基于统一潮流控制器的功率注入模型的最优负荷减排

基于统一潮流控制器的功率注入模型的最优负荷减排

0upfc安装位置和参数设置的确定现代能源系统的网络规模和结构变得越来越复杂。特别是随着能源市场化改革的推进，对电网运行的不确定因素及其对电网的影响变得越来越重要。在实现大规模网络效应的同时，电气系统必须承受更大的潜在风险。灵活交流输电系统(FACTS)装置无需机组重新调度或网络拓扑改变就能对电网参数进行柔性调节统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller,UPFC)作为潮流调节能力最强的一种混合型FACTS装置,仅通过控制规律的改变就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等几种不同的功能,达到对线路有功和无功功率及节点电压实时调节的目的。确定UPFC在输电网中的最优安装位置和最优安装容量是实际工程应用中需要考量的重要问题,开展UPFC在改善输电系统可靠性方面的研究具有重要的学术探讨和工程实际意义。UPFC位置或容量选择不当无疑会导致投资成本浪费,而且实际系统规模大、结构复杂,不可能采用仿真方法逐点测试,因此寻找一种有效的UPFC优化配置方法十分必要。目前,国内外主要从改善系统静态安全、提高电网输电能力等方面对UPFC优化配置问题进行研究。文献[2]采用UPFC的功率注入模型,分别推导了有功载荷率、无功载荷率对UPFC控制参数的灵敏度表达式,并以有功灵敏度为主要依据确定UPFC的安装位置。文献[3]通过系统正常负荷和重负荷时的潮流计算,选择同时出现线路过负荷和节点电压越限的位置安装UPFC,然后采用迭代方法确定受控线路的有功功率和受控节点的无功功率,进而得到UPFC的参数设置。文献[4]通过预想事故分析选择特定的一阶系统故障场景,以最大化系统静态安全水平为目标,分别采用遗传算法和粒子群算法确定UPFC的最优安装位置和参数设置。文献[5-6]同样以静态安全为目标,采用UPFC的解耦模型,考虑UPFC的投资费用,分别通过遗传算法和差分进化算法确定其最优安装位置和容量。文献[2-6]既不考虑负荷预测的不确定性,也不考虑系统元件的随机故障,因此得到的结果只有在特定的系统场景下才是充分和正确的;此外很少有文献从系统可靠性改善的角度对UPFC优化配置问题进行研究。基于此,本文采用UPFC的功率注入模型,将UPFC纳入传统最优负荷削减模型中,利用该模型中UPFC不等式约束中控制参数的拉格朗日乘子的物理意义,推导了系统电量不足期望对UPFC安装容量的灵敏度表达式,提出了根据该灵敏度排序结果确定UPFC安装位置的方法;然后以UPFC投资费用与用户停电损失之和最小为目标,确定UPFC最优安装容量。1表面波容量的确定和稳定模型1.1流器容量UPFC的容量通常指其串联侧换流器与并联侧换流器的容量之和(UPFC的工作原理见附录A),如式(1)所示;而各换流器的容量取决于其与系统间有功和无功功率的交换量式中:S1.2upfc的稳态模型UPFC可用如图1所示的一个串联在线路中的可控电压源和一个并联在置入节点的可控电流源等效,即为UPFC的电源模型。其中,可控电压源表达式为:式中:U可控电流源可分解为有功分量和无功分量两部分。有功分量用于平衡UPFC串联侧所需的有功功率;无功分量用于向节点i注入或吸收无功功率,可用一个无功源Q由图1知,采用UPFC的电源模型不仅需要增加系统节点导纳矩阵维数,而且矩阵中会产生可变元素。利用电路理论对该模型进行等效变换,可得如图2所示UPFC的功率注入模型图中:ΔP式中:g2最优负荷削减、可靠性指标计算发输电系统可靠性评估包括系统状态选取、系统状态的潮流计算和最优负荷削减、可靠性指标计算这3个方面的内容。最优负荷削减是其中最重要且最复杂的部分。为计及UPFC的无功调节能力,本文采用基于交流潮流的最优负荷削减模型,具体如下。1目标函数目标函数式中:C2节点已出负荷约束式中:P其中,式(7)为节点有功和无功功率等式约束;式(8)为削负荷前后功率因数保持恒定约束;式(9)为机组出力范围约束;式(10)为节点电压幅值上下限约束;式(11)为节点削负荷量约束;式(12)为线路潮流约束;式(13)为UPFC控制参数上下限约束。3upfc安装位置的选择上节所述最优负荷削减模型可简单表述如下:根据Kuhn-Tucker最优性条件,在最优解x其中,各不等式约束对应的拉格朗日乘子假定在支路ij节点i端安装一台UPFC,但其控制参数上下限均取0(相应的UPFC容量为0)。这样对任何削负荷状态得到的优化结果与未装UPFC时是一样的,但通过优化计算可得如下UPFC控制参数不等式约束的拉格朗日乘子:ρ当其他变量约束条件不变,而增大该UPFC容量,即放宽UPFC控制参数约束的上下限时,负荷削减量C由式(2)和式(4)得:式中:U则C由式(18)得:由式(17)及拉格朗日乘子ρ表示增大串联侧容量对负荷削减量的边际改善。由拉格朗日乘子表示增大最大无功补偿量Q由式(1)和式(3)得:由dQ年度化电量不足期望E式中:F为系统故障状态集合;pρ表示在支路ij节点i端加装单位容量UPFC对E对于具有b条支路的网络,网络中所有支路的两端均为UPFC的备选安装位置。某一位置的4单位容量投资费用c电力市场环境下,提高系统可靠性的效益直接体现为用户停电损失C式中:R安装不同容量的UPFC带来的可靠性效益不同,同时安装容量与投资费用直接相关。UPFC单位容量投资费用c式中:aUPFC投资费用c注意到式(27)中c式中:τ为现值转等年值系数;r为电力投资回收率;n为UPFC经济使用年限。在系统中某一位置安装UPFC时,随UPFC容量的增加,UPFC投资费用逐渐增大,系统E5基于upfc安装容量的确定在RBTS和IEEE-RTS79可靠性测试系统上对本文提出的方法进行验证。实际工程中,UPFC通常采用串联侧容量与并联侧容量相等的配置形式RBTS接线图及其基础数据见文献[18]。通过枚举4阶及其以下系统故障,得到原始RBTS年度化指标:E由表1可知,在各位置安装UPFC时,系统的可靠性均有一定程度改善。其中,在灵敏度排序位于前6位的位置安装UPFC后,E定义支路过载严重度为支路潮流越限量占其额定容量的百分数,节点电压越限严重度为节点电压越限量占其额定电压的百分数。对各故障状态潮流计算中支路过载和节点电压越限情况进行统计,可得支路期望过载程度和节点电压期望越限程度指标,如表2和表3所示。表中:E可见,表1中通过灵敏度在支路3-4节点4端安装UPFC,选择步长为5MVA,逐步增大UPFC安装容量,得到容量优化计算结果如表4所示。由表4可知,UPFC安装容量为20MVA时,总费用达到最小,E6筛选安装位置和安装容量的方法本文从改善发输电系统可靠性的角度出发,提出了一种“位置选择—容量确定”的两阶段UPFC优化配置方法。1)本文所述灵敏度指标虽然不能完全精确反映各备选位置的优劣次序,