基于廣域支路響應(yīng)的電壓失穩(wěn)主動(dòng)解列控制

　　摘要：電力系統(tǒng)已呈現(xiàn)出加速電力電子化發(fā)展的趨勢(shì)，局部區(qū)域電壓失穩(wěn)誘發(fā)鄰近電網(wǎng)連鎖反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)加劇。本文首先針對(duì)電壓穩(wěn)定分析的典型系統(tǒng)，解析了電壓失穩(wěn)過程中節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位的時(shí)空分布規(guī)律;其次，以簡(jiǎn)化支路暫態(tài)輸電能力sBTTC定量評(píng)估指數(shù)為特征參量，研究連接于不同兩端節(jié)點(diǎn)的支路響應(yīng)差異，在此基礎(chǔ)上，提出基于層次聚類的失穩(wěn)區(qū)域互連支路識(shí)別和割集搜索方法，以及主動(dòng)解列控制策略。最后，面向存在電壓失穩(wěn)問題的交直流混聯(lián)電網(wǎng)實(shí)際場(chǎng)景，大擾動(dòng)仿真結(jié)果驗(yàn)證割集搜索的準(zhǔn)確性，以及主動(dòng)解列控制限制電壓失穩(wěn)波及范圍和降低連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的有效性。

　　關(guān)鍵詞：廣域支路響應(yīng);電壓穩(wěn)定;支路暫態(tài)輸電能力;層次聚類;主動(dòng)解列

　　0引言

　　近年來，隨著風(fēng)電光伏等新能源電源并網(wǎng)容量快速增長(zhǎng)、特高壓直流輸電工程投運(yùn)數(shù)量逐漸增加，以及電動(dòng)汽車和空調(diào)等變頻負(fù)荷大量接入，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出顯著的電力電子化發(fā)展趨勢(shì)[12]�；�于電力電子變流器并網(wǎng)的源網(wǎng)荷設(shè)備耐受電壓擾動(dòng)的能力弱，若故障后局部區(qū)域電壓持續(xù)大幅低于額定運(yùn)行狀態(tài)，則鄰近電網(wǎng)中的新能源電源將易出現(xiàn)低壓脫網(wǎng)、特高壓直流則存在因連續(xù)換相失敗而閉鎖等連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而擴(kuò)大故障波及范圍威脅大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[36]。 電壓失穩(wěn)是交直流混聯(lián)電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)范疇內(nèi)種失穩(wěn)形態(tài)之一，是電網(wǎng)電壓持續(xù)大幅低于額定運(yùn)行狀態(tài)的極端表現(xiàn)形式[7]。多年來，與電壓穩(wěn)定相關(guān)的問題始終是電力系統(tǒng)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，在已開展的研究中，從時(shí)間尺度上可劃分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定和中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定。

　　智能電網(wǎng)論文： 智能電網(wǎng)背景下的配電運(yùn)維一體化建設(shè)分析

　　圍繞靜態(tài)電壓穩(wěn)定，文獻(xiàn)[8]求解穩(wěn)定域的高階表達(dá)式，并進(jìn)行了詳細(xì)誤差分析;文獻(xiàn)[9]提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度評(píng)估方法;文獻(xiàn)[10]通過引入新型節(jié)點(diǎn)以及一維邊界條件，提出計(jì)算靜態(tài)電壓穩(wěn)定鞍結(jié)分岔點(diǎn)的直接算法;文獻(xiàn)[11]引入圖論理論，提出一種基于電壓控制區(qū)的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓校正方法。面向中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定，文獻(xiàn)[12]綜合分析發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁限制器、有載調(diào)壓變壓器以及負(fù)荷功率對(duì)穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)[13]基于計(jì)及發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)的多端口等值網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)出可辨識(shí)負(fù)荷功率最大值點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)，對(duì)中長(zhǎng)期電壓崩潰起到有效的預(yù)警作用;文獻(xiàn)[14]研究了考慮發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁限制的電壓穩(wěn)定特性及防御優(yōu)化方法。

　　暫態(tài)電壓穩(wěn)定具有發(fā)生、發(fā)展速度快的特點(diǎn)，是電壓穩(wěn)定研究的重要分支，對(duì)其研究主要涉及失穩(wěn)機(jī)理、評(píng)估方法和穩(wěn)定控制等方面。針對(duì)失穩(wěn)機(jī)理，文獻(xiàn)[15]基于微分代數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機(jī)理;文獻(xiàn)[16]明確了基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)網(wǎng)荷互饋特性的暫態(tài)電壓失穩(wěn)機(jī)理;文獻(xiàn)[1718]研究具有風(fēng)電等可再生能源系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定特性以及關(guān)鍵影響參數(shù)。文獻(xiàn)[1920]研究常規(guī)直流、柔性直流與交流電網(wǎng)混聯(lián)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定機(jī)理;圍繞評(píng)估方法，文獻(xiàn)[21]提出基于部分節(jié)點(diǎn)功率電流變化關(guān)系判別暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的方法;文獻(xiàn)[22]使用故障后各節(jié)點(diǎn)電壓序列信息，基于極限學(xué)習(xí)機(jī)建立自適應(yīng)分層暫態(tài)電壓穩(wěn)定評(píng)估體系;文獻(xiàn)[23]提出一種可用于二元表描述的暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)。

　　面向穩(wěn)定控制，文獻(xiàn)[2425]研究提升暫態(tài)電壓支撐能力的發(fā)電機(jī)與靜止無功補(bǔ)償器協(xié)調(diào)控制策略，以及同步調(diào)相機(jī)暫態(tài)響應(yīng)性能;文獻(xiàn)[26]通過有功速降使直流逆變站呈現(xiàn)出無功源特性，進(jìn)而提升受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平;文獻(xiàn)[2728]分別研究應(yīng)對(duì)電壓失穩(wěn)的緊急切負(fù)荷控制和低壓減載方案。解列控制作為電網(wǎng)失穩(wěn)時(shí)阻斷連鎖反應(yīng)的有效措施，一直以來相關(guān)研究多聚焦于功角失穩(wěn)場(chǎng)景[29]。

　　電壓持續(xù)偏低易引發(fā)電力電子裝備連鎖反應(yīng)進(jìn)而擴(kuò)大故障波及范圍、加劇故障損失，因此在電力系統(tǒng)電力電子化發(fā)展背景下，開展電壓失穩(wěn)主動(dòng)解列控制研究，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)需求。面向基于響應(yīng)的穩(wěn)定控制技術(shù)發(fā)展方向3031]，本文首先針對(duì)典型的機(jī)組—負(fù)荷功率傳輸系統(tǒng)，揭示電壓失穩(wěn)過程中節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位時(shí)空分布規(guī)律;以簡(jiǎn)化支路暫態(tài)輸電能力指數(shù)作為特征參量，通過廣域支路層次聚類實(shí)現(xiàn)了連接電壓失穩(wěn)區(qū)域的支路識(shí)別及解列割集定位;在此基礎(chǔ)上，提出了失穩(wěn)區(qū)域主動(dòng)解列控制策略;針對(duì)交直流混聯(lián)電網(wǎng)實(shí)際場(chǎng)景的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了廣域支路聚類識(shí)別的準(zhǔn)確性以及主動(dòng)解列控制限制電壓失穩(wěn)波及范圍和降低連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的有效性。

　　1典型系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位分布

　　1.1電壓穩(wěn)定分析的典型系統(tǒng)模型

　　電壓穩(wěn)定分析中連接機(jī)組與負(fù)荷的典型功率傳輸系統(tǒng)模型。為機(jī)組與負(fù)荷間不計(jì)電阻的支路總電抗，為量測(cè)節(jié)點(diǎn)位置系數(shù)取值范圍0~1，>0和>0為負(fù)荷有功與無功功率，為支路電流。此外，s2、28、8r和s3、37、7r以及s4、46、6r為連接等相鄰節(jié)點(diǎn)的支路段。

　　受端電網(wǎng)出現(xiàn)電壓失穩(wěn)主要存在兩種場(chǎng)景，一種是有功潮流增大主導(dǎo)的電壓失穩(wěn)，例如并聯(lián)直流輸電或交流輸電支路故障開斷，有功潮流轉(zhuǎn)移至剩余交流支路導(dǎo)致受端電網(wǎng)電壓降低直至失穩(wěn);另一種是無功需求增大主導(dǎo)的電壓失穩(wěn)，例如短路故障沖擊后，直流逆變站和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無功需求增大、容性補(bǔ)償裝置受低電壓影響無功輸出減小，兩者共同作用導(dǎo)致受端電網(wǎng)電壓降低直至失穩(wěn)。為此，以下將考察負(fù)荷有功和無功兩種不同主導(dǎo)增長(zhǎng)模式下節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位的分布特征。

　　1.2節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位分布特征評(píng)述

　　綜合上述對(duì)應(yīng)兩種典型負(fù)荷功率增長(zhǎng)模式下的電壓失穩(wěn)場(chǎng)景，可以看出，節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位在空間分布上具有以下兩個(gè)明顯特征。1)廣域節(jié)點(diǎn)電壓的幅值高低具有可劃分性。電壓趨于失穩(wěn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)電壓依據(jù)其幅值差異，存在遠(yuǎn)離失穩(wěn)中心的高壓區(qū)域、失穩(wěn)中心周邊的低壓區(qū)域，以及兩區(qū)域交界的中壓區(qū)域，具備可分類劃分特征。2)相鄰節(jié)點(diǎn)電壓的相位偏差呈現(xiàn)近一致性。功角失穩(wěn)過程中存在相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓相位偏差趨于無界的特征，與此不同，電壓失穩(wěn)過程中相鄰節(jié)點(diǎn)的相位偏差相當(dāng)且均較小，尤其在無功需求增長(zhǎng)導(dǎo)致的電壓失穩(wěn)場(chǎng)景中。節(jié)點(diǎn)電壓存在的上述兩個(gè)空間分布特征，使得基于響應(yīng)信息將連接于不同兩端節(jié)點(diǎn)的支路進(jìn)行聚類區(qū)分成為可能。

　　2基于響應(yīng)的sBTTC指數(shù)及支路特征

　　2.1簡(jiǎn)化支路暫態(tài)輸電能力指數(shù)及其變化趨勢(shì)

　　電壓失穩(wěn)過程中，空間位置不同的節(jié)點(diǎn)其電壓幅值存在顯著差異，受此影響，連接于不同兩端節(jié)點(diǎn)的支路其響應(yīng)特征也將存在區(qū)別。以廣域量測(cè)系統(tǒng)(wideareameasurementsystem，WAMS)測(cè)得的節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位的受擾響應(yīng)為信息源，文獻(xiàn)[33]定義了一種支路暫態(tài)輸電能力指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，不考慮通常恒定的支路導(dǎo)納影響，則支路簡(jiǎn)化支路暫態(tài)輸電能力(simplifiedbranchtransienttransmissioncapability，sBTTC)指數(shù)如式(8)所示。

　　2.2復(fù)雜互連大電網(wǎng)支路特征分析

　　復(fù)雜大電網(wǎng)電壓能否維持穩(wěn)定，取決于動(dòng)態(tài)無功的綜合最大供給能力能否滿足綜合需求。當(dāng)電網(wǎng)遭受大擾動(dòng)或狀態(tài)持續(xù)惡化導(dǎo)致運(yùn)行電壓降低偏離額定運(yùn)行值時(shí)，受靜止電容器補(bǔ)償無功和輸電線路充電無功減少，以及過勵(lì)磁導(dǎo)致發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)退出等因素影響，電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功的綜合最大供給能力sAmax呈連續(xù)或階躍式減小，與此同時(shí)，受感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直流逆變站等動(dòng)態(tài)元件的無功電壓正反饋?zhàn)饔脵C(jī)制影響，動(dòng)態(tài)無功的綜合需求dA快速增大。

　　最大供給與需求之間的差值即無功裕度下降，當(dāng)越過臨界電壓cA后供需失衡電壓失穩(wěn)，提升最大供給能力至sAmax或降低需求至dA可改變臨界電壓至cA從而緩解失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)雜大電網(wǎng)通常具有網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各局部電網(wǎng)之間經(jīng)多個(gè)支路相互連接。從空間上看，電壓失穩(wěn)始發(fā)于動(dòng)態(tài)無功支撐能力相對(duì)薄弱、供需易于失衡的局部電網(wǎng)如電網(wǎng)，在電壓幅值梯度的作用下，互連支路無功增大拉低鄰近電網(wǎng)電壓如電網(wǎng)，進(jìn)而呈現(xiàn)出以失穩(wěn)區(qū)域?yàn)橹行南蛑苓厖^(qū)域輻射蔓延的特征。若電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功供給充裕，可供給因互連支路而增大的無功需求，即如圖所示sBmaxdB，則電網(wǎng)仍可維持電壓穩(wěn)定。

　　3電壓失穩(wěn)主動(dòng)解列控制

　　聚類算法根據(jù)某種相似性度量標(biāo)準(zhǔn)將研究對(duì)象劃分為一定數(shù)量的類簇，其中屬于同一簇的樣本具有最大相似性，而屬于不同簇的樣本則相似性較小。為實(shí)現(xiàn)電壓失穩(wěn)主動(dòng)解列割集的自動(dòng)決策，本文采用最小sBTTC指數(shù)差值度量支路簇間相似性，利用凝聚式層次聚類算法(agglomerativenesting，GNES)[3435]，識(shí)別連接高壓區(qū)域和低壓區(qū)域的支路簇。

　　4仿真驗(yàn)證

　　4.1省級(jí)電網(wǎng)內(nèi)部局部區(qū)域電壓失穩(wěn)

　　4.1.1浙江南部電網(wǎng)電壓失穩(wěn)

　　某水平年，浙江南部局部交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，丹溪、寧海、回浦以及塘嶺等500kV電站供電的220kV電網(wǎng)之間無直接電氣聯(lián)系，即不存在500kV/220kV電磁環(huán)網(wǎng)。因電網(wǎng)負(fù)荷較重，需通過蓮都—甌海和丹溪—回浦、寧海—回浦條支路回500kV線路從主網(wǎng)大量受電，故障沖擊后存在電壓失穩(wěn)問題。

　　5結(jié)論

　　電力系統(tǒng)電力電子化發(fā)展背景下，局部電網(wǎng)電壓失穩(wěn)引發(fā)鄰近電網(wǎng)連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)加劇，實(shí)施主動(dòng)解列控制隔離失穩(wěn)區(qū)域?qū)ΡＵ想娋W(wǎng)安全具有重要意義。本文提出了一種基于廣域支路響應(yīng)的電壓失穩(wěn)主動(dòng)解列控制方法，相關(guān)結(jié)論如下。1)電壓失穩(wěn)區(qū)域呈局部性特征，廣域節(jié)點(diǎn)的電壓幅值大小具有明顯的空間分布差別，連接于不同兩端節(jié)點(diǎn)的支路其暫態(tài)響應(yīng)則具備差異特征。2)基于節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位響應(yīng)信息構(gòu)建的簡(jiǎn)化支路暫態(tài)輸電能力sBTTC指數(shù)，可作為兩端節(jié)點(diǎn)均位于高壓穩(wěn)定區(qū)域、低壓失穩(wěn)區(qū)域，以及分別位于高低壓區(qū)域的支路簇聚類特征量。3)采用凝聚式層次聚類算法，取聚類數(shù)為或，可有效識(shí)別具有中值sBTTC指數(shù)的連接電壓失穩(wěn)區(qū)域的支路簇。4)結(jié)合基于支路簇的解列割集搜索以及表征電網(wǎng)穩(wěn)定水平的關(guān)鍵支路sBTTC大小，實(shí)施主動(dòng)解列控制，可有效隔離失穩(wěn)區(qū)域，降低電網(wǎng)連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：鄭超，孫華東，曲仝

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