CN103904647A - 一种基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型。本发明将基于电压源换流器的柔性交流输电装置中的电压源换流器统一表示为相应的戴维南等值电路，用节点支路关联矩阵表示不同换流器支路间的拓扑关系，并给出基于电压源换流器的柔性交流输电潮流运行约束的一般形式。本发明基于电压源换流器的柔性交流输电装置潮流模型设计合理，易于算法实现，扩展性强；采用本发明开发电力系统仿真算法时不需针对每一种特定的基于电压源换流器的柔性交流输电装置设计专门的潮流模型和算法，可以大大降低应用的难度。

Description

一种基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型

技术领域

本发明是一种用于电力系统潮流计算的基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型，属于电力系统运行分析与计算应用的创新技术。

背景技术

电网是关系国家能源安全和国民经济命脉的重要基础设施和公用事业，承担着为经济社会发展和国计民生提供重要的能源保障、促进经济社会可持续发展的重大责任。随着现代化水平的不断提高，全社会对电力的依赖程度越来越高，对电力系统的运行提出了越来越多的特定要求，亟需具有很强潮流控制能力的输配电装置来满足这些要求。

现代电力系统面临的新要求及所需解决的新问题包括：a)区域间功率传输能力需要进一步提升；b)出于经济性和环保的角度考虑，需要对现有的输电设备更充分地利用，使得这些输电设备将运行在更接近设计极限处；c)由于电网规划设计阶段对用电分布预测误差或其他设计缺陷导致潮流在电网中传输时发生阻塞现象，需要辅之以特定的技术手段加以消除。

为解决前述问题，人们在电力工业界发展了柔性交流输电技术（Flexible Alternative Current Transmission System，FACTS）。一般来说，FACTS（柔性交流输电）装置是一大类能综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的可用于灵活快速控制交流输电的新技术。目前FACTS（柔性交流输电）已经历了基于晶闸管相控电路的传统FACTS（柔性交流输电）阶段和基于电压源型换流器的VSC-FACTS（基于电压源换流器的柔性交流输电）阶段。相对于基于晶闸管相控电路的传统FACTS（柔性交流输电）装置，VSC-FACTS（基于电压源换流器的柔性交流输电）具有可实现连续运行和控制、控制目标多样灵活、扩展性强等特点，尤其是可以实现对有功功率和无功功率的解耦控制，使得其在电力系统中具有广泛得多的应用前景。

随着FACTS（柔性交流输电）装置在电力系统中的应用日益广泛，传统的潮流计算方法因无法考虑FACTS（柔性交流输电）元件的影响而不再适用。含FACTS（柔性交流输电）元件的潮流计算与普通潮流计算的不同之处在于它必须考虑FACTS（柔性交流输电）元件对电力系统电压和潮流的调节作用，考虑由FACTS（柔性交流输电）元件带来的新的状态变量和约束条件。目前所用的FACTS（柔性交流输电）模型主要有电压源模型、注入功率模型和阻抗型模型。以上的几种模型均需针对不同类型的设备逐一研究。在设计潮流计算算法时需要开发不同的模块，模块间无法置换，运用不方便，对应的计算机程序程序冗长。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理、易于算法实现、扩展性强、可以大大降低应用难度的基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型。

本发明的技术方案是：本发明基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型,基于电压源换流器的柔性交流输电装置中的电压源换流器统一表示为电压源支路，并且按两两节点之间，各节点与地之间分别串联上电压源支路的拓扑结构形成基于电压源换流器的柔性交流输电装置潮流的通用模型，分别用节点支路关联矩阵 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ -1& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& -1& 0\end{array}\right],$ $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ -1& 0& -1\end{array}\right]$ 表示静止同步串联补偿器SSSC、静止无功发生器STATCOM、统一潮流控制器UPFC、线间潮流控制器IPFC、广义统一潮流控制器GUPFC拓扑关系；并给出基于电压源换流器的柔性交流输电潮流运行约束的一般形式，假设PE表示整个装置交换的有功功率；PEsh_i表示并联支路的有功功率；PEse_in表示串联支路的有功功率；Vsh_i是节点i的电压；Ish_i是节点i与地之间的电流；Vse_in表示节点i与节点n之间的电压差，即Vse_in=Vsh_i-Vsh_n；Ise_ni表示支路ni上的电流，注意是从节点n流向节点i，假设某装置涉及到m个节点，节点编号分别为1,2,3…,m，则元件的通用约束条件表达式为

$\mathrm{PE}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PEs}{h}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PEse}}_{\mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left(\mathrm{Vs}{h}_i{\mathrm{Ish}}_i^{*}\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ni}}^{*}\right)=0.$

上述潮流模型是用电压源支路按两两节点之间以及各节点与地之间分别串联上电压源支路的拓扑结构构成的。

本发明基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型，将基于电压源换流器的柔性交流输电装置中的电压源换流器统一表示为相应的戴维南等值电路，用节点支路关联矩阵表示不同换流器支路间的拓扑关系，并给出基于电压源换流器的柔性交流输电潮流运行约束的一般形式。上述潮流模型是用电压源支路按一定的拓扑关系构成。上述潮流模型对于不同的元件可以用不同的节点支路关联矩阵表示拓扑关系。上述潮流模型对于所有元件都可以用通用形式表示其运行约束条件。

附图说明

图1为基于电压源换流器的柔性交流输电装置的通用潮流模型。

图2为戴维南等值电路；

图3为静止同步串联补偿器SSSC的潮流模型；

图4为静止无功发生器STATCOM的潮流模型；

图5为统一潮流控制器UPFC的潮流模型；

图6为线间潮流控制器IPFC的潮流模型；

图7为广义统一潮流控制器GUPFC的潮流模型。

附图中的所有Zse表示两个节点之间的串联等值阻抗，其下标表示对应的两个节点；Vse表示两个节点之间的串联等值电压，其下标表示对应的两个节点；Zsh表示某节点的并联等值阻抗，其下标对应该节点名；Vsh表示某节点的并联等值电压，其下标对应该节点；其中V_i、V_j、V_k分别表示节点i，j，k的节点电压。图2中的V表示戴维南等值电路中的等值电压源，Z表示戴维南等值电路中的等值阻抗。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型，基于电压源换流器的柔性交流输电装置中的电压源换流器统一表示为电压源支路，并且按两两节点之间，各节点与地之间分别串联上电压源支路的拓扑结构形成基于电压源换流器的柔性交流输电装置潮流的通用模型，分别用节点支路关联矩阵 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ -1& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& -1& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& -1\end{array}\right]$ 表示静止同步串联补偿器SSSC、静止无功发生器STATCOM、统一潮流控制器UPFC、线间潮流控制器IPFC、广义统一潮流控制器GUPFC拓扑关系；并给出基于电压源换流器的柔性交流输电潮流运行约束的一般形式，假设PE表示整个装置交换的有功功率；PEsh_i表示并联支路的有功功率；PEse_in表示串联支路的有功功率；Vsh_i是节点i的电压；Ish_i是节点i与地之间的电流；Vse_in表示节点i与节点n之间的电压差，即Vse_in=Vsh_i-Vsh_n；Ise_ni表示支路ni上的电流，注意是从节点n流向节点i。假设某装置涉及到m个节点，节点编号分别为1,2,3…,m。则元件的通用约束条件表达式为

$\mathrm{PE}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PEs}{h}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PEse}}_{\mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left(\mathrm{Vs}{h}_i{\mathrm{Ish}}_i^{*}\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ni}}^{*}\right)=0.$

上述潮流模型是用电压源支路按两两节点之间以及各节点与地之间分别串联上电压源支路的拓扑结构构成的。

图1是基于电压源换流器的柔性交流输电装置通用的潮流模型。其中包括两个节点间的串联支路和并联支路。当某一个节点上有并联支路，说明控制目标为该节点电压，当某条支路上串联了一个支路，说明控制目标为该支路的潮流。假设PE表示整个装置交换的有功功率；PEsh_i表示并联支路的有功功率；PEse_in表示串联支路的有功功率；Vsh_i是节点i的电压；Ish_i是节点i与地之间的电流；Vse_in表示节点i与节点n之间的电压差，即Vse_in=Vsh_i-Vsh_n；Ise_ni表示支路ni上的电流，注意是从节点n流向节点i。假设某装置涉及到m个节点，节点编号分别为1,2,3…,m。则元件的内部约束条件为 $\mathrm{PE}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PEs}{h}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PEse}}_{\mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left(\mathrm{Vs}{h}_i{\mathrm{Ish}}_i^{*}\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ni}}^{*}\right)=0.$ 其中前一项是节点与地之间支路的有功功率交换，后一项是不同节点之间支路的有功功率交换。约束条件中各项的判断标准为：如果节点与非地节点之间有支路则PE中减去该支路上的功率即

如果节点与接地节点之间有支路则PE中添加该节点的功率即

所谓VSC-FACTS（基于电压源换流器的柔性交流输电）装置就是该装置的基本元件为电压源换流器（VSC,Voltage Source Converter）。VSC（电压源换流器）可以用戴维南等值电路来表示，如图2所示，其中电压源表示可以利用电力电子器件通过脉宽调制技术（PWM）控制VSC（电压源换流器）的电压为一定值，阻抗表示变流器内部等值阻抗。所以对于不同的FACTS（柔性交流输电）元件，均可以根据其不同的原理用若干电压源支路按一定的拓扑构成。

关联矩阵的概念：对于一个具有N_t个节点、B条支路且无自环的图，关联矩阵A=[a_ij]是一个N_t×B的矩阵，它的每一行对应于一个节点，每一列对应于一条支路，其中元素a_ij定义如

在以下用到的关联矩阵中根据电压源的方向决定支路的方向。为了统一，把所有的A矩阵都表示为4×3阶的矩阵。

下面针对几种常见的VSC-FACTS（基于电压源换流器的柔性交流输电）元件做具体分析。

1.在节点i,j之间装有SSSC（静止同步串联补偿器），其控制目标是i,j之间的潮流。等值电路如附图3所示，相当于在节点i,j之间串联了一条电压源支路。即节点i,j之间有关联支路，则节点支路关联矩阵为 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],$ 因为i,j之间有支路，所以约束条件为

2.在节点i处装有STATCOM（静止无功发生器），其等值电路如附图4所示，相当于在节点i上并联了一条电压源支路。即节点i和接地点之间有关联支路，则节点支路关联矩阵为 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ -1& 0& 0\end{array}\right],$ 因为i和地之间有支路，所以约束条件为 $\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vsh}}_i{\mathrm{Ish}}_i^{*}\right)=0.$

3.在节点i,j之间装有UPFC（统一潮流控制器），其等值电路如附图5所示，相当于在节点i上并联了一条电压源支路和在节点i,j之间串联了电压源支路。即节点i和接地点之间有关联支路，节点i,j之间也有关联支路，则节点支路关联矩阵为 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& -1& 0\end{array}\right],$ 因为i,j之间有支路且i和地之间有支路，所以约束条件为 $\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vsh}}_i{\mathrm{Ish}}_i^{*}\right)-\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ji}}^{*}\right)=0.$

4.在节点i,j,k之间装有IPFC（线间潮流控制器），其等值电路如附图6所示，相当于在节点i,j之间和节点i,k分别串联了一条电压源支路。即节点i分别与节点j和节点k之间有关联支路，则节点支路关联矩阵为 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],$ 因为i,j之间有支路且i,k之间有支路,所以约束条件为 $\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ji}}^{*}\right)+\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ki}}^{*}\right)=0.$

5.如在节点i,j,k之间装有GUPFC（广义统一潮流控制器），其等值电路如附图7所示，相当于在节点i上并联了一条电压源支路，在节点i,j之间和节点i,k分别串联了一条电压源支路。即节点i和接地点之间有关联支路，节点i分别与节点j和节点k之间有关联支路，则节点支路关联矩阵为 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& -1\end{array}\right],$ 约束条件为 $\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vsh}}_i{\mathrm{Ish}}_i^{*}\right)-\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ji}}^{*}\right)-\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ki}}^{*}\right)=0.$

综上，假设某一种VSC-FACTS（基于电压源换流器的柔性交流输电）的控制目标是支路m-n上的潮流，也就是节点m-n之间有一条电压源支路，则关联矩阵就是相应的加一条支路；控制目标是某一节点m的的电压，也就是m与接地点之间有电压源支路，则关联矩阵就是相应加一条与0点之间的支路。上面的方法可以拓展到任意个节点和任意条支路。

Claims (2)

1.一种基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型，其特征在于基于电压源换流器的柔性交流输电装置中的电压源换流器统一表示为电压源支路，并且按两两节点之间，各节点与地之间分别串联上电压源支路的拓扑结构形成基于电压源换流器的柔性交流输电装置潮流的通用模型，分别用节点支路关联矩阵 $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ -1& 0& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& -1& 0\end{array}\right],\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],$ $\begin{array}{c}i\\ j\\ k\\ 0\end{array}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& -1\end{array}\right]$ 表示静止同步串联补偿器SSSC、静止无功发生器STATCOM、统一潮流控制器UPFC、线间潮流控制器IPFC、广义统一潮流控制器GUPFC拓扑关系；并给出基于电压源换流器的柔性交流输电潮流运行约束的一般形式，假设PE表示整个装置交换的有功功率；PEsh_i表示并联支路的有功功率；PEse_in表示串联支路的有功功率；Vsh_i是节点i的电压；Ish_i是节点i与地之间的电流；Vse_in表示节点i与节点n之间的电压差，即Vse_in=Vsh_i-Vsh_n；Ise_ni表示支路ni上的电流，注意是从节点n流向节点i，假设某装置涉及到m个节点，节点编号分别为1,2,3…,m，则元件的通用约束条件表达式为

$\mathrm{PE}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PEs}{h}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PEse}}_{\mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left(\mathrm{Vs}{h}_i{\mathrm{Ish}}_i^{*}\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left({\mathrm{Vse}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{Ise}}_{\mathrm{ni}}^{*}\right)=0.$

2.根据权利要求1所述的基于电压源换流器的柔性交流输电装置的潮流模型，其特征在于上述潮流模型是用电压源支路按两两节点之间以及各节点与地之间分别串联上电压源支路的拓扑结构构成的。

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