功率因角預測下特高壓接入后電網可靠性提升方法設計

馬海忠

（國網寧夏電力有限公司，銀川 750001）

引言

特高壓接入電網后的成功運行是我國電網建設能力的體現。但現階段，特高壓接入電網后電網的安全穩定運行仍舊是電力領域研究的重點?，F階段的特高壓下電網運行存在可靠性不佳等問題，如何高質量的保證特高壓接入后電網的穩定運行、提高電網的可靠性具有重要意義[1,2]。

劉萬福[3]等首先建立電網運行可靠性指標；其次，基于集成權重偏差和客觀權重建立特高壓接入電網穩定性的多目標優化模型，從而完成電網可靠性提升控制。該方法存在可靠性提升效果不佳的問題。宋福龍[4]等首先對特高壓接入電網后電網運行情況展開評估；其次，對電網受電情況展開分析；最后，通過對電網結構和線路參數控制來實現電網可靠性提升。該方法存在電網可靠性提升不及時的問題。陳漢雄[5]等首先建立特高壓接入電網結構模型；其次，分析特高壓接入電網穩定運行情況；最后，通過協調控制策略實現電網可靠性提升控制。該方法存在電網運行狀況不佳的問題。

在特高壓接入電網后，增大特高壓電網的容量和覆蓋范圍會導致更復雜的網絡結構，會出現潮流過載和電壓越限問題，導致電網運行振蕩。為保證電網運行的穩定性，提出功率因角預測下特高壓接入后電網過載電壓控制方法。該方法的研究有望為該領域帶來新的技術與支持，具有重要的現實意義。

1 電網功率因角特性計算

在特高壓接入下，由于其較高的電壓等級和輸送能力，會影響電力系統的結構和運行方式，進而影響到電力系統功率因數和功角的產生。通過對電網功率因角特性的分析，可以評估特高壓接入后，電力系統內部功率因數和功角是否處于合理范圍。合理范圍的功率因數可以保證電力系統的能效，而合理范圍的功角可以保證電力系統的穩定性和傳輸能力，保證電網可靠性。因此，采取合理措施來確保電力系統穩定供電和傳輸能力，為特高壓接入下電網網架結構的可靠性提升提供依據[6-8]。

高端逆變器注入交流電網功率dP公式表達為：

式中：

Nb—變流器個數；

Ub—變流器交流節點電壓幅值；

ηb—熄弧角；

I—直流電流；

Zb—變流器變漏抗；

b—變流器。

低端逆變器注入交流電網功率Qb公式表達為：

式中：

γ—功率因角數。

功率因角數的余弦公式表達為：

式中：

v—換相角。

功率因角數的余弦結果實質上是計算電路中有功功率和視在功率之間的夾角，也就是所謂的功率因角。由此，完成了電網的功率因角計算。

2 基于功率因角的電網電壓軌跡預測

特高壓接入電網的設備通常由大量的節點、線路和設備構成，具有復雜的拓撲結構和多變的負荷條件。同時，電網的功率因角特性存在一定的動態性，隨著負荷變化和其他外部條件變化，功率因角也會發生變化。因此，及時監測功率因角，可以預測電壓軌跡變化，以提高電網的穩定性和效率。根據特高壓接入電網的功率因角特性分析結果，基于軌跡靈敏度方法獲取特高壓接入電網后電壓變化預測值。

用O表示交流電網控制量，其公式表達為：

式中：

oz—特高壓分層接入下的交流電網控制量。

用U表示交流電網變化量，其公式表達為：

式中：

Oc—交流電網控制量的暫態變量；

e—交流電網負荷恢復特性的狀態變量；

u—交流電網節點電壓幅值和功率因角的系統變量。

由此，可以得到軌跡靈敏度[9,10]公式表達為：

通過牛頓迭代法和隱式梯形法求解特高壓直流分層接入電網后的準穩態函數[11]，并結合軌跡靈敏度即可獲取預測時域內的電壓輸出軌跡U?，然后根據U?獲取特高壓進入電網后電壓軌跡變化預測值，表達為：

式中：

Vn—通過牛頓迭代法迭代第 次的電壓值；

t—對應變量在t時刻的取值。

3 特高壓接入后電網過載電壓控制方法設計

在特高壓接入電網中，對電壓軌跡預測實時結果是后期控制的重要約束條件。因此，將電壓軌跡預測結果及時轉化為實際操作的決策依據，以實現及時有效的控制措施[12]，并確保特高壓電網的穩定運行。根據特高壓接入電網后電壓軌跡變化，使用有功潮流控制器對直流換流站母線電壓協調控制和輸電線路過載控制，實現特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升。

3.1 基于有功潮流控制器的線路過載控制

電網電壓需要依賴天氣條件、負荷變化、發電機輸出等輸入數據。然而，這些數據受測量誤差、未知故障等因素的影響具有一定的不確定性。進而降低了電網工作的準確性和可靠性，使得特高壓在接入電網受端時，所產生的功率巨大，故造成電網輸電線路過載風險，且此時多個輸電線路均存在過載風險[13]。因此，對特高壓接入下的電網線路進行過載控制。線路過載控制可以通過分析電壓預測軌跡、合理調節負荷分配、優化電網配置等方法，確保線路電流在安全范圍內，并保證電網的可靠運行。通過有功潮流[14]控制功能對輸電線路的過載問題展開控制處理。輸電線路負載電流幅值?Il公式表達為：

式中：

?Pl—輸電線路l負載時的有功功率；

Gl1—輸電線路l母線1 的電導；

Ilc0—有功電流；

Il0—無功電流；

S′—串聯電流源對輸電線路電流的影響情況；

Vd—電壓幅值。

由公式（8）可知，有功潮流指令值受到電壓幅值與無功電流、電壓軌跡預測約束結果的影響，導致了輸電線路的負載電流變化。

輸電線路負載率E公式表達為：

式中：

Il,limit—輸電線路l的熱穩定電流。

當輸電線路的負載率E超過傳統的過載控制通過設置負載率閾值El,set時，有功潮流控制器通過放大積分誤差負載信號實現控制。

但在實際應用中需要考慮下述幾個方向對輸電線路過載控制的影響：

1）當多個有功潮流控制器存在電網中時，需要協調多個有功潮流控制器的線路負載能力。

2）當電網中同時出現多處線路過載問題時，輸電線路過載控制策略均能處理。

根據上述需求，改進輸電線路的過載控制器設計如圖1 所示。

圖1 改進線路過載控制器設計

電壓軌跡預測約束下，下垂控制系數的計算公式表達為：

式中：

Β—通過有功潮流控制的輸電線路集合；

sgnl—符號函數；

El,set—設定負載率閾值。

當檢測到Β 中存在線路過載問題時，如果只有一條線路過載或過載線路的符號函數相同，可直接調節有功潮流控制器指令以控制輸電線路在熱穩限額之下；如果電網輸電線路集合出現符號函數不同的過載線路，不能直接通過有功潮流控制器的指令值完成過載控制，需先調節過載最為嚴重的線路，確保輸電線路在安全范圍內運行。

3.2 基于串、并聯換流器的過載電壓協調控制

在特高壓接入電網的情況下，有功潮流控制器的有功功率控制和無功潮流控制對直流換流站側交流母線電壓靈敏度基本相同。由于線路過載控制可能涉及到調整變壓器的出力或切換線路配置等操作，這可能會對輸電系統的電壓穩定性產生影響，并導致控制后出現電壓過載波動的情況。

為了實現更好的電壓控制，將有功潮流控制器的并聯換流器安裝在直流換流站側，以調節其側鄰近母線電壓。但特高壓接入電網的安全穩定運行會受到直流換流站交流母線穩態電壓和暫態電壓恢復情況的影響。因此，設計一種串、并聯換流器過載電壓協調控制器，來調節輸電系統中的過載電壓，以確保特高壓介入后整個系統的電壓穩定。

串聯電流源對輸電線路電流的影響與電網運行工況無關，但與電網網架結構和線路參數有關，所以有功電流在過載線路的控制過程中不發生改變。因此，根據線路過載情況的不同，在串、并聯換流器之間，通過下垂控制器來調整無功控制量的分配，以實現電力系統中的潮流控制。串、并聯換流器過載電壓協調控制器設計原理如圖2 所示。

圖2 串、并聯換流器電壓協調控制器

圖2中，Kc表示串聯換流器無功控制器的放大器增益，QZ,set表示正常工況下給定的有功潮流控制器的無功潮流設定值，Kb表示并聯換流器無功控制器的放大器增益，Qb,set表示正常工況下并聯換流器無功功率給定值。

其中，直流換流站交流母線電壓變化值?V公式表達為：

式中：

Vmax—電壓上限；

V—直流換流站交流母線電壓；

Vmin—電壓下限。

串聯側負載率?Ec公式表達為：

式中：

并聯側負載率?Eb公式表達為：

式中：

Fc、Fb—串聯側控制電壓的下垂系數和并聯側控制電壓的下垂系數，通過兩個下垂系數，實現無功控制量的分配，完成過載電壓控制，分配公式為：

基于此，通過串聯、并聯換流器的過載電壓協調控制，實現特高壓接入電網后電網網架結構可靠性的提升。

4 實驗與分析

4.1 實驗參數設置

為了驗證特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升研究有效性，在Windows 7、Intel core i7-4210H、8 GB操作系統，編程環境為python3.7 的計算機上使用測試軟件完成實驗。對比直流分層接入技術和直流單層接入技術完成特高壓接入電網方法可知，直流分層接入技術具有更高的穩定性，是未來電網發展趨勢，故以特高壓直流分層接入電網模型為研究對象。特高壓以直流分層形式接入電網架構模型如圖3 所示。

圖3 特高壓直流分層接入電網架構模型

如圖3 所示，特高壓直流分層接入電網架構中，直流濾波器的直流極限為800 kV，其中，極1 中交流濾波器的交流母線電壓為500 kV，極2 中交流濾波器的交流母線電壓為1 000 kV。采用特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升研究（所提方法）、基于多目標優化模型的特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升研究（文獻[3]方法）、基于電網結構和線路參數控制的特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升研究（文獻[4]方法）完成測試，選擇失負荷概率、電壓穩定性、穩定控制時間三個參數衡量電網可靠性。

4.2 結果分析

1）失負荷概率

引入失負荷概率評價特高壓接入下的電網網架結構的可靠性，失負荷概率指一段時間內電網設施出現緊急停電事件的可能性，失負荷概率越低，表明特高壓接入下的電網網架結構的可靠性越高。

采用所提方法、文獻[3]方法、文獻[4]方法完成特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升，記錄三種方法的失負荷概率如圖4 所示。

圖4 三種方法的失負荷概率

分析圖4 可知，文獻[3]方法和文獻[4]方法的特高壓接入下電網結構的失負荷概率均在0.8 以下，所提方法的特高壓接入下電網結構的失負荷概率在0.5 以下，所提方法的電網失負荷概率明顯低于文獻[3]方法和文獻[4]方法，表明所提方法的特高壓接入下電網結構可靠性較高。

2）電壓穩定性

在初始時刻設置特高壓接入電網后的過載短路故障，采用所提方法、文獻[3]方法、文獻[4]方法完成特高壓接入下的電網網架結構可靠性優化控制，記錄三種方法的電網穩定性結果如圖5 所示。

圖5 三種方法的電網結構穩定性

分析圖5 可知，在初始時刻的特高壓接入電網后的過載短路故障后，文獻[3]方法和文獻[4]方法的電網電壓存在振蕩，未能及時達到穩定狀態，而所提方法在19s振蕩后，電網電壓迅速恢復穩定，表明所提方法的特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升效果更好。

3）穩定控制時間

采用所提方法、文獻[14]方法完成特高壓接入下的電網波動后，穩定控制時間，加入7 次外部接入沖擊，造成電壓波動控制如圖6、7 所示。

圖6 本文方法下過載電壓的控制時效

圖7 文獻[14]方法下過載電壓的控制時效

分析圖5~7 可知，采用文獻[14] 方法完成特高壓接入下的電網網架結構可靠性優化控制時間在（72.1~80.4）s，采用所提方法完成特高壓接入下的電網網架結構可靠性優化控制時間在（28.6~40.4）s，所提方法的特高壓接入下的電網網架結構可靠性優化控制時間低于文獻[14]方法，表明所提方法完成特高壓接入下的電網網架結構可靠性優化控制時間更短、效率更高。

通過實驗結果可知，所提方法通過軌跡靈敏度方法準確對特高壓接入電網后電壓變化情況實行預測，為電網結構可靠性提升奠定基礎；然后通過有功潮流控制器有效對特高壓接入電網的線路過載及電壓不穩定情況實行控制，提高了特高壓接入下電網結構的可靠性，獲得了更好的特高壓接入電網穩定控制方法。

5 結束語

研究特高壓接入下電網結構的穩定控制一直是電力領域研究的重點問題之一。因此，提出特高壓接入下的電網網架結構可靠性提升研究。實驗測試表明，該方法可以有效的提高特高壓接入下的電網網架結構的可靠性，且耗費較少的時間對電壓穩定性完成了控制，具有重要現實應用意義。