微電網(wǎng)中利用機(jī)組調(diào)節(jié)的潮流控制模型研究

張閣，杭乃善，李璨，黃聰

（1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧 530023；2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

微電網(wǎng)中利用機(jī)組調(diào)節(jié)的潮流控制模型研究

張閣1，杭乃善2，李璨2，黃聰2

（1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧 530023；2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

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在電氣領(lǐng)域，隨著能源和環(huán)境危機(jī)的出現(xiàn)，可再生資源的需求快速增長，分布式電源大量出現(xiàn)[1-3]。

然而，基于分布式發(fā)電（Distributed Generation）本身具有隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，以及分布式電源無功調(diào)節(jié)能力差的特點(diǎn)，無疑給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了新的問題。分布式電源接入電網(wǎng)后，使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變化，網(wǎng)絡(luò)潮流不再單向流動(dòng)，潮流分布逐漸不合理，給電網(wǎng)的電壓控制增添了新的難度。微網(wǎng)技術(shù)[4]的發(fā)展給分布式供電帶來了新的應(yīng)對(duì)思路。但是，我國微網(wǎng)技術(shù)還沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用，研究也有待成熟。FACTS裝置在電力網(wǎng)中的應(yīng)用雖然具有靈活快速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，但是其無法大量地承擔(dān)對(duì)系統(tǒng)潮流的基本控制。因此，發(fā)電機(jī)組聯(lián)合調(diào)節(jié)將給此類潮流控制問題提供了一個(gè)很好的參考方案。

常規(guī)潮流計(jì)算，其結(jié)果不僅能夠校驗(yàn)運(yùn)行方式是否合理，還可以用來分析系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。然而，隨著分布式發(fā)電的擴(kuò)大，電力系統(tǒng)不斷互聯(lián)，用電負(fù)荷不斷地更新，常規(guī)潮流計(jì)算將極易出現(xiàn)無解或者求解結(jié)果不合理的現(xiàn)象。因此，在實(shí)際中，為了更合理地安排系統(tǒng)的運(yùn)行方式[5-6]，將不得不考慮許多諸如節(jié)點(diǎn)電壓幅值和聯(lián)絡(luò)線傳輸功率之類的約束要求，這就是所研究的潮流控制問題。

潮流控制問題可表述為：

（潮流方程︳｛優(yōu)化目標(biāo)；PQV節(jié)點(diǎn)條件；支路功率條件；狀態(tài)變量條件；控制變量條件｝）

在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，調(diào)度員更關(guān)心的是中樞點(diǎn)母線電壓。中樞點(diǎn)母線的電壓跌落會(huì)影響系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)的電壓與負(fù)荷電壓，威脅整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定。當(dāng)中樞點(diǎn)母線電壓不含無功調(diào)節(jié)電源（如發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償器等）時(shí)，系統(tǒng)就可以通過調(diào)節(jié)遠(yuǎn)端發(fā)電機(jī)的出力來維持中樞點(diǎn)的電壓恒定。同時(shí)，當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的出力還不能足夠滿足系統(tǒng)控制要求時(shí)，可通過發(fā)電機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)來控制中樞點(diǎn)的電壓恒定。

本文深入分析了電力系統(tǒng)的實(shí)際物理特性，并提出無功約束靈敏度的概念，描述了控制量和被控量的物理特性聯(lián)系，并建立了利用發(fā)電機(jī)一對(duì)一、多對(duì)一的節(jié)點(diǎn)控制潮流模型，通過求解比較合理地確定了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和全網(wǎng)功率的合理分布，達(dá)到了遠(yuǎn)端電壓控制的目的。最后通過具體算例驗(yàn)證了算法和模型的合理性和可行性。

1 發(fā)電機(jī)組潮流控制問題的原理

在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析中，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓已通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來維持其參數(shù)恒定，實(shí)現(xiàn)控制的本地節(jié)點(diǎn)即我們所描述的PV節(jié)點(diǎn)[7]。但是在實(shí)際運(yùn)行中，往往有很多控制要求，發(fā)電機(jī)功能不再局限于維持本地電壓的恒定，而是成為一個(gè)可調(diào)可控的松弛變量，這樣就產(chǎn)生了潮流控制問題。

式中，x為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓；y為發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)功率方程g（x，y）=0中被控節(jié)點(diǎn)已成為已知量或函數(shù)關(guān)聯(lián)量，某些電源y1成為使v1滿足要求的待求量，潮流控制問題就成為既需要求解x，又需要求解y的混合變量求解形式。

22 種調(diào)節(jié)方式下的算法分析

2.1 一對(duì)一控制模式下

假設(shè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，PQ節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為m，則PV節(jié)點(diǎn)數(shù)為n-m-1。在一對(duì)一控制方式下，設(shè)發(fā)電機(jī)控制PQ節(jié)點(diǎn)m，則此時(shí)被控節(jié)點(diǎn)電壓為已知量不再是常規(guī)潮流中的PQ節(jié)點(diǎn)，而是變?yōu)镻QV節(jié)點(diǎn)，發(fā)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)則變?yōu)镻節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，P節(jié)點(diǎn)和PQV節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在常規(guī)潮流PQ分解法中，p節(jié)點(diǎn)減少了一個(gè)無功方程，PQV節(jié)點(diǎn)在原來PQ節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上增加方程h（v1）=0，待求量v1已知。方程數(shù)和待求量是相等的，潮流可解且解唯一。

2.2 多對(duì)一控制模式下

3 無功約束靈敏度算法

由潮流方程

即為潮流控制變量的無功約束靈敏度矩陣。

由上述推導(dǎo)可知，Dx/QG是PQV節(jié)點(diǎn)可調(diào)電源激勵(lì)的靈敏度矩陣，D反映的是電壓對(duì)電源無功調(diào)節(jié)的變化量。由以上分析可知，無功約束靈敏度的求解，均能準(zhǔn)確反映調(diào)節(jié)特性關(guān)系，某數(shù)值也來源于潮流計(jì)算中的Jacobi矩陣，反映了系統(tǒng)的實(shí)際物理特性。因此，無功約束靈敏度的提出明朗了電源調(diào)節(jié)的梯度線性偏差量，以此作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的修正，將大大減小計(jì)算量，求解規(guī)模也因此減小。

4 求解方法

對(duì)P節(jié)點(diǎn)則僅有一個(gè)不平衡方程

i取P節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

在多對(duì)一控制方式下，即需增加無功調(diào)節(jié)控制因子建立的i-1個(gè)方程。

由上可知修正方程只需改變無功與電壓關(guān)系，有功與相角關(guān)系方程不變。

在Newton迭代修正處理中，P節(jié)點(diǎn)仍理解為常規(guī)PQ節(jié)點(diǎn)，被控節(jié)點(diǎn)理解為PV節(jié)點(diǎn)，迭代中產(chǎn)生的無功不平衡量可按照負(fù)反饋的方式疊加至發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)中，即：

式中，λi為無功控制因子，當(dāng)為一對(duì)一控制時(shí)，λi/Σλi=1。但是，在求多對(duì)一控制方式下，由于機(jī)組聯(lián)合調(diào)節(jié)，并且在大規(guī)模的電力系統(tǒng)中，僅憑經(jīng)驗(yàn)很難找到最有效的調(diào)節(jié)方法，控制因子的處理缺乏科學(xué)方法來確定，極易發(fā)生無功越限現(xiàn)象，故需采用無功約束靈敏度Dx/QG計(jì)算來處理，通過Δy1調(diào)節(jié)對(duì)ΔV1的靈敏度來選擇y1對(duì)V1的電源調(diào)節(jié)組合，使調(diào)節(jié)量更加合理，也能更好地處理無功越限的約束，由此反映了系統(tǒng)的固有調(diào)節(jié)特性。負(fù)反饋無功的迭代處理表明算法的嚴(yán)謹(jǐn)性。約束靈敏度的選擇也保證了算法的收斂性。這種方法也可應(yīng)用于電力系統(tǒng)的在線分析計(jì)算。

5 算例及分析

1）IEEE5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證一對(duì)一控制方式算法的有效性。圖1為IEEE5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

由表1可以看出，由于節(jié)點(diǎn)1在常規(guī)潮流計(jì)算結(jié)果中已經(jīng)處于電壓越限，但是卻沒有就地?zé)o功補(bǔ)償，因此電壓不符合實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行要求。在控制時(shí)通過發(fā)電機(jī)P G 4來控制節(jié)點(diǎn)1的電壓為0.9014pu。可以看出發(fā)電機(jī)發(fā)出無功增加，以提高節(jié)點(diǎn)1的電壓值。控制前后潮流計(jì)算迭代次數(shù)都為4次，所提算法并未增加計(jì)算的復(fù)雜程度。

表1 IEEE5節(jié)點(diǎn)控制前后潮流計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculations results of the before and after flow control of IEEE 5-bus system

2）IEEE14節(jié)點(diǎn)算例分析文中所提多對(duì)一控制算法的有效性

IEEE14節(jié)點(diǎn)潮流計(jì)算控制前后的節(jié)點(diǎn)電壓曲線如圖2所示。

圖2 IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)控制前和發(fā)電機(jī)單一控制模式下電壓曲線圖Fig.2 Voltage profiles of IEEE 14-bus system before control and after single generator control

①發(fā)電機(jī)單一控制模式下，P G 2控制節(jié)點(diǎn)5的電壓。雖然節(jié)點(diǎn)5很好的控制在了1.05pu，但是節(jié)點(diǎn)2的注入無功大量的增加，電壓值升至1.10737pu，已經(jīng)處于越限，不符合電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。因此僅僅通過發(fā)電機(jī)的單一調(diào)節(jié)將出現(xiàn)困難。

②發(fā)電機(jī)聯(lián)合控制模式下，根據(jù)無功約束靈敏度的求解，如表2所示。

表2 IEEE14節(jié)點(diǎn)的無功約束靈敏度矩陣Tab.2 Matrix of the reactive power constraints sensitivity of IEEE 14-bus system

從控制圖3可以看出，通過發(fā)電機(jī)聯(lián)合控制后，被控節(jié)點(diǎn)5的電壓保持1.05pu，節(jié)點(diǎn)2的電壓降至1.09293pu，節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)6分別提升至1.06537和1.09035pu。從圖3可以看出所有節(jié)點(diǎn)電壓的幅值均保持在[0.98,1.1]，沒有發(fā)生電壓越限的現(xiàn)象。通過靈敏度的分析判據(jù)還可以對(duì)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電壓的聯(lián)合控制。

圖3 IEEE14節(jié)點(diǎn)控制前和發(fā)電機(jī)聯(lián)合控制模式下電壓曲線圖Fig.3 Voltage profiles of IEEE 14-bus system before control and after multi-generators combined control

計(jì)算結(jié)果表明，所研究的模型和算法計(jì)算的得到的結(jié)果合理、可靠，并且符合電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，能夠?yàn)檎{(diào)度提供一種可解決分布式電網(wǎng)電源分散性和無功調(diào)節(jié)能不足的方案。

6 結(jié)語

本文針對(duì)分布式電源大量存在現(xiàn)代電網(wǎng)并且其具有無功調(diào)節(jié)不足的缺陷，從電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際物理特性出發(fā)，提出了反映電力系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)度規(guī)律的發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)潮流控制模型。提出無功約束靈敏度算法，有效地確定了機(jī)組聯(lián)合調(diào)節(jié)的方式。I E E E算例的分析表明了發(fā)電機(jī)在一對(duì)一控制和多對(duì)一控制模式下的合理性、準(zhǔn)確性和可行性，能夠有效改善電壓質(zhì)量。此方法也不僅適應(yīng)于輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)，可以運(yùn)用在區(qū)域內(nèi)和不同區(qū)域間的遠(yuǎn)程電壓控制，從而合理優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行。

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Research on Power Flow Control Model of Micro-Grid by Generator Regulation

ZHANG Ge1，HANG Nai-shan2，LI Can2，HUANG Cong2
（1.Electric Power Research Institute，Guangxi Power Grid Corporation，Nanning 530023，Guangxi，China；2.College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China）

This paper presents a profoundn in-depth analysis on the practical physical characteristics of the operation of power system at present,and builds a power flow control model based on generator regulation.By the control criterion of the reactive power constraint sensitivity algorithm，the solution of mixed variables under the one-to-one generator pattern and one-tomultiple generator pattern is found to determine the operation mode generators need and the reasonable distribution of power in the whole grid.This method provides a better solution for faults existing in the reactive voltage regulation in the distributed generation.Finally，the analysis of micro-grid examples by IEEE5and IEEE14suggests that both the model and the algorithm as described in the paper are effective and feasible.

distributed generation；power flow control；generator regulation；sensitivity of reactive power constraints

深入分析了當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際物理特性，建立了一種基于發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)的潮流控制模型。通過無功約束靈敏度算法控制判據(jù)，對(duì)發(fā)電機(jī)一對(duì)一和多對(duì)一控制模式下的混合變量進(jìn)行求解，確定了發(fā)電機(jī)所需要的運(yùn)行方式以及全網(wǎng)功率的合理分布。此方法對(duì)分布式電源無功調(diào)壓能力存在缺陷的問題提供了一個(gè)很好的解決方案。最后，通過IEEE5和IEEE14的微電網(wǎng)算例分析表明了所述模型和算法的有效性和可行性。

分布式電源；潮流控制；發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)；無功約束靈敏度

廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（GXU11T31069）。

1674-3814（2012）08-0006-05

TM 761

A

2012-04-04。

張 閣（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與計(jì)算；

杭乃善（1949—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與計(jì)算，電能質(zhì)量分析與控制；

李 璨（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與計(jì)算；

黃 聰（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與計(jì)算。

（編輯 馮露）