本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定是電網(wǎng)安全運(yùn)行的基本要求之一。在現(xiàn)代大電網(wǎng)運(yùn)行中，基于單個(gè)、分散式的電壓控制方式，難以滿足日益復(fù)雜的電網(wǎng)電壓安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。建立電源側(cè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的無功功率-電壓協(xié)同控制方式，以提高系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)無功功率和電壓調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，對(duì)保證大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外，動(dòng)態(tài)無功電壓控制大都采用基于單一局部信息的反饋控制方式。在動(dòng)態(tài)無功電壓協(xié)調(diào)控制方面，主要采用反饋線性化、基于Lyapunov穩(wěn)定性的控制方法等。這些方法較復(fù)雜，難以完全適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。

現(xiàn)有技術(shù)方法中，電源側(cè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的無功功率-電壓控制方式大都采用局部分散式的控制方式，且電壓控制策略難以完全適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制方法，其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中電壓控制策略難以完全適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化的問題。

隨著電力系統(tǒng)廣域量測(cè)系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)在大電網(wǎng)中廣泛運(yùn)用，通過利用高精度的實(shí)時(shí)同步量測(cè)數(shù)據(jù)，將為電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制提供有利技術(shù)手段。

一種基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制方法，包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一，利用廣域信息建立電力系統(tǒng)中計(jì)及電源側(cè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備動(dòng)態(tài)電壓響應(yīng)特性的數(shù)學(xué)模型；

其中，x、u及y分別為電力系統(tǒng)的狀態(tài)向量、控制向量和代數(shù)向量；

電力系統(tǒng)狀態(tài)向量x包括電源側(cè)同步發(fā)電機(jī)的q軸暫態(tài)電勢(shì)E′_q、電網(wǎng)側(cè)同步調(diào)相機(jī)的q軸暫態(tài)電勢(shì)以E′_qc及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的滑差s，即x＝[E′_q,E′_qc,s]^T；

電力系統(tǒng)控制向量u包括電源側(cè)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓E_f和電網(wǎng)側(cè)同步調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁電壓E_fc，即u＝[E_f,E_fc]^T

電力系統(tǒng)的代數(shù)向量y包括電力網(wǎng)絡(luò)母線電壓和功率；

步驟二，以負(fù)荷母線電壓偏差和控制代價(jià)的二次型為目標(biāo)函數(shù)，以步驟一所述的模型和變量的設(shè)定變化范圍為約束條件，建立一種電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制模型：

其中：J為目標(biāo)函數(shù)，t₀為擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻，t_m為結(jié)束時(shí)刻，t_f為控制結(jié)束時(shí)刻；ΔV_l(t)、Δu(t)分別為負(fù)荷母線電壓偏差向量和控制變量偏差向量；ΔV_l^T(t)和Δu^T(t)分別為ΔV_l(t)、Δu(t)的轉(zhuǎn)置矩陣；

矩陣R和Q分別為負(fù)荷母線電壓偏差加權(quán)矩陣和控制代價(jià)加權(quán)矩陣，均為對(duì)角矩陣；u_max、u_min為電力系統(tǒng)控制向量u的上下限，y_max、y_min為電力系統(tǒng)代數(shù)向量y的上下限；

步驟三，建立電力系統(tǒng)輸出向量預(yù)測(cè)值和控制向量的關(guān)系，并將采樣時(shí)刻為t_k的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制模型轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題，如下：

其中：Q_p＝diag(Q,…,Q)_M

R_p＝diag(R,…,R)_N，

W為約束系數(shù)矩陣，U為約束向量，為采樣時(shí)刻t_k時(shí)，參考電壓與初始電壓的差值向量，D_lvp為預(yù)測(cè)負(fù)荷電壓向量與采樣時(shí)刻t_k時(shí)控制向量Δu_pk的關(guān)系矩陣；

J_k表示采樣時(shí)刻t_k時(shí)電壓協(xié)同控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，Δu_pk為采樣時(shí)刻t_k時(shí)待求的電壓最優(yōu)控制序列矩陣。

步驟四：利用二次規(guī)劃法求解步驟三所述的二次規(guī)劃問題，得到電力系統(tǒng)控制向量的最優(yōu)序列Δu^*_pk，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制。

進(jìn)一步地，當(dāng)電力系統(tǒng)反饋時(shí)延值為τ₂時(shí)，電力系統(tǒng)控制向量的最優(yōu)序列Δu^*_pk中的第L個(gè)元素為u^*(t_k-τ₁+(L-1)T_s|t_k-τ₁)，將電壓協(xié)同控制策略u(píng)^*(t_k-τ₁+(L-1)T_s|t_k-τ₁)作用于電力系統(tǒng)，負(fù)荷母線電壓恢復(fù)到正常范圍且保持穩(wěn)定時(shí)，則結(jié)束電壓閉環(huán)控制；

其中，L＝((τ₁+τ₂)/T_s)+1，τ₁為前饋時(shí)延值為，T_s為廣域信息采樣周期。

進(jìn)一步地，所述預(yù)測(cè)負(fù)荷電壓向量與控制向量Δu_pk的關(guān)系矩陣D_lvp的表達(dá)式如下：

其中，N表示預(yù)測(cè)步長(zhǎng)，N＝T_p/T_s，信息采樣周期為T_s，預(yù)測(cè)控制周期為T_p，A、B、C分別為電力系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、控制矩陣和輸出矩陣；

其中：Δx、Δu、Δy分為系統(tǒng)狀態(tài)偏差向量、控制偏差向量和輸出偏差向量，即Δx＝x-x_k，Δu＝u-u_k，Δy＝y(tǒng)-y_k，x_k、u_k、y_k依次表示采樣時(shí)刻t_k時(shí)的電力系統(tǒng)狀態(tài)向量實(shí)時(shí)值、控制向量實(shí)時(shí)值以及代數(shù)向量實(shí)時(shí)值。

有益效果

本發(fā)明提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制方法，首先，利用廣域信息建立電力系統(tǒng)中計(jì)及電源側(cè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備動(dòng)態(tài)電壓響應(yīng)特性的數(shù)學(xué)模型；其次，以負(fù)荷母線電壓偏差和控制代價(jià)的二次型為目標(biāo)函數(shù)，以前述的數(shù)學(xué)模型和變量的取值變化范圍為約束條件，建立一種電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制模型；接著，建立電力系統(tǒng)輸出向量預(yù)測(cè)值和控制向量的關(guān)系，并將電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制模型轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題；最后，利用二次規(guī)劃法求解二次規(guī)劃問題，得到電力系統(tǒng)控制向量的最優(yōu)序列，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制；本發(fā)明充分利用了高精度的廣域信息，較好適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化；利用網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式，較好的補(bǔ)償了廣域信息的時(shí)延，能快速得到一種簡(jiǎn)單有效的電壓協(xié)同控制策略，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值和前景；充分發(fā)揮電源側(cè)同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的動(dòng)態(tài)電壓支撐能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的工作流程圖；

圖2為基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制；

圖3為新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為僅采用本地信息反饋的電壓控制方式負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線；

圖5為僅采用本地信息反饋的電壓控制方式同步調(diào)相機(jī)無功功率變化曲線；

圖6為基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)電壓控制方式負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線；

圖7為基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)電壓控制方式同步調(diào)相機(jī)無功功率變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

步驟一，本發(fā)明利用廣域信息，建立計(jì)及電源側(cè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備(比如：同步調(diào)相機(jī))動(dòng)態(tài)電壓響應(yīng)特性的數(shù)學(xué)模型，如下：

式中：y表示系統(tǒng)代數(shù)向量，即電力網(wǎng)絡(luò)母線電壓和功率組成的向量；x和u分別為系統(tǒng)的狀態(tài)向量和控制向量，其表示為

x＝[E′_q,E′_qc,s]^T，u＝[E_f,E_fc]^T

其中：E′_q、E_f分別為電源側(cè)同步發(fā)電機(jī)q軸暫態(tài)電勢(shì)和勵(lì)磁電壓向量；E′_qc、E_fc分為電網(wǎng)側(cè)同步調(diào)相機(jī)q軸暫態(tài)電勢(shì)和勵(lì)磁電壓向量；s為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)滑差向量。

基于廣域信息的系統(tǒng)模型推導(dǎo)過程如下所示。

PMUs能提供高精度的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)，包括：有功和無功功率、節(jié)點(diǎn)電壓、發(fā)電機(jī)功角等信息。一方面，從同步發(fā)電機(jī)側(cè)PMU實(shí)時(shí)獲取發(fā)電機(jī)功角δ_i、角頻率ω_i、有功功率P_gi、機(jī)端電壓V_gi及相角θ_gi信息后，可由式(2)和式(3)求得q軸暫態(tài)電勢(shì)E′_qi。

同時(shí)，發(fā)電機(jī)d、q軸電流i_di和i_qi可由式(4)求出。

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T_ei可由式(5)獲得，即

T_ei＝E′_qii_qi-(X′_di-X_qi)i_dii_qi (5)

而傳統(tǒng)考慮動(dòng)態(tài)勵(lì)磁電壓特性的同步發(fā)電機(jī)3階模型可表示為

其中：式(6)表示發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓動(dòng)態(tài)特性方程，式(7)-式(8)表示發(fā)電機(jī)機(jī)械動(dòng)態(tài)特性方程。i_di、T_ji、ω₀、D_i和T_mi別表示發(fā)電機(jī)的d軸電流、發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)、額定角頻率、功角、阻尼系數(shù)和機(jī)械轉(zhuǎn)矩。i＝1,…,m，m為發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)。

利用廣域信息后，方程(7)和(8)中的狀態(tài)量和電氣量均為已知量。這樣，可用廣域信息得到的變量實(shí)時(shí)值代替動(dòng)態(tài)方程(7)和(8)。即，發(fā)電機(jī)3階動(dòng)態(tài)方程中只保留方程(6)。

另一方面，電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。從WAMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取負(fù)荷側(cè)有功功率P_li和無功功率Q_li、節(jié)點(diǎn)電壓V_li及相角θ_li后，得到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)滑差s_j，如下：

其中：

R₁＝r_m+r_s-R_j/K_Hj，X₁＝X_m+X_s-X_j/K_Hj

r_s、X_s、r_r、X_r、r_m、X_m和K_Hj分別為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電阻和電抗、轉(zhuǎn)子電阻和電抗、勵(lì)磁電阻和電抗、容量折算系數(shù)。j＝1,…,n，n為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷數(shù)。

此外，同步調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)模型可表示為

其中：T′_d0ci、E′_qci、E_fci、X_dci,X′_dci,X_qci和i_dci分別為同步調(diào)相機(jī)的d軸時(shí)間常數(shù)、q軸暫態(tài)電勢(shì)、勵(lì)磁電壓、d軸電抗、d軸暫態(tài)電抗、q軸電抗和d軸電流。

聯(lián)合式(6)、式(9)、式(10)以及電力網(wǎng)絡(luò)方程得到系統(tǒng)等效動(dòng)態(tài)模型，即式(1)。

步驟二，以負(fù)荷母線電壓偏差和控制代價(jià)的二次型為目標(biāo)函數(shù)，以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程(1)和變量的變化范圍為約束條件，建立一種電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制模型，如下：

其中：J為目標(biāo)函數(shù)，t₀為擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻，t_m為結(jié)束時(shí)刻，t_f為控制結(jié)束時(shí)刻；ΔV_l(t)、Δu(t)分別為負(fù)荷母線電壓偏差向量和控制變量偏差向量；矩陣R和Q分別為負(fù)荷母線電壓偏差加權(quán)矩陣和控制代價(jià)加權(quán)矩陣，它們均為對(duì)角矩陣；u_max、u_min為控制量u的上下限，y_max、y_min為代數(shù)量y的上下限。

步驟三，建立電力系統(tǒng)輸出向量預(yù)測(cè)值和控制向量的關(guān)系，并將電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制模型轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題，如下：

定義預(yù)測(cè)控制中，信息采樣周期為T_s，預(yù)測(cè)控制周期為T_p，控制步長(zhǎng)為M，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)為N。其中：M，N均為整數(shù)，M≤N，且N＝T_p/T_s。

首先，在采樣時(shí)刻t_k，利用系統(tǒng)的狀態(tài)向量x_k、控制向量u_k和輸出向量y_k的實(shí)時(shí)廣域信息，將方程(1)增量化后得到系統(tǒng)模型方程為

其中：Δx、Δu、Δy分為系統(tǒng)狀態(tài)偏差向量、控制偏差向量和輸出偏差向量，即Δx＝x-x_k，Δu＝u-u_k，Δy＝y(tǒng)-y_k；A、B、C分別為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、控制矩陣和輸出矩陣。

進(jìn)一步將式(12)差分化后，可得

其中：Δx_k+1為第k+1個(gè)時(shí)刻狀態(tài)偏差向量的預(yù)測(cè)值；矩陣G和H的大小為

利用式(13)，推導(dǎo)系統(tǒng)未來N步輸出向量Δy_pk和控制向量Δu_pk的關(guān)系，即有

Δy_pk＝D_lvpΔu_pk (14)

其中：D_lvp為Δy_pk和Δu_pk的關(guān)系矩陣，其表達(dá)式為

然后，利用式(14)，將電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率-電壓的協(xié)同控制模型轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題。在預(yù)測(cè)周期T_p內(nèi)，式(2)中目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為

其中：

Q_p＝diag(Q,…,Q)_M

R_p＝diag(R,…,R)_N，

為參考電壓與初始電壓的差值向量，矩陣D_lvp為預(yù)測(cè)負(fù)荷電壓向量與控制向量Δu_pk的關(guān)系矩陣。

將式(15)和式(14)代入式(11)，可得

最后，利用二次規(guī)劃法求解式(16)，得到控制向量的最優(yōu)序列Δu^*_pk。

步驟四，利用網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式補(bǔ)償廣域信息的時(shí)延，得到一種考慮時(shí)延補(bǔ)償?shù)碾妷簠f(xié)同控制策略，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

定義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)總時(shí)延值為τ，前饋時(shí)延值為τ₁，反饋時(shí)延值為τ₂，即τ＝τ₁+τ₂?？紤]控制系統(tǒng)的信息時(shí)延后，在采樣時(shí)刻t_k的電壓最優(yōu)控制序列Δu^*_pk表示為

進(jìn)一步考慮反饋時(shí)延值為τ₂，取L＝(τ₁+τ₂)/T_s+1，則最優(yōu)控制序列Δu^*_pk中第L個(gè)元素為

考慮時(shí)延補(bǔ)償后的電壓協(xié)同控制策略即為

將電壓協(xié)同控制策略作用于系統(tǒng)后，負(fù)荷母線電壓恢復(fù)到正常范圍且保持穩(wěn)定，則結(jié)束電壓閉環(huán)控制。

以下將以某應(yīng)用為例子進(jìn)一步說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。

圖3為新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)中，除負(fù)荷節(jié)點(diǎn)31和節(jié)點(diǎn)39采用恒阻抗模型外，其它17個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)均采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型；并且在節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)8處配置額定容量為300Mvar的同步調(diào)相機(jī)，各節(jié)點(diǎn)的調(diào)相機(jī)對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)記為SC3、SC4、SC7和SC8。節(jié)點(diǎn)電壓允許的運(yùn)行范圍為0.95p.u.～1.10p.u.，勵(lì)磁電壓的范圍為-6p.u.～6p.u.，系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量為100MVA。假定該系統(tǒng)配置了充足的PMU，保證系統(tǒng)的可觀測(cè)性，且控制系統(tǒng)的總時(shí)延值τ為0.6s。預(yù)測(cè)控制中，信號(hào)采樣周期T_s＝0.2s,控制步長(zhǎng)M＝5，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)N＝6。

故障假設(shè)：圖3中，當(dāng)t＝2s時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)8的功率增加1.5倍，同時(shí)節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)8所連線路跳閘。

將僅采用本地信息反饋的動(dòng)態(tài)電壓控制，記為策略1；采用本發(fā)明所提基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)電壓協(xié)同控制，記為策略2。

采用策略1的荷節(jié)點(diǎn)電壓、同步發(fā)電機(jī)無功功率變化分別如圖4和圖5所示。由圖4可得，故障前節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)8的電壓在正常范圍內(nèi)。故障后，采用策略1，節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)8的電壓分別保持為0.908p.u.和0.916p.u.，電壓值均低于0.95p.u.。

采用策略2的荷節(jié)點(diǎn)電壓、同步發(fā)電機(jī)無功功率變化分別如圖6和圖7所示。由圖6可得，采用策略2后，節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)8的電壓快速恢復(fù)，最終分別保持為0.980p.u.和0.991p.u.。電壓值均在正常范圍內(nèi)。

由圖5和圖6可得，上述兩種電壓控制策略下，系統(tǒng)穩(wěn)定后同步調(diào)相機(jī)的無功功率如表1所示。由表1可得，在策略2的作用下，各發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓均高于策略1的結(jié)果；因此，策略2比策略1能更好協(xié)同發(fā)電機(jī)和同步調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無功功率-電壓控制，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓響應(yīng)特性，保持系統(tǒng)電壓水平在正常范圍內(nèi)。

表1穩(wěn)定后同步調(diào)相機(jī)無功功率

在本實(shí)施例中，可以采用一種實(shí)施基于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方式的動(dòng)態(tài)無功功率-電壓協(xié)同控制方法的裝置來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法步驟，其包括依次連接的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型建立單元、動(dòng)態(tài)電壓協(xié)同控制模型形成單元，預(yù)測(cè)控制單元以及時(shí)延補(bǔ)償單元和控制策略求取單元。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。