無(wú)功優(yōu)化新模型和算法研究及其在電壓穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用.pdf

1、在過去幾十年間,電力系統(tǒng)發(fā)生了許多變化,包括高壓直流輸電(High Voltage Direct Current,HVDC)和柔性交流輸電(Flexible AC Transmission System,FACTS)的廣泛應(yīng)用以及電力市場(chǎng)的形成。這些變化對(duì)電力工業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,也給電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn)和更多的發(fā)展方向。論文主要考慮HVDC和FACTS元件的控制方式、電力市場(chǎng)下廠網(wǎng)分家引起的無(wú)功輔助服務(wù)

2、模式以及發(fā)電機(jī)的運(yùn)行極限約束,結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法、免疫遺傳算法和稀疏技術(shù),對(duì)無(wú)功優(yōu)化模型及其算法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究和探索,并將其應(yīng)用到電壓穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,以分析電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定狀況。論文在變壓器的等值電路中引入虛擬節(jié)點(diǎn),通過虛擬節(jié)點(diǎn)的電壓代替變比推導(dǎo)了變壓器支路潮流的二次模型,并進(jìn)一步建立了交流系統(tǒng)的全二次無(wú)功優(yōu)化模型。該模型各類函數(shù)的海森矩陣是精確的常數(shù)矩陣,在預(yù)測(cè)校正原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法的優(yōu)化過程中只需要計(jì)算一次,不僅提高了計(jì)算速度,也降低

3、了編程難度。此外,論文還將非零元計(jì)算方法和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化編號(hào)方法等稀疏技術(shù)應(yīng)用到了修正方程的形成和求解中,有效地改善了內(nèi)點(diǎn)法在計(jì)算速度上的瓶頸問題。算例結(jié)果表明:所提模型的優(yōu)化結(jié)果和收斂特性與常規(guī)模型的相一致,但計(jì)算速度卻有較大的提高。基于交流全二次無(wú)功優(yōu)化模型,論文在含有HVDC和FACTS元件的系統(tǒng)中進(jìn)一步提出了二次的潮流模型和無(wú)功優(yōu)化模型。在處理HVDC時(shí),論文考慮了HVDC的各種運(yùn)行控制方式,首先在直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系中分開建立了交流

4、部分和直流部分的二次潮流方程,然后通過換流變壓器交流側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓幅值與其電壓實(shí)部和虛部的等式關(guān)系把這兩部分潮流方程結(jié)合在一起,成功建立了含有一次項(xiàng)的二次交直流潮流模型,并在此基礎(chǔ)上提出了全二次交直流無(wú)功優(yōu)化模型。在處理FACTS元件模型時(shí),論文利用節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)部和虛部代替節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角而直接把FACTS元件的三角函數(shù)模型轉(zhuǎn)換成了二次模型。另外,論文還對(duì)求解二次齊次方程組的保留非線性法進(jìn)行了擴(kuò)展,使之能求解含有一次項(xiàng)的二次潮流方程。對(duì)含有

5、HVDC和FACTS元件的全二次無(wú)功優(yōu)化模型仍舊采用引入了稀疏技術(shù)的預(yù)測(cè)校正原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行求解,也同樣使得優(yōu)化計(jì)算速度得到了明顯提高。多個(gè)算例結(jié)果驗(yàn)證了模型和算法的正確性和有效性。在電力市場(chǎng)環(huán)境下,考慮到發(fā)電機(jī)無(wú)功輔助服務(wù)費(fèi)用和所受運(yùn)行極限約束是隨著發(fā)電機(jī)無(wú)功輸出的變化而變化的實(shí)際情況,論文把發(fā)電機(jī)運(yùn)行區(qū)域分為了四個(gè)區(qū),并給出各個(gè)區(qū)域的發(fā)電機(jī)無(wú)功輔助服務(wù)費(fèi)用計(jì)算函數(shù)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行約束函數(shù),以此在交流系統(tǒng)和交直流系統(tǒng)中建立了具有非固定分段

6、特點(diǎn)的全二次混合整數(shù)無(wú)功優(yōu)化模型。仿真結(jié)果表明發(fā)電機(jī)無(wú)功輔助服務(wù)費(fèi)用的引入對(duì)系統(tǒng)無(wú)功分布和直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式有很大影響。因此,所提模型是電力市場(chǎng)下進(jìn)行系統(tǒng)分析的一個(gè)有用工具。針對(duì)內(nèi)點(diǎn)法無(wú)法直接求解非固定分段優(yōu)化模型的問題,論文基于啟發(fā)式規(guī)則、內(nèi)點(diǎn)法和免疫遺傳算法提出了兩種混合優(yōu)化算法:啟發(fā)式混合離散內(nèi)點(diǎn)法和啟發(fā)式混合隨機(jī)優(yōu)化算法。前者利用啟發(fā)式規(guī)則來設(shè)定和改變發(fā)電機(jī)運(yùn)行區(qū)域,然后在搜索到的區(qū)域中把非固定分段優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化成常規(guī)的混合整數(shù)優(yōu)

7、化模型,并用能處理離散變量的內(nèi)點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行求解。后者首先不考慮控制變量的離散約束,采用結(jié)合啟發(fā)式規(guī)則的預(yù)測(cè)校正原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法來求解原問題,以獲取一個(gè)較好的初始解,然后再利用免疫遺傳算法求解原問題。算例表明:當(dāng)離散內(nèi)點(diǎn)法不存在收斂問題時(shí),啟發(fā)式混合離散內(nèi)點(diǎn)法能快速地獲取優(yōu)化解,反之,則要使用啟發(fā)式混合隨機(jī)優(yōu)化算法來保證解的質(zhì)量,但需要犧牲部分計(jì)算速度。基于以上所建立的無(wú)功優(yōu)化模型,在交流系統(tǒng)和交直流系統(tǒng)中,本文以切負(fù)荷最小為目標(biāo)函數(shù)建立了判

8、斷系統(tǒng)潮流可解性的全二次優(yōu)化模型,并結(jié)合模態(tài)分析法來識(shí)別出系統(tǒng)失去靜態(tài)電壓穩(wěn)定的狀態(tài),從而提出了電壓穩(wěn)定校正控制方法。該方法只需要計(jì)算一次就能判斷系統(tǒng)是否失去靜態(tài)電壓穩(wěn)定,其不僅可以方便地考慮各種約束條件的限制,還能對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,更重要的是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)靜態(tài)電壓失穩(wěn)時(shí),其能給出保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的最小切負(fù)荷位置和大小。論文還把失去靜態(tài)電壓穩(wěn)定看作是電力系統(tǒng)的一種風(fēng)險(xiǎn),從概率角度探索了電壓穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。該方法考慮發(fā)電機(jī)可用發(fā)電容