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能源互聯電網停電恢復控制技術 版權信息
- ISBN：9787030691132
- 條形碼：9787030691132 ; 978-7-03-069113-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
能源互聯電網停電恢復控制技術 內容簡介
本書以當前能源互聯電網為對象, 密切結合*新的控制和優化調度技術在停電恢復中的應用情況, 循序漸進、深入淺出的論述能源互聯電網停電恢復的基本概念、分區方法、恢復路徑優化方法、實際應用等。
能源互聯電網停電恢復控制技術 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 電力系統停電恢復控制技術研究的必要性 1
1.2 電力系統停電恢復的階段劃分 3
1.2.1 準備階段 3
1.2.2 系統恢復階段 5
1.2.3 負荷恢復階段 5
1.3 電力系統停電恢復過程中的技術問題 6
1.3.1 自勵磁 7
1.3.2 過電壓 7
1.3.3 暫態頻率 8
1.4 能源互聯電網發展對停電恢復控制技術提出的新要求 9
1.4.1 FCB機組 10
1.4.2 HVDC輸電系統 10
1.4.3 新能源發電機組 11
1.4.4 不同類型電源的適用范圍 12
1.4.5 新型多樣化電源對能源互聯電網停電恢復的新要求 13
參考文獻 14
第2章 能源互聯電網停電恢復的基本原則 19
2.1 概述 19
2.2 總體原則 19
2.2.1 總體要求 19
2.2.2 黑啟動電源選擇原則 19
2.2.3 調頻電廠選擇原則 20
2.2.4 子系統劃分原則 20
2.2.5 直流換流站啟動原則 20
2.2.6 電網黑啟動路徑選擇原則 21
2.2.7 負荷恢復原則 21
2.2.8 二次系統運行原則 21
2.3 黑啟動的技術校驗 22
2.3.1 黑啟動技術校驗的任務與要求 22
2.3.2 同步發電機自勵磁 22
2.3.3 設備投運過電壓 23
2.3.4 直流換流站啟動 23
2.3.5 電網潮流 24
2.3.6 合環 24
2.4 黑啟動的調度 24
2.4.1 黑啟動初始狀態 24
2.4.2 黑啟動調度方案 24
2.4.3 自啟動機組 25
2.4.4 啟動路徑 25
2.4.5 被啟動電源 25
2.4.6 直流換流站 26
2.4.7 負荷恢復 26
2.4.8 系統并列與合環 26
第3章 面向能源互聯電網的電力系統動態分區方法 28
3.1 概述 28
3.2 停電系統分區研究現狀 28
3.3 黑啟動電源 29
3.4 FCB機組出力模型 30
3.5 基于改進GN分裂算法的能源互聯電網快速動態分區方法 31
3.5.1 GN分裂算法原理 31
3.5.2 停電電網的拓撲模型及參數 32
3.5.3 改進GN分裂算法 33
3.5.4 含FCB機組電網的分區流程 35
3.5.5 算例分析 36
3.6 考慮分區恢復時間的電力系統分區優化模型 43
3.6.1 發電機啟動順序優化模型 43
3.6.2 基于粗糙集的帶有不確定因子的決策系統 47
3.6.3 考慮分區恢復時間的電力系統分區優化模型 49
3.6.4 模型求解 51
3.6.5 算例分析 51
3.7 本章小結 61
參考文獻 61
第4章 適應多樣化電源快速恢復的發電機啟動順序優化方法 64
4.1 概述 64
4.2 發電機啟動順序優化方法 64
4.2.1 基于排序法的機組啟動順序優化 64
4.2.2 機組啟動順序與恢復路徑非線性耦合模型 65
4.2.3 機組啟動順序與恢復路徑線性解耦模型 65
4.2.4 機組啟動順序與恢復路徑線性耦合模型 66
4.3 機組啟動順序與恢復路徑非線性耦合模型 67
4.3.1 優化目標 67
4.3.2 約束條件 67
4.3.3 機組啟動順序優化與恢復路徑優化的耦合關系處理 69
4.3.4 求解算法 69
4.3.5 算例分析 82
4.4 機組啟動順序優化與恢復路徑迭代優化模型 86
4.4.1 優化目標 87
4.4.2 約束條件 87
4.4.3 恢復路徑優化模型 90
4.4.4 算例分析 92
4.5 同時考慮機組啟動順序優化與恢復路徑優化的混合整數優化模型 96
4.5.1 現有線性耦合輸電線路恢復模型的建模方法及不足 96
4.5.2 靈活考慮輸電線路恢復時間的輸電線路串行恢復優化模型 98
4.5.3 算例分析 104
4.6 本章小結 125
參考文獻 126
第5章 不確定性條件下的負荷恢復方法 130
5.1 概述 130
5.2 負荷恢復方法 130
5.2.1 停電系統負荷恢復方法 130
5.2.2 新能源發電機組參與的停電系統負荷恢復方法 132
5.2.3 考慮新能源發電機組出力和負荷不確定性的處理方法 134
5.3 確定性負荷恢復方法 135
5.3.1 確定性負荷恢復模型 135
5.3.2 算例分析 139
5.4 考慮新能源發電機組出力不確定性的停電系統負荷恢復魯棒優化 147
5.4.1 理論基礎與決策框架 147
5.4.2 考慮新能源發電機組出力和負荷不確定性的負荷恢復魯棒模型 150
5.4.3 模型求解 154
5.4.4 算例分析 160
5.5 本章小結 171
參考文獻 172
前言
第1章 緒論 1
1.1 電力系統停電恢復控制技術研究的必要性 1
1.2 電力系統停電恢復的階段劃分 3
1.2.1 準備階段 3
1.2.2 系統恢復階段 5
1.2.3 負荷恢復階段 5
1.3 電力系統停電恢復過程中的技術問題 6
1.3.1 自勵磁 7
1.3.2 過電壓 7
1.3.3 暫態頻率 8
1.4 能源互聯電網發展對停電恢復控制技術提出的新要求 9
1.4.1 FCB機組 10
1.4.2 HVDC輸電系統 10
1.4.3 新能源發電機組 11
1.4.4 不同類型電源的適用范圍 12
1.4.5 新型多樣化電源對能源互聯電網停電恢復的新要求 13
參考文獻 14
第2章 能源互聯電網停電恢復的基本原則 19
2.1 概述 19
2.2 總體原則 19
2.2.1 總體要求 19
2.2.2 黑啟動電源選擇原則 19
2.2.3 調頻電廠選擇原則 20
2.2.4 子系統劃分原則 20
2.2.5 直流換流站啟動原則 20
2.2.6 電網黑啟動路徑選擇原則 21
2.2.7 負荷恢復原則 21
2.2.8 二次系統運行原則 21
2.3 黑啟動的技術校驗 22
2.3.1 黑啟動技術校驗的任務與要求 22
2.3.2 同步發電機自勵磁 22
2.3.3 設備投運過電壓 23
2.3.4 直流換流站啟動 23
2.3.5 電網潮流 24
2.3.6 合環 24
2.4 黑啟動的調度 24
2.4.1 黑啟動初始狀態 24
2.4.2 黑啟動調度方案 24
2.4.3 自啟動機組 25
2.4.4 啟動路徑 25
2.4.5 被啟動電源 25
2.4.6 直流換流站 26
2.4.7 負荷恢復 26
2.4.8 系統并列與合環 26
第3章 面向能源互聯電網的電力系統動態分區方法 28
3.1 概述 28
3.2 停電系統分區研究現狀 28
3.3 黑啟動電源 29
3.4 FCB機組出力模型 30
3.5 基于改進GN分裂算法的能源互聯電網快速動態分區方法 31
3.5.1 GN分裂算法原理 31
3.5.2 停電電網的拓撲模型及參數 32
3.5.3 改進GN分裂算法 33
3.5.4 含FCB機組電網的分區流程 35
3.5.5 算例分析 36
3.6 考慮分區恢復時間的電力系統分區優化模型 43
3.6.1 發電機啟動順序優化模型 43
3.6.2 基于粗糙集的帶有不確定因子的決策系統 47
3.6.3 考慮分區恢復時間的電力系統分區優化模型 49
3.6.4 模型求解 51
3.6.5 算例分析 51
3.7 本章小結 61
參考文獻 61
第4章 適應多樣化電源快速恢復的發電機啟動順序優化方法 64
4.1 概述 64
4.2 發電機啟動順序優化方法 64
4.2.1 基于排序法的機組啟動順序優化 64
4.2.2 機組啟動順序與恢復路徑非線性耦合模型 65
4.2.3 機組啟動順序與恢復路徑線性解耦模型 65
4.2.4 機組啟動順序與恢復路徑線性耦合模型 66
4.3 機組啟動順序與恢復路徑非線性耦合模型 67
4.3.1 優化目標 67
4.3.2 約束條件 67
4.3.3 機組啟動順序優化與恢復路徑優化的耦合關系處理 69
4.3.4 求解算法 69
4.3.5 算例分析 82
4.4 機組啟動順序優化與恢復路徑迭代優化模型 86
4.4.1 優化目標 87
4.4.2 約束條件 87
4.4.3 恢復路徑優化模型 90
4.4.4 算例分析 92
4.5 同時考慮機組啟動順序優化與恢復路徑優化的混合整數優化模型 96
4.5.1 現有線性耦合輸電線路恢復模型的建模方法及不足 96
4.5.2 靈活考慮輸電線路恢復時間的輸電線路串行恢復優化模型 98
4.5.3 算例分析 104
4.6 本章小結 125
參考文獻 126
第5章 不確定性條件下的負荷恢復方法 130
5.1 概述 130
5.2 負荷恢復方法 130
5.2.1 停電系統負荷恢復方法 130
5.2.2 新能源發電機組參與的停電系統負荷恢復方法 132
5.2.3 考慮新能源發電機組出力和負荷不確定性的處理方法 134
5.3 確定性負荷恢復方法 135
5.3.1 確定性負荷恢復模型 135
5.3.2 算例分析 139
5.4 考慮新能源發電機組出力不確定性的停電系統負荷恢復魯棒優化 147
5.4.1 理論基礎與決策框架 147
5.4.2 考慮新能源發電機組出力和負荷不確定性的負荷恢復魯棒模型 150
5.4.3 模型求解 154
5.4.4 算例分析 160
5.5 本章小結 171
參考文獻 172
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能源互聯電網停電恢復控制技術 節選
第1章緒論 1.1電力系統停電恢復控制技術研究的必要性 電力系統是電能的生產、輸送、分配和消費各環節組成的一個整體，將自然界中的一次能源轉化成電能后，再經過輸電、變電、配電等環節將電能供給用戶使用。為了滿足不斷增長的用電需求和不斷提高的電力系統運行效率要求，電網的大規模互聯已成為全世界范圍內發展的必然趨勢[1，2]，目前大部分國家已經形成了國內互聯電網，在西歐已經形成了跨國互聯電網，在未來可能形成跨洲互聯的全球能源互聯電網[3，4]。大規模互聯電網可在地理環境下優化資源配置方式，有錯峰調峰、互為備用、調節余缺和多種能源共濟等聯網效益。但隨著互聯電網規模的擴大，電網潮流交換和信息交換日益頻繁，大規模互聯電網內各子網間的相互依賴性亦日益增大，從電網單一故障擴大到相繼故障的可能性也日益增大，從而增加了電力系統停電的風險[5]。 2000年以來，國外發生多起大停電事故，如表1.1所示。這些大停電事故造成了巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。除了表1.1中的大停電事故，還有很多影響較為嚴重的停電事故，例如，2006年11月4日西歐大停電，波及法國和德國人口*密集的地區，以及比利時、意大利、西班牙、奧地利的多個重要城市，約1500萬用戶受到影響[6，7]；2011年2月4日巴西東北部電網大停電，波及巴西東北部8個州，共損失負荷約8000MW，占巴西東北部電網總負荷的90.1%，約4000萬人的生活受到影響，經濟損失折合約6000萬美元[8，9]；2011年9月8日美國西南部電力系統大停電，受此次停電事故影響的居民總人數超過500萬，僅圣迭戈市因停電造成的直接經濟損失就高達1.18億美元。 隨著經濟社會的迅速發展，我國電力系統規模不斷擴大，全國總發電量逐年穩步提高。中國電力企業聯合會公布的數據顯示，2020年全國總用電量達75110億kW.h，同比增長3.1%，“十三五”時期全國總用電量年均增長5.7%。2021年全國總用電量相比2020年增長了10.3%。全國總用電量逐年提高的同時，我國電網的規模也越來越大，跨省、跨區域電網互聯和送電規模也在不斷擴大，我國將實現全國聯網，形成統一的電力系統。中國電力企業聯合會公布的數據顯示，2020年，全國完成跨區送電量6130億kW.h，同比增長13.4%，各季度增速分別為6.8%、11.7%、17.0%、15.3%。全國跨省送電量15362億kW.h，同比增長6.4%，各季度增速分別為–5.2%、5.9%、9.9%、12.3%。隨著“西電東送，全國聯網”格局逐漸形成，我國電網各個子系統之間的聯系越來越緊密，若局部子系統的故障處理不當，極有可能導致故障范圍擴大，波及相鄰子系統，甚至造成大面積停電事故，給國民經濟和人民生活造成巨大的影響。 危機專家承認，“一次大停電，即使是數秒鐘，也不亞于一場大地震帶來的破壞”。隨著社會經濟的不斷發展，現代社會對電力供應的依賴性越來越大，一旦發生停電事故就會造成巨大的社會影響和經濟損失，甚至危及國家安全。電力系統結構的日益加強，保護設備和裝置的不斷改進，從一定程度上提高了電力系統的安全性和穩定性，但也只能從某種程度上減小大停電事故發生的概率。由于設備和經濟等方面條件的限制，從根本上說，大停電事故無法完全避免。因此，對大停電事故后電網的黑啟動研究具有重要的意義。 大停電事故發生后，科學合理的恢復方案能在加快系統恢復進程的同時，大幅度地減少大停電事故所造成的損失；反之，則可能延誤恢復進程，擴大事故范圍，甚至造成更加嚴重的后果。例如，瑞典在1983年12月的大停電事故中，事先制定的分層自動或半自動恢復原則對恢復過程的順利進行起到了極其重要的作用。1982年8月意大利大停電事故中，南部電網通過事先制定的完善的恢復措施，只用不到40min就完全恢復了供電；在2003年9月的全系統停電事故中，只用4h就恢復了主要地區的供電。海南電網“9 26”大停電事故中，通過緊急啟動黑啟動預案成功地實現了系統的快速恢復。反觀美加“8 14”大停電事故，其恢復過程多次因計劃不周、調度不當導致恢復方案執行中斷，大大延誤了恢復進程，事故發生12h后，紐約等市區才陸續恢復供電，29h后主要停電區域恢復供電。 國內外電力系統的實際運行經驗表明，新技術和新設備的應用，雖然能在一定程度上和一定范圍內提高系統的安全性與可靠性，但由于電網的復雜性和新能源發電的不確定性，仍無法從根本上避免大停電事故的發生。因此，做好電網停電事故發生后的處理預案和電網崩潰后的恢復方案具有十分重要的意義。 1.2電力系統停電恢復的階段劃分 電力系統停電恢復是一個多目標、多約束、多時間尺度的復雜恢復過程，根據各階段不同的恢復目標，可以將恢復過程分成三個階段：準備階段、系統恢復階段、負荷恢復階段[10]。 1.2.1準備階段 準備階段主要包括三個任務：黑啟動電源選擇[11]、分區優化[12]及恢復策略確定。其中，如何獲得*優分區方案是準備階段中*復雜、*重要的任務。 1.黑啟動電源選擇 黑啟動電源根據是否位于停電系統內部可以分為內部電源和外部電源。其中，內部電源主要包括系統內具有自啟動能力的機組、帶電孤島及并網型分布式電源，其可用性強且支持并行恢復；外部電源主要包括系統間交、直流聯絡線，其支撐能力強、恢復速度快、穩定性高。在根據實際恢復場景選擇黑啟動電源時主要考慮以下五種因素： (1)優先選擇調節性能好、啟動速度快、具備進相運行能力的機組； (2)優先選擇直調電廠作為黑啟動電源，其次選擇用戶電源； (3)優先選擇接入高電壓等級的電廠； (4)優先選擇有利于快速恢復其他電源的電廠； (5)優先選擇距離負荷中心近的電廠。 2.分區優化 將大規模停電系統分成多個分區(子系統)，利用各分區內部電源或外部電源并行恢復，選擇合適時機進行分區間的并列與合環，進而完成全網恢復，可以有效提升系統恢復效率，減少停電負荷損失。大規模電力系統的分區并行恢復主要有以下優點：①簡化恢復方案，提高恢復方案的可行性和可靠性；②限制各種不利因素的影響范圍，保障系統恢復安全進行；③提高系統恢復效率[13]。 為了提高恢復策略的可靠性，系統分區需要滿足以下要求： (1)每個分區內至少包含一個黑啟動機組，為系統恢復提供初始電力供應，以完成輸電線路充電、非黑啟動機組啟動、重要負荷恢復； (2)確保各分區內的系統機組容量與負荷基本平衡，以避免因有功功率過剩或不足導致系統頻率偏移； (3)分區內應具有足夠的無功功率，以維持電壓穩定； (4)分區之間的聯絡線上應裝設監控裝置，用于系統同步時檢測不同分區間的相位差。 在實際工程應用中，國內各區域電網通常采用固定分區法[14，15]進行子系統的劃分。中國南方電網[16]、國網天津市電力公司[17]、國網山東省電力公司[18]都是在滿足上述基本原則的前提下，依據地理位置、行政區劃以及黑啟動電源的分布進行事先劃分。固定分區法缺乏理論基礎，分區方案受人為因素影響較大，不能得到靈活適應停電系統結構的系統分區方案。 在理論研究中，文獻[19]通過廣域測量系統實現對各分區的詳細觀測，以確保系統快速、安全恢復。文獻[20]通過有序二元決策圖將系統分區問題轉化為布爾函數決策問題，并通過仿真對分區方案進行暫態穩定性分析，以確保分區方案的可行性。文獻[21]提出一種基于復雜網絡社團結構理論的分區方法，利用模塊度指標評價分區結果，根據各分區分裂出的前后順序確定子系統之間的同步順序。文獻[22]將非歸一化譜聚類算法與*短路徑算法結合，縮短恢復路徑長度，減少分區間連接點數量，有利于降低分區同步難度，增大分區策略的可靠性。 3.恢復策略確定 根據系統拓撲結構(包括自啟動能力、電壓等級、負荷分布)和恢復優先級確定恢復策略，包括向下恢復、向上恢復、向內恢復、向外恢復、共同恢復、重要電源優先恢復等恢復策略[23]。其中，*常用的恢復策略是向下恢復和向上恢復。向下恢復是一種自上而下的恢復策略，適用于當系統規模較小、黑啟動機組容量相對充足時，首先依靠黑啟動機組為整個系統充電恢復并維持其穩定，然后逐步恢復機組及負荷；向上恢復是一種自下而上的恢復策略，當系統規模較大、黑啟動機組容量相對不足時，首先為部分恢復路徑充電以便恢復機組和重要負載，然后逐步恢復整個系統。大多數系統因黑啟動機組無法為整個系統充電并維持系統穩定而選擇自下而上的向上恢復的恢復策略。在向上恢復的恢復策略中，通常會先將停電系統分為幾個含有黑啟動機組的子系統，通過并行恢復縮短恢復時間，從而提高恢復效率。 1.2.2系統恢復階段 系統恢復階段是指在完成系統分區之后，恢復過程將在所有分區內同時進行，根據已確定的恢復順序恢復輸電線路、非黑啟動機組以及重要負荷，逐步擴大恢復范圍[24]。該階段主要研究內容包括*優目標網架的確定、網架重構路徑的選擇、停電機組恢復順序的確定等。 *優目標網架的確定通常以優先恢復盡可能多的重要負荷[25-29]、重構時間*短[26，30]、重構風險*小[27，31]等為優化目標建立模型，遺傳算法、差分進化算法、粒子群優化算法等智能算法是較為常見的求解模型的算法。網架重構路徑的選擇和黑啟動路徑的選擇相似，通常基于優化思想，以尋找*短的加權送電路徑[28，32]、網架重構過程中單位時間機組發電量*大[29，30，33，34]、網架重構效率*高[31，35]等為優化目標，同時綜合考慮連通性約束、穩態潮流約束、過電壓約束、自勵磁約束等，結合*短路徑算法與智能算法求解模型確定網架重構的*優路徑。早期停電機組恢復順序通常通過專家系統確定[32-34，36-38]，近年來，啟發式算法和智能算法[35-37，39-41]也被應用到停電機組恢復順序的研究中。為了保證網架重構的順利進行，這一階段需要恢復一定量的負荷平衡機組出力，穩定系統電壓。 1.2.3負荷恢復階段 1.負荷恢復優化 負荷恢復作為系統恢復的根本目的貫穿于整個恢復過程，負荷恢復優化能夠加速系統重構，減少停電損失，提高系統恢復效率，因此研究黑啟動機組的負荷恢復具有重要意義。 電力系統停電恢復過程中的負荷恢復可以分成兩個階段：**個階段是電網恢復初期，網架未完全重構，為了保證系統的穩定對某些必要負荷進行恢復；第二個階段是網架重構完成后，發電機均已并網啟動，此時負荷開始全面恢復。 電網恢復初期，已恢復系統較為薄弱，此時系統恢復的前提是保證電網的穩定，因此需要恢復一定量的負荷以平衡已經并網的機組的出力，該階段負荷恢復是保持系統穩定的重要控制手段，這一動態過程關注的重點是，在恢復負荷的作用下較為薄弱的系統能否保持穩定，與電網恢復后期負荷恢復的目的不同，因此負荷全面恢復階段的優化策略在這一階段并不適用。目前，國內外對這一階段負荷恢復的研究還比較少，但是為了保證電網恢復過程中的安全穩定，對這一階段負荷恢復的研究十分必要。對這一階段負荷恢復的研究要從全局的角度出發，考慮機組、線路與負荷恢復之間的協調問題，建立相關的模型。 在機組全部啟動，主要線路全部恢復后，系統進入全面負荷恢復階段，該階段主要研究如何在滿足系統安全約束的前提下優化負荷恢復方案，負荷恢復的模型通常以總負荷恢復量*大為目標，考慮潮流、頻率、節點電壓等約束條件，利用已恢復機組在保持系統電壓、頻率、線路傳輸功率安全的情況下，盡快恢復更多負荷[38，39]，完成各分區并網，降低停電損失。在該階段，需要根據各負荷的位置、重要度[40]，以及因自動控制類負荷投入造成的冷負荷恢復問題[41，42]對負荷恢復順序、恢復量[43，44]進行優化，盡量降低因負荷投入對頻率和電壓造成的影響[45，46]，避免低頻減載或低壓減載動作，保證系統安
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