论文总字数：26084字

摘 要

随着全球用电量的不断增加、电网规模的显著扩大，对电力系统的安全性和经济性提出了更高的要求。统一潮流控制器作为最具代表性的FACTS器件，能够有效地调节与控制线路潮流，它的成功应用为电力系统安全经济运行提供了一种新的控制方法。为了充分利用统一潮流控制器，提高电力系统的经济效率和安全性，本文提出了考虑UPFC控制模式的潮流优化算法。首先，根据UPFC的基本结构和工作原理以及替代定理推导建立了UPFC的功率注入模型，为进行考虑UPFC的潮流计算提供了基础。然后在建立UPFC功率注入模型的基础上为潮流计算推导了一种考虑UPFC控制模式的迭代方法，并基于江苏省电网的BPA数据开发了BPA-MATPOWER数据转换接口。以最小系统运行成本的目标构造了含UPFC的潮流优化模型，基于这个模型，采用粒子群优化（PSO）算法同时优化电力系统运行参数和UPFC控制参数。采用标准IEEE30系统证明了该方法充分发挥了UPFC的控制潜力，显着提高了电力系统的经济性，最后在实际电网中验证了潮流优化算法的有效性。

关键词：统一潮流控制器（UPFC）；UPFC控制模式；功率注入模型；最优潮流；粒子群算法。

Abstract

With the continuous increase of global electricity consumption and the significant expansion of the power grid scale, higher requirements are placed on the safety and economy of the power system. As the most representative FACTS device, the Unified Power Flow Controller (UPFC) can effectively regulate and control the line flow.The successful application of the Unified Power Flow Controller provides a new control method to make power systems operate safely and economically. In order to make full use of the Unified Power Flow Controller and improve the economic efficiency and safety of the power system, this paper proposes a power flow optimization algorithm that considers the UPFC control mode. Firstly, according to the basic structure and working principle of UPFC and surrogate theorem, a power injection model of UPFC is deduced, which provides the basis for power flow calculation considering the UPFC. Then based on the UPFC power injection model, an iterative method considering UPFC control mode is deduced for power flow calculation. In addition, BPA-MATPOWER data interface is developed based on BPA data of Jiangsu power grid. The power flow optimization model considering UPFC is constructed with the goal of minimum system operating cost. Based on this model, particle swarm optimization (PSO) algorithm is used to optimize the power system operating parameters and UPFC control parameters simultaneously. Using the standard IEEE 30-bus system proves that this method gives full play to the control potential of UPFC and significantly improves the economics of the power system. Finally, the validity of the power flow optimization algorithm is verified in the actual power grid.

Key words: unified power flow controller (UPFC); UPFC control mode; Power injection model; optimal power flow; particle swarm optimization.

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 课题研究现状 1

1.2.1 电力系统最优潮流的研究现状 1

1.2.2 灵活交流输电系统的研究现状 2

1.2.3 统一潮流控制器的研究现状 3

1.2.4 含UPFC电力系统潮流优化的研究现状 3

1.3 本文的主要工作 4

第二章 统一潮流控制器的稳态模型 6

2.1 UPFC的工作原理 6

2.2 UPFC的数学模型 6

2.2.1 UPFC电压源模型 6

2.2.2 UPFC两节点功率注入模型 8

2.2.3 UPFC三节点功率注入模型 9

2.3 本章小结 10

第三章 UPFC不同控制模式下的潮流计算 12

3.1 UPFC的控制模式 12

3.1.1 电压调节控制模式 12

3.1.2 相角调节控制模式 12

3.1.3 阻抗补偿调节模式 13

3.1.4 定功率控制模式 13

3.2 计及UPFC控制模式的潮流计算方法 14

3.2.1 电压调节控制模式的潮流计算方法 14

3.2.2 相角调节控制模式的潮流计算方法 14

3.2.3 阻抗补偿控制模式的潮流计算方法 15

3.2.4 定功率控制模式的潮流计算方法 15

3.3 BPA-MATPOWER数据转换接口 16

3.3.1 BPA及MATPOWER数据结构 16

3.3.2 BPA-MATPOWER数据转换方法 17

3.3.3 算例验证 17

3.4 本章小结 18

第四章 含UPFC电力系统潮流优化 20

4.1 含UPFC的潮流优化模型 20

4.2 潮流优化模型求解 21

4.3 算例分析 23

4.4 本章小结 26

第五章 总结和展望 27

5.1 本文工作总结 27

5.2 展望 27

致 谢 28

参考文献 29

绪论

研究背景和意义

随着经济社会的高速发展，全世界的用电量不断增加，对电力系统的要求也不断增加。我国幅员辽阔，能源资源比较丰富，但却存在人均占有率低、分布不平衡的问题。为解决我国能源资源分布不均的问题，国家兴建了一大批工程，如西电东送、南水北调工程。西电东送工程是我国电力系统中的伟大工程，具有重大意义，国家在大力建设电网的同时，也致力于提高输电质量、加强电网控制能力。由于我国经济的高速发展、科技水平的不断提高，我国的电网发展迅速，目前，我国已形成紧密联系，具有多个电压等级的大型复合电网，为社会发展和人民生活水平的提高提供了保障。大型电网的建成，使电网的可靠性和灵活性大幅提高，运行成本降低。但是随着电网的进一步扩大，对系统的控制能力具有更高的要求，一旦发生故障，极可能造成如大面积停电等波及范围大、具有更大损失的破坏事故。首先，依靠建设新的输电通道来提高系统输电能力的方法，一方面经济成本高昂，另一方面还受到国家政策和环境保护等方面的限制，而且这种制约会越来越强^[1]。此外，虽然我国的电网发展迅速，规模不断扩大，但输电能力并未同步提高，线路损耗依旧较大，利用率低下，如何更大降低线路损耗、提高输电质量仍是研究人员的研究重点。同时，一般发电地点与负荷中心距离很远，使得潮流分布严重不均，这不仅严重制约系统输电能力，同时系统运行也将面临极大的风险。最后，随着电力市场的发展，电力市场环境下各种经济行为将使系统行为难以预测和控制，带来电压不稳定、电网波动大等问题。所以，需要提高传输能力，优化潮流分布，提高系统稳定性^[2]。对于今天的大型电力系统，传输系统的安全和灵活的操作成为一个重要和关键的问题。为了有效利用传输系统，柔性交流输电系统对于满足公用事业间电力传输大幅增加的需求至关重要。FACTS设备可以增强电力传输的灵活性和可控性。FACTS设备，固态功率电子转换器，可以减少控制临界负载线路中的功率流动，保持总线电压在指定的水平，提高网络的稳定性。统一潮流控制器是FACTS器件的典型代表，能通过控制线路上的电压、阻抗和相角或者通过并联无功补偿控制电压有效地对系统进行潮流控制，提高电力系统的稳定性。

统一潮流控制器的应用为提高系统输电能力带来新的机遇。为了充分利用统一潮流控制器，提高电力的经济性和安全性，需要开展含UPFC系统的潮流优化研究。然而，UPFC具有多种潮流控制模式：电压控制模式、相角控制模式、阻抗控制模式以及潮流控制模式，不同控制模式的会影响系统潮流分布，从而对系统的静态安全产生较大影响。因此，在计及UPFC的控制模式对潮流迁移的影响的情况下，开展静态安全约束下的最优潮流研究，能最大程度地挖掘UPFC控制潜力，具有重要的理论和应用价值。

课题研究现状

电力系统最优潮流的研究现状

在过去的二十年中，最优潮流(Optimal Power Flow, OPF)的问题受到了很多关注。这是目前许多公用事业的兴趣所在，并且被视为最具运营需求之一。OPF问题解决方案旨在通过对电力系统控制变量的优化调整来优化所选择的目标函数，例如燃料成本，同时满足各种等式和不等式约束。一般来说，OPF问题是一个大规模高度约束的非线性非凸优化问题。最优潮流研究的目的之一是通过计算可用电力传输能力（Power transmission capability ,ATC）在一个放松管制的环境中实现成本或损失最小化。非传统分布式发电和混合式分布式发电机是最具有成本效益和可靠的发电方式。当分布式商户连接到网格时，最优控制变量和OPF中目标函数的最小值将会改变。这种改变将涉及分布式发电机注入的数量，位置和功率组合。另一方面，柔性交流输电线路控制器的存在将利用现有的传输网络。作为第三代FACTS控制器的集成潮流控制器以其能够通过生成良好的电压曲线和ATC性能改进来最小化发电损耗成本而闻名。1920年出现了经济负荷调度的概念，潮流优化问题开始提出，此后越来越多人开始致力于潮流优化问题的研究。潮流优化问题一般用传统优化算法和智能优化算法求解，传统优化算法主要分为：线性规划法，非线性规划法。1968年提出的简化梯度法是第一个被成功应用的优化算法^[3]，该方法结合牛顿拉夫逊潮流算法运用梯度法进行搜索，当出现不满足不等式约束问题时，采用罚函数进行处理。基于牛顿法并应用稀疏矩阵的优化算法使得计算速度大大缩减^[4]，具有更好的收敛效果。此外，高精度的二次规划算法也被提出应用于潮流优化，但具有计算速度慢和鲁棒性差的缺点。线性规划法是在其约束条件为线性的情况下，求解最值的一种最优算法。线性规划法对以线路网损为目标函数的潮流优化效果不佳，且会随着网络规模的扩大迅速增加迭代次数，收敛变慢。1984年Karmakar提出了内点法这一可克服牛顿法确定约束集困难的方法，该方法收敛速度快，鲁棒性好，可用于求解大规模线性规划问题。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26084字