CN106936152B - 考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，包括：获取全网各个发电机组的有功出力和各个输电线路的有功送电功率；建立全网的有功损耗最小化目标函数模型，所述全网的有功损耗包括交直流系统潮流计算模型对应的网损和全网的换流站总有功损耗；获取满足全网有功损耗最小化的各个换流站电压无功协调控制措施，所述控制措施包括各换流站运行参数值的调整量；将各个换流站电压无功协调控制措施的调整量下发给相应换流站执行。本发明的方法使得整个交直流输电系统的总网损最小；充分发挥各回超/特高压直流电压无功控制之间的协调优化能力，降低各换流站的实际运行损耗，提高多回高压直流输电系统电压无功控制措施的经济性。

Description

考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法

技术领域

本发明涉及输电系统控制领域，具体涉及一种考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法。

背景技术

远距离超/特高压直流输电技术由于具有输电容量大、建设成本低等优势，在我国电网中得到了快速发展。目前，南方电网、华东电网等区域电网都已形成了大型交直流互联电网格局。南方电网“西电东送”主通道覆盖南方五省(区)，从云南、贵州省境内开始，穿越广西全境，到达广东境内，东西跨度近2000km，每年将大量云南、贵州和广西的电力电量送往广东，对南方五省区电力资源的优化和合理配置，以及各省区的经济社会发展发挥着重要作用。目前，“西电东送”主通道包含有8回超/特高压直流输电通道，各个直流输电通道在输送大量电能的同时，也会产生很大的电能损耗，通过优化协调多回超/特高压直流输电系统的电压无功控制，合理调整各个直流通道的运行状态等，能够有效降低整个交直流输电系统的损耗电量，带来显著的经济效益。因此，在满足系统运行安全性和电能质量要求的条件下，并且在已制定了全网发电机组有功发电调度计划和直流输电线路有功送电计划的基础上，如何合理优化协调多回超/特高压直流输电系统的电压无功控制措施，以降低整个交直流输电系统以及换流站内部各种设备的功率损耗，是一个亟需解决的关键技术问题。

多回高压直流输电系统电压无功协调控制问题是在已知发电机组有功发电调度计划和直流输电线路有功送电计划的前提下，确定各个直流输电系统的电压无功控制措施，以确保在满足系统运行安全性和电能质量要求的前提下，使得包括换流站内部各种设备损耗的整个交直流输电系统总网损最小。为了降低换流站内部的运行损耗，准确地描述换流阀、换流变压器、平波电抗器、滤波器等设备有功损耗与系统运行状态之间的关系，成为求解多回高压直流输电系统电压无功协调控制问题的关键。

目前，采用常规的高压直流输电系统电压无功控制模型忽略了换流站损耗特性，对于换流站内部的换流器、换流变压器、平波电抗器和滤波器的有功损耗都没有考虑，且各个高压直流输电系统的电压无功控制之间缺乏协调，造成最终制定的各个高压直流输电系统的电压无功控制措施往往会导致各个换流站内部的实际运行损耗较大，电能损耗偏大，给电网运行部门带来很大的经济损失。因此，如何在多回高压直流输电系统电压无功控制中考虑进换流站内部的换流器、换流变压器、平波电抗器和滤波器的有功损耗，亟需提出合理的模型和方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，可以确保在满足系统运行安全性和电能质量要求的前提下，使得包括换流站内部各种设备损耗的整个交直流输电系统的总网损最小；通过充分发挥各回超/特高压直流电压无功控制之间的协调优化能力，以降低各个换流站的实际运行损耗，提高多回高压直流输电系统电压无功控制措施的经济性。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，包括如下步骤：

步骤1，获取全网各个发电机组的有功出力和各个输电线路的有功送电功率；

步骤2，建立全网的有功损耗最小化目标函数模型，所述全网的有功损耗包括交直流系统潮流计算模型对应的网损和全网的换流站总有功损耗；所述目标函数模型具有的约束条件包括等式约束条件与不等式约束条件，其中等式约束条件包括全网的有功平衡和无功平衡的潮流方程、直流系统电流电压方程，不等式约束包括控制变量和状态变量的上下限约束；

步骤3，获取满足全网有功损耗最小化的各个换流站电压无功协调控制措施，所述控制措施包括各换流站运行参数值的调整量；

步骤4，将各个换流站电压无功协调控制措施的调整量下发给相应换流站执行。

进一步，所述全网的有功损耗最小目标函数模型为：

f_i(u,x)＝p_valve,i(u,x)+p_t,i(u,x)+p_filter,i(u,x)+p_sr,i(u,x) (3)

式中，F_p为全网的有功损耗，f(u,x)为交直流系统潮流计算模型对应的网损，f_i(u,x)为第i个换流站的总有功损耗，N为参与无功协调控制换流站的集合；P_gi为第i个发电机的有功出力,P_li为第i个负荷节点的有功功率，N_g为发电机节点总数，N_L为负荷节点总数；f_i(u,x)包括晶闸管换流阀损耗p_valve,i、换流变压器损耗p_t,i、滤波器损耗p_filter,i和平波电抗器损耗p_sr,i。

进一步，所述晶闸管换流阀损耗p_valve,i包括晶闸管导通损耗P_v1和阻尼损耗P_v2，所述导通损耗是导通电流和相应的理想通态电压的乘积，即：

式中，N₁为每个阀中的晶闸管个数；U₀为晶闸管通态电压平均值；R₀为晶闸管通态伏安特性的动态电阻平均值；I_d为直流电流的有效值；μ为换流器的换相重叠角；

所述阻尼损耗是由阀电容存储的能量随阀组断电压的级变而产生，其表达式如下：

式中，C_HF为阀阻尼电容有效值与阀两端间的全部有效杂散电容之和；f为交流系统的频率；U_v0为变压器阀侧空载线电压有效值；m为电磁耦合系数；α为触发角。

进一步，所述换流变压器损耗通过空载损耗和短路损耗计算得到，具体如下：

式中，P₀为空载损耗、P_k为短路损耗；I_t为通过换流变压器高压侧的电流；V_N为变压器额定电压；S_N为变压器额定容量。

进一步，所述滤波器损耗包括电抗器损耗、电容器损耗和电阻器损耗，其表示如下：

p_filter＝P_cap+P_reac+P_res (8)

式中，P_cap、P_reac、P_res分别为电容器损耗、电抗器损耗和电阻器损耗；

所述电容器损耗的表达式如下：

P_cap＝P_1C×S_CN (9)

式中，P_1C为电容器平均每kvar容量消耗的单位功率，kW，S_CN为系统额定电压和频率下滤波器中电容器组的额定容量；

所述电抗器损耗的表达式如下：

式中，I为流经滤波器中电抗器相电流的有效值，X为电抗值，Q为品质因数，上述参数均为基波频率下的数值；

电阻器损耗的表达式如下：

P_res＝3×R_res×I² (11)

式中，R_res为电阻器电阻；I为流经滤波器中电阻器的基波电流有效值。

进一步，所述等式约束条件如下：

纯交流节点的潮流方程：

换流站交流换流母线节点的潮流方程：

直流系统电流电压关系方程：

直流输电线路有功送电功率约束：

V_dRI_d-P_sch＝0 (15)

(12)至(15)式中，ΔP_i、ΔQ_i为潮流方程约束，P_is、Q_is为发电机的有功出力和无功出力，Q_filter为滤波器的无功投入量，V_i为交流节点i的电压幅值，θ_ij为节点i和j电压的相角差，V_d、I_d为换流站的直流电压和直流电流，V_dR、V_dI为整流换流站和逆变换流站的直流电压，为换流站的功率因数角，n_t为换流站的极数，k_T为换流变的变比，θ_d为换流站的控制角，X_c为换流变的等值电抗，k_γ取0.995。P_sch为直流输电线路的有功送电功率计划值。

进一步，所述控制变量以u表示，其上下限约束表述如下：

u_min≤u≤u_max (16)

式中，控制变量u＝[Q_is，Q_filter，k_T，θ_d]^T分别为发电机的无功出力、滤波器的无功投入容量、换流变压器的变比和换流站的控制角，u_min为控制变量的下限，u_max为控制变量的上限。

进一步，所述状态变量以x表示,其上下限约束表述如下：

x_min≤x≤x_max (17)

式中，状态变量x的上下限约束包括交直流系统的节点电压和直流系统线路传输功率的上下限，以x_min表示状态变量的下限，x_max表示状态变量的上限。

本发明的一种考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，具有如下有益效果：

在已制定了全网发电机组有功发电调度计划和直流输电线路有功送电计划的基础上，通过求解本发明提出的考虑换流站详细损耗特性，包括晶闸管阀损耗、换流变压器损耗、滤波器损耗、平波电抗器损耗和辅助设备损耗的多回超/特高压直流电压无功协调控制模型，获得的多回直流输电系统电压无功协调控制方案既能够有效减小各个直流换流站的实际有功损耗，并能够有效减小换流站运行中各主要设备的发热量，提高设备运行的安全性，具有明显的经济效益。

附图说明

图1为本发明的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法的步骤图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明提出一种考虑换流站详细损耗特性的多回超/特高压直流电压无功协调控制的方法，所构建的多回高压直流输电系统电压无功协调控制措施是在已知发电机组有功发电调度计划和直流输电线路有功送电计划的前提下，确定各个直流输电系统的电压无功控制措施，以确保在满足系统运行安全性和电能质量要求的前提下，使得包括换流站内部各种设备损耗的整个交直流输电系统的总网损最小。充分发挥各回超/特高压直流电压无功控制之间的协调优化能力，以降低各个换流站的实际运行损耗，提高多回高压直流输电系统电压无功控制措施的经济性。

参看图1，本发明实施例的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法的流程图，包括如下步骤：

步骤1，获取全网各个发电机组的有功出力和各个输电线路的有功送电功率；

步骤2，建立全网的有功损耗最小化目标函数模型，所述全网的有功损耗包括交直流系统潮流计算模型对应的网损和全网的换流站总有功损耗；所述目标函数模型具有的约束条件包括等式约束条件与不等式约束条件，其中等式约束条件包括全网的有功平衡和无功平衡的潮流方程、直流系统电流电压方程，不等式约束包括控制变量和状态变量的上下限约束；所述约束条件是满足系统中各个关键节点的电压运行安全约束，可使得整个交直流输电系统的总损耗最小；

步骤3，获取满足全网有功损耗最小化的各个换流站电压无功协调控制措施，所述控制措施包括各换流站运行参数值的调整量；

步骤4，将各个换流站电压无功协调控制措施的调整量下发给相应换流站执行。

在本实施例中，所述步骤2的全网的有功损耗最小化目标函数模型，表述如下：

f_i(u,x)＝p_valve,i(u,x)+p_t,i(u,x)+p_filter,i(u,x)+p_sr,i(u,x) (3)

(1)至(3)式中，F_p为全网的有功损耗，f(u,x)为交直流系统潮流计算模型对应的网损，f_i(u,x)为第i个换流站的总有功损耗，N为参与无功协调控制换流站的集合；P_gi为第i个发电机的有功出力,P_li为第i个负荷节点的有功功率，N_g为发电机节点总数，N_L为负荷节点总数；f_i(u,x)包括晶闸管换流阀损耗p_valve,i、换流变压器损耗p_t,i、滤波器损耗p_filter,i和平波电抗器损耗p_sr,i。

上述换流站内部的换流阀、换流变压器、平波电抗器、滤波器等设备的有功损耗与系统运行状态之间关系的具体描述如下：

(a)晶闸管换流阀损耗

晶闸管换流阀的损耗大致可以分为晶闸管导通损耗、阻尼回路损耗和其他损耗(如电抗器损耗、直流均压回路损耗等)，前2类占全部阀损耗的85％～95％。

所述阀的晶闸管换流阀损耗p_valve,i包括晶闸管导通损耗P_v1和阻尼损耗P_v2，在换相期间阀的电流是线性的条件下，所述导通损耗是导通电流和相应的理想通态电压的乘积，即：

式中，N₁为每个阀中的晶闸管个数；U₀为晶闸管通态电压平均值；R₀为晶闸管通态伏安特性的动态电阻平均值；I_d为直流电流的有效值；μ为换流器的换相重叠角；

所述阻尼损耗是由阀电容存储的能量随阀组断电压的级变而产生，其表达式如下：

(3)和(4)式中，C_HF为阀阻尼电容有效值与阀两端间的全部有效杂散电容之和；f为交流系统的频率；U_v0为变压器阀侧空载线电压有效值；m为电磁耦合系数；α为触发角。

(b)换流变压器损耗

所述换流变压器损耗通过空载损耗和短路损耗计算得到，具体如下：

式中，P₀为空载损耗、P_k为短路损耗；I_t为通过换流变压器高压侧的电流；V_N为变压器额定电压；S_N为变压器额定容量。

(c)平波电抗器损耗

(d)滤波器损耗

所述滤波器损耗包括电抗器损耗、电容器损耗和电阻器损耗，其表示如下：

p_filter＝P_cap+P_reac+P_res (8)

式中，P_cap、P_reac、P_res分别为电容器损耗、电抗器损耗和电阻器损耗；

所述电容器损耗的表达式如下：

P_cap＝P_1C×S_CN (9)

式中，P_1C为电容器平均每kvar容量消耗的单位功率，kW，S_CN为系统额定电压和频率下滤波器中电容器组的额定容量；

所述电抗器损耗的表达式如下：

式中，I为流经滤波器中电抗器相电流的有效值，X为电抗值，Q为品质因数，上述参数均为基波频率下的数值；

电阻器损耗的表达式如下：

P_res＝3×R_res×I² (11)

式中，R_res为电阻器电阻；I为流经滤波器中电阻器的基波电流有效值。

将上述(a)至(d)的四种损耗代入全网的有功损耗最小化目标函数模型，并结合约束条件，可具体得到各个换流站电压无功协调控制措施。

在本实施例中，所述的约束条件可分为等式约束条件和不等式约束条件。

等式约束条件如下：

纯交流节点的潮流方程：

换流站交流换流母线节点的潮流方程：

直流系统电流电压关系方程：

直流输电线路有功送电功率约束：

V_dRI_d-P_sch＝0 (15)

(12)至(15)式中，ΔP_i、ΔQ_i为潮流方程约束，P_is、Q_is为发电机的有功出力和无功出力，Q_filter为滤波器的无功投入量，V_i为交流节点i的电压幅值，θ_ij为节点i和j 电压的相角差，V_d、I_d为换流站的直流电压和直流电流，V_dR、V_dI为整流换流站和逆变换流站的直流电压，为换流站的功率因数角，n_t为换流站的极数，k_T为换流变的变比，θ_d为换流站的控制角，X_c为换流变的等值电抗，k_γ取0.995。P_sch为直流输电线路的有功送电功率计划值。

所述的不等式约束条件如下：

所述控制变量以u表示，其上下限约束表述如下：

u_min≤u≤u_max (16)

式中，控制变量u＝[Q_is，Q_filter，k_T，θ_d]^T分别为发电机的无功出力、滤波器的无功投入容量、换流变压器的变比和换流站的控制角，u_min为控制变量的下限，u_max为控制变量的上限。

所述状态变量以x表示,其上下限约束表述如下：

x_min≤x≤x_max (17)

式中，状态变量x的上下限约束包括交直流系统的节点电压和直流系统线路传输功率的上下限，以x_min表示状态变量的下限，x_max表示状态变量的上限。

下面一仿真试验验证，以说明上述实施例的有益效果。

以南方电网2015年丰大运行方式数据为例进行仿真试验，分析本发明提出的考虑换流站详细损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法的有益效果。电网数据含有6056个节点，8045个支路，根据BPA软件的潮流计算结果得到换流站交流母线的电压、直流电压和直流电流等参数的值如表1所示，从而可以求出各个换流站的损耗如表2所示。

表1 BPA潮流计算得到的各个换流站运行参数值

表2 BPA仿真得到的换流站详细损耗

可以看到，换流站损耗主要为晶闸管的损耗和换流变的损耗，晶闸管的损耗占27.4％～40.6％,换流变的损耗占54.0％～62.6％。其中晶闸管导通损耗、换流变损耗和平波电抗器损耗都随着直流电流的减少而降低，可以通过改变滤波器的无功投入量、换流变的变比和换流站的控制角等的电压无功控制手段进行协调优化。利用GAMS软件的CONOPT求解器进行求解上述考虑换流站详细损耗特性的多回超/特高压直流电压无功协调控制优化下的全网有功损耗最小化目标函数模型，得到结果如下：

表3 GAMS优化得到的各个换流站运行参数值

表4 GAMS优化得到的换流站详细损耗

可以得到，全网500kV及以上关键节点的电压幅值都满足运行安全约束，在直流功率保持为计划传输功率值的情况下，通过减少直流电流的值，从而使晶闸管导通损耗、换流变损耗和平波电抗器损耗都随着直流电流的减少而降低，晶闸管的导通损耗可降低1.08％～12.43％，换流变的损耗可降低13.41％～30.19％，平波电抗器可降低1.97％～15.85％，各换流站的总损耗降低了7.82％～21.81％。12个换流站的总损耗由176870kW降为144219kW，共减少了32651kW，降低幅度达18.46％。可以看到本发明提出的考虑换流站详细损耗特性的多回超/特高压直流电压无功协调控制方法能够有效降低换流站内部运行损耗。由于运行损耗的减小，从而使换流站各主要设备运行的发热量减小，提高设备运行的安全性。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取全网各个发电机组的有功出力和各个输电线路的有功送电功率；

步骤2，建立全网的有功损耗最小化目标函数模型，所述全网的有功损耗包括交直流系统潮流计算模型对应的网损和全网的换流站总有功损耗；所述目标函数模型具有的约束条件包括等式约束条件与不等式约束条件，其中等式约束条件包括全网的有功平衡和无功平衡的潮流方程、直流系统电流电压方程，不等式约束包括控制变量和状态变量的上下限约束；

步骤3，获取满足全网有功损耗最小化的各个换流站电压无功协调控制措施，所述控制措施包括各换流站运行参数值的调整量；

步骤4，将各个换流站电压无功协调控制措施的调整量下发给相应换流站执行；

所述全网的有功损耗最小目标函数模型为：

f_i(u,x)＝p_valve,i(u,x)+p_t,i(u,x)+p_filter,i(u,x)+p_sr,i(u,x) (3)

(1)至(3)式中，F_p为全网的有功损耗，f(u,x)为交直流系统潮流计算模型对应的网损，f_i(u,x)为第i个换流站的总有功损耗，N为参与无功协调控制换流站的集合；P_gi为第i个发电机的有功出力,P_li为第i个负荷节点的有功功率，N_g为发电机节点总数，N_L为负荷节点总数；f_i(u,x)包括晶闸管换流阀损耗p_valve,i、换流变压器损耗p_t,i、滤波器损耗p_filter,i和平波电抗器损耗p_sr,i。

2.根据权利要求1所述的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，其特征在于，所述晶闸管换流阀损耗p_valve,i包括晶闸管导通损耗P_v1和阻尼损耗P_v2，所述导通损耗是导通电流和相应的理想通态电压的乘积，即：

式中，N₁为每个阀中的晶闸管个数；U₀为晶闸管通态电压平均值；R₀为晶闸管通态伏安特性的动态电阻平均值；I_d为直流电流的有效值；μ为换流器的换相重叠角；所述阻尼损耗是由阀电容存储的能量随阀组断电压的级变而产生，其表达式如下：

式中，C_HF为阀阻尼电容有效值与阀两端间的全部有效杂散电容之和；f为交流系统的频率；U_v0为变压器阀侧空载线电压有效值；m为电磁耦合系数；α为触发角。

3.根据权利要求1所述的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，其特征在于，所述换流变压器损耗通过空载损耗和短路损耗计算得到，具体如下：

式中，P₀为空载损耗、P_k为短路损耗；I_t为通过换流变压器高压侧的电流；V_N为变压器额定电压；S_N为变压器额定容量。

4.根据权利要求1所述的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，其特征在于，所述滤波器损耗包括电抗器损耗、电容器损耗和电阻器损耗，其表示如下：

p_filter＝P_cap+P_reac+P_res (8)

式中，P_cap、P_reac、P_res分别为电容器损耗、电抗器损耗和电阻器损耗；

所述电容器损耗的表达式如下：

P_cap＝P_1C×S_CN (9)

式中，P_1C为电容器平均每kvar容量消耗的单位功率，kW，S_CN为系统额定电压和频率下滤波器中电容器组的额定容量；

所述电抗器损耗的表达式如下：

式中，I为流经滤波器中电抗器相电流的有效值，X为电抗值，Q为品质因数，上述参数均为基波频率下的数值；

电阻器损耗的表达式如下：

P_res＝3×R_res×I² (11)

式中，R_res为电阻器电阻；I为流经滤波器中电阻器的基波电流有效值。

5.根据权利要求1所述的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，其特征在于，所述各个等式约束条件表述如下：

纯交流节点的潮流方程：

换流站交流换流母线节点的潮流方程：

直流系统电流电压关系方程：

直流输电线路有功送电功率约束：

V_dRI_d-P_sch＝0 (15)

(12)至(15)式中，ΔP_i、ΔQ_i为潮流方程约束，P_is、Q_is为发电机的有功出力和无功出力，Q_filter为滤波器的无功投入量，V_i为交流节点i的电压幅值，θ_ij为节点i和j电压的相角差，V_d、I_d为换流站的直流电压和直流电流，V_dR、V_dI为整流换流站和逆变换流站的直流电压，为换流站的功率因数角，n_t为换流站的极数，k_T为换流变的变比，θ_d为换流站的控制角，X_c为换流变的等值电抗，k_γ取0.995，P_sch为直流输电线路的有功送电功率计划值。

6.根据权利要求1所述的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，其特征在于，所述控制变量以u表示，其上下限约束表述如下：

u_min≤u≤u_max (16)

式中，控制变量u＝[Q_is，Q_filter，k_T，θ_d]^T分别为发电机的无功出力、滤波器的无功投入容量、换流变压器的变比和换流站的控制角，u_min为控制变量的下限，u_max为控制变量的上限。

7.根据权利要求1所述的考虑换流站损耗特性的交直流系统电压无功协调控制方法，其特征在于，所述状态变量以x表示,其上下限约束表述如下：

x_min≤x≤x_max (17)

式中，状态变量x的上下限约束包括交直流系统的节点电压和直流系统线路传输功率的上下限，以x_min表示状态变量的下限，x_max表示状态变量的上限。