基于統(tǒng)一潮流控制器的功率注入模型的最優(yōu)負(fù)荷減排

0upfc安裝位置和參數(shù)設(shè)置的確定現(xiàn)代能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜。特別是隨著能源市場化改革的推進(jìn)，對電網(wǎng)運(yùn)行的不確定因素及其對電網(wǎng)的影響變得越來越重要。在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的同時(shí)，電氣系統(tǒng)必須承受更大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)裝置無需機(jī)組重新調(diào)度或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖兙湍軐﹄娋W(wǎng)參數(shù)進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)統(tǒng)一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller,UPFC)作為潮流調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)的一種混合型FACTS裝置,僅通過控制規(guī)律的改變就能分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等幾種不同的功能,達(dá)到對線路有功和無功功率及節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的目的。確定UPFC在輸電網(wǎng)中的最優(yōu)安裝位置和最優(yōu)安裝容量是實(shí)際工程應(yīng)用中需要考量的重要問題,開展UPFC在改善輸電系統(tǒng)可靠性方面的研究具有重要的學(xué)術(shù)探討和工程實(shí)際意義。UPFC位置或容量選擇不當(dāng)無疑會導(dǎo)致投資成本浪費(fèi),而且實(shí)際系統(tǒng)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不可能采用仿真方法逐點(diǎn)測試,因此尋找一種有效的UPFC優(yōu)化配置方法十分必要。目前,國內(nèi)外主要從改善系統(tǒng)靜態(tài)安全、提高電網(wǎng)輸電能力等方面對UPFC優(yōu)化配置問題進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]采用UPFC的功率注入模型,分別推導(dǎo)了有功載荷率、無功載荷率對UPFC控制參數(shù)的靈敏度表達(dá)式,并以有功靈敏度為主要依據(jù)確定UPFC的安裝位置。文獻(xiàn)[3]通過系統(tǒng)正常負(fù)荷和重負(fù)荷時(shí)的潮流計(jì)算,選擇同時(shí)出現(xiàn)線路過負(fù)荷和節(jié)點(diǎn)電壓越限的位置安裝UPFC,然后采用迭代方法確定受控線路的有功功率和受控節(jié)點(diǎn)的無功功率,進(jìn)而得到UPFC的參數(shù)設(shè)置。文獻(xiàn)[4]通過預(yù)想事故分析選擇特定的一階系統(tǒng)故障場景,以最大化系統(tǒng)靜態(tài)安全水平為目標(biāo),分別采用遺傳算法和粒子群算法確定UPFC的最優(yōu)安裝位置和參數(shù)設(shè)置。文獻(xiàn)[5-6]同樣以靜態(tài)安全為目標(biāo),采用UPFC的解耦模型,考慮UPFC的投資費(fèi)用,分別通過遺傳算法和差分進(jìn)化算法確定其最優(yōu)安裝位置和容量。文獻(xiàn)[2-6]既不考慮負(fù)荷預(yù)測的不確定性,也不考慮系統(tǒng)元件的隨機(jī)故障,因此得到的結(jié)果只有在特定的系統(tǒng)場景下才是充分和正確的;此外很少有文獻(xiàn)從系統(tǒng)可靠性改善的角度對UPFC優(yōu)化配置問題進(jìn)行研究?；诖?本文采用UPFC的功率注入模型,將UPFC納入傳統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減模型中,利用該模型中UPFC不等式約束中控制參數(shù)的拉格朗日乘子的物理意義,推導(dǎo)了系統(tǒng)電量不足期望對UPFC安裝容量的靈敏度表達(dá)式,提出了根據(jù)該靈敏度排序結(jié)果確定UPFC安裝位置的方法;然后以UPFC投資費(fèi)用與用戶停電損失之和最小為目標(biāo),確定UPFC最優(yōu)安裝容量。1表面波容量的確定和穩(wěn)定模型1.1流器容量UPFC的容量通常指其串聯(lián)側(cè)換流器與并聯(lián)側(cè)換流器的容量之和(UPFC的工作原理見附錄A),如式(1)所示;而各換流器的容量取決于其與系統(tǒng)間有功和無功功率的交換量式中:S1.2upfc的穩(wěn)態(tài)模型UPFC可用如圖1所示的一個(gè)串聯(lián)在線路中的可控電壓源和一個(gè)并聯(lián)在置入節(jié)點(diǎn)的可控電流源等效,即為UPFC的電源模型。其中,可控電壓源表達(dá)式為:式中:U可控電流源可分解為有功分量和無功分量兩部分。有功分量用于平衡UPFC串聯(lián)側(cè)所需的有功功率;無功分量用于向節(jié)點(diǎn)i注入或吸收無功功率,可用一個(gè)無功源Q由圖1知,采用UPFC的電源模型不僅需要增加系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣維數(shù),而且矩陣中會產(chǎn)生可變元素。利用電路理論對該模型進(jìn)行等效變換,可得如圖2所示UPFC的功率注入模型圖中:ΔP式中:g2最優(yōu)負(fù)荷削減、可靠性指標(biāo)計(jì)算發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估包括系統(tǒng)狀態(tài)選取、系統(tǒng)狀態(tài)的潮流計(jì)算和最優(yōu)負(fù)荷削減、可靠性指標(biāo)計(jì)算這3個(gè)方面的內(nèi)容。最優(yōu)負(fù)荷削減是其中最重要且最復(fù)雜的部分。為計(jì)及UPFC的無功調(diào)節(jié)能力,本文采用基于交流潮流的最優(yōu)負(fù)荷削減模型,具體如下。1目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)式中:C2節(jié)點(diǎn)已出負(fù)荷約束式中:P其中,式(7)為節(jié)點(diǎn)有功和無功功率等式約束;式(8)為削負(fù)荷前后功率因數(shù)保持恒定約束;式(9)為機(jī)組出力范圍約束;式(10)為節(jié)點(diǎn)電壓幅值上下限約束;式(11)為節(jié)點(diǎn)削負(fù)荷量約束;式(12)為線路潮流約束;式(13)為UPFC控制參數(shù)上下限約束。3upfc安裝位置的選擇上節(jié)所述最優(yōu)負(fù)荷削減模型可簡單表述如下:根據(jù)Kuhn-Tucker最優(yōu)性條件,在最優(yōu)解x其中,各不等式約束對應(yīng)的拉格朗日乘子假定在支路ij節(jié)點(diǎn)i端安裝一臺UPFC,但其控制參數(shù)上下限均取0(相應(yīng)的UPFC容量為0)。這樣對任何削負(fù)荷狀態(tài)得到的優(yōu)化結(jié)果與未裝UPFC時(shí)是一樣的,但通過優(yōu)化計(jì)算可得如下UPFC控制參數(shù)不等式約束的拉格朗日乘子:ρ當(dāng)其他變量約束條件不變,而增大該UPFC容量,即放寬UPFC控制參數(shù)約束的上下限時(shí),負(fù)荷削減量C由式(2)和式(4)得:式中:U則C由式(18)得:由式(17)及拉格朗日乘子ρ表示增大串聯(lián)側(cè)容量對負(fù)荷削減量的邊際改善。由拉格朗日乘子表示增大最大無功補(bǔ)償量Q由式(1)和式(3)得:由dQ年度化電量不足期望E式中:F為系統(tǒng)故障狀態(tài)集合;pρ表示在支路ij節(jié)點(diǎn)i端加裝單位容量UPFC對E對于具有b條支路的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中所有支路的兩端均為UPFC的備選安裝位置。某一位置的4單位容量投資費(fèi)用c電力市場環(huán)境下,提高系統(tǒng)可靠性的效益直接體現(xiàn)為用戶停電損失C式中:R安裝不同容量的UPFC帶來的可靠性效益不同,同時(shí)安裝容量與投資費(fèi)用直接相關(guān)。UPFC單位容量投資費(fèi)用c式中:aUPFC投資費(fèi)用c注意到式(27)中c式中:τ為現(xiàn)值轉(zhuǎn)等年值系數(shù);r為電力投資回收率;n為UPFC經(jīng)濟(jì)使用年限。在系統(tǒng)中某一位置安裝UPFC時(shí),隨UPFC容量的增加,UPFC投資費(fèi)用逐漸增大,系統(tǒng)E5基于upfc安裝容量的確定在RBTS和IEEE-RTS79可靠性測試系統(tǒng)上對本文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)際工程中,UPFC通常采用串聯(lián)側(cè)容量與并聯(lián)側(cè)容量相等的配置形式RBTS接線圖及其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[18]。通過枚舉4階及其以下系統(tǒng)故障,得到原始RBTS年度化指標(biāo):E由表1可知,在各位置安裝UPFC時(shí),系統(tǒng)的可靠性均有一定程度改善。其中,在靈敏度排序位于前6位的位置安裝UPFC后,E定義支路過載嚴(yán)重度為支路潮流越限量占其額定容量的百分?jǐn)?shù),節(jié)點(diǎn)電壓越限嚴(yán)重度為節(jié)點(diǎn)電壓越限量占其額定電壓的百分?jǐn)?shù)。對各故障狀態(tài)潮流計(jì)算中支路過載和節(jié)點(diǎn)電壓越限情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可得支路期望過載程度和節(jié)點(diǎn)電壓期望越限程度指標(biāo),如表2和表3所示。表中:E可見,表1中通過靈敏度在支路3-4節(jié)點(diǎn)4端安裝UPFC,選擇步長為5MVA,逐步增大UPFC安裝容量,得到容量優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知,UPFC安裝容量為20MVA時(shí),總費(fèi)用達(dá)到最小,E6篩選安裝位置和安裝容量的方法本文從改善發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性的角度出發(fā),提出了一種“位置選擇—容量確定”的兩階段UPFC優(yōu)化配置方法。1)本文所述靈敏度指標(biāo)雖然不能完全精確反映各備選位置的優(yōu)劣次序,