淺析電力系統中二級電壓的控制

一、概述

電壓崩潰的基本原因是由于電網中某些地區無功不足，造成局部電壓下降，進而導致全網電壓水平下降，最終使系統發生電壓崩潰。在此認識的基礎上，產生了對電力系統采取分級電壓控制的思想。整個控制系統分為三級：一級電壓控制、二級電壓控制和三級電壓控制。其中二級電壓控制的主要目標是以某種協調方式重新設置區域內各自動電壓調節器的參考值，使得各節點電壓滿足運行要求。二級電壓控制是連接其他兩個層次的關鍵環節，他能夠從區域電壓穩定的角度出發，合理、協調地分配本區域內各電壓無功支持源的無功功率，充分利用區域的無功儲備，在一定程度上能夠改善區域的電壓水平和提高系統的電壓穩定性。二級電壓控制已經進行了較多的研究和實踐，是一種可行的、比較成熟的電壓穩定綜合控制技術。

二、二級電壓控制原理

二級電壓控制首先將整個電力系統分成若干個控制區域，這些區域最理想的狀態是彼此電氣距離較遠，相互近似解耦。在每個控制區域中選出其最關鍵的負荷節點稱為“引導節點”，二級電壓控制則是根據引導節點的電壓偏離，按照某種預定的控制方式協調地改變區域各個控制發電機的自動電壓調節器（AVR）的參考電壓設定值或其它無功源的設定值，從而使得引導節點的電壓基本保持不變，進而維持整個系統的電壓水平和無功分布在一個良好的狀態。在二級電壓控制中，整個系統被劃分為若干近似解耦的控制區域，每個區域選擇其關鍵性的、能夠反映本區域負荷電壓水平的節點作為引導節點，并為各引導節點挑選能夠為之提供有效電壓支持的無功源作為控制發電機。在系統運行中，二級電壓控制器監視引導節點的電壓，通過調整本區域一次電壓控制器的電壓參考值，將引導節點的電壓幅值維持在設定值附近，從而達到維持整個區域電壓水平的目的。任何一個電力系統都可以看作是由一組局部受控的發電機組、負荷以及連接它們的傳輸網絡組成。系統的電壓動態由兩部分組成：一級電壓控制引起的一級電壓動態以及由二級電壓控制引起的二級電壓動態。其中影響系統一級電壓動態的主要系統部件包括發電機及其勵磁系統、負荷和網絡，二級電壓控制只在勵磁系統中引入附加控制量。

三、二級電壓控制的模型

當建立發電機、勵磁系統、負荷以及網絡的模型后，將這些方程線性化，經過化簡，可以得出二級電壓控制的模型：

△U1=S1△Q1+S2△U2（1），△Qg=S3△Q1+S4△US（2），式中：△U1為負荷節點電壓變化量；△Qg為發電機輸出無功的變化量；△Q1為負荷節點無功變化量；△US為二級電壓控制附加信號的變化量；S1、S2、S3、S4為相應的系數矩陣。式（1）反映了負荷節點電壓與負荷無功變化和二級電壓附加控制之間的關系。式（2）反映了發電機輸出無功與負荷無功變化和二級電壓附加控制之間的關系。由式（1）、式（2）表示的動態系統一般是不完全可控系統，這說明二級電壓控制無法完全控制系統中所有負荷節點的電壓。一般情況下，電壓控制區內的所有發電機節點都被選為控制機組參與調節，當系統中的引導節點數目確定后，就需要考慮哪些負荷節點被選為引導節點。選出的引導節點應該具有以下的性質：當引導節點的電壓保持不變時，系統中出現的任何無功負荷的變化造成的所有負荷節點的靜態電壓偏移最小。引導節點的上述性質可以用如下的：最小化問題來描述：min(△UT1Q△U1)（3），其中Q為權矩陣，用以體現對系統中重要節點電壓變化的關注程度。引導節點的選擇可以用如下的優化問題來描述：minE(△UT1Q△U1)（4），其中E（*）表示對隨機函數取期望值，這是因為無功負荷的變動是隨機的。

四、二級電壓控制的子問題

二級電壓控制問題包含了兩個子問題，即：（1）劃分控制區域、選擇引導節點和相應的控制發電機；（2）設計控制規律，根據引導節點的電壓偏差調整一次電壓控制器的電壓參考值。其中（1）是由離線計算完成的，對一個給定的系統只做一次計算，選擇出合適的引導節點和控制發電機，在以后的計算或運行中就不再重新選擇。（2）的實現有不同的方法，一類是在線尋優計算，即根據運行過程中出現的不同類別的擾動信息選擇相應的性能指標，并進行在線尋優計算，確定控制規律，這種方法針對性較強，缺點是對算法的快速性要求高，難于實現。另一類則是以PID控制器或其它控制器實現。實現（1）有兩種方法：一種是按照地域分布或行政劃分，首先將全系統分成若干個控制區域，對每個區域進行選擇計算，找到該區域的引導節點及控制發電機；另一種則按照選擇引導節點的性能指標，對全系統的所有節點進行篩選，找出所有的引導節點和與之對應的控制發電機。找出了引導節點和控制發電機的分布，控制區域的劃分也就確定了。在解決實際問題時，應針對實際系統的不同情況，靈活地使用上述兩種方法。每一個節點都可以提供系統的運行信息，但是這種運行信息的獲得卻并不需要遍及每一個節點。也就是說總有一些節點的動態信息是具代表性的，我們從這些節點就有可能獲得反映整個系統的某方面運行情況的信息。“引導節點”就是電力系統中這樣的有代表性的節點。典型情況下，每一個控制區域中只選1個引導節點，而電壓/無功的二級電壓控制規律就以該節點的電壓偏差作為反饋輸入。