CN105762808A - 一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法，具体包括以下步骤：步骤S1：定时从EMS系统获取电网实时运行信息以及柔直系统的运行信息；步骤S2：根据获取的电网运行方式，调整柔直系统有功，根据N?1原则进行含柔直系统的电网静态安全分析，求取满足交流系统以及柔直系统安全性约束条件的柔直系统有功功率区间；步骤S3：根据柔直系统不同档位下的PQ功率圆、换流变档位以及调制比约束条件，以及柔直系统有功功率的优化区间，得到柔直系统无功功率优化区间；步骤S4：通过EMS系统与柔直系统功率交换接口将最优有功和无功值下达给柔直系统，实现对柔直功率现场控制。本发明可提高电网运行经济性和安全性。

Description

一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别是涉及一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术可独立控制有功和无功功率，具有可控性好、运行方式灵活的特点，使其在城市电网互联、新能源并网以及无源负荷供电等领域有着极其广泛的应用前景。电网潮流优化控制是电力系统以满足各种安全性约束的条件，使总的运行费用最少的优化控制方法，其目的在于综合电网运行的安全性和经济性。将柔性直流输电技术应用于电网潮流优化控制，可为电网调度运行提供灵活、高效的控制手段。

目前国内投运有上海南汇、广东南澳、浙江舟山和福建厦门四个柔性直流输电工程。除福建厦门柔性直流输电工程采用真双极接线、并应用于省级电网外，其余柔性直流输电工程均采用伪双极接线，主要应用于新能源送出或者城市配网等。目前尚无基于真双极接线柔性直流输电技术的省级电网潮流在线优化控制方法的相关报道。

采用伪双极接线柔直输电系统的运行特性与采用真双极接线的柔直输电特性有着本质区别。伪双极接线的柔直系统一极停运时，直流系统无法再输送功率。真双极系统接线如图1所示。其中：两侧换流站之间由两回直流线和一回回流线形成回路，当一极停运时，另一回直流线同回流线形成回路，可继续输送50％的额定功率。

2015年12月建成投运的福建厦门柔性直流输电工程直流额定电压±320kV，输送容量1000MVA，是世界上首个采用真双极接线的柔性直流工程，电压等级和输送容量均达到国际之最。目前厦门柔性直流输电系统已并入福建省高压主干网络。研究一种基于真双极柔性直流输电技术的省级电网潮流在线优化控制方法具有很大的工程意义和实用价值。

本方法依托福建厦门柔性直流输电工程，为在省级电网运行控制中为充分发挥柔直技术优点，需要解决的技术问题有：柔性直流输电系统与交流电网形成环网运行。由于环网中不同输电通道潮流具有非同向性特点，调节柔直系统有功功率在减轻某些通道负载的同时，势必会加重其他通道负载，需要从均衡全网负载的角度对柔直系统有功功率进行优化控制；利用柔直系统无功控制能力有利于电网电压控制和降低网损，但柔直系统无功调节能力受有功功率、换流变档位、调制比等因素制约。因此，需根据柔性直流输电工程运行特点，以及柔性直流输电通道与电网中其他输电通道潮流相互耦合关系，实现可兼顾降低电网总体损耗和均衡主要通道负载率的综合优化目标。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法，用以提高电网运行经济性和安全性。

本发明采用以下方案实现：一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：定时从EMS系统获取电网实时运行信息以及柔直系统的运行信息，所述电网实时运行信息主要包括接线方式、节点负荷以及机组出力等，所述柔直系统的运行信息主要包括控制模式、换流变档位以及设备状态；

步骤S2：根据获取的电网运行方式，调整柔直系统有功，根据N-1原则进行含柔直系统的电网静态安全分析，求取满足交流系统以及柔直系统安全性约束条件的柔直系统有功功率区间；

步骤S3：根据柔直系统不同档位下的PQ功率圆、换流变档位以及调制比约束条件，以及柔直系统有功功率的优化区间，得到柔直系统无功功率优化区间；

步骤S4：在柔直系统有功、无功优化区间内，求取满足节点电压裕度及系统总体损耗最小的柔直有功功率和无功功率的最优值；通过EMS系统与柔直系统功率交换接口将最优有功和无功值下达给柔直系统，实现对柔直功率现场控制。

进一步地，所述步骤S2中，交流系统中每个节点应满足功率平衡约束：

$P_{Gi}-P_{Di}-P_{Si}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})=0$

$Q_{Gi}-Q_{Di}-Q_{Si}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})=0$

各个节点的电压满足控制要求：

${\underset{\‾}{U}}_i\≤U_i\≤{\stackrel{\‾}{U}}_i$

各个断面的潮流不超过断面限额：

$D_k\≤{\stackrel{\‾}{D}}_k$

各条线路的潮流不超过其长期允许载流量：

$-{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}\≤P_{ij}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}$

其中，i、j属于环网中各母线节点集合；k属于电网各个控制断面集合；上标^-和下标_-分别表示上下限；

柔性直流输电系统主要变量有：

$S=\sqrt{P_S^2+Q_S^2}$

$\mathrm{\φ}=\left|arcsin\left(\frac{Q_S}{S}\right)\right|$

T_tap∈[-8,-7,…,+8]

其中S为换流变传输视在功率，P_s和Q_s为有功和无功，流入柔直系统为正，φ为功率因数角，I_L为Boost电感电流，U_L为Boost电感两端电压，L为Boost电感，σ为移相角度，m为调制比；T_tap为换流变的档位；

柔性直流输电系统主要约束条件有：

${\underset{\‾}{P}}_S\≤P_S\≤{\stackrel{\‾}{P}}_S$

$\underset{\‾}{Q_S}\≤Q_S\≤\stackrel{\‾}{Q_S}$

$\underset{\‾}{S}\≤S\≤\stackrel{\‾}{S}$

${\underset{\‾}{I}}_L\≤I_L\≤{\stackrel{\‾}{I}}_L$

$\underset{\‾}{m}\≤m\≤\stackrel{\‾}{m}$

$\underset{\‾}{\mathrm{\δ}}\≤\mathrm{\δ}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}$

进一步地，对于真双极模式的柔直系统N-1分析需考虑工程的运行特性：正常方式下柔直系统可根据电网需求、设备检修情况灵活选用双极带金属回线单端接地运行(双极功率控制模式)、单极带金属回线单端接地运行(单极功率控制模式)。其中双极功率控制模式下柔直系统发生单极闭锁(相当于N-1)，系统通过极间功率转带功能仍可输送原功率。采用单极功率控制模式若发生单极闭锁，则柔直系统所带功率全部转移至其他通道。

由于环网中各通道潮流的非同向性，调节柔直系统有功功率在减轻部分通道负载的同时，势必会加重其他通道负载，因此该步骤得到柔直系统有功功率的优化区间。

进一步地，所述步骤S3中，

不同档位下的PQ功率圆求取方法如下：

假设换流变阀侧电压Us，换流器出口电压Uc相位滞后Us角度为δ,则：

$P_S=\frac{U_S{U}_C}{X}sin\mathrm{\δ}$

$Q_S=\frac{U_S(U_S-U_C\cos \mathrm{\δ})}{X}$

其中，Uc正比于PWM的调制度m，Us受换流变档位影响，则柔直系统的PQ功率圆受换流变档位T_tap、调制比m综合制约。

目前国内投运有上海南汇、广东南澳、浙江舟山和福建厦门四个柔性直流输电工程。除福建厦门柔性直流输电工程采用真双极接线、并应用于省级电网外，其余柔性直流输电工程均采用伪双极接线，主要应用于新能源送出或者城市配网等。采用伪双极接线柔直输电系统的运行特性与采用真双极接线的柔直输电特性有着较大区别，辐射型网络的潮流控制方法也不适用于环网潮流控制。本申请提案基于福建厦门柔性直流输电工程，首次提出基于真双极接线柔性直流输电技术的省级电网潮流在线优化控制方法。

附图说明

图1为现有技术真双极系统接线示意图。

图2是本发明的方法流程示意图。

图3是本发明采用档位-8时柔性直流输电系统PQ工作圆图。

图4是本发明采用档位0时柔性直流输电系统PQ工作圆图。

图5是本发明采用档位8时柔性直流输电系统PQ工作圆图。

图6是本发明一实施例中含柔直系统的示例电网接线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法，如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤S1：定时从EMS系统获取电网实时运行信息以及柔直系统的运行信息，所述电网实时运行信息主要包括接线方式、节点负荷以及机组出力等，所述柔直系统的运行信息主要包括控制模式、换流变档位以及设备状态；

步骤S2：根据获取的电网运行方式，调整柔直系统有功，根据N-1原则进行含柔直系统的电网静态安全分析，求取满足交流系统以及柔直系统安全性约束条件的柔直系统有功功率区间；

步骤S3：根据柔直系统不同档位下的PQ功率圆、换流变档位以及调制比约束条件，以及柔直系统有功功率的优化区间，得到柔直系统无功功率优化区间；

步骤S4：在柔直系统有功、无功优化区间内，求取满足节点电压裕度及系统总体损耗最小的柔直有功功率和无功功率的最优值；通过EMS系统与柔直系统功率交换接口将最优有功和无功值下达给柔直系统，实现对柔直功率现场控制。

在本实施例中，所述步骤S2中，交流系统中每个节点应满足功率平衡约束：

$P_{Gi}-P_{Di}-P_{Si}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})=0$

$Q_{Gi}-Q_{Di}-Q_{Si}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})=0$

各个节点的电压满足控制要求：

${\underset{\‾}{U}}_i\≤U_i\≤{\stackrel{\‾}{U}}_i$

各个断面的潮流不超过断面限额：

$D_k\≤{\stackrel{\‾}{D}}_k$

各条线路的潮流不超过其长期允许载流量：

$-{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}\≤P_{ij}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}$

其中，i、j属于环网中各母线节点集合；k属于电网各个控制断面集合；上标^-和下标_-分别表示上下限；

柔性直流输电系统主要变量有：

$S=\sqrt{P_S^2+Q_S^2}$

$\mathrm{\φ}=\left|arcsin\left(\frac{Q_S}{S}\right)\right|$

$I_L=\frac{S}{6U_S}$

U_L＝I_LωL

T_tap∈[-8,-7,…,+8]

其中S为换流变传输视在功率，P_s和Q_s为有功和无功，流入柔直系统为正，φ为功率因数角，I_L为Boost电感电流，U_L为Boost电感两端电压，L为Boost电感，σ为移相角度，m为调制比；T_tap为换流变的档位；

柔性直流输电系统主要约束条件有：

${\underset{\‾}{P}}_S\≤P_S\≤{\stackrel{\‾}{P}}_S$

$\underset{\‾}{Q_S}\≤Q_S\≤\stackrel{\‾}{Q_S}$

$\underset{\‾}{S}\≤S\≤\stackrel{\‾}{S}$

${\underset{\‾}{I}}_L\≤I_L\≤{\stackrel{\‾}{I}}_L$

$\underset{\‾}{m}\≤m\≤\stackrel{\‾}{m}$

$\underset{\‾}{\mathrm{\δ}}\≤\mathrm{\δ}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}.$

在本实施例中，对于真双极模式的柔直系统N-1分析需考虑工程的运行特性：由于正常方式下柔直系统可根据电网需求、设备检修情况灵活选用双极带金属回线单端接地运行(双极功率控制模式)、单极带金属回线单端接地运行(单极功率控制模式)。其中双极功率控制模式下柔直系统发生单极闭锁(相当于N-1)，系统通过极间功率转带功能仍可输送原功率。采用单极功率控制模式若发生单极闭锁，则柔直系统所带功率全部转移至其他通道。

由于环网中各通道潮流的非同向性，调节柔直系统有功功率在减轻部分通道负载的同时，势必会加重其他通道负载，因此该步骤得到柔直系统有功功率的优化区间。

在本实施例中，所述步骤S3中，

不同档位下的PQ功率圆求取方法如下：

假设换流变阀侧电压Us，换流器出口电压Uc相位滞后Us角度为δ,则：

$P_S=\frac{U_S{U}_C}{X}sin\mathrm{\δ}$

$Q_S=\frac{U_S(U_S-U_C\cos \mathrm{\δ})}{X}$

其中，Uc正比于PWM的调制度M，Us受换流变档位影响，则柔直系统的PQ功率圆受换流变档位Ttap、调制比M综合制约。

在本实施例中，以厦门柔直系统为例，其调制度M范围0.75～0.95，换流变档位范围-8～8。在换流变档位Ttap为-8、0和+8时，VSC-HVDC系统的极限运行PQ工作圆图如图3、图4和图5所示。-8至+8各档位PQ工作圆的叠加形成了最终的VSC-HVDC系统工作范围。

本实施例首次将柔性直流输电技术应用于省级电网的EMS系统在线潮流控制。除厦门柔直工程外，国内已投运的柔直输电工程受电压等级、输送容量约束，主要应用于新能源送出或者城市配网等辐射型网络。辐射型网络的潮流流向具有点对点、单向性特征，辐射型网络中柔直功率控制只需考虑单向通道的安全性约束；本申请提案基于厦门柔性直流输电工程，首次将柔性直流输电技术应用于省级电网的EMS系统在线潮流控制。省级电网以环网为主要特征，环网中不同输电通道潮流具有非同向性特点，调节柔直系统有功功率在减轻某些通道负载的同时，势必会加重其他通道负载，需要从均衡全网负载的角度对柔直系统有功功率进行优化控制。

同时，本实施例基于国内首例采用真双极接线的厦门柔性直流工程，其运行特性与采用伪双极接线柔直输电系统有着本质区别。伪双极接线的柔直系统一极停运时，直流系统无法再输送功率。真双极系统当一极停运时，另一回直流线同回流线形成回路，可继续输送50％的额定功率。采用不同接线方式的柔直系统具有不同的运行特性，需要制定针对性的控制策略。

在本实施例中，根据以上方法对通过EMS系统获取的含柔直系统进行优化控制，具体步骤如下：

步骤一：通过EMS系统获取的含柔直系统的示例电网接线图如图6所示，节点1、2、3是500kV变电站的220kV母线，是电网的三个电源点。柔直输电工程位于节点15、16之间，运行于双极控制模式，换流变档位在额定档(0档)。柔直系统有功功率控制策略为：整流侧采用定功率模式，逆变侧采用定直流电压模式；无功功率控制策略为：整流侧和逆变侧都采取无功功率控制模式。

步骤二：断面1、2是电网的薄弱环节。调整柔直有功功率对断面1、2有相反的效果，即加大柔直有功功率，会缓解断面2负载，却会加重断面1负载。在该方式下，柔直系统输送188MW时断面2达到限额，加大柔直系统输送功率至527MW时断面1达到限额，因此为均衡两个断面负载，需控制柔直有功功率区间为[188MW,527MW]。

断面3由柔直线路和一回交流线路构成，在该方式下柔直系统输送功率超过402MW时，断面3出现交直流线路环流现象，因此需控制柔直有功功率在[0,402MW]区间来避免交直流线路出现环流。

综合均衡通道负载、避免交直流环流两个条件得出柔直系统有功功率范围为[188MW,402MW]。

步骤三：根据柔直功率圆图、柔直换流变档位和调制比约束，得到有功功率区间对应的无功功率范围为[-250Mvar,250Mvar]。

步骤四：根据系统总体损耗最小，并满足节点电压裕度要求，得到柔直系统有功功率和无功功率的最优值分别为P＝201MVA，Q1＝15Mvar，Q2＝13Mvar。Q1为整流侧无功功率，Q2为逆变侧无功功率。

在得到柔直系统有功功率和无功功率的最优值，通过EMS系统与柔直系统功率交换接口将最优有功和无功值下达给柔直系统，实现对柔直功率现场控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤S1：定时从EMS系统获取电网实时运行信息以及柔直系统的运行信息，所述电网实时运行信息主要包括接线方式、节点负荷以及机组出力等，所述柔直系统的运行信息主要包括控制模式、换流变档位以及设备状态；

步骤S2：根据获取的电网运行方式，调整柔直系统有功，根据N-1原则进行含柔直系统的电网静态安全分析，求取满足交流系统以及柔直系统安全性约束条件的柔直系统有功功率区间；

步骤S3：根据柔直系统不同档位下的PQ功率圆、换流变档位以及调制比约束条件，以及柔直系统有功功率的优化区间，得到柔直系统无功功率优化区间；

步骤S4：在柔直系统有功、无功优化区间内，求取满足节点电压裕度及系统总体损耗最小的柔直有功功率和无功功率的最优值；通过EMS系统与柔直系统功率交换接口将最优有功和无功值下达给柔直系统，实现对柔直功率现场控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，交流系统中每个节点应满足功率平衡约束：

$P_{Gi}-P_{Di}-P_{Si}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})=0$

$Q_{Gi}-Q_{Di}-Q_{Si}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})=0$

各个节点的电压满足控制要求：

${\underset{\‾}{U}}_i\≤U_i\≤{\stackrel{\‾}{U}}_i$

各个断面的潮流不超过断面限额：

$D_k\≤{\stackrel{\‾}{D}}_k$

各条线路的潮流不超过其长期允许载流量：

$-{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}\≤P_{ij}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{ij}$

其中，i、j属于环网中各母线节点集合；k属于电网各个控制断面集合；上标^-和下标_-分别表示上下限；

柔性直流输电系统主要变量有：

$S=\sqrt{P_S^2+Q_S^2}$

$\mathrm{\φ}=\left|arcsin\left(\frac{Q_S}{S}\right)\right|$

$I_L=\frac{S}{6U_S}$

U_L＝I_LωL

T_tap∈[-8,-7,…,+8]

其中S为换流变传输视在功率，P_s和Q_s为有功和无功，流入柔直系统为正，φ为功率因数角，I_L为Boost电感电流，U_L为Boost电感两端电压，L为Boost电感，δ为移相角度，m为调制比；T_tap为换流变的档位；

柔性直流输电系统主要约束条件有：

${\underset{\‾}{P}}_S\≤P_S\≤{\stackrel{\‾}{P}}_S$

$\underset{\‾}{Q_S}\≤Q_S\≤\stackrel{\‾}{Q_S}$

$\underset{\‾}{S}\≤S\≤\stackrel{\‾}{S}$

${\underset{\‾}{I}}_L\≤I_L\≤{\stackrel{\‾}{I}}_L$

$\underset{\‾}{m}\≤m\≤\stackrel{\‾}{m}$

$\underset{\‾}{\mathrm{\δ}}\≤\mathrm{\δ}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}.$

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性直流输电技术的电网潮流在线优化控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，

不同档位下的PQ功率圆求取方法如下：

假设换流变阀侧电压Us，换流器出口电压Uc相位滞后Us角度为δ,则：

$P_S=\frac{U_S{U}_C}{X}sin\mathrm{\δ}$

$Q_S=\frac{U_S(U_S-U_C\cos \mathrm{\δ})}{X}$

其中，Uc正比于PWM的调制度m，Us受换流变档位T_tap影响，则柔直系统的PQ功率圆受换流变档位T_tap、调制比m综合制约。