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高比例可再生能源配网中考虑安全稳定约束的UPFC降损策略

北极星输配电网  来源:电力系统自动化  作者:宋鹏程 徐政 董桓锋 蔡晖 谢珍建  2018/1/10 8:42:28  我要投稿  

北极星输配电网讯:风能、太阳能等可再生能源具有较大的波动性和不确定性,大量可再生能源接入后对配电网运行带来了新的挑战。若没有有效的运行控制策略,存在较高的母线电压越限和线路过载风险。同时,节能降损也是解决全球气候变暖的重要举措之一。统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)具有多个控制维度,可以同时实现电压越限控制、线路过载控制和损耗控制,为解决全球气候变暖背景下配电网运行中遇到的问题提供了一种有效的解决手段。研究UPFC在高比例可再生能源配网中的控制策略,可以降低高比例可再生能源配电网的运行难度,提高配电网中新能源的消纳水平。

1全球气候变暖背景下配电网运行中有哪些新的要求?全球气候变暖背景下,如何建设环境友好型电网受到了越来越多的关注。采用清洁可再生能源替代常规化石能源是实现环境友好型电网的一个关键环节。然而,风能、太阳能等可再生能源具有较大的波动性和不确定性,大量可再生能源接入后对配电网运行带来了新的挑战。母线电压和线路负载随新能源波动而变化,若没有有效的运行控制策略,则存在较高的母线电压越限和线路过载风险。同时,节能降损也是解决全球气候变暖的重要举措之一。目前,发达国家电网全网损耗约为10%,发展中国家全网损耗在20%左右,其中的一大部分都发生在配电网中。因此,配电网损耗控制也是未来对配电网运行提出的要求之一。

2利用UPFC满足上述配电网运行需求的可行性和遇到的挑战UPFC具有多个控制维度,可以同时实现电压越限控制、线路过载控制和损耗控制,为解决全球气候变暖背景下配电网运行中遇到的问题提供了一种有效的手段。利用UPFC解决上述问题通常有两种途径:实时动态控制策略和基于最优潮流(optimalpower flow,OPF)算法的运行策略。实时动态控制策略多利用反馈控制实现快速有效的动态控制,然而通常控制是针对单个控制目标的固定控制。而基于OPF算法的运行策略可以实现多个控制目标和运行参数的同时优化,其缺点主要是OPF算法的计算量受系统规模影响较大,计算时需要考虑新能源发电量和负荷波动的影响,计算过程较为复杂。

3如何融合动态控制策略和基于OPF算法的运行策略为融合动态控制策略计算量小、控制速度快和基于OPF算法的运行策略可以实现多目标协同优化的优点,本文提出了一种混合控制策略,通过基于PMU测量值的动态控制器实现线损最小化,当损耗最小运行点违反系统安全稳定运行约束时,将通过最优潮流算法计算得到的校正信号叠加到动态控制器上,实现配电网运行全面控制和综合优化。为制定上述控制策略,本文首先推导了具有回路结构的配电网最小线损条件,然后在考虑了允许电压范围、线路负荷限制、UPFC额定值等安全约束的条件下,将考虑安全稳定约束的UPFC降损控制问题转化为一个简单的OPF问题。OPF计算过程中使用PMU测量值描述不等式约束,从而减少求解等式约束的过程,使计算量大大减少。

4UPFC在高比例可再生能源配电网中的控制策略效果如何?本文在改进IEEE 33节点测试系统中对所提控制策略进行了验证,仿真中研究了风电波动对配电网运行参数的影响。自然潮流分布下和采用所提控制策略后的配电网总网损和电压幅值最小值随风电接入量变化的波动曲线分别如图1和图2所示。从图中可以看出,随着风电波动,在自然潮流分布下系统损耗和主要运行参数均发生较大波动,配电网无法安全稳定运行。采用所提控制策略后,配电网整体运行特性得到较大改善,日均节能量约为254.4 kWh。同时,在系统安全约束受到挑战时,能够修正UPFC控制指令值,保证配电网的安全稳定运行。另外,本文还研究了考虑测量和计算时延后所提控制策略的有效性。仿真结果表明,即使考虑0.3 s的PMU测量时延和5.0 sOPF计算时延,所提控制策略仍具有较好的控制特性。所提控制策略所具有的自动降低电网损耗、缓解母线电压越限和线路过载的能力,大大降低了高比例可再生能源配网的运行难度,提高了配电网中新能源的消纳水平。

图1   配电网损耗控制效果

图2   配电网电压幅值最小值随新能源接入量变化波动曲线

作者及团队介绍

宋鹏程:浙江大学电气工程学院博士研究生。主要研究方向为大规模交直流电力系统分析与柔性交流输电。

徐政:博士,浙江大学电气工程学院教授,博士生导师。主要研究方向为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、风力发电技术与风电场并网技术

董桓锋:博士,浙江大学电气工程学院,主要研究方向为大规模交直流电力系统分析。

蔡晖:博士,江苏省电力公司经济技术研究院,主要研究方向为系统规划与新能源接入。

谢珍建:硕士,江苏省电力公司经济技术研究院,主要研究方向为系统规划与新能源接入。

团队介绍:

1987年11月27日,舟山见证了中国首个高压直流输电工程的顺利投运,奠定了浙江大学直流输电研究团队在国内外学术界的地位。近年来,该研究团队在徐政教授的带领下,开拓创新,在直流输电工程技术和大电网规划方面取得了新的成果。2005年与南方电网科学研究院合作,历时数年,开发完成了《高压直流输电基本设计软件包》,为实现直流输电换流站成套设计全面自主化作出了重要贡献;2012年与广东省电力设计研究院联合成立工作组,开展南方电网中长期发展规划的研究,是开展此项研究的三个独立工作组之一,浙大工作组所取得的研究成果对南方电网中长期发展规划报告的形成起到了决定性的作用,提出了南方电网发展以直流输电为主进行西电东送和以异步联网方式隔离送受端的技术路线,目前该技术路线已得到实施;1998年,在国内率先开展了柔性直流输电的研究,2000年在《中国电力》上发表的论文“直流输电技术的新发展”是国内最早介绍柔性直流输电的论文。团队发展四十多年来,出版了三本重要著作《直流输电》、《交直流电力系统动态行为分析》、《柔性直流输电系统》,培养的学生已遍布国内外电力系统,为直流输电事业的发展作出了重要贡献。

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