CN108429294B - 一种含能量路由器的交直流网络潮流模型及求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含能量路由器的交直流网络潮流模型及求解方法，首先根据能量路由器的拓扑结构对不同类型的端口进行稳态建模，然后根据端口的不同控制方式书写统一的控制方程，之后建立含有能量路由器的交直流网络潮流模型，最后通过本发明提出的改进统一潮流求解法求解该模型。本发明所提出的含有能量路由器的交直流网络潮流模型综合考虑了能量路由器的多种控制方式，满足交直流网络的运行要求，同时改进的统一潮流求解法能够快速、准确地求解该模型，能够对未来含有能量路由器的交直流网络的科学规划、经济调度及系统安全性分析提供一定的技术支持。

Description

一种含能量路由器的交直流网络潮流模型及求解方法

技术领域

本发明涉及一种含能量路由器的交直流网络潮流模型及求解方法。

背景技术

能源互联网是以电网为基础的能源互联网络。电网中的能量路由器是一种新型的电力电子变压器，能够在未来能源互联网的建设过程中替代传统的交流变压器实现交直流混合网络的互联，满足大量分布式电源的平等接入，是未来能源互联网建设的核心。准确地建立包含能量路由器的交直流网络潮流计算模型及快速求解混合网络潮流对交直流混合网络的合理规划、经济调度具有重要意义。

在建立、求解含有能量路由器的交直流网络潮流模型的过程中，一方面需要充分考虑能量路由器的控制方式，确保模型的通用性，另一方面需要考虑模型求解方法的效率，保证能够快速准确地求解交直流网络潮流解。目前求解交直流网络潮流解的方法包括迭代求解法和统一求解法。其中前者实现较易，但交直流网络之间的耦合变量增多时，易出现潮流解不收敛的情况；后者计及全部变量耦合关系，收敛性好，但计算雅克比矩阵元素所占内存较多。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种含能量路由器的交直流网络潮流模型及求解方法，本发明的模型综合考虑能量路由器的多种控制方式，适用交直流网络运行要求，同时基于本发明提出的改进统一潮流求解法求解该模型，能够快速、准确地求解含有能量路由器的交直流网络潮流模型，可为交直流网络的规划运行提供一定的技术支持。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含能量路由器的交直流网络潮流模型，包括能量路由器不同类型的端口的稳态计算模型，不同类型的端口至少包括高压侧和低压侧，高压侧和低压侧均包含交流端口和直流端口，两侧端口分别连接到对应侧公共直流母线，两条公共直流母线通过隔离变换器连接，隔离变换器稳态计算模型与直流端口模型相同，交流端口连接至交流节点，直流端口一次侧连接至能量路由器直流母线，二次侧连接至直流节点。

进一步的，当能量路由器含有若干个交流端口和若干个直流端口时，整体功率满足以下条件：

隔离变换器的运行损耗与隔离变换器注入高压直流母线和中压直流母线的功率的差值相等，且与所有端口的注入直流母线的有功功率以及注入能量路由器内部直流母线的功率之和相同。

基于上述模型的求解方法，包括以下步骤：

对能量路由器交直流端口的不同控制方式进行分类，在稳态下确定统一的端口控制方程；

考虑能量路由器的控制方程，建立含有能量路由器的交直流网络统一潮流计算模型；

对统一潮流求解方法进行改进，将网络潮流模型中能量路由器端口控制方程中控制量的实际值用其期望值替代，列写统一的雅克比矩阵，通过牛顿法迭代求解，利用改进的统一潮流求解方法求解该网络潮流解。

进一步的，能量路由器的交流端口控制方程包括交流节点的有功功率控制方程和无功功率控制方程，有功功率控制方程为：

交流端口节点的注入有功功率与有功功率期望值的差值和第一比例系数的乘积，以及该端口对应的能源路由器内部的直流母线电压和其期望值的差值与第二比例系数乘积相加，其和等于零。

无功功率控制方程为：

交流端口节点的注入无功功率与无功功率期望值的差值和第三比例系数的乘积，以及该端口对应的能源路由器内部的电压和其期望值的差值与第四比例系数乘积相加，其和等于零。

进一步的，第一比例系数为交流有功功率控制系数，第三比例系数为无功功率控制系数，第二比例系数与第一比例系数之和为1，第四比例系数与第三比例系数之和为1。

进一步的，直流端口控制方程仅包含直流节点的电压有功功率控制方程，具体为：

直流端口的有功功率控制系数与注入该直流端口的有功功率与其期望的差值的乘积，以及电压与电压期望值的差值与电压控制系数的乘积，进行相加，其和等于零。

进一步的，高压侧选择一个端口为功率平衡端口，其有功功率控制方式为定高压直流母线控制，用以维持能量路由器内部高压直流母线电压；内部中压直流母线电压通过隔离变换器采用定直流电压控制保证其大小在可接受范围内。

建立含有能量路由器的交直流网络统一潮流计算模型的具体过程包括：

根据交直流网络节点数和连接的能量路由器数量，确定交直流混合网络状态变量和对应的功率平衡方程；

分别列写交流和直流网络潮流方程，将能量路由器各端口视为等效负荷，构建各节点的功率平衡方程；

根据交流端口控制方程列写能量路由器控制方程，形成统一潮流计算模型。

结合交替求解法和统一潮流法的优势，采用改进的统一潮流求解法求解网络潮流，对于能量路由器的交流端口，用给定控制量的有功和无功能期望值代替实际值有功功率和无功功率，代入到交流网络潮流方程；

对于直流端口，将给定控制量的期望值代替实际值代入到直流网络方程；

根据交直流网络功率平衡方程列写统一的雅克比矩阵，通过牛顿法迭代求解网络潮流解。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种含有能量路由器的交直流网络潮流模型及快速求解该模型的方法，该模型充分考虑了能量路由器端口的多种控制方式，能够保证能量路由器适应不同的运行环境，且提出的改进统一潮流计算方法能够保证快速准确的求解含有能量路由器的交直流网络潮流解。该模型和求解方法对含有能量路由器的交直流网络科学规划、经济运行和系统安全性分析具有一定的指导价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为能量路由器结构拓扑图。

图2为能量路由器交流端口计算模型示意图。

图3为能量路由器直流端口计算模型示意图。

图4为求解含有能量路由器交直流网络潮流解流程图。

图5为改进的IEEE30节点系统图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明首先根据能量路由器的拓扑结构对不同类型的端口进行稳态建模，然后根据端口的不同控制方式书写统一的控制方程，之后建立含有能量路由器的交直流网络潮流模型，最后通过本发明提出的改进统一潮流求解法求解该模型。本发明所提出的含有能量路由器的交直流网络潮流模型综合考虑了能量路由器的多种控制方式，满足交直流网络的运行要求，同时改进的统一潮流求解法能够快速、准确地求解该模型，能够对未来含有能量路由器的交直流网络的科学规划、经济调度及系统安全性分析提供一定的技术支持。

一种含能量路由器的交直流网络潮流模型及快速求解方法，具体包括以下步骤：

步骤1：建立多种端口类型的能量路由器稳态计算模型，包括分别对能量路由器不同类型的端口进行稳态建模、对整个能量路由器建立符合物理定律的稳态计算模型，能量路由器结构示意图如图1所示，交直流端口稳态计算模型图分别为图2和图3。

步骤2：对能量路由器交直流端口的不同控制方式进行分类，在稳态下书写统一的端口控制方程。

步骤3：充分考虑能量路由器的控制方程，建立含有能量路由器的交直流网络统一潮流计算模型。

步骤4：利用改进的统一潮流求解方法求解该网络潮流解，具体为将网络潮流模型中能量路由器端口控制方程中控制量的实际值用其期望值替代，之后列写统一的雅克比矩阵，最后通过牛顿法迭代求解。

所述步骤1的具体过程为：

步骤1.1如图1，将能量路由器端口分为高压侧和低压侧，两侧均包含交流端口和直流端口，两侧端口分别连接到对应侧公共直流母线，两条公共直流母线通过隔离变换器连接，隔离变换器稳态计算模型与直流端口模型相同；

步骤1.2如图2，交流端口连接至交流节点i，注入该端口的有功功率P_i ^ac、无功功率

及注入能量路由器内部直流母线的功率

为：

式中，U_i∠θ_i为交流网络节点i的电压，该点对应能量路由器一个新增交流节点h，其交流电压为

相角差为

交流端口等效损耗用等效导纳

表示，

表示端口并联电容。

步骤1.3如图3，直流端口一次侧连接至能量路由器直流母线k，二次侧连接至直流节点l，注入直流端口的有功功率P_l ^dc/dc和注入直流母线的有功功率

为：

式中，E_k为公共直流母线电压，E_l为直流网络节点l电压，R_kl表示变换器等效损耗，n_kl为变换器等效变比。

步骤1.4如图1，当能量路由器含有x个交流端口和y个直流端口，整体功率满足：

式中，

分别表示隔离变换器注入高压直流母线和中压直流母线的功率；

表示隔离变换器的运行损耗。

所述步骤2的具体内容为：

步骤2.1能量路由器的交流端口控制方程包括交流节点i的有功功率控制方程

和无功功率控制方程

式中：

分别交流端口节点i的有功功率和无功功率的期望值；E_dc,er、

分别为该端口对应的能源路由器内部的直流母线电压和其期望值；

分别为交流有功功率控制系数和无功功率控制系数；U_i*为交流端口节点i的电压期望值。交流端口有功功率控制方式分为定交流有功功率控制和定直流母线电压控制。

取1，表示采用定交流有功率控制；

取0，表示采用定直流电压控制。无功功率控制方式分为定无功功率控制和定交流电压控制，

取值与

相似。

步骤2.2直流端口控制方程仅包含直流节点l的电压有功功率控制方程

式中，

分别为注入直流端口l的有功功率期望值和端口l的电压期望值，

分别为相应的控制系数。

为1，

为0表示采用定端口有功功率控制；反之表示采用定端口直流电压控制；

为1，

不为0，表示采用直流电压斜率控制。当不采用定有功功率控制时，式(2)中

的求取方式为：

步骤2.3高压侧选择一个端口为功率平衡端口，其有功功率控制方式为定高压直流母线控制，用以维持能量路由器内部高压直流母线电压

内部中压直流母线电压

通过隔离变换器采用定直流电压控制保证其大小在可接受范围内。

所述步骤3的具体过程为：

步骤3.1交直流网络节点数分别为n_ac、n_dc，通过n_er个能量路由器相联，确定交直流混合网络状态变量和对应的功率平衡方程：

式中，f_ac为交流网络全部的潮流方程，f_dc为直流网络全部的潮流方程，f_er为能源路由器的控制方程，状态量x_ac，x_dc，x_er为：

式中，θ_ac、U_ac分别是由交流网络中所有节点相角及电压的有效值构成的列向量；E_dc是由直流网络中所有节点电压幅值构成的列向量；θ_er、U_ac,er分别是由能源路由器中所有新增的交流节点相角、电压有效值构成的列向量。能量路由器高压直流母线和中压直流母线均采用定直流电压控制，其电压已经给出，在状态量中不出现。

步骤3.2列写交流网络潮流方程，将能量路由器各端口视为等效负荷，节点i的有功功率和无功功率平衡方程为：

式中i、j属于由交流网络所有节点构成的集合；G_ij和B_ij为交流网络形成的电纳和电导；P_Gi和Q_Gi为节点i上发电机提供的有功功率和无功功率；P_Li和Q_Li为节点i上负荷消耗的有功功率和无功功率。当端口采用定无功功率控制，该点节点类型不变，该点包含(9)式全部方程；当端口采用定交流电压控制，该点调整为PV节点，该点仅包含(9)式中有功功率平衡方程。

步骤3.3列写直流网络潮流方程，节点l的有功功率平衡方程为：

式中，l、s属于由直流网络所有节点构成的集合；

为直流网络形成的电纳；

分别为节点l上直流电源注入和直流负荷消耗的有功功率。当直流端口不采用定直流电压控制，列写(10)式有功功率平衡方程。

步骤3.4列写能量路由器控制方程，该控制方程由交流端口控制方程

构成：

式中，将(1)式中P_i ^ac、

的表达式代入到式(4)中得到完整的控制方程表达式。直流端口控制方程式见(5)式，直流网络未新增直流节点，在(11)中不出现直流端口控制方程。采用定端口有功功率或直流电压斜率控制的端口将(5)式代入到直流网络节点方程(10)中求取端口电压。

所述步骤4的具体过程为：

步骤4.1结合交替求解法和统一潮流法的优势，采用改进的统一潮流求解法求解网络潮流。对于能量路由器的交流端口，用给定控制量的期望值

代替实际值P_i ^ac、

代入到交流网络潮流方程(9)中。对于采用定直流电压控制的功率平衡端口，其端口实际有功功率P_i ^ac表达式根据(3)式获得。

步骤4.2对于直流端口，将给定控制量的期望值

代替实际值P_l ^dc/dc代入到直流网络方程(10)中。当采用直流电压斜率控制时，实际有功功率P_l ^dc/dc表达式根据(5)式求解。

步骤4.3根据交直流网络功率平衡方程(7)列写统一的雅克比矩阵，通过牛顿法迭代求解网络潮流解。

当收敛时或者满足迭代次数时，输出潮流计算结果，否则，不断优化，修正状态量。

采用改进的IEEE30节点系统图对所提出的含有能量路由器的交直流网络潮流计算模型及快速求解方法进行验证。系统图如图5所示，包含22个交流节点和12个直流节点，加粗部分为直流线路，其余为交流线路。系统基准容量为100kVA，交流节点1-7电压基准值为35kV，其余交流节点电压基准值为10kV；直流节点8、28、32’的电压基准值为16kV，其余直流节点电压基准值为1.5kV，收敛精度为10^-6，能量路由器标幺值参数及控制方式见表1。在不同源荷下，通过传统的统一求解法和改进的统一求解法求解该系统，两种方法所得结果对比结果如表2所示。

表1能源路由器参数及控制设置

表2不同工况下结果对比

从表2可以看出：在不同源荷的情况下，两种求解方法所得潮流结果基本保持一致，说明改进的统一潮流求解方法能够获得较为准确的潮流解。同时基于改进的统一潮流求解法在不同工况下均能保证收敛次数少于传统的统一潮流求解方法，说明改进的统一潮流求解法在求解交直流网络潮流解的方面更具有效性。

本发明提出的含有能量路由器的交直流网络潮流模型及快速求解方法，能够综合考虑能量路由器的多种控制方式，适合交直流网络的运行需求，同时，本发明提出的改进统一潮流求解方法能够快速准确地求解含有能量路由器的交直流网络潮流解，能够为交直流网络的规划调度提供一定的技术支持。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种含能量路由器的交直流网络潮流模型，其特征是：包括能量路由器不同类型的端口的稳态计算模型，不同类型的端口至少包括高压侧和低压侧，高压侧和低压侧均包含交流端口和直流端口，两侧端口分别连接到对应侧公共直流母线，两条公共直流母线通过隔离变换器连接，隔离变换器稳态计算模型与直流端口模型相同，交流端口连接至交流节点，直流端口一次侧连接至能量路由器直流母线，二次侧连接至直流节点；

对所述能量路由器交直流端口的不同控制方式进行分类，在稳态下确定统一的端口控制方程；

考虑能量路由器的控制方程，建立含有能量路由器的交直流网络统一潮流计算模型；

对统一潮流求解方法进行改进，将网络潮流模型中能量路由器端口控制方程中控制量的实际值用其期望值替代，列写统一的雅克比矩阵，通过牛顿法迭代求解，利用改进的统一潮流求解方法求解该网络潮流解；

所述能量路由器的交流端口控制方程包括交流节点的有功功率控制方程，有功功率控制方程为：

交流端口节点的注入有功功率与有功功率期望值的差值和第一比例系数的乘积，以及该端口对应的能源路由器内部的直流母线电压和其期望值的差值与第二比例系数乘积相加，其和等于零；

所述能量路由器的交流端口控制方程包括交流节点的无功功率控制方程，具体为：

交流端口节点的注入无功功率与无功功率期望值的差值和第三比例系数的乘积，以及该端口对应的能源路由器内部的电压和其期望值的差值与第四比例系数乘积相加，其和等于零；

第三比例系数为无功功率控制系数，第二比例系数与第一比例系数之和为1，第四比例系数与第三比例系数之和为1。

2.如权利要求1所述的一种含能量路由器的交直流网络潮流模型，其特征是：当能量路由器含有若干个交流端口和若干个直流端口时，整体功率满足以下条件：

隔离变换器的运行损耗与隔离变换器注入高压直流母线和中压直流母线的功率的差值相等，且与所有端口的注入直流母线的有功功率以及注入能量路由器内部直流母线的功率之和相同。

3.如权利要求1所述的一种含能量路由器的交直流网络潮流模型，其特征是：直流端口控制方程仅包含直流节点的电压有功功率控制方程，具体为：

直流端口的有功功率控制系数与注入该直流端口的有功功率与其期望的差值的乘积，以及电压与电压期望值的差值与电压控制系数的乘积，进行相加，其和等于零。

4.如权利要求1所述的一种含能量路由器的交直流网络潮流模型，其特征是：高压侧选择一个端口为功率平衡端口，其有功功率控制方式为定高压直流母线控制，用以维持能量路由器内部高压直流母线电压；内部中压直流母线电压通过隔离变换器采用定直流电压控制保证其大小在可接受范围内。

5.如权利要求1所述的一种含能量路由器的交直流网络潮流模型，其特征是：建立含有能量路由器的交直流网络统一潮流计算模型的具体过程包括：

根据交直流网络节点数和连接的能量路由器数量，确定交直流混合网络状态变量和对应的功率平衡方程；

分别列写交流和直流网络潮流方程，将能量路由器各端口视为等效负荷，构建各节点的功率平衡方程；

根据交流端口控制方程列写能量路由器控制方程，形成统一潮流计算模型。

6.如权利要求1所述的一种含能量路由器的交直流网络潮流模型，其特征是：结合交替求解法和统一潮流法的优势，采用改进的统一潮流求解法求解网络潮流，对于能量路由器的交流端口，用给定控制量的有功和无功期望值代替有功功率和无功功率的实际值，代入到交流网络潮流方程；

对于直流端口，将给定控制量的期望值代替实际值代入到直流网络方程；

根据交直流网络功率平衡方程列写统一的雅克比矩阵，通过牛顿法迭代求解网络潮流解。

Images