工作頻率模型提供了正確的近似模型的軌跡，如果工作頻率模型沿著穩定移動組件的約束歧管和每個點的投影軌跡的穩定區域內的長期穩定模型是相應的暫態穩定模型。此外，如果QSS模型收斂于長期穩定平衡點（SEP），則長期穩定模型將收斂于同一點。通過導出的分析結果分析了QSS模型成功或失敗的幾個數值例子。

三、電力系統的潮流分析

含光伏發電系統的電網潮流分析是研究大型光伏電站并入電網穩態特性的基礎。一般來說，PV系統是由電力電子轉換器耦合的。因此，穩態建模可以基于光伏陣列特性和電力電子變換原理。在給定氣象參數、光伏系統參數和電網參數的條件下，該模型可以模擬光伏系統的穩態運行。采用交替迭代法求解模型和潮流方程的統一解。與實際PV站進行比較，分析結果表明，中午時段的模擬誤差很小，早晚時段的模擬誤差較大。此外，氣象參數和電網參數的變化也會影響系統的運行，但輻照度較大，而電網電壓的變化對系統的運行影響不大。該潮流分析在IEEE 30總線系統上得到驗證，光伏電站不僅可以作為PQ節點，而且可以作為支持電壓分布的無功功率的PV節點。研究發現，過去人們在UPFC潮流分析建模方面做了很多工作。UPFC的目標是補償單線輸電系統，而IPFC的目標是多線輸電系統的補償和潮流管理。

四、總結

本文通過討論包括能量傳輸和轉換在內的聯合經濟調度和最優潮流問題。推導了多能量載體優化調度的一般最優條件，并與電力系統的穩態模型方法進行了比較，優化運行需要考慮跨時間的聯系以及網絡潮流的影響。網絡效應包括在最優潮流（OPF）的解決方案，但這只優化了一個單一的時間點。動態最優潮流（DOPF）是對最優潮流（OPF）的擴展，可以覆蓋多個時段。通過分析電力系統的最佳穩態以及最優潮流，給出了系統最優穩態安全運行點以及介紹最優統一潮流控制器，有力解決電力系統最優配置問題，改善電力系統的運行狀況。

參考文獻

[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.