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电力系统无功分布与动态阻尼特性的协调优化研究

时间:2018-10-23 21:07来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力工程可承担单项合同额不超过企业注册资本金5倍的单机容量10万千瓦及以下的机组整体工程、110千伏及以下送电线路及相同电压等级的变电站整体工程施
本文是一篇电力工程论文,电力工程可承担单项合同额不超过企业注册资本金5倍的单机容量10万千瓦及以下的机组整体工程、110千伏及以下送电线路及相同电压等级的变电站整体工程施工总承包。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 电力系统最优潮流
1.1.1 最优潮流概念及分类
在理解最优潮流的概念之前,应先掌握潮流计算的概念。电力系统潮流计算,是依据给定的系统网络结构、负荷情况还有发电机的有功出力、无功出力或部分节点电压幅值等控制变量,来求取系统的母线节点电压、线路传输功率、节点功率分布等系统运行状态。复杂电力系统的潮流计算过程中变量很多、约束条件非常复杂并且计算量很大,通常借助计算机编程计算。电力系统潮流计算的核心部分是求解节点功率平衡方程组,常用的算法有牛顿拉夫逊法、PQ 分解法,节点电压向量可采用直角坐标形式或极坐标形式。通过潮流计算可明确系统的初始运行状态,所以潮流计算作为电力系统稳态与暂态分析的基础,为电网的规划和设计提供基础依据。潮流计算所确定的是满足变量间等式约束条件的系统运行状态,没有考虑运行约束,且在该运行状态下系统的运行成本不一定是最低的。于是在二十世纪中期,学者 Carpentier 首次将运行约束引入进来,提出一种经济调度问题,为最优潮流模型的确定奠定了基础。电力系统最优潮流理论是以系统的网络参数、元件运行参数和负荷情况为前提,确定既满足节点功率平衡又满足安全指标约束的系统控制变量,并使系统的发电燃料、发电总费用、有功网损等经济运行指标达到最小。最优潮流理论的应用范围不仅限于电力系统,还广泛涉及很多其他的领域。最优潮流在数学模型的构成和优化算法方面均与一般的潮流计算有很大的差异。最优潮流模型中的变量集合由各种控制设备参数和系统运行状态变量集合组成。控制设备参数集合是自变量集合,是可以进行调节的量,通常包括:系统中发电机组的有功无功出力、无功补偿容量、移相器旋钮及开关位置、可调变压器分接头档位等。状态变量集合就是因变量集合,体现整个系统的运行方式,具体指母线节点电压、有功和无功分布及支路功率,可由潮流计算求得。最优潮流模型中比较常用的目标函数主要有两种,一是系统总有功网损或无功补偿容量,二是系统总的发电燃料费用(即运行成本)。等式约束条件集合就是节点的有功功率、无功功率平衡方程组,是由网络参数和节点电压、电流向量构成的非线性方程。不等式约束条件集合主要有:系统节点的电压幅值、相角约束;各有功、无功电源功率输出约束;支路潮流约束;变压器分接头位置约束;可变电容器约束等。
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1.2 电力系统稳定性
1.2.1 电力系统稳定性分类
电力系统在正常运行时既可能受到负荷波动之类的小扰动,也可能受到短路或断线之类的大扰动。这些扰动的影响作用会使系统运行状态发生不同程度的改变,甚至会引起一些不可预料的稳定性问题,可能造成供电中断甚至人员伤亡等严重的损失。系统受到各种原因引起的或大或小的扰动后,若系统有重新恢复到原来的稳定运行状态的能力或达到一个新的稳定运行状态的能力,就表示该系统是动态稳定的[25]。也就是说电力系统的动态稳定性是系统维持在平衡运行点的能力。从二十世纪中期至今,电力工作者不断地研究系统稳定性问题,期望提高电网的动态稳定性。目前对于电力系统稳定性问题的研究主要包括系统功角稳定性、系统电压稳定性和系统频率稳定性,每种稳定性均可继续分为小扰动稳定和大扰动稳定,大扰动功角稳定性问题也就是通常所说的暂态稳定性。电力系统的稳定性分类如图 1.1 所示。
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2 无功优化模型及算法
 
保证电力供应质量和系统安全经济运行是现代社会经济发展和人民生活的基本需求。本章描述的无功优化模型[55]的目标函数包含系统有功网损、无功补偿量以及由电价、折旧、维修、效益系数换算的经济系数,等式约束为节点功率平衡方程,不等式约束包括电压约束、无功功率约束和支路功率约束。
 
2.1 乘子罚函数法
拉格朗日乘子法的优点是原理简单,也比较容易用程序实现,但收敛特性较差。外罚函数法在远离边界点时搜索速度较快,可一旦接近边界点时,收敛速度就会下降很多,还有一个致命的弱点是当罚因子随迭代次数增加到很大的时候,海森矩阵会出现病态,将无法继续求解。针对以上两种方法的特点,将两者结合起来建立拉格朗日乘子和罚因子之间的关系,可大大改善收敛特性,称为乘子罚函数法,简称乘子法[55]。
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2.2算例分析
采用 8 机 24 节点系统作为算例,系统简图如图 2.1 所示,系统参数及运行方式见文献[29]。该系统中总共有 24 个节点、30 条支路、8 个发电机组、10 台变压器(其中 9 台双绕组变压器、1 台三绕组变压器)。各发电机节点电压幅值可变范围为 0.9~1.1。系统节点功率标幺值的基准容量为 100MVA。本章介绍了无功优化问题的数学模型,其实质是一种非线性规划问题,文中介绍了非线性规划问题的最优条件,以及处理等式约束和不等式约束的乘子罚函数法,转变为无约束优化问题可采用牛顿法迭代求解,文中介绍了牛顿法求解非线性规划的修正方程式,并给出 8 机系统算例的牛顿法无功优化结果,结果表明无功优化后系统有功能网损下降,运行经济性得到提高。上述理论的研究为后续准确计及小干扰稳定约束的无功优化模型的建立和求解奠定基础。
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3 小干扰稳定特征值分析.....22
3.1 插入式建模技术.............. 22
3.2 状态空间矩阵的形成...... 23
3.3 系统状态方程的解.......... 26
3.3.1 状态方程的解析解........ 26
3.3.2 关于时间响应的矢量表达式..............27
3.4 特征值一阶灵敏度.......... 27
3.5 算例分析.... 30
3.6 本章小结.... 31
4 准确计及小干扰稳定约束的无功优化............. 32
4.1 优化模型.... 32
4.2 优化算法实现....... 34
4.3 算例分析.... 38
4.4 本章小结.... 44
5 结论与展望.............. 46
5.1 全文总结.... 46
5.2 未来展望.... 47
 
4 准确计及小干扰稳定约束的无功优化
 
传统的无功优化研究主要是以改善系统有功网损等稳态指标为目标,但近几年也有少量的研究在提高系统运行经济性的同时考虑到系统动态稳定性问题。例如考虑电压稳定性,将电压模糊约束加入到无功优化模型中进行联立求解,使无功优化后的电压裕度有显著的增加[61]。还有将负荷稳定裕度作为电压稳定指标嵌入到综合无功优化模型中,可以提高无功优化后的静态电压稳定性[62]。在进行无功优化时,一方面优化系统运行控制参数可以有效地提高系统电压质量;但另一方面由于参数的变化而可能使系统提供的动态阻尼增加或减少,若阻尼增加固然小干扰稳定性更好,但若阻尼降低很多则无法避免低频振荡。目前国内外对于无功优化时考虑小干扰稳定方面的研究成果相对较少,有学者提出一些求解小干扰稳定约束的最优潮流方法,采用的模型、算法以及简化处理方法值得借鉴[63,64]。本文提出了一种在无功优化时准确地计及了系统的小干扰稳定约束的方法,包括优化模型的建立、约束处理方法和迭代求解算法。通过算例进行上述优化方法后系统经济性提高且保证小干扰稳定性满足一定的裕度要求。
 
4.1 优化模型
为了在无功优化后系统仍能提供足够的阻尼,本文尝试将反应系统动态阻尼特性的不等式约束合并到无功优化模型的不等式约束中。系统机电振荡模式和最小阻尼比可反映系统动态阻尼特性,从而分析小干扰稳定性。特征值实部最大值小于稳定裕度要求的值时系统是小干扰稳定的,最小阻尼比大于有效抑制低频振荡的最低值时系统是小干扰稳定的,其他情况均不能保证其小干扰稳定。上节所建立的准确计及小干扰稳定约束的无功优化模型是一个带约束的非线性规划问题。按第二章介绍的乘子罚函数法来处理优化模型中的等式约束和不等式约束,将不满足的约束条件作为对目标函数的惩罚,最终可使约束条件全部满足。
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总结
 
目前,随着社会经济的加速发展,工业用电和人民生活用电的需求越来越多,这对我国电力系统运行的稳定性和经济性提出了更高的要求。经过科研人员和电力工作者的共同努力,我国不仅实现了各区域系统的互通互联,还将最优潮流理论应用到了系统经济调度中。由于各种干扰因素如负荷波动等的存在,系统自身的阻尼和各种阻尼控制器附加的阻尼可能无法抑制低频振荡,这就对系统小干扰稳定提出了较高要求。目前关于电力系统无功优化的研究,主要关注的是改善系统有功网损等系统稳态经济指标,文中分别对 8 机系统的某一经典运行方式和省级电网某年冬季大运行数据算例进行分析表明,对于一些系统的某一运行方式,进行常规无功优化后系统的机电振荡模式的最小阻尼可能小于稳定裕度所要求的值,阻尼过小,不能有效抑制低频振荡,影响系统安全、稳定运行。而无功优化后系统小干扰稳定裕度是否满足要求并没有得到广泛关注。通过调整发电机无功输出、并联电容器组的投切状态、变压器分接头档位等系统运行控制参数,改变系统运行方式也可能使系统产生更大的振荡阻尼,甚至提高系统小干扰稳定性,这一结论为本文的工作奠定了理论基础。故本文尝试将小干扰稳定约束加入到常规无功优化模型的不等式约束中,建立准确计及小干扰稳定约束的无功优化模型。优化模型的目标函数包含系统有功网损、无功补偿量以及由电价、折旧、维修、效益系数换算的经济系数,等式约束为描述系统节点功率与节点电压之间关系的节点功率平衡方程,不等式约束由电压约束、无功功率约束、支路功率约束以及小干扰稳定约束组成,小干扰稳定约束由机电振荡模式特征值实部和最小阻尼比约束组成。利用特征值分析法形成系统状态空间矩阵,用 QR 法求取机电振荡模式特征值、阻尼比以及特征值对系统运行参数的一阶灵敏度。按乘子罚函数法处理该模型的不等式约束,构造增广目标函数。采用拟牛顿法迭代求解,求解过程中需计算增广目标函数的梯度,文中给出了各偏导计算公式,优化后求出系统的稳态指标(总有功网损、网损率)和小干扰稳定指标(特征值实部最大值和最小阻尼比)。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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