CN107482665B - 一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法 - Google Patents
一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法，本发明首先获取交直流混合电网参数和故障后电网运行状态数据，判断交直流混合电网是否存在有功越，若交直流混合电网存在有功越限，则建立有功校正模型，调整发电机组和柔性直流系统的有功功率控制值，进行有功校正控制，若不存在有功越限，判断交直流混合电网是否存在无功越限，若交直流混合电网存在无功越限，则建立无功校正模型，调整发电机无功功率、变压器分接头和电容器档位、柔性直流系统的无功功率控制值，进行无功校正控制。本发明解决了基于灵敏度方法的校正策略可能导致新越限的问题，对单一越限和多重越限均具有良好的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统运行分析技术领域，特别涉及一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法。
背景技术
随着IGBT等全控型电力电子器件的不断发展和日趋成熟，基于电压源换流器的高压柔性直流输电(Voltage Source Converter High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)已成为下一代直流输电的发展方向。换流器采用了多个子模块串联构成换流阀，并采用了最近电平逼近调制策略，使得换流器可以独立控制有功功率和无功功率的传输方向，大大增强了电网运行控制的灵活性。
随着柔性直流输电技术在电力系统的逐步推广应用，含柔性直流的交直流混合系统运行分析与控制技术已得到研究人员的广泛关注。柔性直流系统具有控制自由度高、响应速度快的特点，在电网中发生故障而出现元件设备功率、电压越限时，考虑柔性直流参与校正控制可以提高控制响应速度和控制效果。目前已公开的方法在控制手段上仅考虑通过调整发电机组出力、切除负荷实现故障越限的校正，未考虑柔性直流参与校正控制；在控制策略计算方法上往往基于转移灵敏度，未考虑控制措施对电网全局的影响，使得校正控制结果可能出现新的越限。因此，研究含VSC-HVDC的交直流混合电网故障越限校正控制方法是十分有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含柔性直流的交直流混合电网故障越限校正控制方法，本发明以消除电网设备功率、电压越限以及控制代价最小为目标，建立含柔性直流的交直流混合电网最优校正控制模型，并将模型分解为有功校正子模型和无功校正子模型，通过求解优化模型获得交直流混合电网最佳校正控制方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取含柔性直流的交直流混合电网参数；
步骤S2：获取故障后电网运行状态数据；
步骤S3：根据故障后交流侧线路和变压器绕组输送功率、柔性直流换流阀输送功率和直流线路电流是否超过其额定值，判断交直流混合电网是否存在有功越限；
步骤S4：若交直流混合电网存在有功越限，则建立有功校正子模型，调整发电机组和柔性直流系统的有功功率控制值，进行有功校正控制；
步骤S5：根据交流侧和直流侧节点电压幅值是否超过上下限、发电机无功出力是否超过上下限，判断交直流混合电网是否存在无功越限；
步骤S6：若交直流混合电网存在无功越限，则建立无功校正子模型，调整发电机无功功率、变压器分接头和电容器档位、柔性直流系统的无功功率控制值，进行无功校正控制。
进一步的，所述步骤S1中交直流混合电网参数包括：交流侧电网母线节点名称、编号、母线电压上下限约束、负荷有功、负荷无功、各节点无功补偿容量、发电机有功无功上下限约束、调节速度、线路和主变首端节点和末端节点编号、线路和主变等值参数、线路和主变传输功率约束，柔性直流换流站的换流变电阻、换流变电抗、换流阀的有功无功上下限约束、换流阀的电压调制比、直流电压上下限约束和换流站间直流线路电阻。
进一步地，所述步骤S2中故障后电网运行状态数据包括：交流侧电网母线电压幅值和相角、各节点负荷有功功率和无功功率值、发电机组有功出力和无功出力、线路和变压器输送的功率值、变压器分接头及电容器组档位，柔性直流换流站交流侧节点电压幅值和相角、换流站注入交流电网的有功功率和无功功率、直流侧电压和直流线路电流。
进一步地，所述步骤S4具体包括：
建立有功校正子模型：
obj.minf(x)
s.t.h(x)＝0 (1)
gm≤g(x)≤gM
其中，x为模型的优化变量，f(x)为有功校正子模型的目标函数，h(x)为模型的等式约束，g(x)、gm和gM分别为模型的不等式约束、其下限和上限；
优化变量x包括：
x＝[V,θ,Pg,Pc,Ud] (2)
其中，V和θ分别为各节点电压幅值和相角，Pg为参与校正控制的各发电机组有功功率，Pc为VSC换流阀注入交流电网的有功功率，Ud为VSC换流阀直流侧电压。
目标函数f(x)的表达式为：
其中，Ng为参与校正控制的发电机个数，l表示发电机的编号，下标gl表示第l个参与校正控制的发电机，λgl为发电机gl功率调整权重系数，Pgl为待求解的发电机有功功率，为校正控制前发电机有功功率值；
有功校正子模型等式约束h(x)包括：
交流节点功率平衡方程：
其中，P表示交流节点的注入有功功率，下标gi、di和ci分别代表第i个交流节点连接的发电机、负荷和VSC换流阀，V(0)为校正控制前节点电压幅值，下标i、j表示交流节点的编号；Gij和Bij分别为第i个交流节点、第j个交流节点之间线路导纳的实部和虚部，θi和θj分别为第i个交流节点和第j个交流节点的相角，N代表交流节点数；
VSC换流阀直流侧节点的有功平衡方程：
其中，Nc为VSC换流阀个数，Vcs和Vck分别为换流阀s和k直流侧节点电压，Ycsk为换流阀s、k之间直流线路电导，Pcs为换流阀s的交流侧注入有功功率。
设定参考点相角为0：
θslack＝0 (6)
有功校正子模型不等式约束g(x)包括：
交流侧电网约束条件：节点电压相角约束，线路/变压器输送功率约束，发电机有功出力约束。
直流侧电网约束条件：直流母线电压约束，换流阀容量约束，换流阀电压调制比约束，直流线路输送功率约束。
进一步地，所述步骤S6具体包括：
建立无功校正子模型：
obj.minF(x)
s.t.H(x)＝0 (7)
Gm≤G(x)≤GM
其中，x为模型的优化变量，F(x)为无功校正子模型的目标函数，H(x)为模型的等式约束，G(x)、Gm和GM分别为模型的不等式约束、其下限和上限。
优化变量x包括：
x＝[V,θ,Qg,Qc,Ud] (8)
其中，V和θ分别为各节点电压幅值和相角，Qg为参与校正控制的各发电机组无功功率，Qc为VSC换流阀注入交流电网的无功功率，Ud为VSC换流阀直流侧电压。
目标函数F(x)的表达式为：
其中，Ng为参与校正控制的发电机个数，l为发电机的编号，下标gl表示第l个参与校正控制的发电机，λgl为发电机功率调整权重系数，Qgl为待求解的发电机无功功率，为校正控制前发电机无功功率值；Ncp为参与校正控制的并联电容器个数，下标cpr表示第r个参与校正控制的并联电容器，λcpr为电容器的档位调整权重系数，Qcpr为待求解的并联电容器无功功率，为校正控制前并联电容器无功功率值。
无功校正子模型等式约束H(x)具体包括：
交流节点功率平衡方程如下：
其中，P、Q和V分别代表交流节点的注入有功功率、注入无功功率及电压，上标(1)代表有功校正子模型计算得到的结果值，下标i、j表示交流节点的编号，下标gi、cpi、di以及ci分别代表第i个交流节点连接的发电机、并联电容器、负荷以及VSC换流阀；Gij和Bij分别为第i个交流节点、第j个交流节点之间线路导纳的实部和虚部，θi、θj分别为第i个交流节点和第j个交流节点的相角，N为交流节点数；
设定参考点相角为0：
θslack＝0 (12)
无功校正子模型不等式约束G(x)包括：
交流侧电网约束条件：节点电压幅值及相角约束，线路/变压器输送功率约束，发电机有功出力及无功出力约束；
直流侧电网约束条件：直流母线电压约束，换流阀容量约束，换流阀电压调制比约束，直流线路输送功率约束。
本发明的有益效果是提出了一种含柔性直流的交直流混合电网故障越限校正控制方法，将交直流电网越限校正问题分解为有功校正子问题和无功校正子问题求解，以电网控制代价最小和消除故障后线路功率、节点电压越限为目标，设计交直流混合电网最优校正控制数学模型，通过求解电网中可控设备的最优控制策略，将交直流混合电网恢复到安全状态。本发明弥补了传统校正控制方法未考虑柔性直流功率调节作用的不足，解决了基于灵敏度方法的校正策略可能导致新越限的问题，对单一越限和多重越限均具有良好的适应性，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明方法的实现流程图；
图2是本发明VSC-HVDC换流站模型图；
图3是本发明实施例中IEEE14节点模型图。
图3中，1-14分别为IEEE14节点电网中各个母线编号，为电网中各发电机组，↓为电网中节点上的负荷，VSC1及VSC2分别为电网中组成双端柔性直流输电系统的两个换流站。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取含柔性直流的交直流混合电网参数；交直流混合电网参数包括：交流侧电网母线节点名称、编号、母线电压上下限约束、负荷有功、负荷无功、各节点无功补偿容量、发电机有功无功上下限约束、调节速度、线路和主变首端节点和末端节点编号、线路及主变等值参数、线路及主变传输功率约束，柔性直流换流站的换流变电阻、换流变电抗、换流阀的有功无功上下限约束、换流阀的电压调制比、直流电压上下限约束和换流站间直流线路电阻；
步骤S2：获取故障后电网运行状态数据；故障后电网运行状态数据包括：交流侧电网母线电压幅值和相角、各节点负荷有功功率和无功功率值、发电机组有功出力和无功出力、线路和变压器输送的功率值、变压器分接头及电容器组档位，柔性直流换流站交流侧节点电压幅值和相角、换流站注入交流电网的有功功率及无功功率、直流侧电压及直流线路电流；
步骤S3：根据故障后交流侧线路和变压器绕组输送功率、柔性直流换流阀输送功率和直流线路电流是否超过其额定值，判断交直流混合电网是否存在有功越限；
步骤S4：若交直流混合电网存在有功越限，则建立有功校正子模型，调整发电机组和柔性直流系统的有功功率控制值，进行有功校正控制；具体包括：
建立有功校正子模型：
obj.minf(x)
s.t.h(x)＝0 (1)
gm≤g(x)≤gM
其中，x为模型的优化变量，f(x)为有功校正子模型的目标函数，h(x)为模型的等式约束，g(x)、gm、gM分别为模型的不等式约束、其下限和上限；
优化变量x包括：
x＝[V,θ,Pg,Pc,Ud] (2)
其中，V和θ分别为各节点电压幅值和相角，Pg为参与校正控制的各发电机组有功功率，Pc为VSC换流阀注入交流电网的有功功率，Ud为VSC换流阀直流侧电压；
目标函数f(x)的表达式为：
其中，Ng为参与校正控制的发电机个数，l表示发电机的编号，下标gl表示第l个参与校正控制的发电机，λgl为发电机功率调整权重系数，Pgl为待求解的发电机有功功率，为校正控制前发电机有功功率值。
有功校正子模型等式约束h(x)包括：
交流节点功率平衡方程：
其中，P表示交流节点的注入有功功率，下标gi、di和ci分别代表第i个交流节点连接的发电机、负荷和VSC换流阀，V(0)为校正控制前节点电压幅值，下标i、j表示交流节点的编号；Gij和Bij分别为第i个交流节点、第j个交流节点之间线路导纳的实部和虚部，θi和θj分别为第i个交流节点、第j个交流节点的相角，N为交流节点数；
VSC换流阀直流侧节点的有功平衡方程：
其中，Nc为VSC换流阀个数，Vcs和Vck分别为换流阀s和k直流侧节点电压，Ycjk为换流阀s、k之间直流线路电导，Pcs为换流阀s的交流侧注入有功功率；
设定参考点相角为0：
θslack＝0 (6)
有功校正子模型不等式约束g(x)包括：
交流侧电网约束条件：节点电压相角约束，线路/变压器输送功率约束，发电机有功出力约束；
直流侧电网约束条件：直流母线电压约束，换流阀容量约束，换流阀电压调制比约束，直流线路输送功率约束；
步骤S5：根据交流侧和直流侧节点电压幅值是否超过上下限、发电机无功出力是否超过上下限，判断交直流混合电网是否存在无功越限；
步骤S6：若交直流混合电网存在无功越限，则建立无功校正子模型，调整发电机无功功率、变压器分接头和电容器档位、柔性直流系统的无功功率控制值，进行无功校正控制；具体包括：
建立无功校正子模型：
obj.minF(x)
s.t.H(x)＝0 (7)
Gm≤G(x)≤GM
其中，x为模型的优化变量，F(x)为无功校正子模型的目标函数，H(x)为模型的等式约束，G(x)、Gm和GM分别为模型的不等式约束、其下限和上限；
优化变量x包括：
x＝[V,θ,Qg,Qc,Ud] (8)
其中，V和θ分别为各节点电压幅值和相角，Qg为参与校正控制的各发电机组无功功率，Qc为VSC换流阀注入交流电网的无功功率，Ud为VSC换流阀直流侧电压；
目标函数F(x)的表达式为：
其中，Ng为参与校正控制的发电机个数，l为发电机的编号，下标gl表示第l个参与校正控制的发电机，λgl为发电机功率调整权重系数，Qgl为待求解的发电机无功功率，为校正控制前发电机无功功率值；Ncp为参与校正控制的并联电容器个数，下标cpr表示第r个参与校正控制的并联电容器，λcpr为电容器的档位调整权重系数，Qcpr为待求解的并联电容器无功功率，为校正控制前并联电容器无功功率值；
无功校正子模型等式约束H(x)包括：
交流节点功率平衡方程：
其中，P、Q和V分别代表交流节点的注入有功功率、注入无功功率和电压，上标(1)代表有功校正子模型计算得到的结果值，下标i、j表示交流节点的编号，下标gi、cpi、di以及ci分别代表第i个交流节点连接的发电机、并联电容器、负荷以及VSC换流阀；Gij和Bij分别为第i个交流节点、第j个交流节点之间线路导纳的实部和虚部，θi、θj分别为第i个交流节点和第j个交流节点的相角，N为交流节点数；
设定参考点相角为0：
θslack＝0 (12)
无功校正子模型不等式约束G(x)包括：
交流侧电网约束条件：节点电压幅值及相角约束，线路/变压器输送功率约束，发电机有功出力及无功出力约束；
直流侧电网约束条件：直流母线电压约束，换流阀容量约束，换流阀电压调制比约束，直流线路输送功率约束。
图2是本发明交直流电网中的一个VSC换流站，其中AC System指换流站所连接的交流侧电网，Rtr和Xtr分别为换流变压器的电阻和电抗，Vs、θs、Vc和θc分别为换流变压器交流电网侧节点的电压幅值、相角以及换流阀侧的电压幅值、相角，Ps、Qs、Pc、Qc分别为交流电网流入换流变压器的有功功率、无功功率以及换流变压器流入换流阀的有功功率、无功功率，VDC、IDC分别为换流阀直流侧的电压、流入直流系统的电流，Ploss为换流阀有功损耗。Rf为启动电阻，稳态运行过程中退出，无需考虑。
图3是本发明方法一实施例中采用的修改后的IEEE14节点模型图。选取修改后的IEEE14节点测试系统的故障越限问题对本发明提出的方法进行测试，观察本发明提出的故障越限校正控制方法的计算效果。
交流节点电压约束取Vac∈[0.9,1.1]，各交流支路功率限额由线路参数决定，发电机有功及无功出力限额由发电机参数决定。
修改后的IEEE14节点电网中VSC1及VSC2柔性直流换流站相关参数如表1所示。
表1
表中Rtr以及Xtr分别为换流变压器的电阻和电抗值；为换流阀有功最大值；Mmax及Mmin分别为电压调制比上下限；及分别为直流母线电压的上下限。表中各参数均已按标幺值处理，直流侧电压基值取VdcBase＝20kV，功率基值与交流侧一致，均为100MVA。
本实施例涉及的IEEE14节点交直流混合电网故障越限情况如表2所示。
表2
采用本发明提出的故障越限校正控制方法，得到两个故障相应的校正策略如表3所示。
表3
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)
1.一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取含柔性直流的交直流混合电网参数；
步骤S2：获取故障后电网运行状态数据；
步骤S3：根据故障后交流侧线路和变压器绕组输送功率、柔性直流换流阀输送功率和直流线路电流是否超过其额定值，判断交直流混合电网是否存在有功越限；
步骤S4：若交直流混合电网存在有功越限，则建立有功校正子模型，调整发电机组和柔性直流系统的有功功率控制值，进行有功校正控制；所述步骤S4具体包括：
建立有功校正子模型：
其中，x为模型的优化变量，f(x)为有功校正子模型的目标函数，h(x)为模型的等式约束，g(x)、gm和gM分别为模型的不等式约束、其下限和上限；
优化变量x包括：
x＝[V,θ,Pg,Pc,Ud] (2)
其中，V和θ分别为各节点电压幅值和相角，Pg为参与校正控制的各发电机组有功功率，Pc为VSC换流阀注入交流电网的有功功率，Ud为VSC换流阀直流侧电压；
目标函数f(x)的表达式为：
其中，Ng为参与校正控制的发电机个数，l表示发电机的编号，下标gl表示第l个参与校正控制的发电机，λgl为发电机gl功率调整权重系数，Pgl为待求解的发电机有功功率，为校正控制前发电机有功功率值；
有功校正子模型等式约束h(x)包括：
交流节点功率平衡方程：
其中，P表示交流节点的注入有功功率，下标gi、di和ci分别代表第i个交流节点连接的发电机、负荷和VSC换流阀，V(0)为校正控制前节点电压幅值，下标i、j表示交流节点的编号；Gij和Bij分别为第i个交流节点、第j个交流节点之间线路导纳的实部和虚部，θi和θj分别为第i个交流节点和第j个交流节点的相角，N代表交流节点数；
VSC换流阀直流侧节点的有功平衡方程：
其中，Nc为VSC换流阀个数，Vcs和Vck分别为换流阀s和k直流侧节点电压，Ycsk为换流阀s、k之间直流线路电导，Pcs为换流阀s的交流侧注入有功功率；
设定参考点相角为0：
θslack＝0 (6)
有功校正子模型不等式约束g(x)包括：
交流侧电网约束条件：节点电压相角约束，线路/变压器输送功率约束，发电机有功出力约束；
直流侧电网约束条件：直流母线电压约束，换流阀容量约束，换流阀电压调制比约束，直流线路输送功率约束；
步骤S5：根据交流侧和直流侧节点电压幅值是否超过上下限、发电机无功出力是否超过上下限，判断交直流混合电网是否存在无功越限；
步骤S6：若交直流混合电网存在无功越限，则建立无功校正子模型，调整发电机无功功率、变压器分接头和电容器档位、柔性直流系统的无功功率控制值，进行无功校正控制；所述步骤S6具体包括：
建立无功校正子模型：
其中，x为模型的优化变量，F(x)为无功校正子模型的目标函数，H(x)为模型的等式约束，G(x)、Gm和GM分别为模型的不等式约束、其下限和上限；
优化变量x包括：
x＝[V,θ,Qg,Qc,Ud] (8)
其中，V和θ分别为各节点电压幅值和相角，Qg为参与校正控制的各发电机组无功功率，Qc为VSC换流阀注入交流电网的无功功率，Ud为VSC换流阀直流侧电压；
目标函数F(x)的表达式为：
其中，Ng为参与校正控制的发电机个数，l为发电机的编号，下标gl表示第l个参与校正控制的发电机，λgl为发电机功率调整权重系数，Qgl为待求解的发电机无功功率，为校正控制前发电机无功功率值；Ncp为参与校正控制的并联电容器个数，r为并联电容器的编号，下标cpr表示第r个参与校正控制的并联电容器，λcpr为电容器的档位调整权重系数，Qcpr为待求解的并联电容器无功功率，为校正控制前并联电容器无功功率值；
无功校正子模型等式约束H(x)具体包括：
交流节点功率平衡方程如下：
其中，P、Q和V分别代表交流节点的注入有功功率、注入无功功率及电压，上标(1)代表有功校正子模型计算得到的结果值，下标i、j表示交流节点的编号，下标gi、cpi、di以及ci分别代表第i个交流节点连接的发电机、并联电容器、负荷以及VSC换流阀；Gij和Bij分别为第i个交流节点、第j个交流节点之间线路导纳的实部和虚部，θi、θj分别为第i个交流节点和第j个交流节点的相角，N为交流节点数；
设定参考点相角为0：
θslack＝0 (12)
无功校正子模型不等式约束G(x)包括：
交流侧电网约束条件：节点电压幅值及相角约束，线路/变压器输送功率约束，发电机有功出力及无功出力约束；
直流侧电网约束条件：直流母线电压约束，换流阀容量约束，换流阀电压调制比约束，直流线路输送功率约束。
2.根据权利要求1所述的一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法，其特征在于，所述步骤S1中交直流混合电网参数包括：交流侧电网母线节点名称、编号、母线电压上下限约束、负荷有功、负荷无功、各节点无功补偿容量、发电机有功无功上下限约束、调节速度、线路和主变首端节点和末端节点编号、线路和主变等值参数、线路和主变传输功率约束，柔性直流换流站的换流变电阻、换流变电抗、换流阀的有功无功上下限约束、换流阀的电压调制比、直流电压上下限约束和换流站间直流线路电阻。
3.根据权利要求1所述的一种含柔性直流的交直流混合电网越限校正控制方法，其特征在于，所述步骤S2中故障后电网运行状态数据包括：交流侧电网母线电压幅值和相角、各节点负荷有功功率和无功功率值、发电机组有功出力和无功出力、线路和变压器输送的功率值、变压器分接头及电容器组档位，柔性直流换流站交流侧节点电压幅值和相角、换流站注入交流电网的有功功率和无功功率、直流侧电压和直流线路电流。
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