CN106849051A - 采用多端口直流控制器对直流电网中潮流控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用多端口直流控制器对直流电网中潮流控制的方法，属于柔性直流输电技术领域。本发明的目的是将多端口直流潮流控制器接入直流电网中，提出新的控制方法对直流电网进行控制的采用多端口直流控制器对直流电网中潮流控制的方法。本发明的步骤是：含有m端口的多端口直流潮流控制器连接到直流网络中，令直流电压V1可控，给多端口直流潮流控制器上对应于V1的m1端口一个调节其功率的指令，获得新增的直流电压Vm1和电流I1；用加装多端口直流潮流控制器之后节点的注入功率，减去加装多端口直流潮流控制器之前节点的注入功率，得到加装多端口直流潮流控制器后节点注入功率的修正量。本发明有效地解决了以上常规潮流计算方法存在的问题。

Description

采用多端口直流控制器对直流电网中潮流控制的方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域。

背景技术

和传统直流输电相比，柔性直流输电能够有效地解决新能源发电功率的波动性和随机性问题，柔性直流输电技术的发展经历了“双端”—“多端”—“直流电压”的发展历程，直流电网是当前国际公认的解决新能源发电并网问题的最佳方案。在直流电网中有N个换流站，有且仅有N-1条支路的换流站能通过换流站进行控制，其余支路均不可控。潮流分布的不合理将引发线路过载，导致直流电网低效率运行或者带来严重的安全隐患。

根据以上分析，直流潮流控制器（Directcurrent power flow controller，DCPFC）的研究对于提高直流电网潮流控制的自由度，保障直流电网的安全稳定运行具有重要的实际意义。而现有研究大多针对双端直流潮流控制器，其只能辅助控制一条线路的直流潮流，在含有多个环网的复杂直流电网中需要在多条线路上同时安装多个直流潮流控制器并进行协调控制，实现成本较高且可靠性较低。因此，在直流电网中安装可提高直流电网可控性的多端口直流潮流控制器（Multiport DC power flow controller，MDCPFC）势在必行，已经成为当下的研究热点。

在直流电网中加装多端口直流潮流控制器（MDCPFC）能有效的提高线路潮流的可控性，但是，用常规潮流计算方法时，相当于在其安装支路多端口直流潮流控制器（MDCPFC）出口处新增了节点，使得潮流计算时所列些的节点导纳矩阵和雅克比矩阵的阶数增加，矩阵中的某些元素也会随之改变，计算量会变得很大，还可能会使算法无法收敛，降低潮流计算的速度和效率。

发明内容

本发明的目的是将多端口直流潮流控制器接入直流电网中，提出新的控制方法对直流电网进行控制的采用多端口直流控制器对直流电网中潮流控制的方法。

本发明的步骤是：

步骤一、①含有m端口的多端口直流潮流控制器连接到直流网络中，其各个模块之间必须满足功率平衡；

②令直流电压V1可控，给多端口直流潮流控制器上对应于V1的m1端口一个调节其功率的指令，传递到其余的每个直流网络端口m2、m3......，端口电流I2，I3……Im也随之改变；

③每两个相邻的端口会产生新增的直流电压差V12，V23……V（m-1）m，通过调节注入模块的直流电压来得到端口电压值；

④采用基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律分别获得新增的直流电压Vm1和电流I1；

⑤每个模块吸收或者传输的直流功率与直流电流传递或直流电压注入相一致；其所有模块的功率和理想状态为0；

步骤二、①在直流网络P端口加装一个m’端口的多端口直流潮流控制器，所选用的多端口直流潮流控制器的端口数m’与直流网络P端口相连的支路m相等；

②与P相连的各支路电流如式（3）：

P=1,2……n x=1,2……m （3）

其中：U_p是p的节点电压；U_x是x的节点电压；Gpx（p≠x）是p和x的互电导；Mx是多端口直流潮流控制器的变比；

节点P的注入功率和与P相连M条支路的注入功率如式（4）：

（4）

其中：U_p是p的节点电压；U_x是x的节点电压；G_px（p≠x）是p和x的互电导；M_x是多端口直流潮流控制器的变比；Np和Nx分别为与节点p和x相连的节点集合；

③用加装多端口直流潮流控制器之后节点的注入功率，减去加装多端口直流潮流控制器之前节点的注入功率，得到加装多端口直流潮流控制器后节点注入功率的修正量，由式（6）表示：

（6）

其中：Up是p的节点电压；Ux是x的节点电压；Gpx（p≠x）是p和x的互电导；Mx是多端口直流潮流控制器的变比。

本发明在直流电网中加装多端口直流潮流控制器（MDCPFC），将等效注入功率法代入牛顿拉夫逊法潮流计算。等效注入功率法使多端口直流潮流控制器（MDCPFC）对直流潮流的影响转化为对节点注入功率的修正，而节点数将不会增加，系统节点导纳矩阵和雅克比矩阵规模不会改变，从而有效地解决了以上常规潮流计算方法存在的问题。

附图说明

图1是是MDCPFC的网孔电压和电流标签；

图2是某五端直流电网图；

图3是加装一个MDCPFC的某直流电网图；

图4是加装两个DCPFC的某直流电网图。

具体实施方式

本发明列写出直流电网中接入直流潮流控制器（DCPFC）后，各个支路电流和两端的节点注入功率的表达式；拓展到多端口，列写出直流电网中接入多端口直流潮流控制器（MDCPFC）后，各个支路电流和两端的节点注入功率的表达式；将等效注入功率法的思想应用于串联电压源型多端口直流潮流控制器（MDCPFC）的直流电网潮流计算；对比含有两个直流潮流控制器（DCPFC）和单个多端口直流潮流控制器（MDCPFC）的直流电网潮流计算结果，验证MDCPFC的控制效果和该方法的有效性。

其步骤是：

步骤一、①含有m端口的多端口直流潮流控制器（MDCPFC）连接到直流网络中，其各个模块之间必须满足功率平衡；，通常通过改变控制网络的直流电压来保证功率平衡，使用这种方法的优点是可以使其对其他功率传递的影响降到最小。

②如图（1）所示，令直流电压V1可控，给多端口直流潮流控制器上对应于V1的m1端口一个调节其功率的指令，传递到其余的每个直流网络端口m2、m3......，端口电流I2，I3……Im也随之改变。

③每两个相邻的端口会产生新增的直流电压差V12，V23……V（m-1）m，他们是可控的，通过调节注入模块的直流电压来得到端口电压值。

④采用基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律分别获得新增的直流电压Vm1和电流I1。

⑤每个模块吸收或者传输的直流功率与直流电流传递或直流电压注入相一致；其所有模块的功率和理想状态为0。

步骤二、列写出某一个直流电网有n个节点，b条支路，安装直流潮流控制器（DCPFC）时，支路的电流和各节点的注入功率表达式。

直流电网中接入直流潮流控制器（DCPFC）后，只有安装直流潮流控制器（DCPFC）的支路电流和该支路两端的节点注入功率的表达式引入了直流潮流控制器（DCPFC）的变比M，其余支路的支路电流和支路两端的节点注入功率均保持不变。假设，将直流潮流控制器（DCPFC）安装在支路Lpq靠近p节点的位置，则，支路Lpq的电流变为公式（1）：

p,q=1,2……n （1）

其中：U_p是p的节点电压；U_q是q的节点电压；G_pq（p≠q）是p和q的互电导；M是直流潮流控制器（DCPFC）的变比。

节点p和节点q的注入功率分别如式（2）：

（2）

其中：N_p和N_q分别为与节点p和q相连的节点集合；I_pk为支路L_pk上从p点流向k点的电流值；U_p是p的节点电压；U_q是q的节点电压；G_pq（p≠q）是p和q的互电导；M是直流潮流控制器（DCPFC）的变比。

①某一个有n个节点，b条支路的直流网络，与直流网络P端口相连的支路有m条（m≤n）,在直流网络P端口加装一个m’端口的多端口直流潮流控制器，所选用的多端口直流潮流控制器的端口数m’与直流网络P端口相连的支路m相等；直流电网中加装多端口直流潮流控制器（MDCPFC）后，只有与多端口直流潮流控制器（MDCPFC）相连的各支路的电流和节点注入功率发生了变化，其余支路的支路电流和支路两端的节点注入功率保持不变。

②与P相连的各支路电流如式（3）：

P=1,2……n x=1,2……m （3）

其中：U_p是p的节点电压；U_x是x的节点电压；Gpx（p≠x）是p和x的互电导；Mx是多端口直流潮流控制器的变比；

节点P的注入功率和与P相连M条支路的注入功率如式（4）：

（4）

其中：U_p是p的节点电压；U_x是x的节点电压；G_px（p≠x）是p和x的互电导；M_x是多端口直流潮流控制器的变比；Np和Nx分别为与节点p和x相连的节点集合。

加装多端口直流潮流控制器（MDCPFC）会在系统中增加新的节点，在含有多个潮流控制器或多环网的复杂直流电网中，会出现系统节点导纳矩阵和雅克比矩阵阶数增加、某些元素改变等问题，使得潮流计算变得非常复杂。

为解决上述问题，将等效注入功率法的思想应用于含串联电压源型多端口直流潮流控制器（MDCPFC）的直流电网潮流计算。

加装之前各节点的注入功率为：

i=12……n （5）

其中：Ui是i的节点电压, Iik为支路Lik上从i点流向k点的电流值; Ni为与节点i相连的节点集合。

③用加装多端口直流潮流控制器之后节点的注入功率，减去加装多端口直流潮流控制器之前节点的注入功率，得到加装多端口直流潮流控制器后节点注入功率的修正量，由式（6）表示：

（6）

其中：Up是p的节点电压；Ux是x的节点电压；Gpx（p≠x）是p和x的互电导；Mx是多端口直流潮流控制器的变比。

对比含有两个控制器和一个多端口控制器时的直流电网潮流计算结果，验证多端口直流潮流控制器的控制效果以及该方法的有效性。

具体实施例：

如图所示，为某五端系统，岛4换流站运行在定直流电压模式下，保证电压不变；其余换流站运行在定有功功率运行模式下。系统参数如表1所示，Pref表示各换流站的参考功率，换流站5的额定功率值为负说明换流站5从直流系统向交流系统注入有功功率。

表1 系统参数

。

加装一个多端口直流潮流控制器（MDCPFC）的五端直流电网图如图3所示。在支路L₃₄和L₂₄靠近节点4侧安装一个多端口直流潮流控制器（MDCPFC），在保证支路电流不过载的前提下改变多端口直流潮流控制器（MDCPFC）的变比，进行控制。输出电压U_C1= 44.4V，U_C2=40。MDCPFC的变比M₁=1.000112，M₂=1.0001。将等效注入功率法与PSAT仿真软件的潮流计算结果进行对比，对比结果如表二所示。可见，安装多端口直流潮流控制器（MDCPFC）之后，等效注入功率法潮流计算结果精度较高。

表2 加装MDCPFC潮流计算结果

。

在支路L₁₄和L₂₄靠近节点4侧加装两个直流潮流控制器（DCPFC），控制参数分别为：输出电压U_C1=44.4 V，等效理想变压器变比为M₃=1.00011034，M₄=1.000102；输出电压U_C2 =40V，等效理想变压器变比为M₄ =1.00013。所得结果和与加装一个多端口直流潮流控制器（MDCPFC）的结果对比见表3，分析表3数据可得，加装单个多端口直流潮流控制器（MDCPFC）控制效果和加装两个直流潮流控制器（DCPFC）相似。

表3 加装一台MDCPFC和两台DCPFC的潮流计算结果对比

。

Claims (1)

1.一种采用多端口直流控制器对直流电网中潮流控制的方法，其特征在于：

步骤一、①含有m端口的多端口直流潮流控制器连接到直流网络中，其各个模块之间必须满足功率平衡；

②令直流电压V1可控，给多端口直流潮流控制器上对应于V1的m1端口一个调节其功率的指令，传递到其余的每个直流网络端口m2、m3......，端口电流I2，I3……Im也随之改变；

③每两个相邻的端口会产生新增的直流电压差V12，V23……V（m-1）m，通过调节注入模块的直流电压来得到端口电压值；

④采用基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律分别获得新增的直流电压Vm1和电流I1；

⑤每个模块吸收或者传输的直流功率与直流电流传递或直流电压注入相一致；其所有模块的功率和理想状态为0；

步骤二、①在直流网络P端口加装一个m’端口的多端口直流潮流控制器，所选用的多端口直流潮流控制器的端口数m’与直流网络P端口相连的支路m相等；

②与P相连的各支路电流如式（3）：

P=1,2……n x=1,2……m （3）

其中：U_p是p的节点电压；U_x是x的节点电压；Gpx（p≠x）是p和x的互电导；Mx是多端口直流潮流控制器的变比；

节点P的注入功率和与P相连M条支路的注入功率如式（4）：

（4）

其中：U_p是p的节点电压；U_x是x的节点电压；G_px（p≠x）是p和x的互电导；M_x是多端口直流潮流控制器的变比；Np和Nx分别为与节点p和x相连的节点集合；

③用加装多端口直流潮流控制器之后节点的注入功率，减去加装多端口直流潮流控制器之前节点的注入功率，得到加装多端口直流潮流控制器后节点注入功率的修正量，由式（6）表示：

（6）

其中：Up是p的节点电压；Ux是x的节点电压；Gpx（p≠x）是p和x的互电导；Mx是多端口直流潮流控制器的变比。