用于計算機輔助控制電網(wǎng)中的功率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于計算機輔助控制電網(wǎng)中的電功率的方法化及相應(yīng)的設(shè)備。在 此和在下文中，應(yīng)將功率理解為有功功率。
【背景技術(shù)】
[0002] 電網(wǎng)包括多個通過電線互相連接的電網(wǎng)節(jié)點，所述電網(wǎng)節(jié)點將電功率饋入到電網(wǎng) 中或從電網(wǎng)中提取電功率。在此，為了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，需要在所饋入的電功率與所提取的 電功率之間的快速的均衡。為此，在相應(yīng)的電網(wǎng)節(jié)點中使用比例調(diào)節(jié)器，所述比例調(diào)節(jié)器根 據(jù)相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點中的電壓的頻率與電網(wǎng)的額定頻率之間的差來設(shè)定所饋入或所提取的功 率。在此，為了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，應(yīng)為相應(yīng)比例調(diào)節(jié)器適當(dāng)?shù)卮_定比例因子和參考功率。常 規(guī)地，使用試探法來確定該些參數(shù)。緊接著，基于復(fù)雜的模擬來分析電網(wǎng)的穩(wěn)定性和魯椿 性，并且必要時重新確定所述參數(shù)。
[0003] 在文獻[1]中在考慮到比例調(diào)節(jié)器的參數(shù)的情況下研究電網(wǎng)的穩(wěn)定性，而未描述 該些參數(shù)如何能夠關(guān)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性被最優(yōu)地設(shè)定。替代地，提出用于電網(wǎng)中的所有發(fā)生 器的比例因子與參考功率之間的固定比率。
[0004] 在出版物巧]中描述如何能夠最優(yōu)地在電網(wǎng)節(jié)點之間分配電網(wǎng)中的初級調(diào)節(jié)功 率。每個電網(wǎng)節(jié)點的初級調(diào)節(jié)功率直接取決于該電網(wǎng)節(jié)點的比例因子。為了該優(yōu)化，基于神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計電網(wǎng)的穩(wěn)定性裕量。在該方法中，穩(wěn)定性是附加條件，并且不被用于優(yōu)化電網(wǎng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的任務(wù)是提供簡單和有效的用于計算機輔助控制電網(wǎng)中的功率的方法，該 方法保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
[0006] 該任務(wù)通過根據(jù)專利權(quán)利要求1所述的方法或根據(jù)專利權(quán)利要求18所述的設(shè)備 來解決。本發(fā)明的改進方案在從屬權(quán)利要求中予W限定。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的方法用于控制電網(wǎng)并且尤其是高壓電網(wǎng)或中壓電網(wǎng)。電網(wǎng)具有必要 時也可W被可變地設(shè)定的預(yù)先給定的額定頻率(例如50化或60化)并且包括多個通過電線 互相連接的電網(wǎng)節(jié)點，所述電網(wǎng)節(jié)點分別將功率饋入到電網(wǎng)中或從電網(wǎng)中提取功率。在此， 既存在饋入功率的電網(wǎng)節(jié)點，也存在提取功率的電網(wǎng)節(jié)點。電網(wǎng)節(jié)點可W是例如基于化石 燃料或再生能量的發(fā)電機W用于發(fā)電。同樣，電網(wǎng)節(jié)點可W包含電動機。電網(wǎng)節(jié)點必要時 還可W包括變壓器、整流器等等。尤其是也可W在電網(wǎng)節(jié)點中聯(lián)合多個用于產(chǎn)生能量和/ 或提取能量的部件。
[0008] 在電網(wǎng)中，相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點的所饋入或所提取的功率是通過比例關(guān)系給定的，根據(jù) 該比例關(guān)系，在相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點中的電壓的預(yù)先給定的頻率范圍內(nèi)（即尤其是在沒有飽和特 性的范圍內(nèi)），基于為在額定頻率下所提取或所饋入的功率的參考功率W及比例因子根據(jù) 相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點中的電壓的頻率與電網(wǎng)的額定頻率之間的差設(shè)定功率。在此，術(shù)語"頻率"應(yīng) 當(dāng)寬泛地來理解，并且尤其是還包括角頻率。在電網(wǎng)節(jié)點的至少一部分中設(shè)置有比例調(diào)節(jié) 器，針對該比例調(diào)節(jié)器可w設(shè)定參考功率和/或比例因子。
[0009] 在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在步驟a)中對電網(wǎng)的靜止?fàn)顟B(tài)進行建模。在該靜止?fàn)顟B(tài) 下，針對電網(wǎng)節(jié)點的所有電壓設(shè)定恒定頻率，其中該頻率可能偏離電網(wǎng)的額定頻率。
[0010] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟b)中，求解優(yōu)化問題，并且由此為比例調(diào)節(jié)器的至少 一部分確定參考功率和比例因子。在此，優(yōu)化問題是基于電網(wǎng)的所建模的靜止?fàn)顟B(tài)的條件 來定義的，其中在滿足該條件的情況下，相鄰電網(wǎng)節(jié)點之間（即在沒有中間連接另外的電網(wǎng) 節(jié)點的情況下互相連接的電網(wǎng)節(jié)點之間）的相位差分別小于或者小于等于最大相位值。緊 接著在步驟C)中，將比例調(diào)節(jié)器的至少一部分設(shè)定為在步驟b)中所確定的參考功率和比 例因子。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的方法利用W下認(rèn)識，即存在針對電網(wǎng)的靜止?fàn)顟B(tài)的如下條件，該條 件考慮相鄰電網(wǎng)節(jié)點的電壓之間的相位差。在此，盡可能小的相位差導(dǎo)致電網(wǎng)節(jié)點之間的 電線的小載荷，并因此導(dǎo)致電網(wǎng)的非常穩(wěn)定和魯椿的運行。在此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)化問題可 W簡單和有效地利用數(shù)值方法來求解，而不必為此執(zhí)行電網(wǎng)的復(fù)雜的模擬。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟a)至C)可W根據(jù)確定的準(zhǔn)則一再地被執(zhí)行，W便因此 在電網(wǎng)的參數(shù)改變的情況下保證電網(wǎng)的最優(yōu)運行。例如，步驟a)至C)可W總是在電網(wǎng)中 設(shè)定的頻率與電網(wǎng)的額定頻率的偏差大于預(yù)定量度時被執(zhí)行。因此，電網(wǎng)可W連續(xù)地關(guān)于 魯椿性和穩(wěn)定性被優(yōu)化。
[0013] 在一種特別優(yōu)選的實施方式中，相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點中的上面提到的比例關(guān)系如下： ft=PlO-襄執(zhí)'(4-W〇), 其中ft是由相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i饋入或提取的功率； 其中齡對應(yīng)于節(jié)點i中的參考功率P;。和局部負載P,x之和，其中P,x總是具有正符號； 其中是節(jié)點i中的比例因子； 其中4是電網(wǎng)節(jié)點i的電壓的頻率； 其中叫J是電網(wǎng)的額定頻率。
[0014] 在此，所饋入的功率具有正符號，并且所提取的功率具有負符號。
[0015] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選實施方式中，電網(wǎng)的靜止?fàn)顟B(tài)基于動態(tài)物理模型 被建模，其中該動態(tài)物理模型根據(jù)電網(wǎng)的包括比例關(guān)系的參考功率和比例因子的參數(shù)來描 述相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點中的電壓的相位的時間變化。動態(tài)物理模型優(yōu)選地包括禪合微分方程組， 其中相應(yīng)微分方程代表電網(wǎng)節(jié)點的電壓的相位的時間變化。在此，禪合微分方程組尤其是 物理振蕩方程組。該物理振蕩方程組優(yōu)選地基于出版物巧]中所描述的模型（參見那里的 方程（7. 201)和（7. 202))。
[0016] 在一種特別優(yōu)選的實施方式中，在根據(jù)本發(fā)明的方法中所使用的振蕩方程組如 下： Mj-,. +fe典=I地Wp+氏0 -巧t-玄|臣泌，旨嗎登inC馬一羣)f 其中Mi是相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i中的禪合到電網(wǎng)的質(zhì)量、例如同步電機的慣性矩； 其中4是相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i中的電壓的頻率的導(dǎo)數(shù)； 其中或馬是相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i或j中的電壓的相位； 其中Ni代表與相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i相鄰的電網(wǎng)節(jié)點巧P在沒有中間連接另外的電網(wǎng)節(jié)點的 情況下直接通過電線與節(jié)點i連接的電網(wǎng)節(jié)點）的集合； 其中Ui或UJ是相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i或j中的電壓的有效值； 其中by是節(jié)點i與j之間的電線的電納。
[0017] 例如在該質(zhì)量通過變流器從電網(wǎng)去禪時，諸如在具有全變流器的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備 中情況如此，上述慣性矩Mi必要時也可W具有零值。
[0018] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實施方式中，電網(wǎng)的靜止?fàn)顟B(tài)的建模基于(本身已知 的）針對在相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點中產(chǎn)生和消耗的有功功率的負載流量方程。必要時可W在負載流 量方程中考慮如下條件；相鄰電網(wǎng)節(jié)點（即在沒有中間連接另外的電網(wǎng)節(jié)點的情況下直接 通過電線互相連接的電網(wǎng)節(jié)點）之間的電線上的歐姆電阻與相鄰電網(wǎng)節(jié)點之間的電線上的 電抗相比可忽略地小。如在詳細描述中所說明的那樣，該建模可W對應(yīng)于基于動態(tài)物理模 型的建模。
[0019] 在借助于負載流量方程進行建模的情況下，相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i的負載流量方程優(yōu)選 地如下： P;=完U!? cos巧一A) + -T,,細巧廣馬））, 其中A是在節(jié)點i處產(chǎn)生的有功功率； 其中是或琴是相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i或j中的電壓的相位； 其中Ni代表與相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i相鄰的電網(wǎng)節(jié)點巧P在沒有中間連接另外的電網(wǎng)節(jié)點的 情況下直接通過電線與節(jié)點i連接的電網(wǎng)節(jié)點）的集合； 其中Ui或UJ是相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i或j中的電壓的有效值； 其中r。是電網(wǎng)節(jié)點i與j之間的電線的歐姆電阻并且XU是電網(wǎng)節(jié)點i與j之間的電 線的電抗。
[0020] 在另一特別優(yōu)選的實施方式中，求解優(yōu)化問題所經(jīng)由的所建模的靜止?fàn)顟B(tài)的條件 如下： I護至十扣I;,.空加()'）KG陽言I, 其中1/是矩陣^ =執(zhí)化化(紹I/)滬'的偽逆，其中叫=參!聲巧； 其中Ui或UJ是相應(yīng)電網(wǎng)節(jié)點i或j中的電壓的有效值； 其中by是節(jié)點i與j之間的電線的電納； 其中r是電網(wǎng)的拓撲的關(guān)聯(lián)矩陣； 其中W=vet-(W,)，其中叫' =P化-A'e, ||^，并且N代表電網(wǎng)中的電網(wǎng)節(jié)點的數(shù)目； 其中fto=氏0 -巧!.； 其中F代表最大相位值； 其中優(yōu)化問題是根據(jù)比例調(diào)節(jié)器的至少一部分的參考功率和比例因子來最小化 是斯
[0021]在此，上述條件對應(yīng)于在出版物[4]中導(dǎo)出的條件，其中在那里被假定為給定 的并且不依賴于PiD和。
[0022] 在另一特別優(yōu)選的實施方式中，優(yōu)化問題在其求解的范圍內(nèi)被轉(zhuǎn)換成凸優(yōu)化問 題。凸優(yōu)化問題的特征在于，相應(yīng)最小值、即最大相位值的最小值是全局最小值。該樣的優(yōu) 化問題可W特別簡單和有效地利用本身已知的方法、諸如內(nèi)點方法來求解。
[0023] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一擴展方案中，在求解優(yōu)化問題時作為邊界條件考慮： 比例調(diào)節(jié)器的至少一部分的參考功率處于預(yù)定區(qū)間中。替代地或附加地還考慮如下邊界條 件：所有電網(wǎng)節(jié)點的比例關(guān)系的參考功率在預(yù)定波動程度之內(nèi)波動。W該種方式，可W適 當(dāng)?shù)乜紤]有關(guān)電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電或負載的不確定性。
[0024] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個變型方案中，波動程度被定義，使得每個電網(wǎng)節(jié)點的 比例關(guān)系的參考功率的波動都小于或者小于等于預(yù)定值。但是替代或附加地，波動程度也 可W被定義，使得電網(wǎng)中的所有電網(wǎng)節(jié)點的比例關(guān)系的參考功率的波動之和并且尤其是加 權(quán)和小于或者等于預(yù)定值。
[0025] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一擴展方案中，在求