CN104167756B - 一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述方法包括以下步骤：分解含多端直流输电的混合电力系统；对分解后的所述电力系统中的子系统进行潮流计算并确定特征数据；修正分解后的所述电力系统中的协调层的边界参数达到全局收敛。本方法充分利用了分布式并行计算在大电网分析计算的优势，各交流子系统单独计算潮流，边界点引入了子区域的特征数据，在直流协调层修正边界参数以达到全局收敛。该方法提高了含有多端直流输电的交直流混合系统潮流计算的收敛性和计算速度，提高潮流计算计软件在目前实际电网以及未来大电网的实用化水平。

Description

一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法

技术领域：

本发明涉及一种交直流系统潮流确定方法，更具体涉及一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法。

背景技术：

随着高压交流输电技术的蓬勃发展以及广域交流大电网的形成，交流输电也遇到了其固有的系统同步性、输电稳定性、输电效率相对直流系统较低等技术瓶颈问题；同时交流大电网的安全运行问题也日益突出。同时，随着传统能源的短缺和环境恶化问题的不断加剧，世界各国已经认识到能源的利用与开发必须从传统能源向绿色可再生能源等清洁能源过渡。但受限于电力系统消纳能力，大部分可再生能源未得到有效利用，甚至出现“弃风”、“弃光”现象；另一方面风电、太阳能等新能源发电具有间歇性、随机性特点，属于间歇式电源。随着各种大规模可再生能源接入电网，传统的电力装备、电网结构和运行技术等在接纳超大规模可再生能源方面越来越力不从心，为此必须采用新技术、新装备和新电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。而基于常规直流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术是解决这一问题的有效技术手段之一。

多端直流输电(multi-terminal HVDC)是直流电网发展的初级阶段，是由3个以上换流站，通过串联、并联或混联方式连接起来的输电系统，能够实现多电源供电和多落点受电。

目前已采用的高压直流输电的类型有：

(1)超过30km的水下电缆。混合型高压直流输电对于海上电网相连来说具有很大优势。紧凑的电压源型换流器适用于海上平台并且可与电气孤岛相连。电流源型换流器端可以放置于对换流站体积要求不高的陆上，而且可接入陆上强电网。由于电压源型换流器电压极性固定，电流源型换流器电流流向固定，因此功率潮流不能直接反转。潮流反转时系统需要停运，并且一端的电压极性需要改变。现在一些电压源型换流器的拓扑结构可以直接改变电压极性，从而实现潮流反转。为了避免潮流反转，混合线路在规划的时候可以只考虑单向功率潮流交流输电由于电缆的大电容需要中间补偿站，对超过30km距离的水面来说，交流输电是不切实际的。高压直流输电不需要中间补偿站，如瑞典FENNO—芬兰SKAN直流输电工程，横跨海峡，采用220km长的电缆。

(2)两个交流系统之间的异步联接。由于交流系统稳定性问题或两个交流系统的额定频率不同，在这种情况下也不适宜采用交流联接。另外，两大系统逐渐发展需要互联，它们虽有相同的频率，有时却不同期，采用直流互联也是常用手段。这两种情况在美国最多见，其它(印度、日本、欧洲等)地方也采用。

(3)大容量远距离架空线输电。超过700km距离时，用高压直流输电替代交流输电极具竞争力。美国BPA系统、加拿大纳尔逊河输电系统、我国的葛上直流工程和天广直流工程均属此类型。

而未来我国电网的总体发展战略是：西电东送、南北互供、全国联网。为了响应该战略，发展多端直流系统对大区互联、新能源接入有这个非常重要的意义。

我国的高压直流输电也得到巨大的发展，多条直流输电线路已投入运行，直流输电线路在我国的输电电网中占的比重越来越大。探讨和研究MTDC输电技术，对解决我国电网中直流输电多电源供电、多落点受电的问题，降低直流输电线路建设成本，完善直流输电系统谐调控制方式，提高系统的稳定性，有效克服重大灾难性事件的发生，无疑具有极大的意义。

广东汕头南澳岛上青澳、金牛两个换流站与汕头澄海区塑城换流站在2013年12月25日完成三端投产启动，这是世界上首个多端柔性直流输电工程，标志着中国成为第一个完全掌握多端柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和运行全系列核心技术的国家。舟山直流输电系统是世介绍首个五端直流输电系统，也有望在2014上半年投入运行。

关于含MTDC交直流混合系统的潮流计算，针对传统的PCC‐MTDC输电系统，目前已经有了相对丰富潮流计算理论和研究。基本的方法有联立求解法和交替求解法。两种方法在交直流混合计算系统的潮流计算上各有有缺，工程应用上，一般来讲交替迭代法工具有实用性：与原有的潮流程序兼容性好、接口简单。但是在面对日益复杂的多段直流系统和应用于多个大区互联的场景下，该算法在收敛性上的不足逐渐凸显。而且随着新型电力电子换流器应用于MTDC系统，有必要对含多端直流输的混合电力系统潮流程序进行升级和改进。

发明内容：

本发明的目的是提供一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，该方法提高了含有多端直流输电的交直流混合系统潮流计算的收敛性和计算速度，提高潮流计算计软件在目前实际电网以及未来大电网的实用化水平。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述方法包括以下步骤：

(1)分解含多端直流输电的混合电力系统；

(2)对分解后的所述电力系统中的子系统进行潮流计算并确定特征数据；

(3)修正分解后的所述电力系统中的协调层的边界参数达到全局收敛。

本发明提供的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，将所述步骤(1)中的电力系统分解为子系统和协调层；所述协调层用于协调所述子系统并同时计算直流网络的潮流。

本发明提供的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述电力系统在各换流站换流器交流侧母线处将其分割；所述子系统为各个单独的交流系统；所述协调层为换流器的直流网络和直流侧的直流网络。

本发明提供的另一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，每个所述子系统的潮流计算根据设置的分割边界母线的的电压初值确定，其中i＝1,2,3……m。

本发明提供的再一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述特征数据为所述子系统的特征数据J_ci和且通过下式确定：

式中，边界的节点注入功率S_ci与分割边界母线的的电压的函数是子系统i边界函数；J_ci是子系统i边界函数的Jacobian矩阵； 分别是边界节点的潮流和电压的变化量。

本发明提供的又一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述边界函数进行泰勒级数展开为：

式中，为泰勒级数展开后除一次项以外的余项； 为展开式的二阶余项。

本发明提供的又一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述边界节点的潮流和电压的变化量和通过下式确定：

式中，分别是网络内部节点的潮流和电压的变化量；J_ci＝J_c-c-J_{c- I}J_I-I ^-1J_I-C；J_c-c、J_c-I、J_I-I、J_I-c为将雅克比矩阵中边界节点移到首排后的矩阵元素。

本发明提供的又一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述步骤(3)中的协调层的边界参数通过建立协调方程进行修改，所述协调方程通过下式确定：

式中，P_dloss是直流输电系统的网络损耗；P_ci为VSC吸收的有功功率；U_di、I_di分别为第i个换流器直流侧的电压和电流；u为PMW的直流电压利用率；M为PMW的调制度。

本发明提供的又一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，通过下式节点方程确定所述P_dloss和I_di分别是的函数，即：

I_dc＝G_dU_dc (6)

式中，I_dc为直流电流向量；G_d是直流网络的节点导纳矩阵；U_dc为直流电压向量；

通过公式(3)和公式(5)确定新的边界节点电压值将所述新的边界节点电压值发送给两个子系统重新计算，完成一次基本的外层迭代。

本发明提供的又一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，每完成一次所述基本的外层迭代，根据下式的的盘踞方程判断是否收敛：

|U_ci ^(k)-U_ci ^(k-1)|＜ε₁ (7)

|δ_ci ^(k)-δ_ci ^(k-1)|＜ε₂

式中，为第k次迭代后的电压幅值；为第k-1次迭代后的电压幅值；为k次迭代后的电压相角；为第k-1次迭代后的电压相角：ε₁、ε₂为计算精度；若不收敛则返回所述步骤(2)中通过相同的分割边界母线的的电压初值重新确定特征数据。

本发明提供的又一优选的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，所述方法通过采用异步迭代算法使得各个所述子系统和协调层分别与公共存储器联系并按照自己的计算周期运行。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明的方法提供了含多端直流输电的电力系统潮流计算途径；

2、本发明的方法在通过MTDC实现大区互联的情况下，分解系统经行潮流计算，使得计算的速度和精度有了显著的提高，无需更换原有的交流潮流程序，具有良好的适应性和兼容性；

3、本发明的方法的子系统特征值的引入加强了子系统与直流系统的耦合，在协调层计算时考虑了子系统对边界电压的动态相应，相比传统的ward等值、交替求解法有着更好的耦合性，提高算法收敛性；

4、本发明的约束分解的同步算法对协调层计算量的消减主要体现在Jacobian矩阵的计算上，在协调层计算中能够减少维数，减少内存占用和计算量，加快计算速度；在计算速度上，该方法相比联立求解的潮流算法，有着更大的优势；

5、本发明的方法将整个大区分解并分层求解，符合我国电力系统运行的现状和我国电网运行的国情；

6、本发明的方法的各个子计算单元在任何时间都不需要等待输入，而只根据当前的最新信息来决定它的计算过程；异步算法较同步算法拥有更好的容错性能，并克服了同步等待问题。

附图说明

图1为本发明的VSC-MTDC稳态模型示意图；

图2为本发明的含多端直流输电的交直流混合系统分割示意图；

图3为本发明的异步迭代过程示意图；

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-4所示，本例的发明含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，包括以下步骤：

(1)含多端直流输电的混合电力系统分解

以一个m端VSC-MTDC为例，图1所示，为VSC-MTDC的稳态模型。图中i表示接入混合系统的第i个换流站所对应的各参数编号。把换流变压器初次绕组的交流母线称为特殊节点t。U_ti、δ_ti为特殊节点母线线电压基波分量和相角；U_ci、δ_ci为换流器交流侧母线线电压的基波分量和相角；P_ti、Q_ti分别为从交流系统注入第i个换流站的有功和无功功率；P_ci、Q_ci分别为VSC吸收的有功和无功功率；R_i和X_i为第i个换流站中换流器和变压器等效电阻以及换流电抗器的等效电抗。图中所有的功率都是三相功率，图式的VSC换流器符号。

令δ_i＝δ_ti-δ_ci，其中，δ_i为第i个换流器的PMW调制波的相角。对于直流侧：

其中，U_di为第i个换流器直流侧的电压；u为PMW的直流电压利用率；M为PMW的调制度。。

本方法在各换流站换流器交流侧母线处将系统分割，分割后各交流系统单独看做子系统；换流器及直流侧的直流网络作为协调层，用作协调子系统并同时计算直流网络的潮流。系统分割的示意图如下。

(2)子系统潮流计算并获得特征数据

①设置分割边界母线的电压初值(即U_ci1、δ_ci1)，其中(i＝1,2,3……m)

②计算特征数据

在给定边界母线电压初值的情况下的，对已第i个交流子系统来说潮流是可解的，同时获得边界的节点注入功率S_ci(S_ci＝P_ci+jQ_ci)。由此可以得到一个S_ci与的一个函数：称之为该子区域的边界函数。

对f_ci经行泰勒级数展开，可得

其中，J_ci是子系统i边界函数的Jacobian矩阵；为泰勒级数展开后除一次项以外的余项，为展开式的二阶余项；易知定义边界函数的Jacobian矩阵和为子区域的特征数据。J_ci可以利用该子网潮流计算中Jacobian矩阵获得。利用子区域i的边界电压可以计算出该子网络的内部节点电压和注入潮流。将边界节点的变量提取排在所有节点的前面，则有：

式中：分别是边界节点的潮流和电压的变化量；分别是网络内部节点的潮流和电压的变化量。由此式可得：

式中，J_ci＝J_c-c-J_c-IJ_I-I ^-1J_I-B，J_ci和为第i个子系统的特征数据；P_dloss是直流输电系统的网络损耗；J_c-c、J_c-I、J_I-I、J_I-c为将雅克比矩阵中边界节点移到首排后的矩阵元素。

(3)修正协调层的边界参数达到全局收敛

对于协调层，他的任务是联立f_c1,f_c2…f_cm解出边界节点电压然后各子区域就可以完成自身的潮流计算，同时求出直流系统的潮流。

①直流系统方程

对于复杂的多端直流网络，用节点方程可以表示为:

I_dc＝G_dU_dc

式中G_d是直流网络的节点导纳矩阵；I_dc为直流电流向量；U_dc为直流电压向量。对于给定的由式可知，直流系统中所有的U_di也确定了。因此直流系统的潮流可解。

其中，P_dloss是直流输电系统的网络损耗。由所述节点方程可知，P_dloss和I_di都是的函数，可计算得函数的具体表达式。

②协调层的协调方程为：

其中，I_di为第i个换流站直流侧的电流；然后将J_ci、 带入所述边界函数的泰勒级数展开式和所述协调方程，即可解出边界节点电压新值然后后将边界节点电压的新值再发送给两个子区域重新计算，此即完成了一个基本的外层迭代。

每完成一次外层迭代，判断程序是否收敛的盘踞方程为：

|U_ci ^(k)-U_ci ^(k-1)|＜ε₁

|δ_ci ^(k)-δ_ci ^(k-1)|＜ε₂

式中，为第k次迭代后的电压幅值；为第k-1次迭代后的电压幅值；为k次迭代后的电压相角；为第k-1次迭代后的电压相角：ε₁、ε₂为计算精度；若不收敛则返回所述步骤(2)中通过相同的分割边界母线的的电压初值重新确定特征数据。

本方法通过采用分层异步迭代交直流混合算法的实现

异步迭代算法而只根据当前的最新信息来决定它的计算过程,它的各个子计算单元在任何时间都无需等待输入。以图2为例，约束分解的异步迭代算法是将子区域1和子区域2的计算和协调计算都视为没有同步要求的独立计算单元。同理，对于多子区域的异步迭代过程如图3所示。设定边界节点电压初值之后，子区域根据最新的边界节点电压计算出本子区域的特征数据并更新。协调层根据最新的特征数据计算边界节点电压并更新。这样所有的计算单元都只和公共存储器联系，并按照自己的计算周期运行。异步算法较同步算法拥有更好的容错性能，并克服了同步等待问题。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)分解含多端直流输电的混合电力系统；

(2)对分解后的所述电力系统中的子系统进行潮流计算并确定特征数据；

(3)修正分解后的所述电力系统中的协调层的边界参数达到全局收敛；

将所述步骤(1)中的电力系统分解为子系统和协调层；所述协调层用于协调所述子系统并同时计算直流网络的潮流；

所述电力系统在各换流站换流器交流侧母线处将其分割；所述子系统为各个单独的交流系统；所述协调层为换流器的直流网络和直流侧的直流网络；

每个所述子系统的潮流计算根据设置的分割边界母线的电压初值确定，其中i＝1,2,3……m；

所述特征数据为所述子系统的特征数据J_ci和且通过下式确定：

式中，边界的节点注入功率S_ci与分割边界母线的电压的函数是子系统i边界函数；J_ci是子系统i边界函数的Jacobian矩阵；分别是边界节点的潮流和电压的变化量。

2.如权利要求1所述的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，其特征在于：所述边界函数进行泰勒级数展开为：

式中，为泰勒级数展开后除一次项以外的余项； 为展开式的二阶余项。

3.如权利要求2所述的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，其特征在于：所述边界节点的潮流和电压的变化量和通过下式确定：

式中，分别是网络内部节点的潮流和电压的变化量；J_ci＝J_c-c-J_c-IJ_I-I ^{- 1}J_I-c；J_c-c、J_c-I、J_I-I、J_I-c为将雅克比矩阵中边界节点移到首排后的矩阵元素。

4.如权利要求2所述的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中的协调层的边界参数通过建立协调方程进行修改，所述协调方程通过下式确定：

式中，P_dloss是直流输电系统的网络损耗；P_ci为VSC吸收的有功功率；U_di、I_di分别为第i个换流器直流侧的电压和电流；u为PMW的直流电压利用率；M为PMW的调制度。

5.如权利要求4所述的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，其特征在于：通过下式节点方程确定所述P_dloss和I_di分别是的函数，即

I_dc＝G_dU_dc (6)

式中，I_dc为直流电流向量；G_d是直流网络的节点导纳矩阵；U_dc为直流电压向量；

通过公式(3)和公式(5)确定新的边界节点电压值将所述新的边界节点电压值发送给两个子系统重新计算，完成一次基本的外层迭代。

6.如权利要求5所述的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，其特征在于：每完成一次所述基本的外层迭代，根据下式的判据方程判断是否收敛：

式中，为第k次迭代后的电压幅值；为第k-1次迭代后的电压幅值；为k次迭代后的电压相角；为第k-1次迭代后的电压相角：ε₁、ε₂为计算精度；

若不收敛则返回所述步骤(2)中通过相同的分割边界母线的电压初值重新确定特征数据。

7.如权利要求1所述的一种含多端直流输电的交直流系统潮流确定方法，其特征在于：所述方法通过采用异步迭代算法使得各个所述子系统和协调层分别与公共存储器联系并按照自己的计算周期运行。