一種計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法與流程
2023-05-06 00:06:53 1
本發明涉及技術領域，具體涉及一種計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法。
背景技術：
風能作為清潔無汙染的可再生能源，在電力系統中得到廣泛應用。但其波動性、間歇性限制了風電大規模併網。靈活交流輸電系統(FACTS)的出現，為電力系統的安全、可靠、經濟和優質運行提供了有效手段。靈活交流輸電系統主要應用電力電子技術及現代控制技術對交流輸電系統參數及網絡結構靈活控制，從而顯著提高電力系統的穩定性和可靠性。集FACTS控制器優勢於一體的UPFC(統一潮流控制器)具有靈活的控制功能，其快速有效的控制與風電的波動性相配合，有希望實現風電的大規模消納。
可用輸電能力不僅是評價系統安全裕度的重要指標，還可為系統運行人員和電力市場參與者提供電網使用狀況的準確信息，以便指導其市場行為。
目前，國內已有不少學者對ATC(可用輸電能力)計算進行了研究，含有UPFC的ATC計算模型中，UPFC通過其強大的控制功能提高區域間的輸電能力。但其研究均以傳統電網為背景，未考慮新能源的接入，更沒有對由間歇式能源(比如風能源)的引入帶來的不確定性進行分析。電力系統本身具有不確定性，新能源的接入更加劇了其不確定性，在此背景下，採用確定性的方法將對電力系統運行的安全穩定造成威脅。傳統處理不確定性的方法有隨機類方法，如模擬法、解析法、模糊方法以及魯棒優化方法，這些方法都是根據輸入變量的概率信息得到輸出狀態量的概率信息，由此，得到的結果不具有魯棒性。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術的UPFC通過其強大的控制功能提高區域間的輸電能力，未考慮新能源的接入，更沒有對由間歇式能源的引入帶來的不確定性進行分析的問題。本發明的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，提高了電力系統的可用輸電能力，一定程度上增強了對風電波動的魯棒性，增強了系統的穩定性，從而使該計算方法具有更大的優有點，對含不確定性的電力系統的可用輸電能力計算具有重要的意義，具有良好的應用前景。
為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：
一種計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，其特徵在於：包括以下步驟，
步驟(A)，獲得電力系統的初始網絡參數；
步驟(B)，建立UPFC等效功率注入模型；
步驟(C)，建立含UPFC等效功率注入模型的ATC計算優化模型；
步驟(D)，計算預測風速下的ATC初值，將其代入ATC計算公式，得到的結果作為基準值存儲；
步驟(E)，當ATC計算優化模型的優化結果偏離基準值時，基於信息間隙決策理論，存在兩種選擇方案，以風速波動量最大為目標函數的風險規避策略和以風速波動量最小為目標函數的風險偏好策略，通過兩種選擇方案分別計算，形成兩種策略結果；
步驟(F)，根據兩種策略計算結果，確定UPFC的控制策略，提高可用輸電能力，使ATC值受風力波動影響降低；
步驟(G)，改變ATC的預設目標值，轉到步驟(E)-步驟(F)，重新計算得出UPFC控制策略，進一步提高可用輸電能力，使ATC值受風力波動影響降低，直至ATC值超出電力系統運行約束，並輸出ATC值的計算結結果。
前述的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，其特徵在於：步驟(A)，電力系統的初始網絡參數，包括母線編號、名稱、負荷有功、負荷無功、補償電容，輸電線路的支路號、首端節點和末端節點編號、串聯電阻、串聯電抗、並聯電導、並聯電納、變壓器變比和阻抗、風電場出力期望值、UPFC參數。
前述的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，其特徵在於：步驟(B)，建立UPFC等效功率注入模型，如下式所示，
其中，分別表示UPFC注入節點i和節點j的視在功率；i，j分別表示UPFC的節點i，節點j；分別表示節點i和節點j的電壓；表示UPFC的串聯電壓源的電壓，示UPFC的並聯電流源的電流；Bc表示線路ij對地電納。
前述的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，其特徵在於：步驟(C)，建立含UPFC等效功率注入模型的ATC計算優化模型，包括目標函數、增加UPFC後的等式約束和增加UPFC後的不等式約束，
目標函數f1：
其中，SR為有功負荷、Pdi為節點i的有功負荷SR為受電區域；
增加UPFC後的等式約束：
PIc+PEc＝0
其中，n為電力系統節點數；Pi、Qi分別為注入節點i的有功功率和無功功率；Pj、Qj分別為注入節點j的有功功率和無功功率；分別為UPFC等效功率注入模型注入節點i的有功功率和無功功率；分別表UPFC等效功率注入模型注入節點j的有功功率和無功功率；PIc為並聯電流源從系統中吸收的有功功率；PEc為串聯電壓源向系統注入的有功功率；Vi為UPFC並聯側所連節點i的電壓幅值；Vj為UPFC串聯側所連節點j的電壓幅值；Vk為與節點i所連節點的電壓幅值；Gik、Bik分別為節點導納矩陣的第i行、第k列的實部與虛部；Gjk、Bjk分別為節點導納矩陣的第j行、第k列的實部與虛部；θik為節點i、節點k的電壓相角差；θjk為節點j、節點k的電壓相角差；
增加UPFC後的不等式約束：包括發電容量約束、負荷容量約束、節點電壓約束及線路熱極限約束、靜態安全性約束、UPFC的串聯電壓源和並聯電流源的幅值和相角約束。
前述的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，其特徵在於：步驟(D)，計算預測風速下的ATC初值，將其代入ATC計算公式，得到的結果作為基準值存儲，所述ATC計算公式，具體如下，
其中，以預測風速下ATC最大為目標的目標函數、為不確定量的預測值x是決策變量；等式約束、為不等式約束；g分別為不等式約束的上、下限。
前述的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，其特徵在於：步驟(E)，以風速波動量最大為目標函數的風險規避策略，如下式所示，
maxζ
PW＝PWf(1-ζ)
以風速波動量最小為目標函數的風險偏好策略，如下式所示，
minζ
PW＝PWf(1+ζ)
其中，ζ為不確定量與預測值的偏差量，稱為不確定半徑、minζ為不確定最小半徑、maxζ為不確定最大半徑；ATCb為風電場出力在預測值下的ATC；為決策者設定的參數、PW為實際可調度風功率、PWf為預測風功率。
本發明的有益效果是：本發明的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，建立含UPFC等效功率注入模型的ATC計算優化模型，即將ATC計算優化模型應用到含風電接入的電力系統，並結合魯棒性強、優於概率方法的IGDT，提高了電力系統的可用輸電能力，一定程度上增強了對風電波動的魯棒性，增強了系統的穩定性，從而使該計算方法具有更大的優有點，對含不確定性的電力系統的可用輸電能力計算具有重要的意義，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1是本發明的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法的流程圖；
圖2是在線路ij的節點i側加入UPFC裝置的等效電路圖；
圖3是UPFC的等效功率注入模型的示意圖；
圖4是無UPFC和有UPFC下節點電壓對比圖；
圖5是RA策略下閾值參數與波動量關係曲線的示意圖；
圖6是RS策略下閾值參數與波動量關係曲線的示意圖。。
具體實施方式
下面將結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。
本發明的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，建立含UPFC等效功率注入模型的ATC計算優化模型，即將ATC計算優化模型應用到含風電接入的電力系統，並結合魯棒性強、優於概率方法的IGDT，提高了電力系統的可用輸電能力，一定程度上增強了對風電波動的魯棒性，增強了系統的穩定性，從而使該計算方法具有更大的優有點，對含不確定性的電力系統的可用輸電能力計算具有重要的意義，如圖1所示，具體包括以下步驟，
步驟(A)，獲得電力系統的初始網絡參數，包括母線編號、名稱、負荷有功、負荷無功、補償電容，輸電線路的支路號、首端節點和末端節點編號、串聯電阻、串聯電抗、並聯電導、並聯電納、變壓器變比和阻抗、風電場出力期望值、UPFC參數；
步驟(B)，建立UPFC等效功率注入模型，UPFC為FACTS裝置中控制功能最強的潮流控制器，具有多種穩態下數學模型，採用UPFC的穩態電流源與電壓源模型，即將UPFC用一個並聯的電流源和一個串聯的電壓源表示，假設在線路ij的節點i側加入UPFC裝置，可得其等效電路，如圖2所示，UPFC具有強大的控制功能，可以同時調節節點的電壓、相位以及線路上的潮流。串聯電壓源在實現UPFC主要功能的時候會向線路注入可以改變幅值和相角的交流電壓，它即能向線路注入有功功率也能向其注入無功功率，即UPFC主要通過串聯電壓源進行對潮流進行調節。由於UPFC裝置是無源元件，忽略UPFC的自身損耗，UPFC即不發出也不吸收有功功率，在計算過程中採用UPFC的等效功率注入模型，如圖3所示，在不增加節點導納矩陣維數的情況下，使得潮流計算更加簡便，等效功率注入模型是電源型模型進行一種網絡拓撲變化的結果，此模型將UPFC的影響由支路轉移至相應線路兩端的節點，這樣就不需要改變原有的節點導納矩陣，使UPFC模型嵌入到系統中，潮流計算也變的更加直觀方便。
根據等效功率注入法，UPFC等效功率注入模型，如下式所示，
其中，分別表示UPFC注入節點i和節點j的視在功率；i，j分別表示UPFC的節點i，節點j；分別表示節點i和節點j的電壓；表示UPFC的串聯電壓源的電壓，示UPFC的並聯電流源的電流；Bc表示線路ij對地電納。
由此，可以求解出節點i和節點j的功率表達式：
其中，分別表示UPFC注入節點i和節點j的視在功率；分別表UPFC注入節點i的有功功率和無功功率；分別表UPFC注入節點j的有功功率和無功功率；Ec、θEc分別表示UPFC的串聯電壓源的幅值和相角；Ic、θIc分別表示UPFC的並聯電流源的幅值和相角；Vi、Vj分別表示節點i和節點j的電壓幅值；θi、θj分別表示節點i和節點j的電壓相角；Gij、Bij表示節點導納矩陣中相應的元素；
在穩態運行時，UPFC作為無源元件，在忽略自身損耗的情況下，既不發出也不吸收有功功率，即：
PIc+PEc＝0
其中，PIc為並聯電流源從系統中吸收的有功功率；PEc為串聯電壓源向系統注入的有功功率，PIc＝ViIccos(θi-θIc)、
又有
所以，
所以，PIc+PEc＝0可變為下式，
由上式可知，UPFC的等效注入功率以及自身的有功平衡方程只與UPFC的控制參數、裝設UPFC線路的兩端節點的狀態變量以及線路參數有關。
當電力系統中加入UPFC時，需在ATC的最優潮流模型中增加新的狀態變量和約束條件，模型中除了要將等效注入功率考慮在內，還要將UPFC控制變量的運行可行域考慮在內；
步驟(C)，建立含UPFC等效功率注入模型的ATC計算優化模型，包括目標函數、增加UPFC後的等式約束和增加UPFC後的不等式約束，
目標函數f1：
其中，SR為有功負荷、Pdi為節點i的有功負荷SR為受電區域；
增加UPFC後的等式約束：
PIc+PEc＝0
其中，n為電力系統節點數；Pi、Qi分別為注入節點i的有功功率和無功功率；Pj、Qj分別為注入節點j的有功功率和無功功率；分別為UPFC等效功率注入模型注入節點i的有功功率和無功功率；分別表UPFC等效功率注入模型注入節點j的有功功率和無功功率；PIc為並聯電流源從系統中吸收的有功功率；PEc為串聯電壓源向系統注入的有功功率；Vi為UPFC並聯側所連節點i的電壓幅值；Vj為UPFC串聯側所連節點j的電壓幅值；Vk為與節點i所連節點的電壓幅值；Gik、Bik分別為節點導納矩陣的第i行、第k列的實部與虛部；Gjk、Bjk分別為節點導納矩陣的第j行、第k列的實部與虛部；θik為節點i、節點k的電壓相角差；θjk為節點j、節點k的電壓相角差。
增加UPFC後的不等式約束：包括發電容量約束、負荷容量約束、節點電壓約束及線路熱極限約束、靜態安全性約束，如下式所示
其中，Pg,min、Pg,max分別表示發電機有功功率的下限和上限、Pgi表示發電機有功功率；Qg,min、Qg,max分別表示發電機無功功率的下限和上限、Qgi表示發電機無功功率；Pld,min、Pld,max分別表示負荷有功功率的下限和上限、Pldi表示負荷有功功率；Qld,min、Qld,max分別表示負荷無功功率的下限和上限、Qldi表示負荷無功功率；Vimin、Vimax分別表示節點i電壓的下限和上限表示節點i、Vi表示節點i電壓；Pij,min、Pij,max分別表示線路所傳輸的有功功率的下限和上限、Pij表示線路所傳輸的有功功率；Ng、N、Nl分別為系統中發電機數、節點數和支路數。
此外，UPFC的控制變量約束也要考慮在內，即UPFC的串聯電壓源和並聯電流源的幅值和相角的約束，即
其中Ecmax，Ecmin，θEc,max，θEc,min分別表示UPFC串聯電壓源幅值和相角的上限和下限；Icmax，Icmin，θIc,max，θIc,min分別表示UPFC並聯電流源幅值和相角的上限和下限；
步驟(D)，計算預測風速下的ATC初值，將其代入ATC計算公式，得到的結果作為基準值存儲，
對於優化問題：
其中，γ是不確定輸入量；Γ是不確定集合；x是決策變量；h(x,γ)、g(x,γ)為等式、不等式約束，對於不確定集，可用如下數學表達：
其中，為不確定量的預測值；ζ為不確定量與預測值的偏差量，稱為不確定半徑。對決策者而言，不確定半徑本身是個未知量，若將不確定量的預測值代入式即得到ATC計算公式，具體如下，
其中，以預測風速下ATC最大為目標的目標函數、為不確定量的預測值x是決策變量；等式約束、為不等式約束；g分別為不等式約束的上、下限；
步驟(E)，當ATC計算優化模型的優化結果偏離基準值時，基於信息間隙決策理論，存在兩種選擇方案，以風速波動量最大為目標函數的風險規避策略和以風速波動量最小為目標函數的風險偏好策略，通過兩種選擇方案分別計算，形成兩種策略結果，
(1)風險規避策略，風險規避策略是在不確定環境中所作的保守決策，儘可能使所得優化結果對不確定性具有魯棒性。數學表達如下：
h(x,γ)＝0
其中，Λc是目標函數的閾值，通常取為一定比例的基準值；為決策者設定的參數；為最大風功率波動量、表示調整控制策略使得最大的風功率波動最大化、maxζζ為最大化風功率波動量、fb(x,γ)為基準狀態下的ATC值；
該問題可以理解為在不確定下，目標函數有可能降低，為了保證不低於設定的閾值，不確定性實現的最大偏差量。
(2)風險偏好策略，與風險規避策略相反，風險偏好策略試圖從不確定性中尋求收益，數學表達如下：
h(x,γ)＝0
其中，Λo是目標函數的閾值，通常取為一定比例的基準值；為決策者設定的參數，minζζ為最小化風功率波動量、表示調整控制策略使得最大的風功率波動最小化。
該問題可以理解為在不確定下，目標函數有可能增加，為了保證不低於設定的閾值，不確定性實現的最小偏差量。
將信息間隙決策理論(Information Gap Decision Theory,IGDT)方法用於ATC計算，首先求得基準狀態(Base Case,BC)：
其中，ATCb為風電場出力在預測值下的ATC；SD為受電區域、Pd，i為節點i的實際負荷，Pd0，i為基準狀態下的負荷量。
以風速波動量最大為目標函數的風險規避策略(Risk Averse,RA)，所作決策儘可能避免不確定性帶來的不利影響，如下式所示，
maxζ
PW＝PWf(1-ζ)
以風速波動量最小為目標函數的風險偏好策略(Risk Seeker,RS)，所作決策有可能從不確定性實現中獲得利益，如下式所示，
minζ
PW＝PWf(1+ζ)
其中，ζ為不確定量與預測值的偏差量，稱為不確定半徑、minζ為不確定最小半徑、maxζ為不確定最大半徑；ATCb為風電場出力在預測值下的ATC；PW為實際可調度風功率、PWf為預測風功率；
步驟(F)，根據兩種策略計算結果，確定UPFC的控制策略，提高可用輸電能力，使ATC值受風力波動影響降低；
步驟(G)，改變ATC的預設目標值，轉到步驟(E)-步驟(F)，重新計算得出UPFC控制策略，進一步提高可用輸電能力，使ATC值受風力波動影響降低，直至ATC值超出電力系統運行約束，並輸出ATC值的計算結結果，其中約束條件由調度人員根據具體運行工況和應用需求決定，在本領域的現有技術中，各ATC值下對應有UPFC控制方案。
本發明的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，採用基於IGDT的含UPFC的ATC計算模型，在有風電接入的IEEE-30節點系統中進行測試，對比有無UPFC的情況下系統的可用輸電能力大小，驗證了本發明提出的效果顯著，具有一定的可行性和有效性，下面具體介紹如下：
本發明以IEEE30節點為例，考慮區域1與區域2之間的ATC，對本發明的模型及算法進行了驗證，假設送電區域1節點28接入風電場，風電場出力期望值50MW，為該系統總負荷的17.6％，計算結果如表1所示
表1 計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算結果
從表1中我們可以看出，該模型以送電區域發電機出力以及受電區域負荷增加最大為ATC計算的目標函數，因此區域間ATC並非完全通過聯絡線輸送電能。因此，線路2-1、線路6-7並非區域間的聯絡線，但裝UPFC後能提高區域間ATC，可見通過線路2-1、線路6-7上UPFC的優化控制，能使傳輸功率提高。
如圖4所示，為無UPFC和有UPFC下節點電壓對比圖，可以看出，30節點系統ATC最大時節點電壓偏低，裝有UPFC後系統節點電壓普遍升高，可見UPFC的等效電流源為系統提供了無功補償，因此抬高了系統的電壓，使ATC增加。可見，UPFC具有調節系統運行特性的功能，能改善系統的穩定性與安全性。
算例以在線路2-1裝設UPFC為例，計算基於IGDT的ATC，考慮了兩種策略：RA，RS。
在採用兩種策略對ATC進行計算時，得到表2，表3並在圖5，圖6中分別給出了RA，RS策略下閾值參數與波動量關係曲線。
表2 RA策略下基於IGDT的ATC計算結果
表3 RS策略下基於IGDT的ATC計算結果
RA策略，如圖5所示；RS策略，如圖6所示，可見，在UPFC的靈活控制下，即使風電場出力的波動很大，風電實際值小於預測值，對於ATC值的影響也很小。當允許的ATC值減小量不低於5％時，風電出現負功率，這意味著只要UPFC靈活控制，無論風電出力如何變化，ATC值均不會比基準值的5％小。
綜合上述算例結果可知，本發明的計及UPFC的含風電電力系統的ATC計算方法，所提計算算法可提高區域間的可用輸電能力，增加輸電裕度，UPFC的靈活控制策略可以與風電場的隨機性、間歇性相協調，儘可能減小因風電的不確定性對ATC帶來的影響，IGDT能給系統運行決策人員提供指導信息。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。