基于交流特高压电网电压波动的自动电压控制系统技术应用.pdf

:/基于交流特高压电网电压波动的自动电压控制系统技术应用张袁旺 李玉齐 张硕 时国瑜 支晓晨(.淮沪煤电有限公司田集发电厂 安徽 淮南.上海明华电力科技有限公司 上海)摘 要:介绍特高压电网电压波动原理与特高压电网无功控制体系 以华东特高压电网电压波动为研究对象 采用主流的 控制优化模型、搭建仿真模拟平台的方法进行分析 并通过应用验证了该策略可有效改善发电厂因特高压电网电压波动受调度机构考核 的结果 在工程应用方面为提升电厂 合格率、减少调度机构对发电厂 考核提供了有效参考关键词:交流特高压 电网电压波动 合格率中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:(.):.:()引言交流特高压电力传输具有线路损耗低、传输距离远、传 输 容 量 大、有 效 利 用 输 电 走 廊 的 特点 但特高压电网的功率损耗和线路上的电压损耗 使电网系统电压波动难以控制“皖电东送”有两座电厂从 电网割接至特高压电网运行 电厂机组通过 升压变压器接入特高压站 并接入 特高压电网 当特高 压 线 路 输 送 潮 流 达 到 时 近 区 电压分钟级波动程度达到 电厂机组自动电压控制()系统投入商业运行后 基本能够响应华东调度主站的控制指令 但难以对 特高压电网电压进行直接控制 有待寻求对特高压电网进行无功电压控制的有效途径 华东特高压 电网与 电网的电磁环网解开之后 经常面临被华东电网调度机构考核 合格率的问题 针对此第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月问题 有必要对电厂接入特高压电网存在的电压波动问题进行优化 在解决电厂被调度机构考核 合格率的同时抑制华东交流特高压电网的电压波动 基础理论 控制原理 系统具有多种电压控制模式 尽管模式各异 不同控制模式最终都是按照一级电压控制结构的设备来执行策略 在 控制模式下 根据约束条件执行控制策略并计算一级电压控制器无功电压目标值 协调统一控制各级调节无功电压的控制设备 实现无功电压控制合理分配无功与电压稳定 特高压电网电压波动原理电力网络传输线路上的电压损耗受传输电力潮流波动的影响 交流特高压电网也具有相同特征传输线路两端电压也随之波动 特高压传输线路的电压损耗可描述为:()/()式中 表示线路电阻 表示线路电抗 表示线路端电压、分别表示特高压电网线路传输的有功功率、无功功率设传输线路运行时的功率因数角为 则用 表达式代替 式()转换如下:()/()式中、在特高压电网规划建设时确定为定值 令()()/将()代入式()再对等式对两边求导 得:()()()()()式()描述了传输线路电压损耗变化量 与线路运行传输时功率因数角、有功潮流 变化量的关系 可知 相同有功潮流 变化引起的电压损耗变化量 随线路运行传输有功 的增大而减小 随线路运行传输时功率因数角 的减小而减小 华东特高压电网无功控制体系 特高压交流电网三级电压控制特高压 系统 是华东区域电网 系统实现自动电压控制的重要组成部分 控制模式的总体结构如图 所示图 三级电压控制体系结构适应交流特高压受端电网的统一无功控制体系采用基于自适应软分区的三级电压控制的控制模式 三级电压控制根据当前全网系统无功分布实现全局无功电压优化计算的控制 最终给出三级电压控制层级变电站无功电压控制中枢母线电压目标值 给二级电压控制提供参考 二级电压控制属于区域级控制 以分钟为时间单位 利用本区域内的遥信量与遥测量 调控中枢母线电压趋近目标值将波动尽可能控制在允许范围内 一级电压控制以毫秒级的时间单位控制现场设备 电厂 子站上位机根据下发的目标值 计算电厂内各台发电机的无功目标 通过增减磁指令下发给 子站下位机以控制自动电压调节器对机组进行增减磁 调节电厂主变压器高压侧母线电压趋近目标值 特高压电压波动指标 电压波动计算依据我国 特高压电网电压波动频繁 波动幅值大 根据交流特高压电网工程实践 电压波动超过允许阈值会使 系统子站无法有效实时响应 系统主站的遥调指令 根据标准/电能质量电压波动和闪变 的要求 电压波动的计算公式可描述为:()()()/()即:()()/()式中 ()为 时刻电压变动 ()为 时刻电压有效值 为系统电压有效值 ()为时刻电压有效值 ()为 与 时刻的电压有效值之差非周期单次电压波动可通过电力负荷、系统参第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月数等估算 当电压波动呈周期性且频次低时 可通过测量电压有效值 ()来评估电压波动情况 电压波动评价方法根据文献 定义电压波动以额定电压为基准电压 仅提供电压波动的计算方法 并未涉及电压波动幅值大时的无功电压控制目标计算本文采用将时间阈内的电压波动取均值 作为基准评价电压波动情况 采用一定时间阈 (如)内电压波动平均值 定义基准电压 用某时刻 的电压 ()与 的差值 表征 时间间隔内的电压波动 电压波动评价计算公式定义为:()()/()式中()表示 时间阈内的电压波动()表示 时刻的电压值 表示 时间阈内的电压平均值 优化模型与仿真平台搭建 特高压 控制优化模型目前华东特高压电网 控制旨在通过对特高压近区电网 电厂和 变电站进行协调自动电压控制 使特高压 变电站母线电压合格、电压平稳、主变压器无功交换合理根据三级电压控制体系结构 华东特高压电压 控制主要包括:三级电压控制是 系统控制的最高层级 在控制范围内进行全局无功优化计算 无功电压控制以经济性、安全性为约束条件计算中枢母线电压目标值 给出特高压电网各变电站主变压器高压侧母线电压优化目标值 下发至下一级电压控制基于最优潮流的无功电压优化算法具有经济性好、安全性高的特点 是 系统在三级电压控制领域的最佳方案 三级电压控制模式下的无功优化最优潮流计算具有电网损耗最小的特点 目前应用成熟的交叉逼近算法是最优潮流算法的主流计算方法 其主要优点是计算效率高 一般在几个分解潮流计算周期内便可收敛 根据文献 最优潮流无功优化模型可作如下描述:()()()式中 是目标函数 代表损耗最低)有功功率、无功功率 满足如下约束:()()()式中 且 为节点数、分别表示节点 处注入的有功功率、无功功率、分别表示节点 与节点 间的等效电导、等效电纳 表示节点 电压与节点 电压的相位差、分别为节点、节点 的电压、分别为节点 的直连机组有功出力、节点 有功负荷、分别为节点 的直连机组无功出力、节点 无功负荷 为无功设备补偿容量)无功电源出力上下限约束、节点电压上下限满足如下约束:()式中、是无功电源出力下限、上限 属于无功源出力节点、是母线节点电压幅值的下限、上限 属于、节点该模型的控制策略在于求解满足无功电压控制约束条件下全局最优解 是电网损耗最小的最优运行方式 此时无功流动也是最为合理的实现最优潮流计算采用主流的交叉逼近算法 电力系统中无功分量、有功分量之间具有弱耦合的特征 交叉逼近算法根据部分对偶与凸对偶理论 借助前述特征对有功、无功进行解耦以实现交叉逼近的最优潮流算法 计算流程如图 所示图 交叉逼近法算流程其中 当 时执行有功 子问题迭代循环 否则执行无功 子问题迭代循环 表示有功收敛 表示无功收敛 当有功、无功 两个子问题均收敛时 满足 第 卷第 期 张袁旺等:基于交流特高压电网电压波动的自动电压控制系统技术应用 年 月此时最优潮流计算完成 否则返回迭代(判断 是否为)仿真模拟平台搭建通过虚拟调度环境的 系统仿真平台对特高压 控制全局无功优化算法进行仿真验证仿真电力系统获取各级电网调度机构的实际调度模型 通过模型拆分与拼接得到全网模型 并根据数据断面生成潮流数据、全网运行状态 模拟控制中心从仿真电力系统接收数据对电网进行控制 并将控制结果返回仿真电力系统 模拟仿真平台电力系统与模拟控制中心的信息交互结构如图 所示图 仿真平台电力系统与模拟控制中心 信息交互结构虚拟调度模拟仿真平台基于离线环境 可模拟 系统计算、控制、调节等环节 主要分两大模块:模拟控制中心、仿真电力系统 该仿真平台实物如图 所示图 虚拟调度模拟仿真平台实物图模拟控制中心主要包含 子站模拟单元、主站模拟单元 子站模拟单元执行主站下发的指令并将调节结果反馈给仿真电力系统 实现闭环控制 主站模拟单元采用三级电压控制模式 模拟调度机构 主站执行无功电压控制策略与计算 并将指令下发给变电站、电厂侧的 系统)主站模拟单元 仿真电力系统从电网调控中心获取电网原始模型 自动匹配相应的 主站模型 主站模拟单元以月、周、日为时间单位人工操作或自动存储控制模型 存储内容包括:三级电压控制的全局无功优化参数 二级电压控制的电厂控制模型、软分区模型、变电站控制模型、下级协调控制模型、变电站网省协同控制模型、母线电压计划曲线模型等 在启动 主站模拟单元时 主站根据当前电网模型时间自动搜索接近该时刻的 控制模型 并将数据装载至 数据库 主站模拟单元在获取电网数据后 根据目标值进行优化计算并将调节指令下发给 子站模拟单元)子站模拟单元 仿真电力系统自动搜索定位当前电网的 子站模型 子站模拟单元经内部通信 从仿真电力系统获得实时数据、电厂与变电站模型 便可模拟现场 系统子站接收调度机构 主站下发的遥调目标 并将调节后电网的无功电压传送至仿真电力系统 及时更新数据)仿真平台的控制策略求解方法 以最优潮流为代表的解析类方法求解三级电压控制问题时计算速度快 适用于数据实时更新的在线环境 满足计算收敛性、计算效率和实时数据应用的需求 虚拟调度环境中的 主站模拟单元采用基于交叉逼近的解析类算法来求解仿真平台中的无功电压优化问题 华东特高压电厂 控制优化应用 无功电压控制中枢母线的选择在电网电压控制体系中 中枢母线电压控制是重要的一环 接入华东特高压电厂 控制优化应用的电厂主变压器高压侧母线如图 所示图 电压控制中枢母线第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月与特高压传输线路直连的发电机组在特高压电力传输网络建设前期较少 调度机构以交流特高压近区 母线作为无功电压控制中枢母线 华东电网调度机构 系统主要遥控 电厂以特高压变电站所在主变压器中压侧 母线作为无功电压控制中枢母线 接入特高压电厂出口 母线经升压变压器接入 交流特高压变电站 调控 母线电压目标来间接调控 特高压母线电压 维持母线电压稳定 华东接入特高压电厂 控制优化应用 考核与补偿费用根据 华东区域发电厂并网运行管理实施细则华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则(简称华东电网“两个细则”)考核与补偿费用计算如下)投运率考核 电厂 子站与区域电网调度机构 主站闭环运行 且“两个细则”规定 子站月投运率达到 时合格 否则电厂受到 投运率考核(投运)机组/()式中 为投运率考核费用 为该机组当月发电量 投运为机组 月投运率 为 考核系数 机组为机组批复上网电价)合格率考核 区域电网调度机构 主站向电厂 子站上位机下发无功电压遥调令 子站装置调整到目标指令范围内不超过 为合格(调节)机组/()式中 为合格率考核费用 为该机组当月发电量 调节为机组 调节合格率 为 考核系数 机组为机组批复上网电价)计算补偿费用方式()式中 为补偿费用 为发电机组 投运时间 为机组额定容量 为补偿标准 系统优化应用策略及技术手段)整定遥测参数变位死区 通过整定遥测参数变位死区 对电厂 系统相关遥测参数进行检测 对部分遥测参数变位死区进行重新整定 将电厂母线母、母、机组有功功率、机组无功功率、机组端电压等遥测变位死区由之前的 重新整定为 最大程度地避免电压波动带来的 子站与主站电压偏差 减少系统电压波动对电厂遥测的影响程度)增加优化采集装置 在确保电厂电气安全的前提下采用直流优化采集装置的技术路线 与电厂现有的交流采样互为备用 可以剔除电压波动异常值且对采样数据进行平滑处理 提升电压稳定性)优化电压指令解析 优化调度机构 主站下发的电压指令 优化前发的指令为电压增量值目标 优化后采用下发电压绝对值目标的方式 电厂接收下发的目标值对母线电压进行调控 减少系统电压波动给电厂母线造成的影响程度 缓解电压波动影响计算电压精度的问题)双主机模式优化 在调度数据网平面、平面基础上 增加电压指令来源判断环节 确保正在运行的 子站上位机与主站 系统同步 且位于同一平面(平面或平面)以消除电压偏差对 调控的干扰 以达到 控制优化应用的目的 合格率排名情况参与“皖电东送”考核与补偿排名的电厂共 家 对比华东试验应用电厂(以下简称“电厂”)优化的控制性能 通过 优化前后合格率排名及考核补偿情况来体现 合格率见表 表 合格率排名情况阶段 月份一期 合格率/一期 月平均合格率/排名二期 合格率/二期 月平均合格率/排名优化前优化后 由表 可知 电厂一期 系统优化后月平均合格率增长 电厂二期 系统优化后月平均合格率增长 系统优化前后月平均考核金额与补偿费用电厂一期优化前后月平均考核金额与补偿费用第 卷第 期 张袁旺等:基于交流特高压电网电压波动的自动电压控制系统技术应用 年 月如图 所示 电厂一期 系统优化后月平均考核金额降低 元 补偿费用增加 元图 电厂一期 系统优化前后 月平均考核与补偿费用电厂二期优化前后月平均考核与补偿费用如图 所示 电厂二期 系统优化后月平均考核金额降低 元 补偿费用增加 元图 电厂二期 系统优化前后 月平均考核与补偿费用电厂一期与二期在 系统优化后 月均总收益为 元 截止至 年 月统计数据 总收益已达 元 结语抑制交流特高压电网电压波动影响的 系统技术应用 有效提升了华东电网接入特高压电厂 的运行合格率 在增加无功补偿收益的同时大幅降低了电厂被调度机构考核的费用 该策略可在其他接入区域电网 系统的电厂使用 具有推广应用价值 在新型电力系统背景下 各区域电网新能源并网主体的接入会长期影响特高压电网电压波动 后续可加强特高压电厂厂级无功调节协作 以及新能源并网主体对区域电网特高压电压波动影响的研究参考文献 吴敬儒 徐永禧.我国特高压交流输电发展前景.电网技术 ():.舒印彪.交流特高压输电技术的研究与应用.电网技术 ():.王彬 郭庆来 孙宏斌 等.交流特高压近区电网自动电压控制研究与实践.电力系统自动化 ():.刘哲 高峰 李晓柯 等.特高压交直流电网的无功电压控制策略.河南电力 ():.陈文彬.电力系统无功优化与电压调整.沈阳:辽宁科学技术出版社.崔全胜.计及电压稳定的电力系统无功规划优化.贵州工业大学学报(自然科学版)():.李培洋.自动电压控制技术在电厂侧的实现技术研究.湖南电力 ():.祝佳佩 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