CN105896517B - 一种直流电网的电压下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电网的电压下垂控制方法，包括：从直流电网的网架结构入手，明确直流电网中换流站电压与电流的关系，并变换直流电网拓扑，将任意结构的直流电网变成只有辐射状连接的拓扑结构；对直流电网的潮流分布进行分析，计算系统电压发生波动时各支路的功率变化；根据系统功率的变化构造换流站电压下垂函数，使系统电压发生波动时各支路的功率维持不变，从而达到减小系统电压波动的效果。本发明提供的技术方案能够快速稳定系统电压，合理分布系统潮流，减小系统的绝缘要求。

Description

一种直流电网的电压下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流输电系统的控制方法，具体讲涉及一种直流电网的电压下垂控制方法。

背景技术

基于柔性直流输电技术发展起来的直流电网是由大量换流站相互联结组成的能量传输系统，国际大电网会议(CIGRE)工作组B4.52的技术报告对直流电网所做的定义是：直流电网是由多个网状和辐射状联接的变换器组成的直流网络，即其特点是含有网孔和冗余。

由于输电灵活，可靠性强，直流电网技术在大规模分布式可再生能源接入、海洋群岛供电、海上风电场群集中送出、新型城市电网构建等方面，被认为是最有效的技术方案，已成为国际电力领域研究的热点。

直流电网规划时其安全运行要求至少应满足N-1法则，即当任一换流站由于故障或检修退出运行瞬间，剩余换流站可以自动调整功率缺额，保证站间功率交换平衡，维持直流电压稳定，同时过渡暂态过程中产生的过电压不会超过设备的绝缘裕度；另一方面，直流电网稳定运行的重要前提是控制系统能够有效地控制系统的直流电压在系统允许的运行区间内。若直流电压过高，则系统中主设备的绝缘裕度会降低，主设备可能受到损害；反之若直流电压过低，则直流电流增大，系统损耗将增加。

由此可知，直流电网中各换流站的直流电压不仅可以控制整个网络的潮流流向还能反映整个系统的稳定程度，具有举足轻重的地位。因此，直流电网的控制主要在于直流电压的控制。

目前，可用于直流电网的电压控制方法有主从控制、直流电压偏差控制和电压下垂控制三种，其中电压下垂控制方法由于控制效果好，扩展性好，可靠性好，且不需站间通信等特点，受到了越来越多学者的青睐，因此目前的换流站电压控制大多使用电压下垂控制方法。

直流系统的电压下垂控制来源于交流系统的频率下垂控制，其主要方法是构造换流站电压下垂函数，通过函数中出口电压与其修正功率的下垂关系改善系统潮流的分布，达到稳定系统电压的效果。

因此，换流站电压下垂控制的关键在于下垂函数的构造，Haileselassie TM指出此函数与系统结构与支路电阻有关；JefBeerten给出了某一状态下函数与电阻的计算关系；KalidYunus通过网络状态的实时跟踪，提出该函数的实时修正方法。然而上述方法均未给出下垂函数的表达形式。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种直流电网的电压下垂控制方法，用于解决现有技术中未给出下垂函数的表达形式的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种直流电网的电压下垂控制方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

变换直流电网拓扑：将任意结构的直流网络变换为仅含辐射状连接的直流电网拓扑；

根据直流输电系统电压发生波动时支路的功率变化构造电压下垂函数。

进一步地，所述变换直流电网拓扑包括：

1)根据直流电网参数写出直流输电系统导纳矩阵Y和关系矩阵A；

2)确定换流站电压与电流的关系：

对于n个换流站组成的直流电网，换流站电压与支路电流的关系如下：

I_l＝YAU (1)；

其中：I_l为直流电网支路电流矩阵；Y为直流电网导纳矩阵；A为直流电网关系矩阵；U为换流站电压矩阵；其中n为自然数

换流站电流与支路电流关系如下：I＝A^TI_l (2)；

其中：I为换流站电流矩阵；

结合式(1)和式(2)得换流站电压与电流的关系：

I＝A^TI_l＝A^T(YAU)＝(A^TYA)U (3)；

3)对矩阵A^TYA进行对角变换：

A^TYA为方阵，则存在对角矩阵Λ与方阵η，使：A^TYA＝η^-1Λη (4)；

4)重新定义换流站电压与电流的关系，进行如下坐标变换：

将式(4)代入式(3)，得：I＝(η^-1Λη)U (5)；

令I^*＝ηI，U^*＝ηU，有：I^*＝ΛU^* (6)；

通过直流网络拓扑变换，任意直流电网中换流站电压与电流的关系均用线性等式进行描述；各换流站电压和电流均为n维空间向量，且每个维度对应电网中的一个换流站。

进一步地，所述任意直流电网包括通过串并联方式连接的n个换流站；所述仅含辐射状连接的直流电网包括n条并联的支路，每条支路的一端连接至直流电网公共母线，另一端通过支路电阻连接换流站，其中n为自然数。

进一步地，所述构造电压下垂函数包括：

①确定支路吸收功率：

每条支路从公共母线吸收的功率分别用于提供给与之相连的换流站功率和用于支路电阻的损耗，即支路i吸收的总功率表示为

由换流站功率和支路电阻的损耗的定义得支路的吸收功率为：

其中：λ_i为Λ中第i个元素；ξ_ij为方阵η中第i行，第j列中的元素；P_i ^*和分别表示直流输电系统电压为U^*时换流站功率和支路电阻的损耗；U_j为换流站j的出口电压；

②确定直流输电系统电压波动时，支路的功率变化：

由式(7)知，当直流输电系统电压从U₀ ^*变为U^*时，支路的功率变化表示为：

其中：和分别表示直流输电系统电压为U₀ ^*时换流站功率和支路电阻的损耗；

③构造换流站电压下垂函数：

其中：U_j0为换流站的稳态电压；U_j为换流站的出口电压；∑λ_iξ_ij ²的大小为换流站j的下垂系数k；ΔP_j为换流站的功率修正值。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明实施例提供的直流电网的电压下垂控制方法，首先从直流电网的网架结构入手，明确直流电网中换流站电压与电流的关系，并据此对直流电网进行拓扑变换，将任意结构的直流电网变成只有辐射状连接的拓扑结构；然后在此基础上对直流电网的潮流分布进行分析，计算系统电压发生波动时各支路的功率变化；最后，根据系统功率的变化构造换流站电压下垂函数，使系统电压发生波动时各支路的功率维持不变，从而达到减小系统电压波动的效果。该函数物理意义明确，能够为将来直流电网的换流站电压下垂控制提供理论依据，能够快速稳定系统电压，合理分布系统潮流，减小系统的绝缘要求。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中直流电网的电压下垂控制方法的流程图；

图2是本发明实施例中直流电网拓扑变换方法的流程图；

图3是本发明实施例中电压下垂函数构造方法的流程图；

图4是本发明实施例中任意拓扑结构的直流电网拓扑结构图；

图5是本发明实施例中仅含辐射状连接的直流电网拓扑结构图；

图6是本发明实施例中换流站电压下垂函数方框图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

为了解决现有技术中未给出下垂函数的表达形式的问题，本发明实施例提供一种直流电网的电压下垂控制方法，该方法基于直流电网的拓扑变换，构造了换流站出口电压与修正功率的关系函数，该函数物理意义明确，能够为将来直流电网的换流站电压下垂控制提供理论依据，能够快速稳定系统电压，合理分布系统潮流，减小系统的绝缘要求。

实施例

本发明实施例提供一种直流电网的电压下垂控制方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：直流电网拓扑变换，其流程图如图2所示：

直流电网的基本结构有环网状连结和辐射状连结两种，环网状连接中的电流相互作用强，其控制保护相对复杂，而辐射状连接中的电流相对独立，有利于实现直流网络的功率平衡控制，因此拓扑变换的目的是将图4所示任意结构的直流网络变换为图5所示的仅含辐射状连结的简单拓扑。

1)根据电网参数写出系统导纳矩阵Y和关系矩阵A；

2)确定换流站电压与电流的关系：

对于n个换流站组成的直流电网，换流站电压与支路电流的关系如下：

I_l＝YAU (1)：

其中：I₁为电网支路电流矩阵；Y为电网导纳矩阵；A为电网关系矩阵；U为电压矩阵。

因为换流站电流与支路电流存在如下关系：I＝A^TI_l (2)；

其中：I为换流站电流矩阵。

结合式(1)和式(2)可得换流站电压与电流的关系：

I＝A^TI_l＝A^T(YAU)＝(A^TYA)U (3)；

3)对矩阵A^TYA进行对角变换

因为A^TYA为一方阵，则必然存在对角矩阵Λ与方阵η，使：

A^TYA＝η^-1Λη (4)：

4)重新定义换流站电压与电流，进行坐标变换：

将式(4)代入式(3)，得：I＝(η^-1Λη)U (5)；

令I^*＝ηI，U^*＝ηU，有：I^*＝ΛU^* (6)；

通过上述拓扑变换，任意直流电网中换流站电压与电流的关系均可用线性等式进行描述。根据式(6)可画出变换后直流电网的连结图，如图5所示。图中各换流站的电压和电流均为n维空间向量，且每个维度对应电网中的一个换流站。

步骤2：电压下垂函数构造，其流程图如图3所示：

①计算各支路吸收功率

由图4可知，每条支路从公共母线吸收的功率可分为两部分：一部分提供给与之相连的换流站，另一部分用于支路电阻的能量损耗，即支路i吸收的总功率可表示为P_i ^*+P_lossi ^*。

由换流站功率和电阻损耗的定义可得各支路的吸收功率为：

其中：λ_i为Λ中第i个元素；ξ_ij为η中第i行，第j列中的元素。

②计算系统电压波动时，各支路的功率变化

由式(7)可知，当系统电压从U₀ ^*变为U^*时，各支路的功率变化为：

③构造换流站电压下垂函数

根据上述分析，构造换流站电压下垂函数，其框图如图6所示，图中：U_j0为换流站的稳态电压；U_j为换流站的出口电压；k为换流站j的下垂系数，其大小为∑λ_iξ_ij ²；P为换流站的功率指令值；ΔP_j为换流站的功率修正值；P_m为换流站的功率测量值。

结合图6和式(7)可知，当电网电压U与其稳定电压U₀相同时，第j个换流站的功率指令值为P_j，功率修正值为0，因此其功率大小为指令值P_j，即图5中换流站吸收的j维功率为P_j，此时，用于电阻损耗的j维功率为∑λ_iξ_ij ²U_j0 ²，故公共母线输出的j维功率为P_j+∑λ_iξ_ij ²U_j0 ²；当直流电网的电压U与其稳定电压U₀不同时，第j个换流站的功率指令值为P_j，功率修正值为(∑λ_iξ_ij ²)(U_j0 ²-U_j ²)，因此其功率大小为P_j+(∑λ_iξ_ij ²)U_j0 ²-(∑λ_jξ_ij ²)U_j ²，即图5中换流站吸收的j维功率为P_j+(∑λ_iξ_ij ²)U_jo ²-(∑λ_iξ_ij ²)U_j ²，此时，用于电阻损耗的j维功率为∑λ_jξ_ij ²U_j ²，故公共母线输出的j维功率为P_j+(∑λ_iξ_ij ²)U_j0 ²。即电网电压变化时，图5中公共母线的输出功率不变。

除非另外具体陈述，术语比如处理、计算、运算、确定、显示等等可以指一个或更多个处理或者计算系统、或类似设备的动作和/或过程，所述动作和/或过程将表示为处理系统的寄存器或存储器内的物理(如电子)量的数据操作和转换成为类似地表示为处理系统的存储器、寄存器或者其他此类信息存储、发射或者显示设备内的物理量的其他数据。信息和信号可以使用多种不同的技术和方法中的任何一种来表示。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。

本发明公开的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于此应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下予以重新安排。所附的方法权利要求以示例性的给出了包括各步骤的要素具体实施方案，但这些具体实施方案并不限于所述的特定顺序或层次。

本发明的上述详细描述中，各种特征组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求包括更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员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 (1)

1.一种直流电网的电压下垂控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

变换直流电网拓扑：将任意结构的直流电网变换为仅含辐射状连接的直流电网拓扑；

根据直流电网电压发生波动时支路的功率变化构造电压下垂函数；

所述变换直流电网拓扑包括：

1)根据直流电网参数写出直流电网导纳矩阵Y和关系矩阵A；

2)确定换流站电压与电流的关系：

对于n个换流站组成的直流电网，换流站电压与支路电流的关系如下：

I_l＝YAU (1)；

其中：I_l为直流电网支路电流矩阵；Y为直流电网导纳矩阵；A为直流电网关系矩阵；U为换流站电压矩阵；其中n为自然数；

换流站电流与支路电流关系如下：

I＝A^TI_l (2)；

其中：I为换流站电流矩阵；

结合式(1)和式(2)得换流站电压与电流的关系：

I＝A^TI_l＝A^T(YAU)＝(A^TYA)U (3)；

3)对矩阵A^TYA进行对角变换：

A^TYA为方阵，则存在对角矩阵Λ与方阵η，使：

A^TYA＝η^-1Λη (4)；

4)重新定义换流站电压与电流的关系，进行如下坐标变换：

将式(4)代入式(3)，得：

I＝(η^-1Λη)U (5)；

令I^*＝ηI，U^*＝ηU，有：

I^*＝ΛU^* (6)；

通过直流电网拓扑变换，任意直流电网中换流站电压与电流的关系均用线性等式进行描述；各换流站电压和电流均为n维空间向量，且每个维度对应电网中的一个换流站；

任意直流电网包括通过串并联方式连接的n个换流站；所述仅含辐射状连接的直流电网包括n条并联的支路，每条支路的一端连接至直流电网公共母线，另一端通过支路电阻连接换流站；

所述构造电压下垂函数包括：

①确定支路吸收功率：

每条支路从公共母线吸收的功率分别用于提供给与之相连的换流站功率和用于支路电阻的损耗，即支路i吸收的总功率表示为

由换流站功率和支路电阻的损耗的定义得支路的吸收功率为：

其中：λ_i为Λ中第i个元素；ξ_ij为方阵η中第i行，第j列中的元素；和分别表示直流电网电压为U^*时换流站功率和支路电阻的损耗；U_j为换流站j的出口电压；Λ为对角矩阵，η为方阵；

②确定直流输电系统电压波动时，支路的功率变化：

由式(7)知，当直流电网电压从U₀ ^*变为U^*时，支路的功率变化表示为：

其中：和分别表示直流电网电压为U₀ ^*时换流站功率和支路电阻的损耗；

③构造换流站电压下垂函数：

其中：U_j0为换流站的稳态电压；U_j为换流站的出口电压；为换流站j的下垂系数k的大小；ΔP_j为换流站的功率修正值；U^*为直流电网波动电压，U₀ ^*为直流电网电压。