基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制

鄭仕濤， 易春磊， 任小航， 王世友

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瑞麗供電局， 云南 瑞麗 678600)

0 引 言

由于區(qū)域電網(wǎng)在運(yùn)行中受到突變電流和電壓等因素的影響[1]，非常容易導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的電壓發(fā)生突變，出現(xiàn)電壓超限或偏低的現(xiàn)象，一系列的安全事故也由此而來，導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備損壞，甚至還會(huì)出現(xiàn)大量人員傷亡[2]。當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)位于事故高發(fā)區(qū)時(shí)，需要優(yōu)化控制區(qū)域電網(wǎng)的電壓，保證區(qū)域電網(wǎng)輸出電壓的穩(wěn)定性，這對(duì)區(qū)域電網(wǎng)優(yōu)化部署具有極其重要的意義。協(xié)同控制方法的研究也受到了廣泛關(guān)注[3]。

張宇精等[4]設(shè)計(jì)了一種電壓控制方法，將參考值的偏差和最小化節(jié)點(diǎn)電壓作為優(yōu)化目標(biāo)，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來擬合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓與可控節(jié)點(diǎn)注入功率的函數(shù)關(guān)系，基于梯度下降法求解了優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)低感知度配電網(wǎng)電壓的控制，通過算例證明了該方法的有效性。邢志斌等[5]把多代理技術(shù)應(yīng)用到直流配電網(wǎng)電壓控制中，將直流/交流轉(zhuǎn)換器相接供電節(jié)點(diǎn)設(shè)置為電壓控制中樞點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)供電節(jié)點(diǎn)的電壓，使直流配電網(wǎng)的電壓控制在指定范圍內(nèi)，通過優(yōu)化直流配電網(wǎng)的有功出力來控制直流配電網(wǎng)的電壓。結(jié)果驗(yàn)證了該方法的經(jīng)濟(jì)性。

在以上研究背景的基礎(chǔ)上，本文將全橋變流器應(yīng)用到了區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制中，有效地提高了區(qū)域電網(wǎng)電壓的協(xié)同控制能力。

1 區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法設(shè)計(jì)

1.1 全橋變流器主電路建模

全橋變流器主要由變換器、蓄電池以及電流變換模塊組成[6]，其主電路模型如圖1所示。

圖1 全橋變流器主電路模型

根據(jù)全橋變流器的等效電路和向量關(guān)系，可以計(jì)算得到全橋變流器的輸出，那么進(jìn)網(wǎng)電流為：

(1)

式中：Us為變換器等效電壓；UG為蓄電池等效電壓；φ為變換角；R為變流器電阻；Xj為電感。可以得到全橋變流器的有功功率和無功功率[7]，即：

(2)

式中:P、Q分別為全橋變流器的有功功率及無功功率。由于Us的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于φ的值，因此，計(jì)算全橋變流器的有功功率為：

(3)

最終可以計(jì)算出全橋變流器的有功輸出和無功輸出，分別為：

(4)

式中:ωt為變換周期。

1.2 分析區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量

為控制區(qū)域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，首先建立區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的約束參量模型，假設(shè)在區(qū)域電網(wǎng)中，由M個(gè)分布節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)電網(wǎng)模型。可以將區(qū)域電網(wǎng)輸出電壓的負(fù)荷數(shù)據(jù)集表示為：

U={U1,U2,…,UN}

(5)

式中：UN為區(qū)域電網(wǎng)電壓輸出的高頻分量。在區(qū)域電網(wǎng)逆變器中，對(duì)輸出電能狀態(tài)的轉(zhuǎn)移方程為：

x(n)=s(n)+v(n)

(6)

式中：s(n)為區(qū)域電網(wǎng)輸出的功率參考因素；v(n)為電磁場(chǎng)的干擾分量。

區(qū)域電網(wǎng)在長(zhǎng)時(shí)間的供電過程中，會(huì)因?qū)Ь€的熱量損耗出現(xiàn)電能的傳遞衰減現(xiàn)象[8]。因此，建立導(dǎo)線對(duì)區(qū)域電網(wǎng)功率約束的控制目標(biāo)函數(shù)為：

(7)

式中：θ為約束角。假設(shè)k1表示區(qū)域電網(wǎng)電壓的閉環(huán)控制系數(shù)，在時(shí)延不確定的情況下，區(qū)域電網(wǎng)輸出電能的時(shí)滯函數(shù)為Gm(s)=G0(s)，得到區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量為：

(8)

式中：χ為輸出電能的瞬時(shí)時(shí)滯。通過構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量，為區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制提供了輸出參量基礎(chǔ)。

1.3 構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)電壓控制目標(biāo)函數(shù)

在分析區(qū)域電網(wǎng)電壓控制約束參量的基礎(chǔ)上，建立區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合代價(jià)因素，對(duì)電壓控制目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，計(jì)算出區(qū)域電網(wǎng)電壓的控制律。首先建立了區(qū)域電網(wǎng)電壓輸入與輸出之間的關(guān)系模型，即：

(9)

式中：p(am)為區(qū)域電網(wǎng)的輸出功率，取值在0～1之間。考慮到區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制誤差和不確定擾動(dòng)現(xiàn)象，計(jì)算了區(qū)域電網(wǎng)的輸出負(fù)載為：

(10)

根據(jù)以上過程，構(gòu)建了區(qū)域電網(wǎng)輸出電壓與負(fù)載、功率因素及電流之間的關(guān)系模型，如圖2所示。

圖2 區(qū)域電網(wǎng)輸出電壓與負(fù)載、功率因素及電流之間的關(guān)系模型

根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)輸入功率與輸出功率的特性，建立電壓控制的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算區(qū)域電網(wǎng)中的有效電流值：

(11)

式中：kf、kc、ls為低壓調(diào)制系數(shù)；rr、lg為阻抗因素；kβ、k1、Br為超壓抑制系數(shù)；lw、lm為電網(wǎng)磁損耗系數(shù)。

在區(qū)域電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的前提下，以最大電能輸出的增益為電壓控制的約束目標(biāo)函數(shù)，得到了區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的目標(biāo)函數(shù)。可描述為：

P1=Pcu+Ph+Pe

(12)

式中：Pcu為區(qū)域電網(wǎng)導(dǎo)線的電損耗；Ph為區(qū)域電網(wǎng)的功率損耗；Pe為區(qū)域電網(wǎng)的耦合磁損耗。

1.4 協(xié)同控制區(qū)域電網(wǎng)電壓

制訂區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制策略必須優(yōu)先考慮區(qū)域電廠的無功需求和無功極限。根據(jù)比例電壓控制(如圖3所示)，計(jì)算區(qū)域電網(wǎng)的無功需求，即：

圖3 比例電壓控制原理

(13)

式中：U1、U2為區(qū)域電網(wǎng)相鄰兩個(gè)周期所測(cè)量的電壓值；Uset為區(qū)域電網(wǎng)協(xié)同控制的目標(biāo)電壓；Q1、Q2為區(qū)域電網(wǎng)相鄰兩個(gè)周期的無功功率。

根據(jù)比例電壓控制原理，可以計(jì)算出區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制過程中的有功輸出和無功輸出。即：

(14)

式中：Ps為電壓協(xié)同控制的有功功率；Qs為電壓協(xié)同控制的無功功率；s為滑差。

根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)電壓控制目標(biāo)函數(shù)，求解得到區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功極限為：

(15)

當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)在電壓控制過程中的無功需求比無功極限值小時(shí)，那么靠近區(qū)域電網(wǎng)的一端就會(huì)優(yōu)先參與到無功調(diào)壓中。當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)在電壓控制過程中的無功需求比無功極限值大時(shí)，所有的區(qū)域電網(wǎng)都滿發(fā)無功，剩余的無功缺額都由無功補(bǔ)償裝置來承擔(dān)。通過制訂區(qū)域電網(wǎng)電壓的協(xié)同控制策略，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)電壓的協(xié)同控制。

2 試驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗測(cè)試

充分考慮到區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制的實(shí)際需求，按照區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制的基本要求，分別采用所提方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的電壓進(jìn)行控制，測(cè)試區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗情況，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗測(cè)試結(jié)果

表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用文獻(xiàn)[5]方法的有功損耗平均值為941.8 MW，由于該控制方法沒有考慮到導(dǎo)線電阻率對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的影響，使得測(cè)試過程中有一部分導(dǎo)線的損耗被計(jì)入到了區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗中，導(dǎo)致最終的區(qū)域電網(wǎng)電壓控制有功損耗值偏大。采用文獻(xiàn)[4]方法的有功損耗平均值為186.66 MW，由于該控制方法忽略了區(qū)域電網(wǎng)渦流和磁帶損耗的耦合性因素，使區(qū)域電網(wǎng)輸出的電壓存在測(cè)量誤差。采用本文所提方法對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電壓進(jìn)行控制時(shí)，隨著區(qū)域電網(wǎng)功率水平的變化，仍然具有非常高的控制能力，經(jīng)計(jì)算，該方法區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗平均值為80.96 MW，可以有效降低區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的有功損耗。

2.2 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗測(cè)試

為驗(yàn)證基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法的有效性，測(cè)試本文所提方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法在區(qū)域電網(wǎng)電壓控制中的無功損耗情況，結(jié)果如圖4所示。

從圖4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗測(cè)試中，隨著區(qū)域電網(wǎng)的功率水平變化，基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法的無損功耗較小。而文獻(xiàn)[4]的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法和文獻(xiàn)[5]的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法測(cè)試得到區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗雖然比有功損耗小，但是仍然不如基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制方法。本文所提方法由于引入了全橋變流器，考慮到全橋變流器輸出電壓與區(qū)域電網(wǎng)電壓之間的相位差，提高了區(qū)域電網(wǎng)的電壓控制能力。

圖4 區(qū)域電網(wǎng)電壓控制的無功損耗

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于全橋變流器的區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)同控制。該方法在區(qū)域電網(wǎng)電壓控制中，可以減少電壓控制的有功損耗和無功損耗，具有比較高的電壓控制能力。在以后的研究中，可以將區(qū)域電網(wǎng)電壓預(yù)測(cè)信息加入到電壓協(xié)同控制中，在提高區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行過程中可靠性的同時(shí)，降低了電網(wǎng)的功率損耗。