计及无功补偿器动态特性的电力系统无功规划研究

摘要

随着电力负荷水平的不断提高和智能电网技术的快速发展，电力系统电压稳定问题的研究越来越得到广泛重视。电力系统无功规划是提高电力系统电压稳定性的有效方法之一。合理的电力系统无功规划方案，能够提供新增无功补偿设备的选点信息及无功补偿的最优容量配置策略，能够在不增加输电走廊的前提下，提高系统供电能力，有效提高系统电压稳定裕度。
　　 传统无功规划主要解决无功补偿设备的选点规划和容量规划两个方面的问题。本论文在传统研究方法的基础上，考虑了无功补偿设备类型的多样化，针对不同类型的无功补偿设备所具有的静态、动态特性，对于在不同运行方式下、不同场景下的无功规划配置问题进行了分析研究，在补偿设备类型选取、新增补偿点位置规划及各类设备容量规划三个方面做出了分析研究。具体工作主要集中在如下几个方面:
　　 (1)新增无功补偿节点的选取方法
　　 采用模糊聚类法，基于电压稳定的相关指标，采用适当的标定方法，求解模糊等价矩阵，通过动态聚类分析，得出候选无功补偿节点的选取方案。同时，以并联电容器组和SVC两种不同类型的无功补偿器为例，基于不同的运行方式，采用了不同的电压稳定指标，分别提出了各自的选点方法。
　　 (2)考虑静态电压稳定约束的无功规划
　　 在考虑网络基本约束的同时，提出改进格雷码(Gray Code)，将线路最大输电能力TTC与无功补偿装置容量Q(c)拟合成TTC(Q(c))分段线性插值关系，进而引入静态电压稳定约束，建立了考虑静态电压稳定约束的无功规划最优化模型。结合厚尾分布，提出了改进模拟退火(Simulated Annealing，SA)算法，避免了不可行解的产生，并得到了优化问题的最优解。
　　 (3)多目标无功规划问题
　　 电力系统无功规划经常需要综合考虑经济成本、电压稳定性、运行损耗等多方面的因素。综合考虑系统发电成本和无功投入成本最小化、系统有功损耗最小化及电压幅值偏移最小化三种不同量纲的运行目标，建立了多目标无功规划模型，并引入学习自动机(Learning Automata, LA)方法，针对电容器组补偿容量的离散化递增特征，采用P模型的学习自动机方法，利用启发式算法求解出了多目标无功规划的最佳权衡解。
　　 (4) SVC的动态特性分析与建模
　　 基于Matlab Simulink的时域仿真及理论分析方法，对SVC的动态特性进行了分析，通过与SVC的一阶简化数学模型的对比分析，得到适合进行无功规划的SVC数学模型，发挥其处理系统故障后暂态过程中维持短期电压稳定的能力。为联合配置不同类型无功补偿设备的无功规划提供了理论基础。
　　 (5)考虑补偿设备动态特性，联合配置不同类型无功补偿设备的无功规划
　　 基于以上工作，考虑具有动态特性的无功补偿设备SVC，计及静态电压稳定约束、暂态过程中短期电压稳定约束等约束条件，采用发电机三阶模型及励磁系统一阶简化模型，建立了时变的无功规划模型，基于不同的运行工况及故障形式，分析了新增SVC的无功规划方案。另外，同时计及经济性和暂态过程电压稳定性，将SVC和并联电容器组这两种具有代表性的无功补偿设备均作为无功规划的候选补偿装置，提出了联合配置不同类型无功补偿装置的无功规划方案。采用不同负荷模型时对无功规划的影响也进行了分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究目的和意义

1．2 无功规划主要研究内容

1．2．1 无功补偿的作用

1．2．2 无功规划主要研究内容及方法

1．3 国内外研究现状和热点

1．3．1 无功规划问题的研究现状和趋势

1．3．2 无功规划问题的研究热点

1．4 本文的主要工作

第二章 新增无功补偿设备的选点研究

2．1 无功补偿设备的分类及基本特点

2．1．1 无功补偿的方式和分类

2．1．2 现有并联型无功补偿设备的组成结构及其比较

2．2 采用模糊聚类算法的无功补偿设备选点方法

2．2．1 新增无功补偿设备的选点方法

2．2．2 模糊聚类法的分类

2．2．3 模糊聚类法的基本原理

2．3 新增并联电容器组的选点指标

2．4 采用SVC作为新增无功补偿器的选点方法

2．4．1 系统稳定问题的分类

2．4．2 新增SVC选点指标

2．5 算例分析

2．5．1 算例分析1

2．5．2 算例分析2

2．6 本章小结

第三章 考虑静态电压稳定约束的无功规划

3．1 考虑静态电压稳定约束无功规划的简化方法

3．2 考虑静态电压稳定约束无功规划的改进方法

3．2．1 改进的建模方案

3．2．2 两个优化问题的交替求解

3．2．3 无功优化容量的分段

3．2．4 改进格雷码的提出和应用

3．2．5 分段线性TTC(Qc)关系的形成

3．3 无功优化配置问题的求解算法

3．3．1 改进的邻域解产生方法

3．3．2 新解接受准则

3．3．3 退火方案

3．4 算例分析

3．4．1 算例分析1

3．4．2 算例分析2

3．5 本章小结

第四章 多目标无功规划的建模及求解

4．1 多目标无功优化建模

4．2 学习自动机法求解多目标优化问题

4．3 算例分析

4．3．1 应用模糊聚类法确定无功补偿节点

4．3．2 学习自动机法求解多目标优化问题

4．4 本章小结

第五章 SVC运行特性分析与建模

5．1 SVC的等效控制模型

5．2 SVC的静态特性分析

5．2．1 SVC的静态等效模型

5．2．2 SVC的电压-电流特性仿真

5．3 SVC的动态响应特性分析与建模

5．3．1 时域仿真方法

5．3．2 SVC一阶简化模型

5．3．3 SVC动态特性仿真分析

5．4 本章小结

第六章 考虑补偿设备动态特性的无功规划

6．1 含微分-代数方程约束条件的优化模型

6．1．1 含微分-代数方程约束条件的优化模型

6．1．2 含微分代数方程约束的优化问题的求解

6．2 时域仿真数值计算方法

6．2．1 改进欧拉法

6．2．2 隐式梯形积分法

6．3 动态设备模型

6．3．1 发电机模型

6．3．2 励磁系统模型

6．3．3 SVC简化模型

6．3．4 负荷静态特性模型

6．3．5 负荷动态特性模型

6．4 考虑短期电压稳定约束的无功规划模型

6．4．1 模型的建立

6．4．2 系统动态参数初值的计算

6．4．3 微分方程的差分化表示

6．4．4 新增SVC的无功规划流程

6．4．5 联合配置不同类型无功补偿设备的无功规划方案

6．5 算例分析

6．5．1 算例分析1：忽略短期电压稳定约束的无功规划存在的问题

6．5．2 算例分析2：考虑短期电压稳定约束的无功规划

6．5．3 算例分析3：考虑负荷动态特性的无功规划

6．5．4 算例分析4：采用不同无功补偿设备的无功规划

6．6 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

IEEE9节点系统数据

IEEE30节点系统数据

IEEE57节点系统数据

攻读博士期间发表的学术论文