考虑随机性影响及直流闭锁故障场景的受端电网有功功率平衡理论研究

• 作 者: 蒋营营
• 机 构: 重庆大学
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 电网系统

近年来，为实施“西电东送”战略，我国的高压直流输电技术得到快速发展。多直流接入的受端电网在直流闭锁故障后会产生巨大的有功功率缺额，引起频率跌落、潮流大幅度转移、输电线路过载等问题，从而引发连锁故障或大规模停电事故。为避免直流闭锁故障在受端电网产生严重的后果，对故障后受端电网的有功功率平衡问题进行深入研究极具现实意义。尽管针对该问题已有不少的研究，但仍然存在诸多挑战，主要包括：如何在故障后受端电网的有功功率平衡问题中计及新能源出力和负荷随机性的影响，如何精确计算故障后系统的有功功率缺额，如何优化协调系统资源在保证故障后系统运行的安全性的前提下使得应对方案更加经济和实用等。因此，针对直流闭锁故障后的受端电网的有功功率平衡问题，本文主要完成了以下工作：
　　1）针对传统的应对方案无法精确求解故障后受端电网的有功功率缺额与未计及的新能源出力和负荷随机性的问题，提出了计及负荷静态特性和源荷功率随机性的受端电网直流闭锁后的切负荷方案。为了精确计算故障后系统的有功功率缺额，该方案中引入了传统发电机的惯性作用和计及静态特性的随机负荷模型，最后基于概率潮流求解。同时，文中详细分析了计及新能源出力和负荷随机性的随机场景下影响有功功率缺额的多个因素及其作用机理。此外，文中采用了不同的切负荷系数来分配有功功率缺额，为了比较它们的优劣，提出了适用于随机场景下评估系统运行情况的安全性指标。基于提出的安全性指标可以进一步确定最优的切负荷方案，并统一了随机场景下的切负荷系数，使得切负荷方案更加实用化。基于改进的IEEE-39节点系统进行相关实验，证明了该切负荷方案的有效性。
　　2）针对计及负荷静态特性和源荷功率随机性的受端电网直流闭锁后的切负荷方案无法优化平衡有功功率缺额的成本，且无法控制在新能源出力和负荷的波动时系统中电压幅值、支路有功功率的越限概率的缺点，建立了受端电网直流闭锁后平衡有功功率缺额的随机优化模型。为了充分利用电力系统的可用资源，引入未故障直流线路的紧急功率支援参与平衡有功功率缺额。为合理评估直流功率紧急支援和切负荷参与平衡有功功率缺额对系统运行的影响，综合成本中计及了直流线路的过载风险和节点切负荷对系统运行的安全性贡献，使得该模型中由综合成本构成的目标函数更加合理。为控制系统中状态变量在新能源出力和负荷波动时的越限概率，对电压幅值、支路有功功率和直流功率建立了相应的机会约束。基于上述模型所得的平衡有功功率缺额的方案能够根据电网运行的安全性要求改变机会约束的允许越限概率，在兼顾系统运行的经济性和安全性的前提下使得平衡有功功率缺额的方案更加灵活实用。基于改进的 IEEE-39节点系统对受端电网直流闭锁后平衡有功功率缺额的随机优化模型的有效性和优越性进行了验证。
　　3）针对受端电网直流闭锁后平衡有功功率缺额的随机优化模型无法计算系统频率，没有考虑节点电压和频率对实际负荷的影响，而实际负荷又会直接影响有功功率缺额大小的问题，提出了计及频率的受端电网直流闭锁后平衡有功功率缺额的随机优化模型。为了更加真实地反映直流闭锁故障后系统的实际运行情况，该模型中考虑了受静态频率和电压特性影响的随机负荷模型、含有静态频率特性的发电机模型。为控制状态变量在新能源出力和负荷波动时的越限概率，除需将电压幅值、支路有功功率和直流功率对应的常规约束转换成机会约束外，还需将系统频率对应的常规约束转换成机会约束。该模型通过引入不确定边界将其求解过程转化为计及频率的最优潮流和计及频率的概率潮流的迭代求解过程，由于该模型中引入了较为复杂的变量函数约束，对应的计及频率的最优潮流问题的求解较为困难，文中采用跟踪中心轨迹法求解，并详细介绍了其求解过程。基于改进的IEEE-39节点系统进行了相关实验，证明了计及频率的受端电网直流闭锁后平衡有功功率缺额的随机优化模型的有效性及优越性。