一种电力系统暂态过电压抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电力系统暂态过电压抑制方法及装置，属于电力系统稳定控制领域。

背景技术

在“双碳”目标背景下，加速开发新能源已经成为全球各地迎接环保挑战与能源危机的首要选择。目前，我国新能源需求与分布呈现明显逆向性，西北地区为了提升新能源利用率，已经累计建成多条特高压直流线路进行远距离电能外送，然而，在实际运行中，大规模光伏接入直流外送系统简称高比例光伏系统，这种大规模光伏接入会造成送端电网暂态过电压问题，因此目前急需一种暂态过电压抑制方法。

发明内容

本发明提供了一种电力系统暂态过电压抑制方法及装置，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种电力系统暂态过电压抑制方法，包括：

获取高比例光伏系统直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量和稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率；

将直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量输入预设的整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化，将稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配，通过整流站侧调相机参数优化控制和光伏逆变器无功回退分配控制，对暂态过电压进行抑制；其中，整流站侧调相机控制模型以交流母线暂态过电压峰值最低为目标，光伏逆变器分散控制模型以无功回退最小为目标。

获取调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量，包括：

根据调相机励磁控制系统传递函数中各环节的时间常数，获得调相机励磁响应分量的延时时长；

计算调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量；其中，暂态过电压发生后为暂态过电压发生、且经过延时时长。

获得调相机励磁响应分量的延时时长公式为：

t

其中，t

调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量为调相机自发无功分量和调相机励磁控制无功分量之和；

其中，

将直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量输入预设的整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化，包括：

将直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量输入预设的整流站侧调相机控制模型，采用PSO算法求解整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化；

其中，PSO算法的惯性权重计算公式为：

其中，w

整流站侧调相机控制模型包括目标函数、调相机容量约束和参数约束；

目标函数为：

Z

其中，Z

调相机容量约束为：

其中，Q

参数约束为：

其中，K

将稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配，包括：

将稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，采用一致性算法，控制光伏逆变器无功回退分配；其中分配的目标为将各光伏逆变器的无功利用率控制在同一水平线上。

光伏逆变器分散控制模型包括目标函数、光伏逆变器无功控制容量约束和光伏逆变器并网点功率因数约束；

目标函数为：

Z

其中，Z

光伏逆变器无功控制容量约束为：

Q

其中，Q

其中，

一种电力系统暂态过电压抑制装置，包括：

获取模块，获取高比例光伏系统直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量和稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率；

抑制模块，将直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量输入预设的整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化，将稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配，通过整流站侧调相机参数优化控制和光伏逆变器无功回退分配控制，对暂态过电压进行抑制；其中，整流站侧调相机控制模型以交流母线暂态过电压峰值最低为目标，光伏逆变器分散控制模型以无功回退最小为目标。

抑制模块中，整流站侧调相机控制模型包括目标函数、调相机容量约束和参数约束；

目标函数为：

Z

其中，Z

调相机容量约束为：

其中，Q

参数约束为：

其中，K

抑制模块中，光伏逆变器分散控制模型包括目标函数、光伏逆变器无功控制容量约束和光伏逆变器并网点功率因数约束；

目标函数为：

Z

其中，Z

光伏逆变器无功控制容量约束为：

Q

其中，Q

其中，

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行电力系统暂态过电压抑制方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行电力系统暂态过电压抑制方法的指令。

本发明所达到的有益效果：本发明采样整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化，采样无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配，通过整流站侧调相机参数优化控制和光伏逆变器无功回退分配控制共同抑制暂态过电压，充分发挥了整流站和光伏电站电压调节能力，既能够充分利用光伏系统调节速度快、准确性强的优势，还能够削减硬件设备的附加投入成本。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为高比例光伏接入送端直流外送仿真系统；

图3为直流母线电压电流波形图；

图4为基于优化前参数和优化后参数的调相机无功输出变化曲线；

图5为光伏逆变器不参与电压调节与光伏逆变器参与电压调节时的电压变化情况对比曲线；

图6为本发明、下垂控制以及非线性鲁棒控制比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种电力系统暂态过电压抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取高比例光伏系统直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量和稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率；

步骤2，将直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量输入预设的整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化，将稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配，通过整流站侧调相机参数优化控制和光伏逆变器无功回退分配控制，对暂态过电压进行抑制；其中，整流站侧调相机控制模型以交流母线暂态过电压峰值最低为目标，光伏逆变器分散控制模型以无功回退最小为目标。

上述方法采样整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化，采样无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配，通过整流站侧调相机参数优化控制和光伏逆变器无功回退分配控制共同抑制暂态过电压，充分发挥了整流站和光伏电站电压调节能力，既能够充分利用光伏系统调节速度快、准确性强的优势，还能够削减硬件设备的附加投入成本。

上述方法主要包括两部分，一部分为整流站侧调相机参数优化控制，另一部分为光伏逆变器无功回退分配控制。

整流站侧调相机参数优化控制，过程可以如下：

1)获取整流站侧调相机控制模型的输入参数，具体包括直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量、调相机的额定容量、调相机工作在过励状态时容量对比额定状态的倍数、调相机串联校正环节增益的上下限、调相机功率放大环节增益的上下限等。

这些参数中，大部分参数均比较容易获取，其中调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量需要根据调相机励磁响应分量的延时时长确定，具体可以如下：

11)根据调相机励磁控制系统传递函数中各环节的时间常数，获得调相机励磁响应分量的延时时长。

在整流站侧主要通过对调相机控制参数进行优化，进而对调相机励磁调节器进行电压调节控制；调相机励磁控制系统传递函数，通过下式表示：

其中，K

调相机励磁响应分量的延时时长可通过以下公式求取：

t

其中，t

12)计算调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量；其中，暂态过电压发生后为暂态过电压发生、且经过延时时长。

在送端电网交流母线电压发生变化时，调相机自发无功分量自动进行响应；暂态过电压发生后，经过20ms的延时(即延时时长)，调相机励磁控制系统开始进行调节；调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量可认为是调相机自发无功分量和调相机励磁控制无功分量之和。

调相机自发无功分量和调相机励磁控制无功分量，计算公式如下：

其中，

2)将1)中的参数输入整流站侧调相机控制模型，采用PSO算法求解整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化。

PSO算法的原理是将优化对象(即调相机参数)中的元素抽象为无质量、无体积的粒子，再由这些粒子构成种群。在种群中，通过判断粒子对于优化目标的适应度对粒子进行筛选，最后得到空间中的最优粒子，记为最优解。

在第k次对种群中的粒子进行筛选时，更新的各粒子的速度和位置可表示为：

v

x

其中，v

本发明对传统PSO算法进行了改进，具体对惯性权重计算表达式进行了改进，改进后的表达式为：

其中，w

整流站侧调相机控制模型为预先构建的模型，以交流母线暂态过电压峰值最低为目标，以调相机串联校正环节增益和功率放大环节增益为调整对象，并且考虑了调相机容量约束和参数约束，用公式可以表示为：

目标函数为：

Z

其中，Z

调相机容量约束为：

其中，Q

参数约束为：

其中，K

采用改进的PSO算法求解模型，可以获得优化后调相机参数，即优化后的K

针对整流站侧调相机参数优化控制，构建如图2所示的系统，送端系统中接入3个配套光伏电站，4×100MW、4×102MW、3×103MW经逐级升压后，汇集于750KV三个变电站，其中2站与整流站合建，整流站配置8台280Mvar的调相机，直流母线传输额定电压设为±800kV，额定功率设为104MW。

设置交流母线暂态过电压情况发生与0.5s左右，直流母线电压电流波形图如图3所示。由图3可知，暂态过电压状况发生时刻，直流母线电压和电流急剧减小至0p.u.。首先采用联合调用法求解整流站侧调相机控制模型，采用联合调用法求解时，需调用改进PSO算法。设置种群规模为200，重组概率取0.6，设置算子交叉概率取为0.9，设置算法的迭代次数为300次。

将控制模型的结果输出至调相机励磁调节器，得到基于优化前控制参数和优化后控制参数的整流站侧交流母线电压和调相机无功输出变化曲线。

采用上述提出的参数优化策略对调相机参数进行优化后，整流站侧电压峰值从1.35p.u.降低至1.23p.u.，缓解了整个高比例光伏送端电网的暂态过电压问题，提升了送端电网运行的可靠性。由图4可知，参数优化控制后，调相机的无功吸收潜力被充分释放，暂态过电压期间的响应控制性能得到了显著提升。

光伏逆变器无功回退分配控制，过程可以如下：

S1)获取稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率、光伏逆变器的额定容量、光伏逆变器输出无功功率的上限和下限。

S12)将稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，采用一致性算法求解光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配；其中分配的目标为将各光伏逆变器的无功利用率控制在同一水平线上。

光伏逆变器分散控制模型为预先构建的模块，可先根据光伏逆变器状态变量、控制变量以及外部干扰，构建光伏逆变器的数学模型；该模型为下一步光伏逆变器分散控制模型做基础，光伏逆变器分散控制模型的基本原理是选取光伏逆变器的无功利用率作为一致性变量，通过各光伏逆变器模型之间进行信息交换，对各光伏逆变器的输出无功功率进行调节。

光伏逆变器的数学模型用公式可表示为：

其中，x表示光伏逆变器状态变量，

然后可进一步构建光伏逆变器分散控制模型，该模型以无功回退最小为目标，即暂态无功功率吸收最大为目标，并且考虑光伏逆变器无功控制容量约束和光伏逆变器并网点功率因数约束，用公式可以表示为：

目标函数为：

Z

其中，Z

光伏逆变器无功控制容量约束为：

Q

其中，Q

其中，

采用一致性算法求解光伏逆变器分散控制模型，可以获得各光伏逆变器所承担的无功回退量，即实现光伏逆变器无功回退分配控制。

分配原理为：选取光伏逆变器的无功利用率作为一致性变量，通过各光伏逆变器之间进行信息交换，对各光伏逆变器的输出无功功率进行调节。基于一致性算法的光伏逆变器无功回退分配目标是将各光伏逆变器的无功利用率控制在同一水平线上，具体可表示为：

其中，u

当交流母线暂态过电压情况发生后，根据一致性算法，对各光伏逆变器的无功回退负担进行分配，此时各光伏逆变器所承担的无功回退量可用如下公式计算：

其中，ΔQ

采用一致性算法求解光伏逆变器分散控制模型，图5为光伏逆变器不参与电压调节与光伏逆变器参与电压调节时的电压变化情况对比图，由图可知，光伏逆变器参与电压控制后，光伏逆变器侧暂态过电压峰值从1.30p.u.降低到了1.15p.u.，且暂态过电压恢复过程更加平稳，证明了光伏逆变器参与电压调节的必要性。

上述方法以交流母线暂态过电压峰值最低和以无功回退最小为目标，构建整流站侧调相机控制模型和光伏逆变器分散控制模型，采用联合调用法和一致性算法对模型进行求解，充分发挥了送端电网整流站和光伏电站电压调节能力，抑制交流母线暂态过电压。

将上述方法、下垂控制以及非线性鲁棒控制进行比较，结果如图6所示，从图6的结果来看，相比于下垂控制和非线性鲁棒控制，采用上述方法的情况下暂态过电压峰值为1.23p.u.，小于其他两种策略下的峰值，且采用上述方法对电压进行抑制的响应速度更快，电压幅值恢复过程相对平稳，电力系统运行的可靠性得到了显著提升，进一步验证了本发明方法的有效性。

基于相同的技术方案，本发明还公开了上述方法的软件装置，一种电力系统暂态过电压抑制装置，包括：

获取模块，获取高比例光伏系统直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量和稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率。

抑制模块，将直流外送功率、稳定状态下调相机输出的无功功率、调相机输出无功功率在暂态过电压发生前后的变化量输入预设的整流站侧调相机控制模型，控制整流站侧调相机参数优化，将稳定状态时光伏逆变器输出的无功功率输入预设的光伏逆变器分散控制模型，控制光伏逆变器无功回退分配，通过整流站侧调相机参数优化控制和光伏逆变器无功回退分配控制，对暂态过电压进行抑制；其中，整流站侧调相机控制模型以交流母线暂态过电压峰值最低为目标，光伏逆变器分散控制模型以无功回退最小为目标。

抑制模块中，整流站侧调相机控制模型包括目标函数、调相机容量约束和参数约束；

目标函数为：

Z

其中，Z

调相机容量约束为：

其中，Q

参数约束为：

其中，K

抑制模块中，光伏逆变器分散控制模型包括目标函数、光伏逆变器无功控制容量约束和光伏逆变器并网点功率因数约束；

目标函数为：

Z

其中，Z

光伏逆变器无功控制容量约束为：

Q

其中，Q

其中，

上述软件装置中，各模块的数据处理流程与方法的一致，这里不重复描述了。

基于相同的技术方案，本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行电力系统暂态过电压抑制方法。

基于相同的技术方案，本发明还公开了一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行电力系统暂态过电压抑制方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。