CN107769213B - 一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法 - Google Patents

一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，它包括：步骤1、建立多换流器采用下垂控制并联接入同一母线时，母线直流电压方程、直流母线上的总负荷功率方程及换流器有功功率方程；步骤2、虚拟主换流器更新母线直流电压，虚拟从换流器根据电压更新各自直流功率；步骤3、利用各换流器直流功率求解交流注入电流，求解节点电压方程；步骤4、判断交流潮流和直流潮流是否收敛，如果交流潮流或直流潮流不收敛则转入步骤(2)继续进行迭代计算，直至交流潮流和直流潮流同时收敛为止，同时输出结果；解决了现有技术通过单一换流器采用下垂控制进行计算交直流混合配电网系统潮流，已经难以适用于多换流器并联情况等技术问题。

Description

一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法
技术领域
本发明属于电力系统分析技术领域。尤其涉及一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法。
背景技术
目前我国配电网主要采用交流电网作为供电载体，但随着负荷的日益增长，交流电网的规模不断扩大，其运行控制过程愈发复杂，系统的安全稳定问题越来越严重。同时，面对电动汽车、分布式电源(如光伏)和LED照明等直流设备的大规模接入，交流电网电能变换环节增多，供配电的效率受到影响。
近年来的研究成果表明，基于柔性直流技术的交直流混合配电网更适合现代城市配电网的发展，电力电子装置使得配电网的组网形态及控制方式更加灵活多样，直流系统通过DC/DC变换装置等可实现不同电压等级之间的互联，换流器灵活的控制方式可以实现交直流潮流的相互转供，有利于系统的可靠稳定运行，未来的智能配电网将会是一个交直流全面互联的复杂系统，一方面可与上层交直流混合输电体系相协调，另一方面可就地接入直流分布式电源与负荷，满足配电网的直流源荷接入需求。
目前，交直流配电网的研究还存在大量的理论与技术问题有待解决，系统潮流是分析众多问题的基础，在潮流控制与计算方法方面已有学者展开了相关研究，但已有研究均未考虑换流器并联的情形，由于一条直流母线上存在两个或多个换流器，其各自的控制策略均需要控制直流母线电压，因此需进行相应的协调处理。目前研究的算法一般是考虑单一换流器采用下垂控制进行计算，显然已经难以适用于多换流器并联的情形。
发明内容：
本发明要解决的技术问题：提供一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，以解决现有技术通过单一换流器采用下垂控制进行计算交直流混合配电网系统潮流，已经难以适用于多换流器并联情况等技术问题。
本发明技术方案：
一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，它包括：
步骤1、建立多换流器采用下垂控制并联接入同一母线时，母线直流电压方程、直流母线上的总负荷功率方程及换流器有功功率方程；
步骤2、虚拟主换流器更新母线直流电压，虚拟从换流器根据电压更新各自直流功率；
步骤3、利用各换流器直流功率求解交流注入电流，求解节点电压方程；
步骤4、判断交流潮流和直流潮流是否收敛，如果交流潮流或直流潮流不收敛则转入步骤(2)继续进行迭代计算，直至交流潮流和直流潮流同时收敛为止，同时输出结果。
步骤1所述母线直流电压方程为：
Figure BDA0001452723490000031
直流母线上的总负荷功率方程为：
PLoad＝P1+P2+...+Pm (2)
换流器有功功率方程为：
Figure BDA0001452723490000032
式中：m为换流器数量；Udc为母线直流电压，Udcref1、Udcref2……Udcrefm为各换流的电压参考值，K1、K2……Km为各换流器的下垂系数，Pref1、Pref2……Prefm各换流器的有功功率参考值，P1、P2……Pm为各换流输出的有功功率；PLoad为直流母线上的总负荷功率；
步骤2所述虚拟主换流器是根据Udc＝f(P)下垂特性方程更新直流母线电压，虚拟从换流器根据P＝f(Udc)下垂特性方程进行直流功率更新。
在交流配电系统中换流器取更新后的直流功率计算交流注入电流，采用高斯算法对节点电压方程进行迭代计算。所述利用各换流器直流功率求解交流注入电流，求解节点电压方程的方法包括：
1)利用第k次的直流电流求解非平衡节点的第k+1次直流电压：
Figure BDA0001452723490000041
式中
Figure BDA0001452723490000042
表示设备注入电流与电压相关，
Figure BDA0001452723490000043
表示第k+1次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000044
表示第k次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000045
表示第k次迭代的平衡节点电压向量。Ydc22表示非平衡节点形成的直流导纳矩阵，Ydc21表示与平衡节点相连的直流导纳矩阵，该方程采用因子分解的方法进行求解。
2)由公式
Figure BDA0001452723490000046
计算第k+1次平衡节点的注入电流；
3)根据公式
Figure BDA0001452723490000047
更新平衡节点的总负荷功率；
4)利用式(3)计算每个平衡节点上虚拟主换流器输出功率
Figure BDA0001452723490000048
下标i表示第i个平衡节点；
5)根据Udc＝f(P)下垂曲线计算平衡节点电压，有：
Figure BDA0001452723490000049
6)根据P＝f(Udc)下垂表达形式计算各虚拟从换流器的有功功率，有:
Figure BDA00014527234900000410
式中下标ih表示第i个平衡节点上的第h个虚拟从换流器；
7)忽略换流器损耗，取各换流器交流有功功率
Figure BDA0001452723490000051
8)由换流器交流有功功率计算交流电流
Figure BDA0001452723490000052
9)求解交流节点电压方程：
Figure BDA0001452723490000053
Yac22表示非平衡节点形成的交流导纳矩阵，Yac21表示与平衡节点相连的直流导纳矩阵，
Figure BDA0001452723490000054
表示第k+1次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000055
表示第k次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000056
表示第k次迭代的平衡节点电压向量。
10)更新交流平衡节点注入电流与功率。
判断交流潮流和直流潮流是否收敛的方法为：
系统中各个交流节点电压与直流节点电压满足：
Figure BDA0001452723490000057
式中ε为给定的潮流迭代误差，若式(12)成立则计算收敛结束。
本发明的有益效果：
本发明针对多换流器并联的交直流配电网，建立多换流器并联的潮流计算方法，提出了一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，可适用于采用下垂控制的多换流器并联的交直流配电网，可进行交直流配电网的网损计算等稳态分析，同时可以为交直流配单网的优化调度提供底层的潮流数据支持；解决了现有技术通过单一换流器采用下垂控制进行计算交直流混合配电网系统潮流，已经难以适用于多换流器并联情况等技术问题。
具体实施方式：
一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，它包括以下过程：
一、建立多换流器并联的相关计算公式：
对于直流配电系统，当多个换流器采用下垂控制并联接入同一母线时，该节点作为平衡节点其直流电压不再是给定值，而是由各换流器的下垂曲线共同决定。假设该母线上接有m个换流器，则根据下垂曲线有：
Figure BDA0001452723490000061
式中，Udc为母线直流电压，Udcref1、Udcref2……Udcrefm为各换流的电压参考值，K1、K2……Km为各换流器的下垂系数，Pref1、Pref2……Prefm各换流器的有功功率参考值，P1、P2……Pm为各换流输出的有功功率。
该母线上的总负荷功率与换流器功率满足下式所述关系：
PLoad＝P1+P2+...+Pm (2)
式中，PLoad为直流母线上的总负荷功率。
式(1)共m-1个有效方程，与式(2)联立构成m个方程，可求解出每个换流器的有功功率，进而可计算出该母线的电压。
若系统中有n个采用下垂控制的母线，每个母线接有m个换流器，按照上述分析需要求解n×m个方程，考虑到换流器并联于同一直流母线，在下垂曲线设计时一般取Udcref1＝Udcref2＝...＝Udcrefm，通过式(1)与式(2)联立推导，可得到换流器编号为1的有功功率具有如下规律：
Figure BDA0001452723490000071
因此，可利用该式直接求取换流器编号为1的有功功率，进而通过该换流器下垂曲线计算直流母线电压Udc，其他换流器根据直流母线电压更新有功功率。在算法设计过程中，可选定首编号换流器(如VSC1)作为虚拟主换流器更新电压，而其余换流器作为虚拟从换流器更新有功功率，这样就避免了多个换流器同时依据各自下垂曲线Udc＝f(P)计算电压导致的无法求解的难题。；
二、潮流计算过程
下面以第k+1次迭代过程为例给出具体步骤。
步骤1，利用第k次的直流电流求解非平衡节点的第k+1次直流电压：
Figure BDA0001452723490000072
式中Idc2表示除平衡节点之外的其他接入注入电流，
Figure BDA0001452723490000081
表示设备注入电流与电压相关，
Figure BDA0001452723490000082
表示第k+1次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000083
表示第k次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000084
表示第k次迭代的平衡节点电压向量。Ydc22表示非平衡节点形成的直流导纳矩阵，Ydc21表示与平衡节点相连的直流导纳矩阵，该方程采用因子分解的方法进行求解。
步骤2，由公式
Figure BDA0001452723490000085
计算第k+1次平衡节点的注入电流，Y11表示平衡节点的自导纳，Y12表示平衡节点与非平衡节点之间的互导纳；
步骤3，根据公式
Figure BDA0001452723490000086
更新平衡节点的总负荷功率；
步骤4，利用式(3)计算每个平衡节点上虚拟主换流器输出功率
Figure BDA0001452723490000087
下标i表示第i个平衡节点；
5)根据Udc＝f(P)下垂曲线计算平衡节点电压，其中f(P)表示Udc为有功功率P的函数，即有：
Figure BDA0001452723490000088
Figure BDA0001452723490000089
为第k+1次迭代过程中第i个主换流器的直流电压，Uidcref1表示第i个主换流器的电压参考值，Ki1表示第i个主换流器的下垂系数，Piref1第i个主换流器的有功功率参考值，
Figure BDA00014527234900000810
第i个主换流器第k+1次迭代过程中的有功功率；
6)根据P＝f(Udc)下垂表达形式计算各虚拟从换流器的有功功率，f(Udc)表示有功功率为直流电压的函数，即有:
Figure BDA0001452723490000091
式中下标ih表示第i个平衡节点上的第h个虚拟从换流器；
Figure BDA0001452723490000092
表示该从换流器第k+1次迭代过程中的有功功率，Pih-ref该从换流器的有功功率参考值，
Figure BDA0001452723490000093
表示该从换流器第k+1次迭代过程中的直流电压，Uih-dcref表示该从换流器的直流电压参考值，Kih表示该从换流器的下垂系数。
7)忽略换流器损耗，取各换流器交流有功功率
Figure BDA0001452723490000094
Figure BDA0001452723490000095
表示各个换流器第k+1次迭代过程过程中交流侧的有功功率，
Figure BDA0001452723490000096
表示各个换流器第k+1次迭代过程过程中直流侧的有功功率，；
8)由换流器交流有功功率计算交流电流
Figure BDA0001452723490000097
9)求解交流节点电压方程：
Figure BDA0001452723490000098
Yac22表示非平衡节点形成的交流导纳矩阵，Yac21表示与平衡节点相连的直流导纳矩阵，
Figure BDA0001452723490000099
表示第k+1次迭代的非平衡节点电压向量，Iac2表示第k次迭代的非平衡节点电电流向量，
Figure BDA00014527234900000910
表示设备注入电流与电压相关，
Figure BDA00014527234900000911
表示第k次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure BDA00014527234900000912
表示第k次迭代的平衡节点电压向量。
10)更新交流平衡节点注入电流与功率；
11)判断直流系统及交流系统是否收敛，即系统中各个交流节点电压与直流节点电压满足：
Figure BDA0001452723490000101
其中
Figure BDA0001452723490000102
为第k+1次迭代的各个交流节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000103
为第k次迭代的各个交流节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000104
为第k+1次迭代的各个直流节点电压向量，
Figure BDA0001452723490000105
为第k次迭代的各个直流节点电压向量，ε为给定的潮流迭代误差，若式(12)成立则计算收敛结束，否则返回继续迭代计算。
具体为：
判断方程各节点电压
Figure BDA0001452723490000106
是否成立，如果
Figure BDA0001452723490000107
成立则直流配电系统潮流收敛，
Figure BDA0001452723490000108
为第i个节点第k+1次迭代直流电压的计算结果，
Figure BDA0001452723490000109
为第i个节点第k次迭代直流电压的计算结果，εdc为给定的允许误差；
判断方程
Figure BDA00014527234900001010
是否成立，如果成立则交流配电系统潮流收敛，其中，
Figure BDA00014527234900001011
为交流配电系统第i节点的第k+1次电压迭代计算结果，
Figure BDA00014527234900001012
为交流配电系统第i节点的第k次电压迭代计算结果，εac是给定的交流潮流迭代误差；
如果直流配电系统潮流或交流配电系统潮流不收敛则返回直流潮流求解继续进行迭代计算，直至交流潮流和直流潮流同时收敛为止，同时输出结果。

Claims (5)

1.一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，它包括：
步骤1、建立多换流器采用下垂控制并联接入同一母线时母线直流电压方程、直流母线上的总负荷功率方程及换流器有功功率方程；
步骤1所述母线直流电压方程为：
Figure FDA0002559559920000011
直流母线上的总负荷功率方程为：
PLoad＝P1+P2+...+Pm (2)
换流器有功功率方程为：
Figure FDA0002559559920000012
式中：m为换流器数量；Udc为母线直流电压，Udcref1、Udcref2……Udcrefm为各换流的电压参考值，K1、K2……Km为各换流器的下垂系数，Pref1、Pref2……Prefm各换流器的有功功率参考值，P1、P2……Pm为各换流输出的有功功率；PLoad为直流母线上的总负荷功率；
步骤2、虚拟主换流器更新母线直流电压，虚拟从换流器根据电压更新各自直流功率；
步骤3、利用各换流器直流功率求解交流注入电流，求解节点电压方程；
步骤4、判断交流潮流和直流潮流是否收敛，如果交流潮流或直流潮流不收敛则转入步骤(2)继续进行迭代计算，直至交流潮流和直流潮流同时收敛为止，同时输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤2所述虚拟主换流器是根据Udc＝f(P)下垂特性方程更新直流母线电压，虚拟从换流器根据P＝f(Udc)下垂特性方程进行直流功率更新。
3.根据权利要求1所述的一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，其特征在于：在交流配电系统中换流器取更新后的直流功率计算交流注入电流，采用高斯算法对节点电压方程进行迭代计算。
4.根据权利要求3所述的一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，其特征在于：所述利用各换流器直流功率求解交流注入电流，求解节点电压方程的方法包括：
1)利用第k次的直流电流求解非平衡节点的第k+1次直流电压：
Figure FDA0002559559920000021
式中
Figure FDA0002559559920000022
表示设备注入电流与电压相关，
Figure FDA0002559559920000023
表示第k+1次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure FDA0002559559920000031
表示第k次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure FDA0002559559920000032
表示第k次迭代的平衡节点电压向量；Ydc22表示非平衡节点形成的直流导纳矩阵，Ydc21表示与平衡节点相连的直流导纳矩阵，该方程采用因子分解的方法进行求解；
2)由公式
Figure FDA0002559559920000033
计算第k+1次平衡节点的注入电流；
式中：Y11表示平衡节点的自导纳，Y12表示平衡节点与非平衡节点之间的互导纳；
3)根据公式
Figure FDA0002559559920000034
更新平衡节点的总负荷功率；
4)利用式(3)计算每个平衡节点上虚拟主换流器输出功率
Figure FDA0002559559920000035
下标i表示第i个平衡节点；
5)根据Udc＝f(P)下垂曲线计算平衡节点电压，有：
Figure FDA0002559559920000036
式中：Uidcref1表示第i个主换流器的电压参考值，Ki1表示第i个主换流器的下垂系数，Piref1表述第i个主换流器的有功功率参考值，
Figure FDA0002559559920000037
表示第i个主换流器第k+1次迭代过程中的有功功率；
6)根据P＝f(Udc)下垂表达形式计算各虚拟从换流器的有功功率，有:
Figure FDA0002559559920000038
式中下标ih表示第i个平衡节点上的第h个虚拟从换流器；
Figure FDA0002559559920000039
表示该从换流器第k+1次迭代过程中的有功功率，Pih-ref该从换流器的有功功率参考值，
Figure FDA0002559559920000041
表示该从换流器第k+1次迭代过程中的直流电压，Uih-dcref表示该从换流器的直流电压参考值，Kih表示该从换流器的下垂系数；
7)忽略换流器损耗，取各换流器交流有功功率
Figure FDA0002559559920000042
8)由换流器交流有功功率计算交流电流
Figure FDA0002559559920000043
9)求解交流节点电压方程：
Figure FDA0002559559920000044
Yac22表示非平衡节点形成的交流导纳矩阵，Yac21表示与平衡节点相连的直流导纳矩阵，
Figure FDA0002559559920000045
表示第k+1次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure FDA0002559559920000046
表示第k次迭代的非平衡节点电压向量，
Figure FDA0002559559920000047
表示第k次迭代的平衡节点电压向量；
10)更新交流平衡节点注入电流与功率。
5.根据权利要求4所述的一种多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法，其特征在于：判断交流潮流和直流潮流是否收敛的方法为：
系统中各个交流节点电压与直流节点电压满足：
Figure FDA0002559559920000048
式中ε为给定的潮流迭代误差，若式(12)成立则计算收敛结束。
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