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基于RobotStudio的機器人上下料工作站設(shè)計與仿真

2021-01-06 08:57趙偉博李琳杰齊鍇亮
計算技術(shù)與自動化 2021年4期
關(guān)鍵詞:分布式電源電力系統(tǒng)

趙偉博 李琳杰 齊鍇亮

摘 要:可再生能源具有隨機性和間歇性的特點,然而隨著分布式電網(wǎng)的滲透率不斷提高,其并網(wǎng)也給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來了可靠性降低、雙向潮流、電能質(zhì)量惡化等問題,傳統(tǒng)電網(wǎng)的被動調(diào)壓策略已難以為繼。主動配電網(wǎng)能支撐分布式電源的消納,通過有載分接開關(guān)(OLTC)協(xié)調(diào)可實現(xiàn)電壓控制。本文旨在闡述基于OLTC協(xié)調(diào)的主動配電網(wǎng)控制研究,先說明OLTC調(diào)壓對功率的影響,介紹各傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)壓方法,并指出了各方法的弊端。再闡述基于OLTC調(diào)壓的主動配電網(wǎng)電壓控制方案,最后對該領(lǐng)域進行了展望和總結(jié)。

關(guān)鍵詞:有載分接開關(guān);OLTC;主動配電網(wǎng);分布式電源(DG);電力系統(tǒng)

中圖分類號:TP271 ? ? ?文獻標(biāo)識碼:A

能源短缺和氣候變化是目前全球都需要面對的嚴峻問題,大力發(fā)展可再生能源是目前解決氣候變化和“減碳”最有前景的手段之一[1]。在第七十五屆聯(lián)合國大會上,中國指出,將提高國家自主貢獻力度 ,采取更有利的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和,為應(yīng)對能源結(jié)構(gòu)變化,配電網(wǎng)改革也亟待進行[2]。

近年來,分布式電源( DG)的滲透率不斷提高,傳統(tǒng)電網(wǎng)被動控制方式已難以為繼,為解決這些問題,傳統(tǒng)電網(wǎng)正在向主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。由于DG電能輸出具有隨機性和波動性,直接并入電網(wǎng)會造成配電網(wǎng)電壓波動和潮流分布不均,使用戶用電質(zhì)量受影響[3]。對配電網(wǎng)電壓控制問題,通常都是通過調(diào)節(jié)有載分接開關(guān)(OLTC)或投切電容器實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié),而增加靜止無功發(fā)生器(SVG)等設(shè)備又將給電網(wǎng)帶來較大經(jīng)濟負擔(dān)[4]。因此,主動配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)成了亟待解決的問題。目前研究策略主要有DG不參與調(diào)壓和DG主動參與調(diào)壓兩大類,無DG參與時主要通過OLTC與并聯(lián)電容器協(xié)同進行調(diào)壓,有DG參與時,則通過改變有功與無功輸出完成調(diào)壓。

1 OLTC調(diào)壓對功率的影響

OLTC因調(diào)壓范圍范圍較大、操作靈活、可隨時調(diào)節(jié),還兼具經(jīng)濟性等優(yōu)點,在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[5]。OLTC是變壓器內(nèi)唯一需要機械動作的機構(gòu),其承擔(dān)著變壓器的調(diào)壓功能。含OLTC的變壓器線路等效電路圖可用圖1說明,圖1(a)是OLTC連接兩級電壓網(wǎng)絡(luò)示意圖,圖1(b)為圖1(a)的網(wǎng)絡(luò)等值回路圖。

由式(1)、(2)、(3)可知,當(dāng)k>1,Y1為感性、Y2為容性;k=1, Y1=Y2=0;k<1,Y1為容性、Y2為感性??梢?,OLTC調(diào)壓對功率的影響,其實相當(dāng)于在空載電壓高的一次側(cè)加了并聯(lián)電容器,另一側(cè)則加了并聯(lián)電抗器,兩側(cè)分別吸收或產(chǎn)生無功功率。無功功率的性質(zhì)由變比k決定,k若改變,變壓器兩側(cè)Y1、Y2也隨之改變,進而引起兩側(cè)網(wǎng)絡(luò)無功潮流分布,最終影響兩側(cè)電壓。由上述分析可知,OLTC調(diào)壓并不會產(chǎn)生無功功率,而是對變壓器兩側(cè)無功功率進行再分配。通常,變壓器一次側(cè)系統(tǒng)短路容量較大,Z1較小,二次側(cè)為負荷阻抗,Z2較大,若OLTC切換不當(dāng),在系統(tǒng)電壓因無功功率缺失而下降時,OLTC調(diào)壓錯誤不僅沒能補充缺額無功功率,反將無功缺額量轉(zhuǎn)移至高壓側(cè),這將使得電網(wǎng)電壓嚴重下降,產(chǎn)生電壓崩潰。

2 傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)壓方式

2.1 發(fā)電機調(diào)壓

發(fā)電機調(diào)壓是為了滿足就近調(diào)壓的需求,通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)機端電壓UG,UG偏離額定值不超過±5%。一般適用供電線路短、線路電壓損耗小的電廠。但對于長線路的多級供電網(wǎng)而言,線路經(jīng)過多級變換,且峰谷負荷變化較大,線路電壓損失較大,因此,僅靠發(fā)電機調(diào)壓無法滿足需求。此外,需要注意的是調(diào)節(jié)遠處負荷電壓時,機端電壓不能調(diào)的過高,需要外部調(diào)壓措施配合。

2.2 變壓器調(diào)壓

變壓器調(diào)壓是目前電力系統(tǒng)中使用最廣泛的調(diào)壓方式,可分無載調(diào)壓和有載調(diào)壓。無載調(diào)壓需要停電操作,步驟繁瑣,調(diào)壓范圍一般在10%內(nèi),周期長,經(jīng)濟性較差。有載調(diào)壓是變壓器調(diào)壓的主要方法,通過OLTC切換分接頭完成調(diào)壓,其調(diào)壓速度快,操作簡單,調(diào)壓范圍較大,能帶載調(diào)壓[6]。典型含OLTC調(diào)壓方式電網(wǎng)如圖2所示,該網(wǎng)絡(luò)由配電系統(tǒng)、二次傳輸系統(tǒng)、主傳輸系統(tǒng)及發(fā)電機構(gòu)成。直接向負荷中心供電的供電變壓器大多采用OLTC,OLTC所處系統(tǒng)必須是一個無功功率充足又相對比較平衡的系統(tǒng)才能起到靈活有效的調(diào)壓效果。在無功功率不足的系統(tǒng)中,僅OLTC調(diào)節(jié)無功不能滿足需求,還需要無功補償設(shè)備。

2.3 通過補償設(shè)備調(diào)壓

常見的補償設(shè)備有靜止無功補償器(SVC)、同步調(diào)相機、固定并聯(lián)電容器等[7]。SVC中晶閘管控制型應(yīng)用較為廣泛,由電抗器、電容器和兩組反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成,具有快速平滑調(diào)節(jié)的特點,但因其響應(yīng)速度較快,當(dāng)穩(wěn)態(tài)負荷增加或系統(tǒng)波動等因素達到輸出極限值時,不能對電壓進行動態(tài)控制。并且,SVC控制難度大,成本過高,運維繁瑣。同步調(diào)相機能夠自動根據(jù)系統(tǒng)需求來吸收或產(chǎn)生無功功率,通過過勵磁或欠勵磁的不同運行方式,發(fā)出容性或感性功率,但因其常處于過勵狀態(tài),損耗和噪聲大、響應(yīng)慢、發(fā)熱嚴重。隨著SVC的發(fā)展,同步調(diào)相機使用也逐漸減少。并聯(lián)電容器和電抗器的結(jié)構(gòu)簡單,且具備經(jīng)濟性,但無法根據(jù)負荷需求動態(tài)補償。

根據(jù)系統(tǒng)中OLTC分接頭的檔位以及電容器組無功出力變化對各節(jié)點電壓的影響程度,劃分OLTC以及電容器組的調(diào)壓區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)中某些節(jié)點出現(xiàn)過電壓或欠電壓時,優(yōu)先調(diào)節(jié)該節(jié)點所在區(qū)域的調(diào)壓裝置。因此,對配電網(wǎng)進行分區(qū)時,應(yīng)合理規(guī)劃OLTC及協(xié)調(diào)補償設(shè)備的調(diào)壓區(qū)域,再安排各調(diào)壓設(shè)備啟動次序,防止多裝置啟動產(chǎn)生沖突,充分利用各調(diào)節(jié)裝置的補償功能,以達到各設(shè)備的效益最大化。

3.2 基于離散變比OLTC的電壓調(diào)節(jié)

DG具有很強的間歇性和隨機性,考慮OLTC變比的離散性,或可有效解決這類問題,OLTC的變比一般檔位有1.25%、1.5%、2.5%,并非連續(xù)調(diào)節(jié),其電壓控制算法是一研究熱點,OLTC變比是步長均勻的離散量,常見OLTC變比的控制算法有優(yōu)化算法、靈敏度算法,前者計算得到OLTC調(diào)節(jié)的最優(yōu)解,后者通過靈敏度指標(biāo)來控制OLTC調(diào)壓[10]。但這兩者在時效性都有明顯缺陷,靠攏法則選不考慮離散變量取值約束,將所有變量視為連續(xù)變量求最優(yōu)解,取與最優(yōu)解最近的離散變量為最優(yōu)解,但在長補償時準(zhǔn)確度低,甚至不收斂。近年來研究的算法有連續(xù)化算法、內(nèi)嵌罰函數(shù)法、互補方法、確定性算法、現(xiàn)代智能算法[11]等,以上算法仍不夠滿足實際應(yīng)用要求,尋求更加高效高精度的算法也該領(lǐng)域的一研究趨勢。

3.3 OLTC和DSTATCOM協(xié)調(diào)配合的有源配電網(wǎng)調(diào)壓

靜止同步補償器(STATCOM)是并聯(lián)型無功補償裝置,利用GTO構(gòu)成可控電壓源或電流源,本質(zhì)是自換相的電壓源型三相全橋逆變器,通過變壓器將其輸出電壓變換成系統(tǒng)電壓,圖5為主電路采用電壓源型橋式電路的STATCOM示意圖,其中直流側(cè)儲能電容對電壓起到支撐作用。直流電壓經(jīng)STATCOM輸出為與電網(wǎng)電壓s幅值、頻率、相位均相等的交流電。

OLTC和無功補償裝置相配合進行調(diào)壓是含DG配電網(wǎng)較有效的調(diào)壓手段之一。配電網(wǎng)靜止同步補償器(DSTATCOM)雙向調(diào)節(jié)無功輸出的功能,無功調(diào)節(jié)能力增強,輸出的無功功率受電壓變化的影響小。對于DG接在線路末端的輻射型配電饋線,線路末端的電壓偏移最大,因此將DSTATCOM裝在饋線末端的DG并網(wǎng)點。當(dāng)長饋線末端電壓嚴重越限時,僅靠OLTC調(diào)節(jié)電壓已不足以讓末端電壓回到安全范圍內(nèi),嚴重者可能導(dǎo)致二次側(cè)電壓越限。因此,需適當(dāng)設(shè)定OLTC與DSTATCOM的電壓動作范圍,共同發(fā)揮OLTC和DSTATCOM的調(diào)壓功能,使變電站二次側(cè)維持在合理電壓范圍內(nèi)。

3.4 基于模型預(yù)測的OLTC電壓控制

模型預(yù)測控制(MPC)根據(jù)當(dāng)前測量信息,在線求解有閑時間開環(huán)優(yōu)化,并將解得的控制序列首個元素作用于被控對象,以此往復(fù)。模型預(yù)測控制具有建模簡單、精度要求低、魯棒性好等優(yōu)點,在許多工程中得到應(yīng)用。將模型預(yù)測控制作為主動配電網(wǎng)的電壓控制策略也漸漸得到重視。文獻[12]基于MPC對含DG配電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)進行了研究。文獻[13]將MPC應(yīng)用于電力系統(tǒng),研究了輸電網(wǎng)長期電壓穩(wěn)定控制問題。文獻[14]則提出了一種主動配電網(wǎng)電壓控制策略,該策略通過建立靈敏度矩陣,構(gòu)建了配電網(wǎng)電壓和儲能充放電狀態(tài)的預(yù)測模型,并針對OLTC調(diào)節(jié)進行了檢測控制策略,基于多步滾動優(yōu)化平滑地實現(xiàn)了配電網(wǎng)母線電壓調(diào)節(jié),使得母線電網(wǎng)均控制在有效范圍內(nèi)。

3.5 多時間尺度規(guī)劃

多時間尺度規(guī)劃基于“多級協(xié)調(diào)、逐級細化”的思路,利用相對細化的下一級時間尺度來修正相對粗放的上一級時間尺度調(diào)控策略的錯誤。該策略基于兩點提出:(1)不同設(shè)備動作時間尺度各有差別,如并聯(lián)電容器組、OLTC為小時級尺度,需要在日前或滾動優(yōu)化中確定其動作策略,DG、SVG則為適時調(diào)控設(shè)備,在秒級尺度;(2)可在生能源具有隨機性,因此預(yù)測時間越短則精度越高,若在小時級尺度上進行較為精準(zhǔn)的預(yù)測,則可極大解決可再生能源隨機性和間歇性帶來的問題。當(dāng)前已有不少研究基于隨機規(guī)劃或魯棒優(yōu)化的多時間尺度方法,基于確定性優(yōu)化的多時間尺度方法已取得了良好的應(yīng)用效果。文獻[15]中將有功調(diào)度時間尺度分為日級、30-60分鐘級、5~15分鐘級、秒級四個類別,并構(gòu)建對應(yīng)的日前計劃、滾動計劃、實時調(diào)度計劃以及AGC的四個控制階段,結(jié)果顯示有效提升電力系統(tǒng)對風(fēng)電的消化和吸收。

4 基于OLTC協(xié)調(diào)的主動配電網(wǎng)電壓控制

發(fā)展趨勢

計及DG入網(wǎng)的數(shù)量不斷增加,主動配電網(wǎng)是傳統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)展趨勢,未來基于OLTC協(xié)調(diào)的主動配電網(wǎng)電壓控制研究趨勢有以下三個熱點:

(1)無功優(yōu)化技術(shù)。主動配電網(wǎng)涉及多種類無功調(diào)節(jié)設(shè)備的控制,如何協(xié)調(diào)各類無功可控資源是近年來的研究熱點,即無功優(yōu)化技術(shù),旨在提高主動配電網(wǎng)消納可再生能源的能力,通過調(diào)控各類無功設(shè)備,達到改善電能質(zhì)量的目的。

(2)OLTC調(diào)壓對電力系統(tǒng)的影響。電力系統(tǒng)中的電壓崩潰往往不止是電壓穩(wěn)定性單方面的問題,而是電壓失穩(wěn)和功角失穩(wěn)共同作用的結(jié)果。OLTC動作將改變系統(tǒng)潮流分布,OLTC變比不僅與電壓幅值有關(guān),與電壓相角也有關(guān)。因此OLCT調(diào)壓對電力系統(tǒng)的影響還需要更進一步的分析。

(3)智能電網(wǎng)。隨著電力系統(tǒng)使用智能設(shè)備和數(shù)字通信升級,電網(wǎng)的智能化也是傳統(tǒng)電網(wǎng)必經(jīng)的道路。新的電壓調(diào)節(jié)控制方案,可將含OLTC的變壓器控制為中心,旨在滿足現(xiàn)有電力系統(tǒng)的需求和未來智能電網(wǎng)的發(fā)展,以提高輸電和配電網(wǎng)的性能。

5 結(jié) 論

研究了現(xiàn)階段基于OLTC協(xié)調(diào)的主動配電網(wǎng)電壓控制策略。首先闡述了大量DG網(wǎng)并網(wǎng)造成電力系統(tǒng)可靠性降低、電能質(zhì)量下降等問題。再列舉了傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)壓方案,并指出各方案的局限性,已不足以應(yīng)對大量DG并網(wǎng)帶來的電壓波動問題。進而,提出基于OLTC協(xié)調(diào)的主動配電網(wǎng)調(diào)壓方案,并總結(jié)了目前研究的熱點方案。最后,展望了該領(lǐng)域研究的發(fā)展趨勢。

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