电力系统一次调节潮流议程及其相关应用研究

摘要

在一些诸如需要准确预知故障后潮流分布以预警系统是否安全并给出控制措施的场合,有时仅需根据故障后的稳态信息就能够提示系统的基本运行行为,据此就能及早地准备应对措施以防患于未然,也就能做到“心中有数”,这对于确保电力系统的安全稳定可靠供电意义重大。本文从准确描述电力系统的实际调节特性出发,注意到发电机组的一次有差特性,将其静态调节特性方程与网络约束方程联立,建立了一次调节潮流方程。并以此潮流方程为基础与核心,着重对稳态运行分析进行了研究与探讨,建立了适用于稳态运行分析的潮流计算新模型、灵敏度分析新方法、最优潮流新模型,可有效解决诸如故障后潮流、孤岛电网潮流、最优潮流控制及最优运行方式设计等工程问题。进一步拓展电力系统分析的内涵与外延,丰富电力系统研究的内容。主要研究成果如下:
　　 1)基于稳态运行阶段潮流分析的需要,以及电力系统实际调节的特点,建立了适用于运行阶段潮流分析的数学模型——计及机组静态调节特性的潮流模型,提出了以更为简洁的PGIQG、PGQG形式描述机组静态特性的潮流方程。为减少计算量,采用分块牛顿降维算法求解。对模型中存在的几个特殊问题——机组参数的越界处理、模型的变体与简化以及退化等进行深入分析。以IEEE30节点测试系统为例,把该模型应用于切机、切负荷、解列电网、二次调节等基本物理现象的模拟,结果表明该模型的实际意义,有效解决了故障后阶段的潮流计算问题。该潮流模型物理意义清晰、数学形式严密,是潮流方程的一般形式,为深入分析电力系统稳态问题提供了严谨的模型平台。
　　 2)把全导数灵敏度技术严谨而科学地引进电力系统分析,提出电力系统灵敏度分析的新方法——全导数灵敏度分析方法,以解决因电气量相关性造成的目前灵敏度方法结果的不精确问题。在指出电气量不宜作为多元函数分析的自变量的基础上,把电力系统分析的变量类型重新划分为:独立控制变量和电气量。利用计及机组静态调节特性的潮流模型在给定运行点的雅克比逆矩阵可以方便地计算状态电气量的全导数灵敏度指标;基于复合函数求导法则,输出电气量的全导数指标最终可表示成状态电气量全导数灵敏度指标的代数和形式,经简单代数运算即可得出。采用全导数灵敏度指标可以精确分析控制变量的变化对电气量的影响,为电力系统的调度决策提供准确可靠依据,具有重要的学术价值和工程应用价值。最后,以5节点测试系统为例,给出了全导数灵敏度指标计算及其指导电网运行的重要价值。
　　 3)引入“静态频率控制”的概念,并归纳其基本特点和基本原则,提出基于优化理论的静态频率控制方法,分别建立最优二次调节静态频率控制模型和最优切负荷静态频率控制模型。二者分别以发电成本最小和切负荷量最小为目标函数,在约束中嵌入控制目标(即系统终点频率),并详细计及负荷的频率电压调节效应,采用非线性原对偶内点算法求解,在实现终点频率控制目标且满足各种运行约束的同时,也分别实现了系统的最优经济运行和确定出最优的切负荷地点及切负荷量。仿真结果验证了模型的正确性。在此基础上,分析了负荷特性对发电成本、切负荷位置及容量和切负荷总量的影响。
　　 4)将最优潮流与电力系统频率质量相结合,建立计及频率质量约束的最优潮流模型。该模型在优化系统运行时强调发生严重扰动引起发电和负荷需求出现大的不平衡后,系统仅靠机组的一次调节特性和负荷的频率电压调节效应来维持频率质量的能力,可在一定程度上防范系统发生频率失稳或崩溃。为反映当前系统还能承受的严重扰动程度,引入“最大频率裕度”的概念,并基于优化理论建立一种确定“最大频率裕度”的非线性规划模型。最后,以IEEE30节点系统为例验证模型的有效性和合理性。在此基础上,分析了频率质量约束、扰动因子、负荷特性等对目标函数值的影响。