浅析电力系统中二级电压的控制
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作者: 孙洪宇
一、概述
电压崩溃的基本原因是由于电网中某些地区无功不足，造成局部电压下降，进而导致全网电压水平下降，最终使系统发生电压崩溃。在此认识的基础上，产生了对电力系统采取分级电压控制的思想。整个控制系统分为三级：一级电压控制、二级电压控制和三级电压控制。其中二级电压控制的主要目标是以某种协调方式重新设置区域内各自动电压调节器的参考值，使得各节点电压满足运行要求。二级电压控制是连接其他两个层次的关键环节，他能够从区域电压稳定的角度出发，合理、协调地分配本区域内各电压无功支持源的无功功率，充分利用区域的无功储备，在一定程度上能够改善区域的电压水平和提高系统的电压稳定性。二级电压控制已经进行了较多的研究和实践，是一种可行的、比较成熟的电压稳定综合控制技术。
二、二级电压控制原理
二级电压控制首先将整个电力系统分成若干个控制区域，这些区域最理想的状态是彼此电气距离较远，相互近似解耦。在每个控制区域中选出其最关键的负荷节点称为“引导节点”，二级电压控制则是根据引导节点的电压偏离，按照某种预定的控制方式协调地改变区域各个控制发电机的自动电压调节器（AVR）的参考电压设定值或其它无功源的设定值，从而使得引导节点的电压基本保持不变，进而维持整个系统的电压水平和无功分布在一个良好的状态。在二级电压控制中，整个系统被划分为若干近似解耦的控制区域，每个区域选择其关键性的、能够反映本区域负荷电压水平的节点作为引导节点，并为各引导节点挑选能够为之提供有效电压支持的无功源作为控制发电机。在系统运行中，二级电压控制器监视引导节点的电压，通过调整本区域一次电压控制器的电压参考值，将引导节点的电压幅值维持在设定值附近，从而达到维持整个区域电压水平的目的。任何一个电力系统都可以看作是由一组局部受控的发电机组、负荷以及连接它们的传输网络组成。系统的电压动态由两部分组成：一级电压控制引起的一级电压动态以及由二级电压控制引起的二级电压动态。其中影响系统一级电压动态的主要系统部件包括发电机及其励磁系统、负荷和网络，二级电压控制只在励磁系统中引入附加控制量。
三、二级电压控制的模型
当建立发电机、励磁系统、负荷以及网络的模型后，将这些方程线性化，经过化简，可以得出二级电压控制的模型：
△U1=S1△Q1+S2△U2（1），△Qg=S3△Q1+S4△US（2），式中：△U1为负荷节点电压变化量；△Qg为发电机输出无功的变化量；△Q1为负荷节点无功变化量；△US为二级电压控制附加信号的变化量；S1、S2、S3、S4为相应的系数矩阵。式（1）反映了负荷节点电压与负荷无功变化和二级电压附加控制之间的关系。式（2）反映了发电机输出无功与负荷无功变化和二级电压附加控制之间的关系。由式（1）、式（2）表示的动态系统一般是不完全可控系统，这说明二级电压控制无法完全控制系统中所有负荷节点的电压。一般情况下，电压控制区内的所有发电机节点都被选为控制机组参与调节，当系统中的引导节点数目确定后，就需要考虑哪些负荷节点被选为引导节点。选出的引导节点应该具有以下的性质：当引导节点的电压保持不变时，系统中出现的任何无功负荷的变化造成的所有负荷节点的静态电压偏移最小。引导节点的上述性质可以用如下的：最小化问题来描述：min(△UT1Q△U1)（3），其中Q为权矩阵，用以体现对系统中重要节点电压变化的关注程度。引导节点的选择可以用如下的优化问题来描述：minE(△UT1Q△U1)（4），其中E（*）表示对随机函数取期望值，这是因为无功负荷的变动是随机的。
四、二级电压控制的子问题
二级电压控制问题包含了两个子问题，即：（1）划分控制区域、选择引导节点和相应的控制发电机；（2）设计控制规律，根据引导节点的电压偏差调整一次电压控制器的电压参考值。其中（1）是由离线计算完成的，对一个给定的系统只做一次计算，选择出合适的引导节点和控制发电机，在以后的计算或运行中就不再重新选择。（2）的实现有不同的方法，一类是在线寻优计算，即根据运行过程中出现的不同类别的扰动信息选择相应的性能指标，并进行在线寻优计算，确定控制规律，这种方法针对性较强，缺点是对算法的快速性要求高，难于实现。另一类则是以PID控制器或其它控制器实现。实现（1）有两种方法：一种是按照地域分布或行政划分，首先将全系统分成若干个控制区域，对每个区域进行选择计算，找到该区域的引导节点及控制发电机；另一种则按照选择引导节点的性能指标，对全系统的所有节点进行筛选，找出所有的引导节点和与之对应的控制发电机。找出了引导节点和控制发电机的分布，控制区域的划分也就确定了。在解决实际问题时，应针对实际系统的不同情况，灵活地使用上述两种方法。每一个节点都可以提供系统的运行信息，但是这种运行信息的获得却并不需要遍及每一个节点。也就是说总有一些节点的动态信息是具代表性的，我们从这些节点就有可能获得反映整个系统的某方面运行情况的信息。“引导节点”就是电力系统中这样的有代表性的节点。典型情况下，每一个控制区域中只选1个引导节点，而电压/无功的二级电压控制规律就以该节点的电压偏差作为反馈输入。
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