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【精彩論文推薦】上海交通大學 程益生等:電力彈簧穩態運行范圍及越限失靈機理分析

電力系統自動化 2022-04-15 09:47:21

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原文發表在《電力系統自動化》2017年第41卷第14期,歡迎品讀。

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本文引文信息

程益生, 陸振綱, 汪可友, 等. 電力彈簧穩態運行范圍及越限失靈機理分析 [J]. 電力系統自動化, 2017, 41(14): 147-152. DOI: 10.7500/ AEPS20161207003.

CHENG Yisheng, LU Zhengang, WANG Keyou, et al. Analysis on Steady-state Operating Range and Off-limits Malfunction Mechanism of Electrical Spring [J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(14): 147-152. DOI: 10.7500/ AEPS20161207003.


電力彈簧穩態運行范圍及越限失靈機理分析

DOI: 10.7500/AEPS20161207003

程益生,陸振綱,汪可友,趙國亮,黃鑫,柳勁松



1
研究背景


隨著可再生能源如風能、太陽能等發電的大量并網,由于可再生能源發電的間歇性、不穩定性造成的發電量與負荷需求不匹配問題日益突出,影響電力系統的安全運行與供電電能質量。


電力彈簧作為一種新型電力電子技術,改變了傳統電力系統發電量跟隨負載變化的運行方式,實現了需求側負載跟隨發電量變化的新型運行方式,可以有效克服可再生能源發電并網造成的發電量與負荷不匹配問題。但是,研究表明電力彈簧其運行范圍受到直流側電壓、關鍵負載與非關鍵負載工作電壓范圍、網絡元件參數等因素的限制。本文研究電力彈簧穩態運行對應的網側電壓波動范圍問題,分析其穩態運行網側電壓范圍,研究越限失靈機理,并提出越限情況下的優化控制策略。


2
電力彈簧穩態運行范圍分析


以圖1中簡單的電力彈簧系統為例,建立穩態分析方程,由此可以解得網側電壓相量表示,畫出相量圖,如圖2所示。假設線路阻抗中ωL1>>R1,從而可以初步得到網側電壓相量軌跡為一個含單一虛點的圓。由相量圖可以看出,以原點O為圓心,某一長度為半徑作圓(半徑即為網側供電電壓幅值),當UG<|OC|或者UG>|OE|時,圓弧與軌跡圓不存在交點,即當前電壓超出了電力彈簧調節能力,系統在電力彈簧的調節下,無法將關鍵負載電壓穩定到控制電壓水平,當|OC|≦UG≦|OE|時,圓弧與軌跡圓存在交點,即系統在電力彈簧的調節下,存在穩定工作點。由此可知,對于電力彈簧而言,其調節能力是有限的,當且僅當網側電壓在軌跡范圍內系統可以達到穩定。


圖1 ?電力彈簧拓撲與控制框圖


當|OC|<UG<|OE|時,圓弧與軌跡圓存在2個交點,即可能存在兩個穩定工作點。考慮的優化原則是θ小優先,其中θ為非關鍵負載電流與關鍵負載電壓的相角差。當θ取較大值時,電力彈簧的電壓幅值將會很大,而此時非關鍵負載的電壓變得很小,這樣將會造成非關鍵負載無法安全運行,因此,為了盡量保證非關鍵負載的運行需求,舍去較大的θ對應的穩定點,而取θ值較小對應的穩定點作為系統穩定點。由此結合電力彈簧工作模式的定義可知,電力彈簧的穩態運行軌跡為弧CDE,其中弧CbD為容性工作模式區,弧DE為感性工作模式區,如圖2染色區域(藍色與橙色區域)所示。


在染色區域軌跡中,對于穩態運行范圍內任一電壓值,與之對應的非關鍵負載電壓存在且唯一,系統存在唯一的穩定點。弧CDE所對應的網側電壓范圍即為電力彈簧的穩態運行范圍,且當|OC|≦UG<|OD|時,電力彈簧工作于容性模式,當|OD|<UG?≦|OE|時,電力彈簧工作于感性模式。

圖2 ?穩態網側電壓UG軌跡與范圍


3
電力彈簧越限失靈機理分析與越限條件下的控制策略


當網側電壓波動過大,即UG<|OC|或者UG>|OE|時,電力彈簧不存在穩定的工作點,當前電壓超出了電力彈簧調節能力,系統在電力彈簧的調節下,無法將關鍵負載電壓穩定到控制電壓水平,電力彈簧發生越限失靈現象,可能造成系統失穩,影響系統安全運行。因此有必要研究越限條件下的電力彈簧控制策略。


由已得到的網側電壓相量表示公式可知,網絡參數不發生變化,且穩態情況下,關鍵負載電壓幅值與網側電壓幅值范圍線性相關。如圖3所示,當關鍵負載電壓幅值波動時,網側電壓軌跡相應地進行線性變換。對于關鍵負載,由于其一般對電壓質量要求較高,其安全運行允許的電壓波動范圍很小。在計及關鍵負載電壓允許波動范圍情況下,分析電力彈簧新的穩定運行范圍。


圖3 ?含越限情況的網側電壓UG軌跡


為保證關鍵負載電壓盡量靠近控制的標準值,以關鍵電壓波動最小為優化目標,在關鍵電壓可波動情況下,分析最優的網側電壓軌跡,可以得到當min UG<UG<|OC|時或者|OE|<UG<max UG時對應的網側電壓軌跡為CC1與EE2,其中min UG,max UG為含越限情況的網側波動上下限,分別對應于關鍵負載電壓的波動限值|OA1|,|OA2|。


綜上可得,當關鍵負載電壓允許小范圍內波動時,網側電壓UG軌跡為C1C+弧CDE+EE2,如圖3中藍色與橙色區域所示。特別地,在關鍵負載電壓發生偏離時,網側電壓與關鍵負載電壓的相角差為定值,故在越限條件下僅需對關鍵負載電壓幅值進行線性修正盡可。


4
結論


針對網側電壓越限造成電力彈簧失靈問題,本文提出了一種利用幾何方法結合相量圖,分析電力彈簧穩態運行范圍的方法,同時分析了電力彈簧越限失靈的機理,并提出在網側電壓越限條件下電力彈簧關鍵負載電壓設定值優化計算方法,最后通過設計純軟件仿真與實時仿真實驗對理論分析進行了驗證,得到以下結論:


1)受電網及自身參數限制,電力彈簧可調節網側波動范圍是有限的。穩態情況下,以關鍵負載電壓為參考量,網側電壓落在圓軌跡上,圓軌跡上的點到原點距離的范圍即為電力彈簧的穩態運行范圍。


2)電力彈簧穩態運行軌跡為半圓弧,以阻性工作點為界,分為容性工作模式區和感性工作模式區。


3)對電力彈簧關鍵負載電壓設定值進行適當的優化,可以擴大電力彈簧穩定運行范圍,有利于解決現有控制方法在網側電壓越限條件下的電力彈簧失靈問題。


4)本文所研究對象為無源型電力彈簧,其對系統補償方式較為單一,而有源型電力彈簧以及具有多象限功率補償方式的新型拓撲電力彈簧在微電網中應用更加靈活,下一步將繼續完善不同類型電力彈簧的運行范圍及控制方法的研究。


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主要作者及團隊介紹

程益生,上海交通大學電子信息與電氣工程學院碩士研究生。主要研究方向:微電網分析與控制。

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陸振綱,碩士,先進輸電技術國家重點實驗室(全球能源互聯網研究院),電力電子所項目經理。獲得地市級獎勵4項,發表Ei或核心期刊論文6篇,申請發明專利9項。主要研究方向:靈活交流輸配電技術及其應用研究。


汪可友,上海交通大學電氣工程系副教授,博士生導師,晨星青年學者,系副主任,IET Generation Transmission & Distribution編委。主要研究方向:電力系統穩定與控制,智能電網運行優化等。


上海交通大學電氣工程系新能源與動態電力系統課題組由李國杰教授、汪可友副教授、馮琳博士、韓蓓博士組成,隸屬于國家能源智能電網(上海)研發中心,目前主要從事新能源控制與接入,交直流混合配網和微網運行控制,電力電子化電網建模與仿真等領域的研究。先后負責承擔國家863、科技支撐、國際合作課題、國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及各類橫向課題。發表SCI/EI論文100余篇。研究成果在華北、華東、華南及東北10余個省市的科技部示范工程中得到應用。微網運行控制相關成果獲2016上海市科技進步一等獎。


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