特高壓直流分層計入系統電壓穩定協調控制方法

許中平，趙 峰，李守超，郭 翔，劉亞慶

（1.北京國網信通埃森哲信息技術有限公司，北京 100052；2.國網信息通信產業集團有限公司，北京 100052）

0 引言

電力公司負責滿足全社會電力能源的需要，將電力從產生到分配，再到運輸到用戶端，供用戶使用，在社會生產活動中起到了重要作用，為經濟發展提供了動力基礎。受到地區、發展水平、人口等多方面的影響，我國分為多個地區，每個地區對電力能源的需求量并不一樣，存在東部多、西部少、南部多，北部少的不平衡現象。在電力需求量大的地區中如上海、廣州、深圳等超一線城市，對電量的需求量尤其大，導致這些地區本身儲備的電力能源無法滿足需求，存在能源匱乏的問題[1]。為不影響這些地區的發展，滿足大電量需求，電力公司提出并實施了跨區電力調度的措施，即從其他地區調出電力能源到能源匱乏地區，以緩解該地區能源緊張的問題。跨區電力調度過程，電壓等級不斷提高，發展到現在電壓等級已經上升到±800kV的特高壓[2]。之所以進行電壓升級，主要是為了提升跨區輸電距離，擴大電力傳輸容量。然而，特高壓直流輸電主要采用分層接入的方式，這種方式接入更加靈活，能夠極大改善潮流分布，提高輸電效率，但是隨著不斷應用也發現了特高壓直流分層接入的缺點，即容易出現換相失敗的問題，導致電壓穩定性不足，直接影響了電力輸送的可靠性[3]。面對上述問題，對特高壓直流分層計入系統的電壓進行穩定協調控制具有重要的現實意義。

基于上述背景，很多專家和學者都提出了解決方法。例如，俞翔，魯江，董云龍等人在其研究中首先獲取系統的接線方式，線路電阻和電流等三個參數，然后根據三個參數計算壓降，最后利用壓降對電壓參考值進行修正，實現電壓的穩態控制[4]。謝季平，張文，楊浩在其研究中首先構建了系統的準穩態模型，分析了不同控制方式下母線電壓與逆變器傳輸功率之間的關系，最后建立系統電壓控制優化模型，并進行求解，得出電壓穩定協調控制方案[5]。楊丹，黨杰，邱威等人在其研究中具體分析出了導致電壓失穩的原因，并提出了解決措施，即減小變短路容量或優化直流逆變站參數，為湖南電網電壓穩定提供了重要的參考和借鑒[6]。

在前人取得的研究成果的基礎上，結合穩定因子概念，提出一種新的電壓穩定控制方法。通過該研究為特高壓直流分層計入系統電壓不穩定問題的解決提供參考，提高電力公司跨區供電的服務質量。

1 特高壓直流分層計入系統電壓穩定協調控制方法

特高壓直流分層計入系統字啊跨區輸電工程中發揮了重要作用。通過該系統能有效提高跨地區電網建設的經濟性，降低線損，提高電網支撐力，滿足大容量電力傳輸需要[7]。然而，隨著特高壓直流計入電力系統，使得原有的電力系統復雜程度增大，一旦發生故障，其穩定性很容易受到影響。面對上述問題，提出一種電壓穩定協調控制方法。該方法主要分為三部分，即特高壓直流分層計入系統建模、電壓穩定因子值計算以及電壓穩定協調控制實現。下面針對這三個步驟進行具體分析。

1.1 特高壓直流分層計入系統建模與穩定性問題分析

分層接入，即通過介入不同等級的電力，以達到穩定原有電網系統的目標。接入的電壓等級一般為500kV和1000kV[8]。借鑒一種建模軟件-PSCAD/EMTDC軟件，建立該系統的簡化模型，以為后續分析提供參考和借鑒。建模過程如下：

步驟1：PSCAD/EMTDC軟件登錄；

步驟2：輸入特高壓直流分層計入系統相關參數；

步驟3：構造系統接線拓撲圖；

步驟4：元件參數標注；

步驟5：設置接入點；

步驟6：讀入驅動變量；

步驟7：軟件編譯器編譯并連接；

步驟8：將編譯文本導入到軟件的存儲單元，并利用其中自帶的檢測程序檢驗該文本是否存在錯誤或者亂碼的問題。若存在，需要進行修改，并回到步驟7；否則，輸出特高壓直流分層計入系統模型到顯示區，完成建模工作[9]。

通過上述幾個步驟的流程，構成接入系統的簡化模型，結果如圖1所示。

圖1 系統簡化模型

從圖1中可以看出，當特高壓直流以分層的方式與交流電網相連后，原有的交流電網變成了更為復雜的交直流混聯，這就打通了電網不同層級之間的關聯，產生了耦合特性。這時一旦電網中某一個環節出現電壓波動異常，也就是失穩，當有電力通過時，就有可能出現電壓運輸錯誤，通過電網間的耦合連接，將電力傳輸到另一層，而不是目標層[10]。面對這種情況，如何保證在特高壓接入后電力系統電壓的穩定性成為當下電力公司跨區輸電項目服務中關注的重點。

1.2 系統電壓穩定因子值計算

電壓穩定性因子是評判系統運行狀態下電壓狀態的一個重要指示。通過該指標能夠判斷電壓是否發生失穩問題以及穩定水平高低情況[11]。為控制方程的構建提供了重要的基礎參數。本章節電壓穩定因子值計算主要分為三個部分，即電壓穩定因子指標確定、等值模型及特性方程的構建，以及電壓穩定因子值求解[12]。下面針對這三個方面進行具體分析。

1.2.1 電壓穩定因子指標確定

電壓穩定因子描述的是系統在受到擾動時，電壓維持在設定范圍內的能力[13]。該指標對于電壓協調控制有著非常重要的作用。該因子指標計算公式如式(1)所示：

參考上述公式(1)，構建關于所研究目標，即圖1對應的系統模型，并將式(1)進行針對性轉換。計算公式轉換為如式(2)所示：

明確了系統電壓狀態還不夠詳細，還需要進一步確定電壓穩定的狀態的等級[16]。這時需要計算綜合電壓穩定因子。計算公式如式(3)所示：

式(3)中，ξ代表整體系統的綜合電壓穩定性因子；m代表接入節點的數量。

將ξ與給定的閾值P進行對比，當ξ小于給定的閾值P，認為整體系統的電壓穩定性水平高；當ξ大于給定的閾值P，認為整體系統的電壓穩定性水平低。

上述過程完成了穩定因子的基本介紹，為后續研究和控制方案的設計提供了有效地參考。

1.2.2 等值模型及特性方程的構建

從電壓穩定因子表達式中存在很多未知變量，使得電壓穩定因子并不能直接求得。針對這一問題，本章節構建等值模型及特性方程，為最后的求解做準備[17]。構建的等值模型表達式如式(4)所示：

式(4)中，Di代表第i個換流站交流母線電壓；?代表換流閥的換相角；?代表等效阻抗的相角；θ代表熄弧角；Ci代表等效阻抗的幅值；n代表換流站數量。

為上述構建的等值模型式(4)設置特征約束方程。該方程如式(5)所示：

式(5)中，Bi代表無功功率；minBi、maxBi代表系統無功功率的最小值和最大值；minDi、maxDi代表母線電壓兩端的極值。T代表分層電壓轉換檔位[18]。

1.2.3 電壓穩定因子值求解

針對上述建立的等值模型及特性方程，本章節利用粒子群算法進行求解，獲得電壓穩定因子值[19]。求解過程如下：

步驟1：將式(4)作為粒子群算法中的求解目標，將式(5)作為約束條件；

步驟2：初始化粒子群（每一個粒子代表一個初始解），并設置相關參數；

步驟3：計算每個粒子的適應度，適應度函數計算公式如式(6)所示：

式(6)中，f(x)代表適應度函數；ξ'代表設定的綜合電壓穩定性因子閾值；x代表粒子。

步驟4：根據上述步驟3結果，進行個體最優和全局最優的替代和更新；

步驟5：判斷是否滿足特征約束方程？若滿足，輸出求得的電壓穩定因子值。否則，進行下一步驟

步驟6：更新粒子速度Q(k+1)和位置Hi(k+1)，更新式(7)、式(8)如下：

式(7)、式(8)中，k代表迭代次數；Q(k)代表更新前的粒子速度；α、α′代表加速常數；β、β'代表隨機數；Pb、Pg代表個體最優值和全局最優值；Hi(k)代表更新前的粒子位置。

步驟7：迭代次數+1，并回到步驟3。重復上述過程，直至滿足特征約束方程。

經過上述分析，完成了電壓穩定因子值求解，為后續控制方法的設計提供了關鍵參數。

1.3 電壓穩定協調控制實現

電壓穩定協調控制主要分為四種方式，具體如表1所示。

重復章節1.2流程，得出表1中不同控制方式的電壓穩定因子大小。利用穩定因子建立協調控制方法，實現多種運行方式下接入系統的電壓穩定性控制。具體過程如下：

表1 電壓穩定協調控制方式

步驟1：輸入特高壓直流分層計入系統的相關參數。

步驟2：計算每條母線的直流功率，如式(9)所示：

式(9)中，代表第i條母線的直流功率；Di代表第i條母線的輸出電壓；Li代表第i條母線的輸出電流。

步驟3：并計算與標準直流功率之間的比值，如式(10)所示：

式(10)中，Gi代表第i條母線的直流功率與標準直流功率之間的比值；B′代表標準直流功率。

步驟4：將不同控制方式的電壓穩定因子與直流功率之比相乘，得出數值記為M1，M2，M3，M4，公式如下所示：

式(11)～式(14)中，ξP/E、ξC/E、ξC/V、ξP/V分別代表P/E控制方式、C/E控制方式、C/V控制方式、P/V控制方式的電壓穩定因子。

步驟5：以M1，M2，M3，M4為一端，建立系統穩態方程組，如式(15)所示：

式(15)中，φP/E、φC/E、φC/V、φP/V代表給定的四種不同控制方式的穩態系數；ε代表階躍響應；σ代表有功擾動量。

步驟6：在方程組兩端分別進行對數運算。

步驟7：利用最小二乘擬合算法，求出方程組中包含的各個控制量，包括直流功率、直流電流、直流電壓、逆變器熄弧角等。

根據求出的四個控制量，設計控制方案，讓特高壓直流分層計入系統電壓控制在預期范圍內，保證接入系統的電壓穩定性[20]。

2 算例測試與分析

為測試所研究控制方法的有效性，以基于壓降的控制方法、系統電壓控制優化模型、基于變短路容量的控制方法為對比項，進行電壓穩定性控制測試。

2.1 算例概況

以某特高壓直流輸電工程為對象，該工程輸電系統主要運行參數如表2所示。

表2 某工程特高壓直流輸電系統主要運行參數

基于表2中給出的相關參數，建立系統模型。

2.2 粒子群算法參數設置

利用粒子群算法推導接入電壓穩定因子值時，設置的粒子群運行參數如表3所示。

表3 粒子群算法參數

2.3 不同控制方式下綜合電壓穩定因子計算結果

按照章節1.2研究，計算四種不同控制方式下綜合電壓穩定因子，結果如圖2所示。

圖2 電壓穩定因子值對比圖

從圖2中可以看出，四種控制方式中P/E控制方式下的綜合電壓穩定因子值最大，其次是P/V控制方式，然后是C/E控制方式、最后是C/V控制方式。

2.4 不同控制方式的控制量計算結果

在將預期穩定電壓范圍設置為900kV～950kV的情況下，按照章節1.3研究，求出不同控制方式的四個控制量。結果如表4所示。

表4 不同控制方式的控制量

2.5 電壓穩定性控制效果對比分析

基于表4控制量對特高壓直流分層計入系統進行協調控制，得出系統電壓在6h內的電壓波動情況。相同測試條件下，利用基于壓降的控制方法、系統電壓控制優化模型、基于變短路容量的控制方法同樣進行控制。對比結果如圖3所示。

圖3 電壓穩定性控制效果對比圖

從圖3中可以看出，所研究方法協調控制下，特高壓直流分層計入系統在6h內電壓波動均在900kV～950kV內，而相同測試條件下，利用基于壓降的控制方法、系統電壓控制優化模型、基于變短路容量的控制方法同樣進行控制，系統在6h內電壓波動有時會超出900kV～950kV這一范圍，由此說明所研究控制方法更有利于保證接入系統電壓的穩定輸出。

3 結語

我國地區發展水平、人口數量等限制，對電力的需求量并不相同，有的地區過剩，有的地區則不足。為解決電力能源不足的問題，了解決電力過剩地區能源浪費情況，電力公司提出了跨區電力調度的措施。然而，該措施在實施過程中由于輸電線路較長，當前的線路電壓并無法滿足要求，因此，特高壓直流分層計入系統被接入電網。但該系統存在一個電壓不穩定的問題。針對上述問題，提出一種電壓穩定協調控制方法，該方法通過引入穩定因子，計算不同控制方式的控制變量，從而實現協同控制。最后通過測試，系統在5h內電壓波動均在預期的穩定電壓范圍內，證明了所研究控制方法的有效性。

但是本研究還有部分內容不夠完善，需要進一步深入研究，如測試中得到的結果過于理想，與實際情況存在一定的差距，因此進一步測試。