CN105207194A - 一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法，其特点是,包括的步骤有：求解直流潮流控制器(DC？Power？Flow？Control？ler,DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度；将多端柔性直流电网中各支路按安全裕度从小到大排序，确定各支路控制重要性；将确保多端柔性直流电网中各支路运行于载流限值内和直流电网线路有功损耗最小为目标，对比得到多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置。具有科学合理，适用效果佳，能够准确确定安装位置等优点。

Description

一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法

技术领域

本发明涉及一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法，属于柔性直流输电技术领域。

背景技术

近年来高压直流输电技术在大容量远距离输电和交流系统互联等方面展现出巨大优势。随着传统化石能源的日益枯竭与环境压力的不断增加，风光储等清洁型新能源快速发展，其输出功率具有的波动性、间歇性等特点使得传统电网结构、运行技术受到越来越多的限制与挑战，而通过柔性高压直流输电(VSC-HVDC)技术，新能源实现了与交流系统的平滑接入。VSC成为解决新能源大规模并网的有效技术手段之一，这与VSC-HVDC技术灵活、安全的运行特点，有功无功独立可控以及潮流反转时保持电压极性不变等特性有关。正是由于与传统直流输电技术相比，VSC在潮流反转时直流电流方向反转而直流电压及性不变，且没有换相失败等问题，因而有利于构成多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统。

多端柔性直流电网是由多个柔性换流站端经过直流网路互联组成的电力传输系统，具有网孔、直流端之间有多条冗余传输线路，能够实现新能源的平滑接入，具有灵活、安全的潮流控制特性，是一种适应性更强的供电模式。一个合理的直流电网系统应在未对输电线路进行限制时具备足够的潮流控制自由度。但根据N-1原理，含有N个换流站的直流电网中可由换流站独立控制的支路数为N-1，超出N-1的支路潮流不可控而可能导致线路过负荷。因此，需要引入直流潮流控制器(DCPowerFlowController,DCPFC)配合换流站控制各支路潮流，增加控制自由度。

发明内容

本发明的目的是提供一种科学合理，适用效果佳，能够准确确定安装位置的用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法，通过求解直流潮流控制器(DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度；将多端柔性直流电网中各支路按安全裕度从小到大排序，确定各支路控制重要性；将确保多端柔性直流电网中各支路运行于载流限值内和直流输电电能的线损损耗最小为目标，对比得到多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：

一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法，其特征在于,它包括以下步骤：

1)求解直流潮流控制器(DCPowerFlowController,DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度；

含有N个节点(1,2,…i…j…p…q…N)，b条支路的系统，其中节点N运行于定直流电压运行模式，其余节点运行于定有功功率运行模式，设直流潮流控制器(DCPFC)安装于支路L_ij靠近节点i的位置，各支路电流的表达式如式(1)，只有安装直流潮流控制器(DCPFC)的支路L_ij的电流引入了等效理想变压器变比M，其余支路电流公式均与安装直流潮流控制器(DCPFC)前一致，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{12}=\frac{U_{T1}-U_{T2}}{R_{L12}}\\ .\\ .\\ .\\ I_{ij}=\frac{{\mathrm{MU}}_{Ti}-U_{Tj}}{R_{Lij}}\\ I_{pq}=\frac{U_{Tp}-U_{Tq}}{R_{Lpq}}\\ .\\ .\\ .\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于定有功功率运行模式的换流站节点i(i＝1,2,…N-1)，其有功功率对于直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度为0，即：

$\frac{\∂P_{T1}}{\∂M}=...=\frac{\∂P_{Ti}}{\∂M}=...=\frac{\∂P_{T(N-1)}}{\∂M}=0---\left(2\right)$

而定直流电压换流站N的电压对于直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度为0，即：

$\frac{\∂U_{TN}}{\∂M}=0---\left(3\right)$

定有功功率运行模式的换流站有功功率公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=U_{T1}\underset{k\∈n_1}{\Σ}{I}_{k1}\\ .\\ .\\ .\\ P_i=U_{Ti}\left(\underset{k\≠j}{\underset{k\∈n_i}{\Σ}}{I}_{ki}+\frac{U_j-{\mathrm{MU}}_i}{R_{ij}}\right)\\ .\\ .\\ .\\ P_j=U_{T_j}\left(\underset{k\≠i}{\underset{k\∈n_j}{\Σ}}{I}_{kj}+\frac{{\mathrm{MU}}_i-U_j}{R_{ij}}\right)\\ .\\ .\\ .\\ P_{N-1}=U_{T(N-1)}\underset{k\∈n_{\left(N-1\right)}}{\Σ}{I}_{k\left(N-1\right)}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中n_i(i＝1,2,…N-1)表示与节点i相连的节点集合，I_ij是支路L_ij由节点i流向节点j的电流值。由式(2)、(4)得到公式：

$\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{T1}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{Ti}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{T\left(N-1\right)}}\\ .& & .& & .\\ .& \mathrm{...}& .& \mathrm{...}& .\\ .& & .& & .\\ \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{T1}}& & \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{Ti}}& & \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{T\left(N-1\right)}}\\ .& & .& & .\\ .& \mathrm{...}& .& \mathrm{...}& .\\ .& & .& & .\\ \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂U_{T1}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂U_{Ti}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂U_{T\left(N-1\right)}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\∂U_{T1}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂U_{Ti}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂U_{T\left(N-1\right)}}{\∂M}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\∂P_{T1}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂P_{Ti}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂M}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ .\\ .\\ .\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

由上式求得之后结合式(1)和(3)得到支路电流对直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度

2)将多端柔性直流电网中各支路按安全裕度从小到大排序，确定各支路控制重要性；

3)将确保多端柔性直流电网中各支路运行于载流限值内和直流电网线路有功损耗最小为目标，对比得到多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置。

本发明是一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法，通过求解直流潮流控制器(DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度；将多端柔性直流电网中各支路按安全裕度从小到大排序，确定各支路控制重要性；将确保多端柔性直流电网中各支路运行于载流限值内和直流电网线路有功损耗最小为目标，对比得到多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置。具有科学合理，适用效果佳，安装位置准确等优点。

附图说明

图1是四节点五条支路的算例系统图；

图2是算例系统直流潮流控制器(DCPFC)安装于不同支路线路损耗随M变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法作进一步说明。

本发明的一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法，包括以下步骤：

1)求解直流潮流控制器(DCPowerFlowController,DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度；

含有N个节点(1,2,…i…j…p…q…N)，b条支路的系统，其中节点N运行于定直流电压运行模式，其余节点运行于定有功功率运行模式，设直流潮流控制器(DCPFC)安装于支路L_ij靠近节点i的位置，各支路电流的表达式如式(1)，只有安装直流潮流控制器(DCPFC)的支路L_ij的电流引入了等效理想变压器变比M，其余支路电流公式均与安装直流潮流控制器(DCPFC)前一致，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{12}=\frac{U_{T1}-U_{T2}}{R_{L12}}\\ .\\ .\\ .\\ I_{ij}=\frac{{\mathrm{MU}}_{Ti}-U_{Tj}}{R_{Lij}}\\ I_{pq}=\frac{U_{Tp}-U_{Tq}}{R_{Lpq}}\\ .\\ .\\ .\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于定有功功率运行模式的换流站节点i(i＝1,2,…N-1)，其有功功率对于直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度为0，即：

$\frac{\∂P_{T1}}{\∂M}=...=\frac{\∂P_{Ti}}{\∂M}=...=\frac{\∂P_{T(N-1)}}{\∂M}=0---\left(2\right)$

而定直流电压换流站N的电压对于直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度为0，即：

$\frac{\∂U_{TN}}{\∂M}=0---\left(3\right)$

定有功功率运行模式的换流站有功功率公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=U_{T1}\underset{k\∈n_1}{\Σ}{I}_{k1}\\ .\\ .\\ .\\ P_i=U_{Ti}\left(\underset{k\≠j}{\underset{k\∈n_i}{\Σ}}{I}_{ki}+\frac{U_j-{\mathrm{MU}}_i}{R_{ij}}\right)\\ .\\ .\\ .\\ P_j=U_{T_j}\left(\underset{k\≠i}{\underset{k\∈n_j}{\Σ}}{I}_{kj}+\frac{{\mathrm{MU}}_i-U_j}{R_{ij}}\right)\\ .\\ .\\ .\\ P_{N-1}=U_{T(N-1)}\underset{k\∈n_{\left(N-1\right)}}{\Σ}{I}_{k\left(N-1\right)}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中n_i(i＝1,2,…N-1)表示与节点i相连的节点集合，I_ij是支路L_ij由节点i流向节点j的电流值。由式(2)、(4)得到公式：

$\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{T1}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{Ti}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{T\left(N-1\right)}}\\ .& & .& & .\\ .& \mathrm{...}& .& \mathrm{...}& .\\ .& & .& & .\\ \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{T1}}& & \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{Ti}}& & \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{T\left(N-1\right)}}\\ .& & .& & .\\ .& \mathrm{...}& .& \mathrm{...}& .\\ .& & .& & .\\ \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂U_{T1}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂U_{Ti}}& \mathrm{...}& \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂U_{T\left(N-1\right)}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\∂U_{T1}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂U_{Ti}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂U_{T\left(N-1\right)}}{\∂M}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\∂P_{T1}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂P_{Ti}}{\∂M}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂P_{T\left(N-1\right)}}{\∂M}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ .\\ .\\ .\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

由上式求得之后结合式(1)和(3)得到支路电流对直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度

2)将多端柔性直流电网中各支路按安全裕度从小到大排序，确定各支路控制重要性；

3)将确保多端柔性直流电网中各支路运行于载流限值内和直流电网线路有功损耗最小为目标，对比得到多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置。

具体实施例：

如图1所示，为四端五支路直流算例系统，节点4运行于定直流电压运行模式，维持直流系统电压稳定，其余节点运行于定有功功率运行模式；求解直流潮流控制器(DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度；系统参数见表1，直流潮流控制器(DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度见表2，灵敏度数值的大小代表控制参数M增大“1”时支路电流的改变量(单位为kA)；灵敏度的符号代表支路电流随控制参数M的变化趋势。

表1系统参数

Tab.1Systemparameters

表2正常运行时直流潮流控制器(DCPFC)不同配置位置电流灵敏度

Tab.2CurrentsensitivityinnormaloperationwithdifferentlocationofDCPFC

将多端柔性直流电网中各支路按安全裕度从小到大排序，确定各支路控制重要性；系统正常运行时各换流站节点电压、支路电流(首端指向末端)、各支路载流利用率及安全裕度见表3。其中支路L₂₃的载流利用率最高为90.9％，安全裕度仅为9.1％，很有可能出现过载被切除运行而危及直流系统乃至交流系统的安全运行。安全裕度从小到大分别为L₂₃、L₁₂、L₂₄、L₃₄、L₁₄，首要控制支路L₂₃不过载。

表3系统正常运行潮流分布

Tab.3PFresultsinnormalcondition

将确保多端柔性直流电网中各支路运行于载流限值内和直流电网线路有功损耗最小为目标，对比得到多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置。

在保证直流系统中各支路运行在载流限值以内的前提下对参数M进行调整，选择M调整最小的支路作为直流潮流控制器(DCPFC)安装支路时安装支路选择为支路L₂₃或L₃₄；当考虑直流系统的线路损耗时，DCPFC安装于不同支路直流系统线损随着参数M的变化趋势图见图2。当直流潮流控制器(DCPFC)分别安装于不同支路时直流系统的线路损耗随参数M的变化曲线。可见，当直流潮流控制器(DCPFC)未参与调节(M＝1)时直流系统的线路损耗最小，无论参数M增大或减小都会导致系统线损增大。

由于支路L₁₂和L₁₄、支路L₂₃和L₃₄的电流灵敏度及线路损耗曲线相同，所以仅选择支路L₁₂和L₃₄两条支路进行对比。以将支路L₂₃的载流利用率降为80％为例，分别讨论直流潮流控制器(DCPFC)安装在支路L₁₂和L₃₄时的参数M调整情况和线路损耗。调整前后支路潮流分布情况分别见表4和表5。

表4直流潮流控制器(DCPFC)安装于L₁₂时调整L23利用率为80％

Tab.4AdjustutilizationrateofL23to80％whenDCPFCinL₁₂

表5直流潮流控制器(DCPFC)安装于L34时调整L23利用率为80％

Tab.5AdjustutilizationrateofL23to80％whenDCPFCinL34

可见直流潮流控制器(DCPFC)安装于支路L₁₂或L₃₄都可以通过参数调整，按需求输出辅助电压，从而达到调整支路电流的目的。安装于支路L₁₂时，参数M的调整量为-0.00364，辅助电压为837.2V，调整后直流系统的线路损耗为0.4928MW；安装于支路L₃₄时，参数M的调整量为-0.000336，辅助电压为77.3V，调整后直流系统的线路损耗为0.3054MW。结合表3，DCPFC安装于支路L₂₃和L₃₄时的电流灵敏度数值大小为安装于支路L₁₂和L₁₄时的10.85倍，DCPFC输出辅助电压值相差十多倍。对比表4和表5，较之安装于支路L₁₂，安装于支路L₃₄时DCPFC以更小的输出电压获得了更好的调节效果，并且在调节之后的线路损耗更小。所以支路L₂₃和L₃₄更适合选作DCPFC的安装支路。

Claims (1)

1.一种用于多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置的确定方法，其特征在于,它包括以下步骤：

1)求解直流潮流控制器(DCPowerFlowController,DCPFC)安装于多端柔性直流电网中不同支路时各支路的电流灵敏度；

含有N个节点(1,2,…i…j…p…q…N)，b条支路的系统，其中节点N运行于定直流电压运行模式，其余节点运行于定有功功率运行模式，设直流潮流控制器(DCPFC)安装于支路L_ij靠近节点i的位置，各支路电流的表达式如式(1)，只有安装直流潮流控制器(DCPFC)的支路L_ij的电流引入了等效理想变压器变比M，其余支路电流公式均与安装直流潮流控制器(DCPFC)前一致，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{12}=\frac{U_{T1}-U_{T2}}{R_{L12}}\\ \·\\ \·\\ \·\\ I_{ij}=\frac{{\mathrm{MU}}_{Ti}-U_{Tj}}{R_{Lij}}\\ I_{pq}=\frac{U_{Tp}-U_{Tq}}{R_{Lpq}}\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于定有功功率运行模式的换流站节点i(i＝1,2,…N-1)，其有功功率对于直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度为0，即：

$\frac{\∂P_{T1}}{\∂M}=...=\frac{\∂P_{Ti}}{\∂M}=...=\frac{\∂P_{T(N-1)}}{\∂M}=0---\left(2\right)$

而定直流电压换流站N的电压对于直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度为0，即：

$\frac{\∂U_{TN}}{\∂M}=0---\left(3\right)$

定有功功率运行模式的换流站有功功率公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=U_{T1}\underset{k\∈n_1}{\mathrm{\Σ}}{I}_{k1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_i=U_{Ti}(\underset{\underset{k\≠j}{k\∈n_i}}{\mathrm{\Σ}}{I}_{ki}+\frac{U_j-{\mathrm{MU}}_i}{R_{ij}})\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_j=U_{Tj}(\underset{\underset{k\≠i}{k\∈n_j}}{\mathrm{\Σ}}{I}_{kj}+\frac{{\mathrm{MU}}_i-U_j}{R_{ij}})\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{N-1}=U_{T(N-1)}\underset{k\∈n_{(N-1)}}{\mathrm{\Σ}}{I}_{k(N-1)}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中n_i(i＝1,2,…N-1)表示与节点i相连的节点集合，I_ij是支路L_ij由节点i流向节点j的电流值。由式(2)、(4)得到公式：

$\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{T1}}& ...& \frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{Ti}}& ...& \frac{\∂P_{T1}}{\∂U_{T(N-1)}}\\ \·& & \·& & \·\\ \·& ...& \·& ...& \·\\ \·& & \·& & \·\\ \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{T1}}& ...& \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{Ti}}& ...& \frac{\∂P_{Ti}}{\∂U_{T(N-1)}}\\ \·& & \·& & \·\\ \·& ...& \·& ...& \·\\ \·& & \·& & \·\\ \frac{\∂P_{T(N-1)}}{\∂U_{T1}}& ...& \frac{\∂P_{T(N-1)}}{\∂U_{Ti}}& ...& \frac{\∂P_{T(N-1)}}{\∂U_{T(N-1)}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\∂U_{T1}}{\∂M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂U_{Ti}}{\∂M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂U_{T(N-1)}}{\∂M}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\∂P_{T1}}{\∂M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂P_{Ti}}{\∂M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂P_{T(N-1)}}{\∂M}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ \·\\ \·\\ \·\\ 0\\ \·\\ \·\\ \·\\ 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

由上式求得之后结合式(1)和(3)得到支路电流对直流潮流控制器(DCPFC)等效理想变压器变比M的灵敏度

2)将多端柔性直流电网中各支路按安全裕度从小到大排序，确定各支路控制重要性；

3)将确保多端柔性直流电网中各支路运行于载流限值内和直流电网线路有功损耗最小为目标，对比得到多端柔性直流电网中直流潮流控制器安装位置。