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基于智能软开关的城市电-气综合能源系统韧 性提升方法

发布时间:2022-11-21 13:45
目 录
摘要 I
Abstract II
第1 章 绪 论 1
1.1课题研究背景和意义 1
1.2国内外研究现状及分析 2
1.2.1电力系统韧性研究现状 2
1.2.2城市综合能源系统韧性研究现状 2
1.2.3智能软开关研究现状 4
1.3本文主要研究工作 5
第2 章 城市电-气综合能源系统稳态能流计算模型 6
2.1引言 6
2.2城市电-气综合能源系统稳态能流计算模型 6
2.2.1城市电力子系统稳态潮流计算模型 6
2.2.2城市天然气子系统稳态能流计算模型 7
2.2.3耦合元件模型 8
2.2.4城市电-气综合能源系统稳态能流计算模型转化方法 9
2.3本章小结 9
第3 章 台风灾害模型及分析 10
3.1引言 10
3.2台风灾害对城市电-气综合能源系统影响分析 10
3.2.1台风风速模型 10
3.2.2台风灾害下电力线路故障率模型 11
3.2.3台风灾害对天然气子系统影响分析 11
3.3算例分析 12
3.3.1台风风速模型验证 12
3.3.2电力线路故障率分析 13
3.4本章小结 13
IV
第4章SOP数学模型及控制策略分析研究 14
4.1引言 1 4
4.2SOP 拓扑模型 1 4
4.3SOP 控制策略 1 5
4.3.1双闭环控制系统及控制策略分析 1 5
4.3.2SOP应用于负荷恢复问题分析 16
4.4算例分析 17
4.4.1故障情况下SOP容量对系统负荷恢复影响分析 17
4.4.2故障情况下SOP接入位置对系统负荷恢复影响分析 18
4.4.3故障情况下SOP接入数量对系统负荷恢复影响分析 19
4.5本章小结 18
第 5章 台风灾害下基于智能软开关的城市电-气综合能源系统韧性提升方法 19
5.1引言 19
5.2综合能源系统韧性 19
5.3基于SOP的UIES韧性提升模型 22
5.3.1模型建立 22
5.3.2模型转化与求解 23
5.4基于SOP的UIES韧性提升方法流程 23
5.5算例分析 24
5.5.1IES E33-G14测试系统SOP韧性提升作用分析 25
5.5.2IES E123-G48测试系统SOP韧性提升作用分析 29
5.6本章小结 32
结 论 33
参考文献 34
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 39
东北电力大学学位论文原创性声明和使用权限 39
《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和《中国学位论文全文数据库》投稿声明. . . . . . . 4 1 致 谢 42
V
第 1 章 绪 论
1.1课题研究背景和意义
随着城市化进程不断加速,城市资源利用率逐渐提高,城市能源供需关系日渐紧张, 城市综合能源系统(urban integrated energy systems, UIES)成为未来城市供能的重点发展趋 势,同传统综合能源系统区别主要在于其耦合环节以及其一输多配的连接方式。近年来台 风频繁登陆我国广东、海南、福建和浙江等南部沿海地区,该类城市地区人口较为密集, 用电需求较大,发生在城市中的台风灾害使得城市综合能源系统遭到破坏,能源基础设施 无法供给城市居民所需要的能源,对UIES可靠运行造成了巨大威胁[1]。2019年8月,台 风“利奇马”的登陆使得我国共计72座35千伏以上变电站停运、3753条线路出现断电事 故、影响用户 553.55 万[2]。 2021 年 4 月 30 日江苏省南通市大面积大风天气亦造成严重损 失。台风等极端天气下城市综合能源系统故障不仅会影响人民生活,造成企业停工停产, 还会造成巨额经济损失,因而可靠稳定的电力供应对城市综合能源系统至关重要。在此背 景下迫切需要提高电力系统以及 UIES 对台风等极端事件的抵御、适应以及快速恢复的能 力[3],进而许多学者考虑将韧性的概念应用于电力系统及综合能源系统中,旨在提升能源 系统韧性。
UIES韧性是指UIES对极端自然灾害的抵御、适应并快速恢复到正常供能状态的能力。 对UIES进行有效韧性提升可以在很大程度上减少台风等自然灾害对UIES的影响,为城市 居民的生活提供更有力的保障[4]-[5]。因此,研究适用范围广且合理的 UIES 韧性提升方法 具有重要意义。针对配电网的现有韧性提升方法主要包含网络重构以及同分布式电源和微 网协同进行负荷恢复等。城市综合能源系统包含高度耦合的多能源网络,通过不同能源网 络之间的一定耦合,亦具有在故障条件下实现各子网络负荷恢复的潜力,因而在极端灾害 导致系统故障的情况下,许多学者逐渐亦将多能源协同的方法应用于 UIES 韧性提升。然 而在上述方法中,采用分布式电源进行负荷恢复的方法不适用于台风天气,同时网络重构 亦存在开关损耗以及开关成本等问题,因而研究切实可行的台风灾害背景下韧性提升方法 意义重大。
随着电力电子技术的发展,将柔性配电装置应用于配电网进而解决配电网的运行控制 问题受到了众多学者的广泛关注。智能软开关(soft open points,SOP)是一种柔性配电装置, 具备较强的潮流控制和电压支撑能力[6]。在配电网处于常规运行情况下, SOP 采用传统的 潮流控制方式,与配电网的分布式电源、联络开关协调运行,以优化配电网潮流[7]-[9]。当 配电网出现由极端灾害等引起的断线故障时,SOP可以根据控制信号实时响应,实现控制 策略的快速切换,从而恢复失电负荷[10],因而将SOP装置应用于负荷恢复以及韧性提升具 有一定研究意义及价值。
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1.2国内外研究现状及分析
1.2.1电力系统韧性研究现状
1973 年加拿大生物学家 Holling 最初定义韧性并将韧性的概念应用于生态系统,用以 衡量系统在干扰下所具有的保持原有状态的能力[11]。随后韧性的概念广泛应用于环境科学 [12]、社会学[13]、工业[14]、经济等各领域。电力系统作为保障人民正常生活以及社会经济发 展的重要性基础设施,其发生故障后在严重影响人类正常生产活动的同时亦会对经济发展 产生极大威胁。在以上背景下,越来越多的学者考虑将韧性的概念应用于电力领域。2009 年在由美国能源部发布的“智能电网报告”中首次明确提出了智能电网在面对自然灾害、 蓄意攻击、设备故障和人为失误时应该具有韧性,定义韧性包含鲁棒性、冗余性、有源性 和快速性四个属性(简称 4R 属性)[15]。美国国土安全部将韧性定义为电力系统对于蓄意攻 击、意外事故或自然灾害的事件具有准备性和适应性,在能承受住扰动事件造成故障的同 时具备迅速从故障中恢复的能力[16]。
目前,关于电力系统韧性的研究集中在评估以及提升两方面。文献[17]阐述了韧性应 用于配电网的重要性,给出了在规划以及调度过程中的韧性评估及提升指标并指出了当前 配电网韧性研究现状以及发展方向。针对韧性评估,文献[18]介绍了韧性三角作为量化指 标同时在系统韧性量化指标中增加概率指标,由指标计算得出系统薄弱环节。文献[19]以 自然灾害台风为背景给出配电网韧性评估框架,所提韧性评估指标基于修复率、吸收率和 适应力三个方面。文献[20]分别从系统以及元件的角度提出了两类韧性指标对电力系统韧 性进行有效评估。与此同时提出了一种基于影响增量的状态枚举方法用以提升韧性指标的 计算效率。
现有的配电网韧性提升方法多采用了结合开关操作的网络重构、与分布式电源、微网 结合等方法[21]-[26]。文献[21]综述了配电网韧性的最新研究进展,并对分布式电源和微网用 于韧性提升的最新研究进行了综述。文献[22]-[24]通过与微网相结合提高了配电网的整体 韧性。文献[25]所提供电恢复模型中同时考虑网络重构以及应用分布式电源。该模型通过 引入电源并改变网络拓扑结构,提高了系统负荷恢复量和配电网韧性。文献[26]亦采用了 分布式电源同网络重构结合的方法,分布式电源起到为失电节点提供功率支撑的作用,网 络重构中运用了生成树方法,共同作用提高了配电网的韧性。
1.2.2城市综合能源系统韧性研究现状
随着城市发展速度的提升,各类民用以及工商业等负荷需求量大幅增加,对能源的需 求量逐渐增大,城市综合能源系统中多能源网络间相互耦合可有效提高能效,同时其作为 面向用户的关键环节以及能源网的重点发展方向,近年来备受广大学者的关注。目前对 UIES 的研究主要涵盖系统规划、考虑各类因素的运行模型以及优化调度等角度。文献[27] 从城市综合能源系统的配电-气-热网的联合规划角度系统且详细的阐述了城市综合能源系
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统的规划问题,从网络耦合以及可靠性两个层面对相关规划理论及方法进行了研究。文献 [28]在城市综合能源系统运行调度中考虑热网动态特性,对城市热电综合能源系统灵活性 调度开展研究。文献[29]对城市综合能源系统能源效率建模以及优化问题进行研究并对各 环节的关键技术方法以及能效的可控因素进行分析进而提出最优能效方案。文献[30]考虑 到可再生能源如风能等的不确定性给 UIES 运行所带来的挑战,进而提出一种两阶段数据 驱动的分布式鲁棒运行模型,并从鲁棒性以及经济性两方面分析所提模型的优越性。
近年来各类极端自然灾害频发导致系统故障,部分学者逐渐将韧性的概念引入城市综 合能源系统。在上述综合能源系统规划以及优化等方面的研究的基础上,对其负荷恢复能 力以及韧性方面的研究逐渐增多。英国能源研究中心定义韧性为能源系统能抵抗住扰动并 持续给用户提供足够能源的能力[31]。进而韧性的概念可应用于城市综合能源系统,用以衡 量城市综合能源系统对故障的抵御、适应以及从中快速恢复的能力。
目前,关于综合能源系统韧性的研究多集中于评估角度,韧性提升方面研究尚处于起 步阶段。文献[32]对目前城市综合能源系统韧性的研究现状进行了总结,对韧性定义进行 阐述同时系统综述了现存韧性评估方法、负荷恢复策略以及韧性提升措施。针对韧性评估, 文献[33]系统地讨论了韧性的概念,并比较了现有研究中的综合能源系统韧性评估方法。 文献[34]基于负荷需求期望值和负荷削减率两个性能指标,提出了一种有效的电力系统韧 性评估模型和方法,并同时考虑了配电网和配气网之间的关系。文献[35]提出了全面评价 电-气综合能源系统的韧性评估框架,同时包含静态韧性评估框架以及不同时间阶段的韧性 评估指标。文献[36]提出了考虑燃气供应波动影响的电-热-气综合能源系统韧性评估方法。
城市综合能源系统包含高度耦合的多能源网络,通过不同能源网络之间的协同,具有 在故障条件下实现负荷恢复的潜力。因此,在极端事件导致系统故障的情况下,除传统配 电网中所采用的韧性提升方法外,在综合能源系统背景下多能量调控与协同的方法亦应用 于 UIES 韧性提升。文献[37]通过鲁棒优化的方法提高了电-气综合能源系统的韧性。文献 [38]通过在极端事件发生前采取预防措施,提高了综合能源系统对极端事件的抵御能力。 文献[39]从系统和元件层面分析并提升了海岛综合能源系统的韧性,在故障前对系统薄弱 环节进行识别,故障后通过指标确定系统的最优修复策略提升了系统韧性。
综上所述,针对城市综合能源系统目前已存在一些韧性提升方法。但随着台风灾害的 频繁发生,台风下配电线路易出现断线故障进而导致系统负荷出现削减,影响系统正常运 行,同时台风来临时,特殊天气下风力发电、光伏发电等分布式发电的随机性、不可控性、 间歇性以及突变性使得运行情况较为复杂,导致在台风天气下难以采用上述应用分布式供 电设备可靠地进行恢复负荷[40],进而导致台风天气背景下上述韧性提升方法尚存在各种不 足。此外,传统采用开关操作的网络重构方法存在开关损耗,无法实现网络重构过程的优 化和实时恢复。因而台风天气下城市综合能源系统的韧性提升方法仍有待于进一步研究。
1.2.3智能软开关研究现状
随着电力电子技术的发展,将以SOP为代表的电力电子设备应用于配电网受到众多学 者的广泛关注,故障后其可以进一步提升负荷恢复水平,SOP装置的应用将给城市能源系 统运行控制问题提供解决契机。SOP装置以背靠背变流器结构为基础,采用交/直/交运行 方式[41],双端 SOP 能够快速、准确地控制自身功率流动[42]-[43],对系统整体功率分布起到 改善作用[44]。考虑到SOP的优势,近年来国内外学者对SOP应用于系统运行优化以及负 荷恢复等方面的作用亦开展了大量的研究[45]。文献[46]最早定义了 SOP的概念,强调了其 在配电网中的有功传输以及风电消纳能力。文献[47]对SOP进行了全面的回顾,根据现有 标准和文献,明确了 SOP在配电网中的职责以及应用SOP的利弊,并提出了未来工作的 方向。文献[48]提出了 SOP的动态控制模型并对其进行分析,各控制目标以及模式的切换 通过双闭环控制系统实现,体现SOP的平衡馈线负荷、降低网络损耗以及维持电压水平的 优势。文献[49]对SOP的工作原理以及运行边界进行分析。并提出以单位时间内损耗最小 作为目标函数的含 SOP 配网优化模型,分别对静态以及动态潮流的优化结果进行对比分 析。在此基础上,文献[50]提出了一种多目标优化方法,证明了 SOP在降低网损、平衡负 荷、改善电压分布等方面是改善网络运行的有效工具。近两年逐渐有学者考虑将SOP应用 于配电网供电恢复。文献[51]提出了 SOP的两种控制模式即电流控制的潮流控制模式以及 电压控制的供电恢复模式,并且揭示了 SOP及其控制模式在正常运行以及故障情况下等电 网不同运行状态下的动态表现。文献[52]提出了基于SOP的配电网供电恢复模型以及流程, 所提模型目标函数设定为系统负荷恢复量最大,通过锥优化求解并对不同控制模式下SOP 需满足的运行约束进行阐述。文献[53]研究了具有SOP的配电网在故障发生后的动态性能, 证明了具有SOP的配电网也可以采用传统的故障分析方法,并提出了其在故障不同阶段的 控制模式和相应的SOP模型,初步探讨了考虑潜在故障的SOP控制策略。文献[54]提出了 SOP在不同网络运行条件下的各种控制模式的切换方法,并提出切换过程可以在很短的时 间内完成。由于SOP是电力电子器件,同传统机械开关相比,在开关过程中不存在损耗。 文献[55]将SOP应用于台风作用下的沿海地区配电网,通过对SOP容量、位置和数量的规 划,大大降低了系统故障后的损失。
由于SOP相较于传统的常用开关设备而言,可以实现馈线两侧功率的调节与控制,同 时可以省去对开关切换过程的损耗、最优次序以及对网络拓扑的探讨等,因此针对SOP的 运行优化技术已经开展了较为广泛的研究,其中包括对SOP运行控制策略的探讨以及SOP 与配电网其他设备的协调运行控制的研究。相比之下对于SOP在配电网发生故障后对于配 电网供电恢复方面作用的研究仍然较少,对于SOP在综合能源系统韧性提升方面的作用在 目前已有研究中鲜有提及。
1.3本文主要研究工作
针对现有城市综合能源系统韧性提升措施中存在的台风等极端天气下部分负荷恢复 方法不适用等空白与不足之处,本文主要进行如下研究:
根据所研究城市综合能源系统特点建立城市综合能源系统模型,同时选用 Batts 台风 模型对台风进行模拟,并提出针对台风天气导致系统故障后的基于SOP的负荷恢复以及韧 性提升方法,通过在实际系统中模拟台风路径计算出系统薄弱环节并针对其进行负荷恢复 进而验证本文所提方法可以在一定程度上提升城市综合能源系统韧性。
本文共包括以下五个章节,各个章节具体内容概括如下:
第一章首先介绍了基于SOP的UIES韧性提升问题的研究背景及意义。其次分别从电 力系统韧性、城市综合能源系统韧性以及SOP三个角度对目前相关领域研究开展情况进行 综述,最后对本文所提方法及研究工作内容进行概述总结。
第二章首先对城市综合能源系统进行建模,分别对各子系统以及耦合元件进行建模, 对各子系统运行约束进行列写并对非线性约束进行转化,为后文研究奠定模型基础。
第三章对极端自然灾害台风进行建模。选取 Batts 台风模型对台风实时风速进行模拟 同时对电力线路故障率进行计算,在此基础上由于系统中耦合元件的存在进而进一步考虑 故障对耦合元件以及天然气子系统的影响。
第四章首先对本文所采用的柔性配电装置SOP的数学模型进行介绍,其次对其控制策 略和不同控制策略下的模型以及约束条件进行分析列写。最后通过算例分析验证了配电网 单一网络运行时,其故障情况下 SOP 对电负荷恢复作用并分析了 SOP 容量、接入位置以 及接入数量对负荷恢复效果以及节点电压水平的影响,旨在实现最优的韧性提升效果。
第五章提出基于SOP的UIES韧性提升方法。首先引出韧性的概念并阐述本文所采用 韧性提升方法原理。随后分别对基于 SOP 的韧性提升模型以及韧性提升方法流程进行介 绍,并通过算例系统对所提方法的正确性以及有效性进行验证分析,实验证明该方法同台 风模型的结合可以实现台风天气下系统薄弱环节的快速确定同时可以实现故障后系统负 荷量的最大化恢复并在一定程度上提升失电节点的电压水平,进而实现对系统韧性的提 升。
第 2 章 城市电 - 气综合能源系统稳态能流计算模型
2.1引言
伴随着城市的快速发展,以城市为对象,以电力系统为核心多种能源协同互联的 UIES 应运而生。能源作为人类生存的基础以及经济发展的保障,UIES可以对能源进行合理分配、 转换和消费,亦可以实现对多种能源的互联与协调优化,成为未来城市能源网发展的方向。
本章构建 UIES 各子系统稳态能流计算模型,为后文分析奠定理论模型基础。本文分 析基于的 UIES 主要由配电子系统和配气子系统构成,其中电力子系统由上层输电网供电 且在后文故障部分的考虑中设定仅为配网线路故障,输配连接部分线路未中断,上层输电 网仍可正常供电。对于天然气子系统而言,天然气由气源处发出,经输气管道配送至消费 者。天然气系统中随着输气距离增加等因素,节点间压力会出现损失的情况,系统末端节 点压力出现偏低的情况,难以满足要求,进而需配备增加天然气压力的压缩机设备。本课 题中应用的为电驱动压缩机,该设备需消耗电力能源,作为电力子系统负荷。两系统通过
 
 
 
2.2城市电-气综合能源系统稳态能流计算模型
2.2.1城市电力子系统稳态潮流计算模型
本文研究对象为城市配电子系统,其为辐射状网络,因而采用适用于辐射状配电网的 稳态交流Distflow潮流模型[56]。
对于任意节点j,具体模型如下:
 
式中,其中集合W)表示电网中以j为首端节点的支路的末端节点集合;集合厂j)表示电网 中以j为末端节点的支路的首端节点集合;砂和Qijs分别为支路ij首端流入的有功功率和 无功功率,PR和Qjos分别为节点j的有功功率和无功功率净注入,此处即为该节点电源注 入Pg,同负荷Pd,之间的差值,具体表示方法如下所示:
(2-2)
式中,Pg,以及Qg,分别为节点j电源注入的有功功率及无功功率;Pd,以及Qd,,分别 为节点 j 的有功负荷以及无功负荷。
对于任意支路ij,具体模型如下:
V) = Vs) - 2(rP + j) + r2 + x2)(P” :(Qij) (2-3)
(Vi )
式中,V表示节点i的各相电压幅值;%,和xj分别为支路ij的电阻和电抗。 支路热稳定约束具体模型如下:
 
此外,配电网需要满足所有不等式约束,包括节点电压约束和电源提供有功功率和无 功功率约束,可具体表示为:
VQ g)2 gmax
注朋”匕 PG,j 匕 PS,j,max (2-5)
QG,j,m"匕 QG,j 匕 QG,j,max
式中,Vj,mins 和 VjmaxS分别为节点电压上下限值;PGjmin,和Qg^u/分别为节点有功功率以 及无功功率注入的下限值;PGjmaX和QGjmaX分别为节点有功功率以及无功功率注入的上 限值。
2.2.2城市天然气子系统稳态能流计算模型
天然气系统包含气源、管道、电驱动压缩机以及气负荷。类比电力子系统的稳态潮流
计算模型,本节中采用管道天然气流量平衡方程、燃气平衡约束以及压缩机方程描述天然
 
 
 
 
(2-6)
式中,a为方向标识函数,若石>冯,则0=1,反之o=-1; Kp即为管道系数;兀i和爲分别为 管道p首末i、j节点气压大小。
对于任一节点,其节点燃气平衡约束可表示为:
AfP = fS - fM - Ld
- 7 -
式中,A为节点-管道关联矩阵;fp为各管道传输气量;fs为气源产气向量;fR为燃气轮机 耗气向量; Ld 为气负荷向量。
此外,天然气子系统还需要满足以下不等式约束,包括气源产气量上下限约束、管道 输气能力约束、节点气压上下限约束,具体可以表示为:
fS min — fx ,S — fS max
< fx, p —
式中,fx,S为气源S产气量;fsmin和fsmax分别为气源产气量下限值以及上限值;f,p和f,p分 别为管道传输气量以及管道传输气量上限值;7Tx,n为节点n的气压;兀nmin和兀nmax分别为节 点气压下限值以及上限值。
根据其耗能种类的不同,压缩机设备可以分为燃气驱动压缩机以及电驱动压缩机两 类。本文压缩机采用电驱动式压缩机,其变比固定,具体模型可表示为:
Pcom, =(0.7479*10-5)BFcom, , -1,m丘{1,2,…,q} (2-9)
式中,B为和温度以及压缩效率有关的常数;Zk为常数;Fcom,ij为流过压缩机的流量;Pcom,m 为电驱动压缩机的电负荷;i和j分别为压缩机所在支路两侧的节点;m为压缩机编号;q 为压缩机总数。
2.2.3耦合元件模型 电力系统与天然气系统主要耦合元件为燃气轮机,对于电力系统而言,燃气轮机为能 源供给侧源,对于天然气系统而言,其为负荷,其发电量同耗气量成正比,具体模型如下:
PM =^MfM (2-10)
式中,其中fM为燃气轮机M的耗气量;Pm为燃气轮机M的发电量;r/M为燃气轮机转化 效率系数。
由于压缩机可视为配电网负荷,燃气轮机可视为配电网电源,故式(2-2)中的节点平衡 方程可更新为:
Pjs0 = PGs,j -PDs,j - Pcom,m + Pj,M (2-11)
式中,Pcom,m为压缩机m耗电量;Pj,M为燃气轮机M供给电量。如果节点j未连接燃气轮 机或压缩机,对应的两项为 0。
2.2.4城市电-气综合能源系统稳态能流计算模型转化方法 对于城市电-气综合能源系统最优潮流模型而言,其包含有多变量以及多非线性非凸约 束,该类模型的求解方法主要包括近似求解算法、非线性规划法与智能算法以及凸松弛方 法三类。其中近似求解算法通过对非线性约束近似进而求得近似优化解,但不可保证解的
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可行性。非线性规划法与智能算法无法保证优化解的质量即局部最优解同全局最优解的差 距。凸松弛方法可以精确地对非凸约束进行松弛,在松弛时即可以保证得到的为全局最优 解,因而本文采用凸松弛方法对模型进行求解。
常采用的松弛方法包括半正定规划松弛、二次凸包松弛以及二阶锥规划松弛等,本文 采用二阶锥规划对非凸非线性部分松弛转化,并利用 cvx 工具箱建模, mosek 求解器进行 求解。
其中二阶锥规划模型的标准形式如式(2-12)所示[57]。
min ^cTx | Ax = b, x e k} (2-12)
其中,式中Ax=b项为线性约束,xeK项为非线性锥约束,K可表示为式(2-13)所示的 形式。
K = {xeR/ > x2,y > 0) (2-13)
将电力系统模型中的热稳定约束、天然气子系统模型中非线性约束管道流量平衡方程
经二阶锥松弛,转化为上述标准二阶锥的形式,采用二范数的表示方法,即如式(2-14)、(2-15) 所示。
 
(2-15)
2.3 本章小结
本章依次对城市电-气综合能源系统中的电力子系统、天然气子系统进行了建模。首先, 分别建立了电力子系统、天然气子系统的数学模型,同时包含等式约束以及不等式约束, 此外天然气子系统不等式模型中包含电驱动压缩机模型,亦作为电力子系统以及天然气子 系统的耦合元件;其次,建立耦合元件即燃气轮机的模型,并分析其相应的耦合机理。最 后,对所提模型中的非线性约束进行转化以便于后文求解。本章模型为后续实现城市综合 能源系统的故障后各子系统故障情况分析以及城市综合能源系统的韧性提升奠定了模型 理论基础。
第 3 章 台风灾害模型及分析
3.1引言
自然灾害作为目前人类面临的全球性重大问题之一,对其进行研究备受国内外学者的 广泛关注。台风灾害作为全球发生频率最高且影响最为严重的自然灾害之一,其不仅会对 人类生活带来严重影响同时亦会造成巨额经济损失。我国所处的西太平洋海域为台风活动 较为频繁的海域之一[58],平均每年有多达 7-8 个台风登陆我国,因而我国亦为世界上受台 风影响最为严重的国家之一[59]。近年来,我国东南沿海地区频繁遭受台风灾害的影响, 1996 年第15号台风在广东登陆,导致湛江供电局110kV以及35kV线路杆塔倒塌,湛江电网与 省网解列,出现全市供电中断事故[60]。2006年“桑美”强台风由我国温州登陆,造成510 条 10kV 配电线路故障停电,倒塌断裂近一万余基杆塔[61]。2016 年台风莫兰蒂在福建省登 陆,造成共计 70.4 万人受灾,直接经济损失16.6 亿元,并对厦门电网造成了重大影响[62]。 台风下城市综合能源系统中电力子系统的电力线路故障率大幅提升。同时,由于系统间的 紧密耦合,电力系统故障进而可能导致城市综合能源系统供能中断的严重事故。因此,本 章通过台风模型模拟台风灾害,对所采用的台风模型进行介绍并对线路故障率进行计算, 同时对各子系统受台风影响情况及故障情况进行分析。最后通过在实际系统中模拟台风路 径进而对台风风速模型的有效性进行验证、对系统各线路故障率进行计算。应用该模型及 台风登陆初期相应参数数据,可以快速且较为准确地计算台风风速以及线路故障率,为后 续韧性提升中选择系统的薄弱环节给出相应依据同时可以在台风登陆初期即针对故障情 况快速采取相应负荷恢复措施。
3.2台风灾害对城市电-气综合能源系统影响分析
3.2.1台风风速模型
本文选取 Batts 台风模型对台风运行情况进行分析[63]。通过此模型即可以在已知台风 每一时刻中心位置以及所研究位置之间关系的情况下确定该点的风速值,亦可用它来模拟 受影响地区不同位置的实时风速。
当台风移动时,最大风速可以具体表示为:
(t) = 0.865KJAH -0.02[1 + sin(°-O)]t + 0.5% (3-1)
式中,△H(t)是t时刻的中心压差,△Ho是台风登陆前的原始中心压差;0是台风运动方向 和正北方向之间的角度且此处以顺时针方向为正;y是海岸线和正北方向之间的角度;K 为同台风登陆纬度相关的经验系数,本文中取为6.97(m/s/mm1/2)[64];片为台风移动速度, 通常认为其移动路径为一条直线。
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最大风速的半径Rmax,可表示为:
RaX (t ) = exp〔2.63 - 5.086 x W5 (2.63 - 5.086 x 10~5 )2 + 0.0395尹(t)] (3 -2)
式中,尹0是台风中心在时间t的纬度。此处中心压差的单位为mb。
在 t 时刻时,某一位置和台风中心的位置之间的距离可以表示为:
R/C) = _ (%0 + *Msin<9)丁 + [儿,/ _ (坯 + y/cos&H, /w{l,2, •••/} (3"3)
式中 xd,f 和 yd,f 分别是距台风中心 d 米位置处的经度和纬度,此处选取每个支路中点作为其 位置;f为支路编号;h为支路总数;xo和刃分别是台风登陆点的经度和纬度。
台风风场中某一确定位置的风速可以具体表示为:
[Vmax (t) / Rmax (J,ff f
汗八)一 [vrmax (t)(Rmax (t) / df (t))" , df (t)> R^
式中,f"是在时间t时,所处位置和台风中心之间的距离;n为同台风沿径向衰减强度有 关的参数,通常在 0.5-0.7 之间取值[65],本文取为 0.6。
通过上述模型即可计算出台风在某一时刻某一位置的实时风速。
3.2.2台风灾害下电力线路故障率模型
台风属于地表自然灾害,因此对地埋式天然气输气管道无破坏作用,即天然气系统具 备抵御地表自然灾害的能力。台风灾害下,电力系统遭到破坏,天然气系统可以正常运行, 因此台风天气下直接受影响的是电力子系统的架空线路。
根据上节中所得台风风速模型可进一步得到台风灾害下电力系统各支路故障率求解 模型为:
2(t) = exp a'‘f⑴ + b lf
p I Vd,f J f
式中,Vr旳即为时间t时该条线路的风速,Vdf即为该条线路的设计风速。lf为线路f的长 度。
3.2.3台风灾害对天然气子系统影响分析
UIES 在遭受台风灾害影响过程中,架空线路的故障将导致城市大范围供电中断,此外 由于各子系统的耦合,在电力子系统故障后,压缩机以及燃气轮机等耦合元件故障亦将进 一步扩散至天然气子系统,进一步造成天然气子系统失负荷,进而对城市能源系统造成破 坏,从而为居民生活带来重大影响。在燃气轮机与电压缩机耦合的 UIES 中,天然气子系 统发生间接故障和负荷削减的具体原因如下:
1)电力子系统中某一支路的故障将会导致部分节点失电,此类失电节点若为气网中电 驱动压缩机供电,则该节点的失电将会导致气网中电驱动压缩机的故障。
2)气网中电驱动压缩机的故障将导致气网节点间压力差减小,进而导致天然气无法正 常足量传输从而使得部分气负荷节点失负荷。
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3)上述气负荷节点中若存在同燃气轮机相连节点,则将进一步导致燃气轮机供气量不 足从而无法正常工作。燃气轮机因耗气量不足进而导致其供电量有限,从而可能使得电网 负荷进一步削减。
进而电力子系统以及天然气子系统均在台风天气下出现负荷削减的情况。
3.3算例分析
在台风天气下,选择IEEE33节点测试系统验证台风模型的正确性,将该测试系统附 在如图所示的 100km*60km 区域进行分析,假设该系统相邻两节点间配电线路长度约为 3-5km,台风登陆位置为图中坐标(15,0)处,平移速度30km/h,原始中心压差为58hpa,台 风移动过程中每十分钟为一个时间间隔,共选取 20 个时间间隔,台风移动路径以及各时 刻下台风中心位置如图 3-1 所示。对台风移动过程中线路风速以及故障率进行分析。
60
19 _20 2,L22
24 25 26272829 30 31^233
 
 
距离/km
图 3-1 测试系统及台风位置示意图
3.3.1台风风速模型验证
在计算过程中,选择对主干线路各个时刻下风速以及故障率进行分析,即线路1-2至
线路17-18,随着台风穿越系统,经计算各条线路风速随时间变化情况如图3-2所示。
10
5 时刻 /min
图 3-2 测试系统各线路各时刻风速值
从图3-2可以看出,在台风登陆的早期阶段,由于台风登陆位置在系统前端,因而系统
前端线路即线路1-2和3-4的初始风速值较大,且风速随线路同台风中心距离的减小而增
- 12 - 加。当台风移动过程中,随着台风中心距离线路距离逐渐增大,当距离大于风速半径时, 线路风速值开始逐渐减小,因而整体风速值呈现先增加后减小的趋势。系统末端线路如线 路 16-17 以及 17-18 等,由于前几个时刻距离台风中心较远因而风速值较小,随台风逐渐 移动过程中,其位置距离台风中心距离逐渐减小,因而风速逐渐增加,但由于台风在移动 过程中其风速逐渐衰减,因此对于后几条支路而言其整体风速值偏低,其最大风速值仍较 系统前端支路初始风速值低。
3.3.2电力线路故障率分析
以支路 1-2、5-6、10-11 以及 17-18 为例,对各时刻下各线路的故障率进行进一步分析, 横轴表示台风登陆后的 20 个时间间隔,以每 10分钟作为一个时间间隔。各线路各时刻故 障概率结果如图 3-3 所示。
 
图 3-3 所选线路各时刻故障率 由图3-3可知,随着台风的移动,在时刻 2时,线路 5-6 的故障率即达到最大值即1, 且在之后所选时刻中一直保持该故障率,因为其距离台风中心位置较近而台风登陆时风速 值较大,因此该线路故障概率大于其他支路。随着台风的移动,线路10-11在时刻6达到 最大故障率 1 且在后续一直保持。线路 1-2 一直保持在 0.9 左右的较高水平,线路 17-18 由于前几时刻距离台风中心较远,因而故障概率为 0 即不会发生故障,在后续时刻随着台 风的移动,台风中心同线路距离逐渐减小,风速有所增加,故障概率有所增加,但由于该 线路附近风速值始终较低,因而故障概率较低。鉴于上述故障率计算结果,故后续算例中 选择以故障概率较高的线路 5-6 为例进行分析。
3.4本章小结
本章以台风灾害为背景,分别从台风灾害模型、台风灾害对电力子系统以及天然气子 系统影响 3 个方面进行阐述。通过选取 Batts 台风模型对各时刻下各个位置台风风速值进 行计算,得到各时刻风速值后通过线路故障率公式得到台风下各时刻各线路故障率,进而 选取系统薄弱环节,从而作为后续韧性提升的着重环节。通过IEEE 33节点系统对台风下 各时刻台风风速值以及线路故障率进行计算分析进而对台风风速模型的有效性进行了验 证,并选取到了该场景下系统中故障率最大的线路位置从而为后文有针对性的进行韧性提 升奠定了基础。
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第 4 章 SOP 数学模型及控制策略分析研究
4.1引言
随着柔性配电技术的逐渐发展,应用在配电系统层面的 SOP 装置逐渐进入众多学者的 视野。SOP发展基于电力电子器件,因而同传统联络开关等开关装置相比,第一其可以实 现功率的连续调节与控制,传统联络开关仅有开断以及闭合两种状态,且不可对流过功率 的大小以及方向进行调控。第二,其可以根据控制指令切换控制模式从而实现实时响应动 作,传统联络开关需要依赖于机械操作,需要一定的响应时间。第三,SOP交直交结构中 的直流部分能够实现线路之间电气解耦,在系统故障时,能够有效地阻隔短路电流的流通, 阻止故障的进一步扩散,进而起到隔离故障的作用,相比而言传统联络开关装置连通时两 侧存在电气联系,连通状态下当一侧出现故障后亦会导致另一侧节点失负荷,无法起到隔 离故障的作用。第四,SOP不依赖于机械操作的特性使其开关成本大大降低,也不需对动 作次数进行讨论,传统联络开关用于负荷恢复时,需要对其开关动作次数以及成本等因素 进行讨论[66]。因此,SOP的应用在很大程度上实现了配电网的实时与快速控制,在配电网 的运行控制中起到了诸多作用。正常运行时,SOP装置的引入可以实现配网潮流的优化, 大大降低系统运行损耗以及开关损耗。由于其可以实现两侧馈线无功功率的独立供给与控 制,因而可以起到配电网的电能质量的改善作用同时确保配电网电压水平稳定。此外,还 可以起到提升分布式电源渗透率的作用。故障时,SOP装置可以提升配电网的故障自愈能 力,实现快速隔离故障的同时,最大化恢复系统负荷同时保证供电质量[67]。因SOP装置可 以实现传统联络开关的部分功能且部分性能优于传统开关设备,因此本课题中考虑将SOP 装置应用于负荷恢复以及韧性提升。
本章对 SOP 装置展开相关研究。分别对 SOP 的拓扑结构以及控制策略进行分析,控 制策略方面首先对SOP的基本控制模式进行介绍,随后对故障后应用于负荷恢复时的SOP 数学模型以及接入位置和方式进行分析,最后将SOP应用于IEEE 33节点测试系统对其故 障后的负荷恢复情况进行分析,分别探究分析SOP的容量、接入位置以及数量等因素对其 负荷恢复效果的影响。
4.2SOP 拓扑模型
SOP作为新型柔性配电装置,可以实现其所连两侧馈线间潮流的准确控制,选择将SOP 装置替代原有联络开关可以实现对系统中潮流的改善同时均衡馈线出力,起到降低系统网 损的作用,通过其电压支撑功能可以实现提升系统电压水平的作用。
本课题所采用的为B2B VSC型SOP,其具体拓扑结构如图4-1所示。由图可知,其主 要结构为两侧由两个电压源型换流器组成,两换流器中间连接有直流电容器,以上部分经
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由串联电抗器接入电网。
 
所采用的VSC为两电平换流器,每个VSC由6个IGBT桥式连接,VSC通过控制IGBT 换相操作实现控制模式的切换。每一侧共有 6个开关器件,对于每一相而言,同时仅可有 一个导通,另一个关断,采用PWM控制技术可以控制这些开关器件的触发脉冲。两个VSC 直流母线上并接有直流电容器,起到抑制直流电压脉冲、支撑直流电压的作用。以上部分 经由串联电抗器经PCC点接入电网,串联电抗器起到缓冲滤波的作用。
4.3SOP 控制策略
4.3.1双闭环控制系统及控制策略分析
SOP的控制系统为SOP在配电网中能够实现各种控制策略调控的基础。SOP的双闭 环控制系统结构如图 4-2 所示。在该控制系统中,外环控制器执行功率控制,内环控制器 执行电流控制。外环功率控制器的控制变量分为两大类,分为有功功率传输类控制变量以 及无功功率传输类控制变量,其中有功类控制变量包括交流侧有功功率、直流侧电压以及
 
Id、Iq。系统正常运行时的P/Q控制以及故障情况下的V/f控制情况下,输入不同参数给定 值后,PI控制环节即可比较功率等参数设定值与实际值,并通过调节交直轴变量进而调节 给定值与实际值之间的偏差进而得到内环电流参考值,在内环电流控制中,PI控制环节调
- 15 - 节外环得到的电流参考值以及实际电流值间的偏差量,从而控制换流器端口输出电压 Vd 以及仏,然后利用电压参考值通过反派克变换得到变换器端电压Va、Vb以及Vc。
通过内、外环控制系统的协调与配合,即可实现有功、无功、电压以及频率的精确跟 踪与控制。外环控制中通过开关Sw1即可在有功功率、直流电压以及频率控制间进行切换, 通过Sw2即可在无功功率控制以及交流电压控制间进行切换。通过开关位置的组合即可实 现不同控制策略的切换。通过双闭环控制系统,SOP即可实现两侧换流器四象限独立运行, 两侧VSC均可同时控制两个状态量。因而,B2B VSC型SOP的控制模式如表4-1所示。 系统正常运行时,其中一个换流器控制两侧所传输的功率,另一侧换流器控制直流侧电压, 如表中控制模式a和b所示。系统出现故障时,通过切换控制模式,失负荷节点相应侧换 流器可以提供电压和频率的支撑,实现非故障区域的正常供电以及故障区域的负荷恢复。 当换流器 VSC1 侧系统发生故障时,将对应故障侧换流器切换至 V/f 控制模式,支撑故障 侧节点电压,控制其在合理数值,若换流器VSC2侧发生故障时同理,此时非故障侧VSC1 控制直流侧电压,如控制模式c和d所示。
表 4-1 B2B VSC 型 SOP 控制模式
控制模式 VSC1 控制方式 VSC2 控制方式 适用场景
a P/Q控制 Vdc/Q控制 正常运行
b Vdc/Q控制 P/Q 控制 正常运行
c V/f控制 Vdc/Q 控制 VSC1 侧故障
d Vdc/Q控制 V/f控制 VSC2侧故障
 
4.3.2SOP 应用于负荷恢复问题分析
4.3.2.1V/f控制模式下的SOP数学模型
在配电网中应用SOP进行负荷恢复时,配电网中安装的SOP可以传输有功功率,并 为系统提供一定的无功功率。因此,约束包括SOP两侧转换器的有功功率约束、SOP两侧 换流器的容量约束、以及在负荷恢复过程中应满足经SOP恢复后故障侧节点电压约束。如 果系统中安装了多个SOP,则每个采用V/f控制模式的SOP都应满足以下约束,具体如下 所示:
PSOP +PSOP =0
 
 
式中,和PjOP分别为SOP所在支路两侧节点i、注入的有功功率;3卢莎和SjOP分别 为安装在节点i、j间支路SOP两侧的换流器容量,因SOP两侧换流器中间存在直流环节 隔离,故两侧无功输出值仅满足其各自容量约束即可;VjOP为VSC所连失负荷节点侧控 制电压;V0为失负荷节点电压标幺值允许的下限值。此部分忽略了 SOP内部换流器损耗。
- 16 -
 
4.322 SOP接入位置及方式
系统故障情况下,连接于系统馈线间的SOP其运行位置以及相应控制模式示意图如图
4-3 所示。
 
故障隔离 Vf
 
图 4-3 SOP 接入系统示意图
由图4-3可知,其在恢复失电负荷过程中,一端处于失电区域并采用V/f控制模式, 另一端处于非失电区域并采用 Vdc/Q 控制模式。故障后短路电流流经 SOP 时,因 SOP 装 置的闭锁导致一侧的短路电流无法流过SOP装置两侧换流器,进而有效地隔离故障,阻止 了故障的进一步扩散。
4.4算例分析
为验证SOP装置在负荷恢复过程中的作用,本节以配电网IEEE 33节点测试系统为例 进行分析、验证。
系统拓扑结构图如图4-4所示,配电网IEEE 33节点系统电压等级为12.66kV,有功负 荷总量为 3715kW。 TS1-TS5 五处联络开关位置如图所示,系统正常运行时联络开关均处 于断开状态。本算例中假设支路 5-6 出现断线故障,在系统中无其他供电电源以及分布式 电源等装置时,6-18节点与26-33节点出现大范围的负荷削减,负荷削减总量为2055kW。
 
4.4.1故障情况下SOP容量对系统负荷恢复影响分析
首先以 TS1 处单个 SOP 实现供电恢复为例进行分析,故障后 SOP 切换为 Vdc/Q-V/f 控制模式,设定恢复过程中,故障侧电压标幺值最低限值取1.0。分别选取容量为1.0MVA、 1.5MVA、2.0MVA、2.5MVA四种型号SOP对其负荷恢复效果进行分析。经计算,经四种 容量SOP实现负荷恢复后,系统有功负荷恢复量以及负荷恢复比例如表4-2所示。
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表 4-2 不同容量 SOP 负荷恢复结果比较
SOP 容量/MVA 有功负荷恢复量/kW 负荷恢复比例/%
1.0 919.8 44.76
1.5 1351.2 65.75
2.0 1581.3 76.95
2.5 1581.3 76.95
由表4-2数据可知,由于SOP的潮流控制能力,在SOP容量逐渐增加的过程中,SOP 传输有功功率显著增多,其有功负荷恢复量随之增大,负荷恢复比例显著提升,当SOP容 量达到 2.0MVA 时,随着容量的增大,其负荷恢复量以及负荷恢复比例不再提升,达到一 个最大值即峰值。经供电恢复后,对1.0MVA、1.5MVA、2.0MVA三种型号SOP供电恢复 后各节点电压进行比较,各节点电压标幺值计算结果如图4-5所示。
 
 
图4-5不同容量SOP恢复方式下各节点电压标幺值
在SOP容量逐渐增加的过程中,有功负荷恢复量逐渐增大,SOP能够传输的有功功率 逐渐变多,从而节点电压值降低,由图4-5可知,供电恢复后各节点电压标幺值显著下降, 当选择容量为2MVA的SOP供电恢复时,故障侧12节点电压标幺值刚好为设定值下限1, 进而制约了 SOP传输的有功功率量以及系统负荷恢复量的进一步提升,即SOP有功负荷 恢复比例达到上限,因而随着容量进一步增加,有功负荷恢复比例亦不再增大。此外,经 计算此标幺值下限值若设定为1.05时,负荷恢复量为758.8kW,系统负荷恢复比例仅可达 到 36.92%,因此在能够保证该节点电压水平正常的情况下,合理范围内相对较低的电压值 对负荷恢复比例的提升更为有利。
4.4.2故障情况下SOP接入位置对系统负荷恢复影响分析
选择适当容量即2MVA的SOP,考虑不同位置处的SOP对负荷恢复量的影响。由于 SOP在Vdc/Q-V/f控制模式下进行供电恢复时,两端需分别位于失电区域以及非失电区域, 为满足该条件,因此仅图中TS1、TS2以及TS4处SOP可在故障后切换控制模式用于失电 负荷的恢复。经计算,不同位置处负荷恢复量以及负荷恢复比例如表4-3所示。
- 18 -
表 4-3 不同位置处 SOP 负荷恢复结果比较
SOP 有功负荷恢复量/kW 负荷恢复比例 /%
SOP1 1581.3 76.95
SOP2 1306.3 63.57
SOP4 1784.6 86.84
上述结果表明,在所设定故障位置下应用 SOP 进行失电负荷的恢复时,处于位置 1 以及 4 处的 SOP 具有明显较好的负荷恢复比例,其最大负荷恢复比例可以达到 86.84%, 不同位置处的 SOP 所传输有功功率不同,因而会对系统负荷恢复效果存在影响,即 SOP 安装位置亦为系统韧性提升效果的影响因素。
4.4.3故障情况下 SOP 接入数量对系统负荷恢复影响分析
相比前两小节中的方案,本节选择在上述基础上,系统中接入两个SOP进行分析,进 而分析SOP接入数量对系统负荷恢复量的影响,此节中SOP的容量仍固定为2MVA, SOP 接入位置选为位置1 以及位置4处,经计算结果如表4-4所示。
表 4-4 不同接入方案下 SOP 负荷恢复结果比较
接入方案 负荷恢复量 /kW 负荷恢复比例/100%
SOP 1 1581.3 76.95%
SOP 4 1784.6 86.84%
SOP 1+SOP4 1943.8 94.59%
由表4-4结果可知,在系统中接入两个SOP时,相比单独接入任一位置时,负荷恢复 量以及负荷恢复比例均有了一定的提升。在系统失负荷2055kW时,同时在两个位置采用 固定容量的 SOP 进行负荷恢复时,其负荷恢复比例可达到 94.59%,因而故障后系统中采 用两个SOP进行负荷恢复可以在一定程度上提升系统负荷恢复比例进而提升系统韧性。
4.5本章小结
本章对本文所提出韧性提升方法中的SOP装置进行了系统的介绍以及分析。首先介绍 了 SOP的拓扑结构以及数学模型,其次对双闭环控制系统进行介绍并给出了配电网不同工 况下SOP的控制策略。正常运行情况下,SOP装置可精确调控系统潮流,有功功率可实现 在两侧馈线间准确传输,两侧换流器可以各自独立控制无功功率。故障发生后,SOP在实 现故障隔离、有效阻止故障进一步扩散的同时,其故障侧换流器可以为故障侧提供相应的 无功功率以及电压支撑,起到负荷恢复以及维持电压水平的作用。通过算例分析结果可知, 在系统故障后,通过应用配电网中的SOP装置可以实现系统中失电负荷的恢复,即可以提 升系统韧性。同时,SOP的容量、接入位置以及接入数量均为韧性提升效果的影响因素。 对SOP容量的分析结果表明,SOP容量在一定范围内增大可以有效提升其传输的有功功率 量进而有效提升故障后系统负荷恢复比例,同时由于SOP传输有功功率增大的过程中其会 造成系统电压降增大进而导致节点电压降低,从而使得节点电压标幺值会达到下限,进而
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导致其负荷恢复能力会被制约,因而合理的容量以及电压限定值对负荷恢复效果以及韧性 提升效果存在影响。此外,由SOP的接入位置分析结果可知,由于系统故障位置以及失负 荷节点和失负荷量的不确定性,在满足SOP两侧分别位于失电区域以及非失电区域的情况 下,SOP的接入位置对系统潮流分布以及负荷恢复量均存在影响。同时对SOP的接入数量 分析可知,应用两个SOP进行负荷恢复时,其负荷恢复比例远大于单独接入任意位置时的 结果。因而SOP装置的接入位置以及接入数量均对系统韧性提升效果存在影响。
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第 5 章 台风灾害下基于智能软开关的城市电 - 气综合能源系
统韧性提升方法
5.1引言
台风灾害可以导致电网结构出现故障,也是造成全球大面积停电的重要原因之一[68]。 墨西哥湾周围地区和中国南方地区是全球受台风袭击最为频繁的两个地区。美国每年因台 风造成的经济损失总额达数十亿美元[69]-[70],同时台风灾害亦对中国南方地区造成了严重的 损失[71]。高压输电走廊一般具有较好的防台风能力,相比之下,配电线路较为脆弱,因而 台风灾害对系统的破坏主要发生在配电层。配电网作为电力系统的最后一环,在终端供电 中至关重要。配电网中出现多支路故障的情况时,就会形成孤岛,配电网必然会出现长时 间停电,城市综合能源系统供能受到影响,造成台风天气下的社会和经济损失,因此有必 要对其韧性提升方法进行研究。
SOP装置通过灵活调整潮流,具有较强的负荷转移控制能力和网络调节能力。SOP能 有效隔离台风期间发生的故障。此外,SOP装置可以通过为网络提供快速的潮流控制,极 大地恢复系统负荷。在台风天气下,SOP装置的应用将给城市能源系统运行控制问题提供 解决契机。
本章对极端自然灾害台风下 UIES 韧性提升方法展开相关研究。首先引入韧性概念并 提出本文所采用韧性提升指标。其次,建立基于SOP的UIES韧性提升模型,建立以最大 化恢复失电负荷为目标的目标函数并对相应各网络约束条件进行列写,鉴于约束条件中含 有非线性约束因而将其进行二阶锥松弛,改写为二阶锥约束形式进行求解。所提模型采用 优化潮流的方法进行求解,通过CVX工具箱在MATLAB R2017b上建模实现,通过MOSEK 求解器进行求解。同时,对故障后所提出基于SOP的UIES韧性提升方法整体方法流程进 行介绍,构建整体方法流程框架图。最后,采用IES E33-G14测试系统和IES E123-G48测 试系统对所提基于SOP的韧性提升方法进行分析验证。
5.2综合能源系统韧性
由 3.2 节中的分析可知,配电子系统在台风天气下可能会出现负载削减,进而可能导 致天然气子系统负荷削减。为了减少故障对 UIES 的影响,本节中引入韧性的概念,进而 反映系统预防和适应故障并迅速恢复到正常运行状态的能力,同时针对该情况进行有效韧 性提升。文献[72]中定义韧性包括三个方面。首先,为系统在扰动之前准备和预防扰动事 件的能力。其次,系统能够抵御适应故障的能力。最后,用于衡量系统在受到干扰后能迅 速恢复到预期的正常状态的能力。本文主要研究了系统故障后的恢复过程,对失能负荷进 行有效恢复。
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本文以系统负荷恢复比例作为韧性提升的指标。定义负荷恢复比例为负荷恢复量与负 荷削减量之间的比值。通过负荷恢复比例的计算,可以量化韧性的提升效果。通过定义系 统负荷恢复比例,在相同的故障场景下,即系统负荷削减量固定时,提升系统负荷恢复量 即提升负荷恢复比例,从而实现系统韧性的有效提升。
5.3基于SOP的UIES韧性提升模型
5.3.1模型建立
在UIES的负荷恢复过程中,SOP可以向配电网失电区域传递有功功率并提供无功功 率,同时可以起到维持失电区域的电压水平的作用。此外,燃气轮机还可以为失电区域提 供功率,进而满足失电区域负荷需求。由于SOP的优点以及同配电系统的协同作用,系统 负荷恢复的目标为尽可能多地恢复失电负荷,并使配电网的功率损失最小化,具体目标函 数如式(5-1)所示:
min f =-aifL +affF (5-1)
式中,ai和af为权重系数,用以衡量目标函数中负荷恢复量f以及系统损耗量fF的权重占 比。故障后,相比系统网损而言系统负荷恢复为首要目标,故在本文算例分析中ai取较大 权重数值,af取较小权重数值。目标函数中系统负荷恢复量以及系统损耗量两部分具体关 系式如式(5-2)所示:
 
(5-2)
式中,Nn为电力子系统中所有节点的集合;Nb为电力子系统中支路的集合;易为电力子系 统失负荷待恢复节点j上的负荷恢复系数,取值在0-1之间;PjoA为节点j处负荷消耗的 有功功率;r即为支路ij的电阻;ij为节点i流向节点j的电流幅值;Nc为天然气子系统 中全部节点的集合;FqLOAD为节点q处所带气负荷大小;汕分为气网可恢复负荷节点j 上 的负荷恢复系数,取值在0-1之间。
在求解考虑SOP的系统负荷恢复模型时,每个子系统均需要满足2.2节中相应系统的 约束条件。
故障后应用系统中的 SOP 进行负荷恢复同时引入负荷恢复系数用以衡量系统的负荷 恢复效果,则节点注入功率平衡方程可以更新表示为:
P = P。+U 一人j)PD,」+ Pjsop
Q = QG.j +(1 -人 j) QD.j + Qjsop
式中,Pj,sop分别为SOP注入节点的有功功率,如果该节点所连支路未安装有SOP装置, 则该项为 0。
鉴于本文所采用的Distflow潮流模型只适用于辐射状网络,而SOP的接入使得系统无 法满足辐射状,因而为确保模型的适用性和计算结果的准确性,在模型中引入回路相角约 束,该约束方程通过对电压降方程的虚部进行简化而得到,该约束具体简化方法如文献[73] 所示,可以表示为:
CxisjPijs-CrijsQisj=0 (5-4)
式中, C 为回路支路矩阵。
此外,引入负荷恢复系数后的气体平衡约束可改写为:
AfP = fS _ fM -人qLd (5-5)
以上即为所提基于 SOP 的 UIES 负荷恢复具体模型,由于所提出的 UIES 模型是非线 性的,因此需要将其经过锥松弛,转化为二阶锥模型进行求解。
5.3.2模型转化与求解
本文所采用的二阶锥松弛方法具体如2.2.4小节所述,在 2.2.4小节中已将电力子系统
热稳定约束以及天然气子系统中非线性约束管道流量平衡方程转化为如式(2-14)、 (2-15)所 示的标准二阶锥形式。对于求解模型中采用的 SOP 装置, 4.3 小节式(4-1)中容量约束亦为 非线性约束,故将SOP容量约束经旋转锥约束转化进而得到式(5-6)。
 
综上所述,已经构建含基于SOP的UIES负荷恢复模型并将该难以求解的非线性模型 经二阶锥松弛转化为二阶锥形式,随后即可调用现有成熟的商业求解器MOSEK对该模型 进行优化求解。
5.4基于SOP的UIES韧性提升方法流程
本文选择在系统中接入两个 SOP 进而获得较优的负荷恢复比例,当配电网发生故障 时,系统中安装于不同位置的SOP可根据故障地点调整其控制模式,实现失电负荷的恢复。 故障后,当SOP 一端位于失电区域而另一端位于非失电区域时,对于失电侧若无电源供电, 则该侧需采用V/f控制模式进行电压以及频率支撑,若有电源供电,则该侧可采用P/Q控 制模式,非失电区域侧采用 Vdc/Q 控制。当系统中存在两个 SOP 时,故障后两个 SOP 的 一端若均位于失电区域,则其中一个SOP失电侧换流器采用V/f控制模式进行电压支撑, 另一个SOP可根据故障位置,选择采用V/f控制模式进一步进行电压支撑改善其电压分布 或采用 P/Q 控制对其潮流分布进行优化控制,通过对优化后负荷量结果的分析进而选择较 合理控制方式实现对系统的韧性提升作用。
在上述基础上,本文提出考虑SOP的系统韧性提升方法流程如下:
- 23 -
步骤1: SOP装置可以根据控制指令实时响应进而闭锁,从而阻止故障的进一步扩散。
步骤 2:系统中的继电保护装置动作,切除并隔离故障线路。
步骤3:配电网中的SOP装置的控制模式切换为V/f控制模式,实现失电区域的电压 支撑,恢复配电网部分失电负荷。
步骤4:若SOP的接入可以恢复为压缩机供电节点的负荷,则该节点失电负荷的恢复 可以使得因失负荷而故障的电驱动压缩机恢复正常工作,进而恢复部分气网负荷。
步骤 5:通过求解最优能量流,可以得到压缩机的有功消耗量和燃气轮机的输出电量。 通过以上结果可以进一步分析耦合元件的运行状态以及电力子系统以及天然气子系统负 荷恢复情况。
以上步骤介绍了故障发生后应用SOP和其他保护措施进而使得负荷恢复,得到了特定 故障场景下的最大负荷恢复量。通过以上步骤,可以恢复更多的负荷,从而提高系统的韧
性。本文提出的韧性提升方法的总体流程如图 5-1 所示。
 
图5-1基于SOP的系统韧性提升方法框架图
 
5.5算例分析
本节通过UIES E33-G14测试系统和UIES E123-G48测试系统验证所提基于SOP的 UIES 韧性提升方法的正确性和有效性。
执行优化计算的计算机硬化环境为Intel Core i5 4210U CPU, 8 GB内存,操作系统为 Windows8,开发环境为 MATLAB 2017b。
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5.5.1IES E33-G14测试系统SOP韧性提升作用分析
本节选取如图5-2所示的IES E33-G14测试系统,对台风模型和所提负荷恢复方法的 有效性进行评估。 UIES 正常运行时联络开关均处于常开状态,故障后采用安装于联络开关 位置处的SOP进行负荷恢复。33节点配电子系统电压等级为12.66kV,该系统总有功负荷 量为3715kW。14节点天然气子系统总负荷量为265kW。天然气子系统中的N1、N10节 点为气源, N2、 N3、 N8、 N12、 N13、 N14 节点为气负荷节点。 4 台压缩机和 2 台燃气轮 机的位置如图所示。燃气轮机气电转换系数设为0.75,两个SOP的容量均取为2MVA,故 障侧母线单位电压最小值设定为1.0p.u,忽略SOP两侧换流器的损耗。式(5-1)中的权重系 数©和色分别取为100和1。
 
5.5.1.1SOP负荷恢复能力分析
台风过后,配电网各支路可能直接受到破坏,而天然气网络则可能因耦合元件故障而 间接出现负荷削减。由 3.3 节计算结果可知,随着台风的移动,支路 5-6 的故障率达到并 保持在最大值 1。与其他支路相比,该支路更容易出现故障。分析可知,支路 23-24 也同 支路5-6一样直接经过台风中心,因此,选择支路5-6和支路23-24作为故障支路。此外, 本文所考虑的台风故障并没有使配电网脱离主网,上层输电网依然可以通过节点 1 正常为 该配电网供电。气网中压缩机参数见表5-1。
表 5-1 气网中电驱动压缩机参数
压缩机 始节点 末节点 电网供电节点 压缩比
C1 4 5 2 1.6
C2 6 7 6 1.8
C3 8 9 19 1.8
C4 10 11 23 1.5
为了对比分析 SOP 对故障后电力系统和电-气综合能源系统负荷恢复的效果,本节设 定了以下 4个方案。
方案I:配电网不采用SOP进行负荷恢复。
方案II:配电网采用SOP进行负荷恢复。
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方案III:电-气综合能源系统不采用SOP进行负荷恢复。
方案IV:电-气综合能源系统采用SOP进行负荷恢复。 每种方案下系统电负荷削减量、电负荷恢复量、负荷恢复比例以及模型求解所需的
CPU计算时间如表5-2所示。方案III和方案V的气负荷恢复结果如表5-3所示。
表 5-2 不同方案下电负荷恢复情况比较
方案 负荷削减量
/kW 负荷恢复量
/kW 负荷恢复比例 /% 恢复后总负荷量
/kW CPU计算时间
/s
方案I 2895 0 0 820 1.16
方案II 2895 1953.7 67.49 2773.7 1.23
方案III 2877.5 0 0 837.5 1.55
方案V 2877.5 1955.8 67.97 2775.8 1.69
 
 
表 5-3 不同方案下气负荷恢复情况比较
方案 负荷削减量/kW 负荷恢复量/kW 负荷恢复比例 /% 恢复后总负荷量/kW
方案III 37.5 0 0 227.5
方案V 37.5 11.4 30.4 238.9
在方案I中,对于无SOP的配电网,系统故障后总负荷为820kW,负荷削减量为 2895kW。系统中节点B6-B18、B26-B33、B24-B25出现负荷削减。其他支路的潮流均在允 许范围内,不存在越限。
在方案II中,当采用支路12-22间接入的SOP1和支路21-8接入的SOP2进行负荷恢 复时,恢复后,系统电负荷可恢复至2773.7kW,即负荷恢复量为1953.7kW,负荷恢复比 例可达67.49%。此时两个SOP传输的有功功率分别为1210kW和800kW,合计为2010kW。 其他支路潮流未越限。
通过对比方案I和方案II可以看出,SOP对负荷恢复有积极的影响。系统故障后,在 SOP两侧采用Vdc/Q-V/f控制模式,可为故障侧提供电压支持,进而提高配电网负荷恢复 比例,从而提升系统韧性。
方案III中,故障后经负荷削减,系统总剩余负荷为837.5kW,负荷削减量为2877.5kW。 与方案I的820kW相比,负荷削减量减少了 17.5kW。此时,两台燃气轮机的有功功率输 出分别为14.08kW和3.47kW,燃气轮机通过消耗天然气为电力子系统供给电能,使负荷 削减量减少。在电-气系统耦合的情况下,当配电网出现故障时,燃气网络可通过燃气轮机 作为配电网的源,为配电网供电。降低了负荷削减量,提高了系统的韧性。
天然气网络中,未应用SOP的压缩机支路流量及各压缩机耗电量见表5-4。气网气负 荷为227.5kW,气负荷削减量为37.5kW。由于燃气网络中的电驱动压缩机C2由配电网节 点B6供电,配电网中发生故障后节点B6失负荷,即会导致压缩机C2因供电不足而无法 正常工作。从表5-4可以看出,管道6-7的管道流量和耗电量都非常小,这导致了燃气网 络的负荷削减。即由于耦合元件压缩机的存在,配电网故障亦会导致配气网出现故障进而 出现负荷削减。
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表5-4方案III下电驱动压缩机支路参数
始节点 末节点 支路流量/kW 功率消耗量/kW
4 5 91.2231 38.31
6 7 1.2741*10-6 0
8 9 56.5984 23.77
10 11 70.9410 29.80
方案IV讨论了电-气综合能源系统的负荷削减及恢复情况。极端事件发生后,使用同方 案II中相同位置、相同容量的SOP进行负荷恢复。对于配电网,采用所提出的负荷恢复方 法后,配电网负荷量恢复至2775.8kW。此时,两个SOP传输的有功功率分别为1190kW 和800kW,这意味着系统中大部分削减的负荷均可通过SOP恢复。在负荷恢复中应用SOP 后,系统的负荷恢复比例有了很大的提高。同时燃气轮机也会起到电源的作用,进而恢复 负荷。但是,同方案III相比,当系统采用该种容量和位置SOP和燃气轮机进行负荷恢复时, 燃气轮机的效果远不及SOP。对于天然气网,配电网采用SOP进行恢复后,气负荷可恢复 至238.9kW。通过在配电网中应用SOP,可以使气网中的大部分气负荷恢复。
此时,将采用负荷恢复策略后系统各节点的电、气负荷与未采用恢复策略时的负荷进
行对比,结果分别如图 5-3 和图 5-4所示。
 
 
 
 
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
节点编号
图 5-4 台风灾害下采用负荷恢复策略前后各节点气负荷量
从图 5-3 分析得到,在将 SOP 应用于负荷恢复后,节点 B30 部分失负荷,由于支路 23-24故障导致节点B24和B25形成无电源供应的孤岛,因而节点B24和B25负荷未恢复 且该节点负荷量占比较大,进而导致负荷恢复比例较低。除此之外,其他节点负荷均全部 恢复。
从图 5-4分析得到,通过采用所提的基于 SOP 的负荷恢复策略,气网节点 N12、 N13
- 27 - 以及N14负荷部分恢复,各节点负荷恢复比例分别为40.16%、42%以及20.63%。
在方案V中,气网节点N10为气源节点负荷,气源出力为71.64kW,在出现负荷削减 的同时气源亦可供给部分气负荷,因此在该情况下系统负荷削减量较低。
此外,由表5-2中各方案下CPU计算时间可知,本文采用的优化求解方法可以实现对 所提模型的高效求解。方案I与方案III对比可知网络复杂度对模型求解时间存在影响。由 方案II以及方案V结果可知,在系统中采用SOP装置进行负荷恢复后,能够在极短时间内 实现失电负荷的恢复,因此所提模型可以保证台风灾害下的在线实时应用。
5.5.1.2SOP控制方式对负荷恢复的影响
本节基于方案V,进一步分析了 SOP控制模式对负荷恢复的影响。故障发生后,系统 中的SOP用于负荷恢复,支路12-22之间的SOP1和21-8支路之间的SOP2采用不同控制 模式,对比分析负荷恢复比例和恢复后节点电压水平,以反映SOP控制模式对负荷恢复的 影响。取故障侧节点电压标幺值下限为1.0p.u,取故障侧节点电压标幺值上限为1.05p.u。
各种控制模式下,配电网负荷削减量、负荷恢复量以及负荷恢复比例对比如下表 5-5 所示。表格中的TS代表联络开关。对于每个SOP, Vdc/Q-V/f控制模式简称为控制模式a, Vdc/Q-P/Q 控制模式简称为控制模式 b。
表 5-5 不同控制模式下的电负荷恢复结果比较
控制模式 电负荷削减量/kW 电负荷恢复量/kW 电负荷恢复比例 /% CPU计算时间/s
TS1+TS2 2877.5 1886.1 65.55 1.47
SOP 1a+SOP 2a 2877.5 1955.8 67.97 1.69
SOP 1a+SOP 2b 2877.5 1956.1 67.98 1.63
SOP 1b+SOP 2a 2877.5 1984.8 68.98 1.56
天然气网络的负荷恢复量和负荷恢复比例如下表5-6所示。
 
 
表 5-6 不同控制模式下的气负荷恢复结果比较
控制模式 气负荷削减量/kW 气负荷恢复量/kW 气负荷恢复比例/%
TS1+TS2 37.5 13.7 36.53
SOP 1a+SOP 2a 37.5 11.4 30.4
SOP 1a+SOP 2b 37.5 9.9 26.4
SOP 1b+SOP 2a 37.5 17 45.33
从表5-5和表5-6分析得到,配电网采用SOP恢复相比采用联络开关进行负荷恢复具 有更高的负荷恢复比例和更好的韧性提升效果。SOP装置的应用大大提高了配电网的负荷 恢复量和负荷恢复比例。结果进一步表明,两个SOP均采用控制模式a同SOP1采用控制模 式a, SOP2采用控制模式b具有相近的负荷恢复比例,SOP1采用控制模式b而SOP2采 用控制模式a的情况下配电网以及配气网负荷恢复比例均较高。由CPU计算时间分析可知, 采用不同控制模式的SOP对负荷恢复时间存在影响但影响较小,采用联络开关较采用SOP 恢复时间略短。
因此,SOP两侧换流器的控制模式对系统的负荷恢复量有影响,SOP1采用控制模式b, SOP2采用控制模式a可以达到最佳的负荷恢复效果。
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5.5.1.3SOP对各节点电压水平的影响
本节基于方案IV,两个SOP均采用控制模式a,进一步分析了 SOP对各节点电压的影 响,强调了 SOP 的电压改善功能。在图 5-5 中,比较了系统中应用联络开关以及 SOP 后 各节点的电压水平。
 
图 5-5 不同恢复策略下各节点电压水平
从图5-5分析可知,对于非失电区域节点B1-B5以及B23,采用两种恢复方式后各节 点电压水平无明显差异,节点B19-B22采用联络开关比采用SOP恢复后电压标幺值略高。 对于失电区域节点B6-B18以及B26-B33,经SOP供电恢复后其电压水平均明显高于闭合 联络开关进行供电恢复后的情况,由此可见,SOP凭借其较强的电压支撑能力,可以为失 电节电提供一定的电压支持,提高负荷恢复量的同时亦在一定程度上提升了失电节点经负 荷恢复后的电压水平。
SOP采用不同控制模式时,经负荷恢复后各节点电压水平如图5-6所示。
 
图5-6 SOP不同控制模式下各节点电压水平
由图5-6可以看出,三种情况下非失电区域节点B1-B5和B19-B23电压相同。对于失 电区域节点,即节点B6-B18、B26-B33,当SOP1采用控制模式b、SOP2采用控制模式a 时,电压略低于其他两种方案。因此,应根据负荷恢复量和节点电压水平的实际需求,采 用合理的控制方式。
综上所述,采用 SOP 提高电-气综合能源系统的韧性时, SOP 装置可以准确控制支路 两侧的潮流,并为节点提供电压支撑。与传统的联络开关相比,SOP可以恢复更多的电、 气负荷,并进一步提高负荷恢复后的节点电压水平。通过负荷恢复量和节点电压水平的提 高,提高了 UIES 的韧性。
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5.5.1.4考虑耦合元件故障对负荷恢复的影响
之前部分的算例分析了配电网故障导致气负荷削减的原因。此外,燃气轮机供气不足 可能会进一步导致电负荷量的降低。因此,本节讨论耦合元件故障对电、气负荷的双向影 响。
在本小节分析中,假设C1和C2分别为节点B6和B2的负荷,其他设置与方案V相 同,设置该场景为方案V。对于方案V,故障后,系统的电负荷为823.1kW,比上述情况 的837.5kW少14.4kW。支路5-6故障导致B6-B18、B26-B33失负荷。压缩机C1作为B6 负荷之一,节点失负荷会导致压缩机供电量不足无法正常工作进而导致气网节点 N8 出现 气负荷的削减,影响燃气轮机 GT2 的正常运行,进一步造成电负荷削减。此时气负荷为 192.5kW。不同方案下负荷恢复具体结果如下表5-7所示。
表 5-7 不同方案下负荷恢复结果比较
方案 电负荷恢复量/kw 气负荷恢复量/kW 电负荷恢复比例 /% 气负荷恢复比例/%
方案V 1955.8 11.4 67.55 30.4
方案V 1944 43.8 67.22 60.41
方案V 中,应用SOP进行恢复后,恢复的电负荷为1944kW,电负荷恢复比例为67.22%。 气负荷恢复量为43.8kW,气负荷恢复比例为60.41%。与方案V相比,配电网的负荷恢复 比例相近,而气负荷恢复比例明显提高。
通过应用SOP,配电网负荷恢复,压缩机恢复正常工作,进而气负荷恢复,燃气轮机 恢复正常工作,整个系统恢复正常运行,从而提高配电网和配气网的负荷恢复比例,提升 系统的韧性。
上述算例中,将SOP应用于韧性提升时,其控制策略如表5-8所示。
表5-8 SOP控制策略
SOP 换流器 控制参数 数值
VSC1-22 P/kW 1210
Q/kVar 630
VSC2-12 U/pu 1.0
F/Hz 60
VSC1-21 P/kW 820
Q/kVar 1820
VSC1-8 U/pu 1.0
F/Hz 60
由表5-8可以看出 ,应用SOP进行负荷恢复,可以为失电区域提供部分无功功率同时
传输有功功率。此时, 两台燃气轮机的出力分别为11.07kW和0.01kW。 与未采用SOP的
 
结果相比,两台燃气轮机的出力也有所降低,进一步验证了上述结果的准确性。
5.5.2IES E123-G48测试系统SOP韧性提升作用分析
在本节中,验证了所提方法在较大系统中的适用性和正确性,并对多故障情况进行了
分析。
本小节所选系统为IES E123-G48系统,系统拓扑如图5-7所示。123节点配电网总有
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功负荷为3530kW。故障发生后,应用图中支路40-67的SOP恢复负荷。48节点配气网总 负荷为 2315kW。节点 N1、N3、N4、N5、N6、N7、N15、N18、N20 为气源节点,节点
N9、N11、N16、N23、N25、N27、N30、N32-N36、N38-N47 为负荷节点。燃气轮机有功
功率输出上限设定为300kW,燃气轮机气电转换系数设定为0.75。系统中三个燃气轮机的
位置如图 5-7 所示。
 
图5-7 IES E123-G48测试系统图
用于负荷恢复的SOP容量为2MVA。电驱动压缩机参数见表5-9。
表 5-9 气网电驱动压缩机参数
压缩机 始节点 末节点 电网供电节点 压缩比
C1 2 9 20 1.1
C2 8 10 34 1.1
C3 12 13 36 1.1
C4 20 21 112 1.2
C5 20 48 114 1.2
C6 24 46 115 1.1
支路19-36、26-27、61-68故障后,配电网负荷为2732.5kW,负荷削减量为797.5kW。 节点B32-B34、B36、B38-B40、B42-B44、B46-B52均有负荷削减。配气网总负荷为1750kW, 气负荷削减量为565kW。此时,由于B36负荷的削减,燃气网络中的压缩机C3没有足够 的电量正常工作,进而会导致气网负荷削减。此时,除节点 N9、 N11 外,配气网各节点负 荷量均有不同程度降低。
SOP切换到V/f控制模式,在采用所提的基于SOP的负荷恢复策略后,系统的负荷情 况如表5-10所示,IES E123-G48系统负荷恢复过程CPU计算耗时1.82秒,因系统节点数
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表5-10 IES E123-G48系统负荷恢复结果
系统 负荷削减量/kW 负荷恢复量/kW 负荷恢复比例/% 恢复后系统总负荷量
/kW
电力系统 797.5 709.2 88.93 3441.7
天然气系统 565 434.7 76.94 2184.7
由表5-10的结果可知,恢复后配电网总负荷量可达3441.7kW,负荷恢复比例可达 88.93%。由于SOP在系统拓扑中的位置限制,支路26-27和61-68故障导致的失负荷无法 恢复。此时,配气网系统总负荷可达2184.7kW,负荷恢复比例可达76.94%。对于整个UIES 系统而言,在系统中出现多个故障的极端事件后,应用SOP也可以恢复较多负荷,因此证 明了本文方法对于大系统中多个故障的适用性。
5.6本章小结
本章以台风极端天气为背景,提出一种基于SOP的城市综合能源系统韧性提升方法, 分别对该方法模型以及流程进行介绍并通过IES E33-G14测试系统及IES E123-G48节点测 试系统对所提方法进行分析、验证,相关结论如下:
1) 本章所提 UIES 韧性提升方法同时适用于台风天气下系统单一故障以及多处故障情 况下的分析,可以实现电负荷以及气负荷的恢复。有效解决故障后负荷削减导致的大面积 停电问题。
2) 本章所提方法将传统 SOP 应用于配电网负荷恢复问题的应用范围扩展到综合能源 系统,同时将SOP装置的应用场景扩展到韧性。相较于经传统负荷恢复装置联络开关而言 具有较好的恢复效果,可以有效解决传统联络开关无法调节系统潮流、存在开关损耗以及 需要对网络拓扑结构进行优化调整等问题。
3) 本章所提UIES韧性提升方法可以在供电恢复后进一步提升节点电压水平,通过其 V/f 控制模式可以实现故障后故障侧节点电压限值的约束。通过对负荷恢复量以及节点电 压水平的提升,可以提升UIES韧性。
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结 论
本文提出了一种极端天气下基于SOP的UIES韧性提升方法。首先,建立城市电-气综 合能源系统模型以及台风实时风速计算模型,由于台风灾害对电力支路的直接影响以及对 天然气系统的间接影响,本文在电力子系统中基于台风模型计算支路的故障率,并在UIES 系统中对故障率结果进行分析进而考虑电力支路故障对耦合元件以及天然气子系统的影 响。其次,将 SOP 装置用于提升城市电-气综合能源系统因台风灾害导致负荷削减情况下 的负荷恢复量。探究SOP装置控制策略并对其负荷恢复效果以及影响因素进行讨论。最后, 针对台风灾害下系统大范围负荷削减情况,本文提出以负荷恢复量最大为目标函数的台风 下基于SOP的UIES韧性提升模型并采用最优能量流的方法对系统负荷量进行求解,根据 模型计算结果分析了所提方法接入SOP对系统负荷量以及节点电压水平的影响。
相关研究工作与结论如下:
1) 本文所提台风灾害下城市电-气综合能源系统的故障分析采用 Batts 台风模型得出系 统中各支路各时刻的实时风速以及故障率,通过各支路故障率情况可以准确发现系统的薄 弱环节,从而实现系统有针对性的韧性改善。
2) 本文所提出的基于SOP的UIES韧性提升方法同时适用于系统单故障和多故障的分 析,能够在一定的故障场景下恢复电力负荷和天然气负荷,以将SOP装置应用于UIES韧 性提升作为创新点,改善了 SOP装置应用场景和应用范围方面以及综合能源系统韧性提升 方法方面的不足。在所设定台风场景下应用所提方法,对于IES E33-G14测试系统而言, 配电子系统的负荷恢复比例可以达到 68.98%,天然气子系统的负荷恢复比例可以达到 45.33%,同采用传统联络开关时的 65.55%和 36.53%相比,采用本文所提韧性提升方法后 各子系统负荷恢复比例均有了较为明显的提升。
3) 本文所提出的基于SOP的UIES韧性提升方法可以在一定程度上维持节点电压水平。 对恢复过程中 SOP 的控制方式以及恢复后故障区和非故障区的节点电压水平进行的分析 表明,SOP不仅可以有效提升负荷恢复量,而且可以提升负荷恢复后的节点电压水平,弥 补了传统联络开关装置应用于故障恢复时在电压改善方面的不足。通过提高负荷恢复比例 和节点电压水平,进而提升UIES整体韧性。
本文工作主要考虑了在特定台风灾害背景下仅采用SOP装置对城市电-气综合能源系 统韧性进行提升。在后续研究工作中,针对研究背景方面,可将其扩展至其他极端自然灾 害如海啸、冰灾以及雪灾等。针对系统而言,可考虑将本文城市电-气综合能源系统扩展至 城市电-气-热综合能源系统,同时考虑故障下CHP机组等其他耦合元件的故障对各子系统 负荷量的影响。针对所采用SOP装置而言,由于其成本较高,因而可在后续研究中考虑将 其与其他装置协同应用于系统的负荷恢复以及韧性提升问题。
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