CN108808715A - 考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑直流网络故障功率协调分配策略的多端柔直系统静态安全分析方法，针对多端柔性交直流混联系统，建立考虑控制模式的稳态潮流计算模型；根据多端柔直系统运行模式，构建直流系统预想故障集，优先考虑换流站内极间转代，兼顾换流站间功率协调策略，实现直流网络功率再调整，维持直流电压稳定；根据基态潮流结果，采用直流过滤法，构建交流系统严重预想故障集；基于交替迭代的交直流潮流算法，计及交流电网机组、负荷一次调频特性，分析交流故障或直流故障对交直流混合系统的相互影响，校核交直流系统设备越限重载情况，为交直流系统潜在安全风险分析进行预警。

Description

考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化调度技术领域，尤其涉及一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法。

背景技术

随着风电、太阳能等可再生清洁能源快速发展，基于VSC的多端柔性直流输电技术成为解决分布式新能源并网及消纳问题的有效技术手段，在新能源多点汇集并网、无源网络供电、大型城市直流配电等领域具有广阔应用前景。随着直流输电工程逐渐增多，传统电网将处于更加复杂的运行状态，网络拓扑结构日益复杂。调度应用系统在多端柔直系统广泛投运后对交直流混联系统的安全风险分析功能需求正急剧增长，需要在常规交流网络模型基础上进一步统筹考虑交直流网络故障运行调度之间的相互影响。目前，国内外关注热点主要集中于适用不同场景的柔性直流模型及控制模式技术研究和侧重于新能源互联汇集的柔直应用研究，较少在调度层面上对柔性交直流互联系统的N-1潜在安全分析进行探讨研究。现有调度系统在柔直建模、柔直潮流计算、柔直在线安全分析的实际运用还处于应用研究阶段。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，在原有交流系统静态安全分析计算框架基础上，采用预想交直流故障扫描技术，考虑换流站内极间转代及换流站间功率分摊，有效融合直流网络潮流计算、换流站站控和极控功率协调策略及交流电网发电机、负荷一次调频特性潮流计算，适用于分析交流故障或直流故障对交直流混合系统的相互性影响，使得扫描分析结果更加接近于实际运行状态，校核交直流系统设备越限重载情况，对交直流混联电网的潜在安全风险进行预警。

为了解决上述问题，本发明提供了一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，包括以下步骤：

S1，设定换流站控制模式，基于交直流交替迭代算法进行基态潮流计算；

S2，基于基态潮流计算结果，构建直流预想故障集，基于换流极功率控制和换流站功率控制协调实现直流网络故障后功率再分配计算；

S3，基于基态潮流计算结果，构建交流预想故障集，采用直流潮流算法过滤无害故障；

S4，采用交直流交替解耦迭代潮流算法依次遍历直流预想故障集和交流预想故障集，校核交直流系统设备越限重载，分析交直流电网故障的相互影响。

步骤S1具体包括：

(1-1)、读入各换流站控制模式及相应功率和电压参考系数，在换流站边界交流母线侧将交直流系统解耦，设定换流站交流母线节点类型及潮流计算功率和电压初值；

受端换流站采用直流电压功率下垂控制模式实现多个换流站共同维持直流系统电压稳定、功率平衡，直流电压功率下垂控制模型为式(1)：

K_p(P_ref-P_dc)+K_u(U_ref-U_dc)＝0 (1)

其中，K_p、K_u为下垂控制器的斜率系数，K_p和K_u分别为下垂控制器的功率控制系数和直流电压控制系数；P_ref为功率参考值；P_dc为控制器输出直流功率；U_ref为直流电压参考值；U_dc为控制器输出直流电压；

(1-2)采用交直流交替迭代算法分别对交流系统、直流系统进行潮流计算，对边界母线电压及注入功率进行修正，直至满足交替迭代收敛判据。

步骤S2具体包括：

(2-1)针对直流网络故障导致的大功率缺失，考虑双极直流电网极间功率灵活转代能力，实现直流网络极间功率再分配计算；

(2-2)计及换流站控制模式，考虑直流电网站间功率灵活转代能力，分别对正负极直流网络功率扰动进行功率再分配计算。

步骤(2-1)步具体包括：

正常运行方式下，换流站正负极对称运行，当前正极功率为负极功率为N-1故障运行方式下单极最大输送功率为P_N-1，当正极网络发生故障，优先考虑极间功率转代：

(2-1-1)当受限功率小于非故障极剩余功率，即非故障极全部转代，当前运行功率调整为双极总运行功率保持不变；

(2-1-2)当受限功率大于非故障极剩余功率，即造成非故障极过流直流过电压，非故障极按照N-1输送极限运行，即当前运行功率为转代功率为故障极当前功率

(2-1-3)直流线路发生故障被直流断路器断开，使环网中该极其余线路电流增大；如果直流线路超负荷，由非故障回路进行功率转代。

步骤(2-2)步，具体包括：

(2-2-1)基于换流站极间功率转代后正负极直流网络的功率波动，分别按照下垂控制器(直流电压斜率控制器)的斜率系数修改各下垂控制器的换流极功率参考值；

当多端柔性直流系统发生故障扰动，换流站在直流电压下垂控制模式下将偏离初始运行点至新稳态点，直流网络电压与功率关系为：

其中，分别为第i个下垂控制器在新稳态时的输出功率、直流电压；和分别为第i个下垂控制器的功率控制系数、直流电压控制系数、功率控制初始参考值和直流电压初始参考值；

当直流网络存在潮流时，对应于具体换流站：

其中，为第i个下垂控制器的功率调整量，即当前功率与功率参考值的功率偏差；为第i个下垂控制器当前直流电压与其参考值的电压偏差；ΔU_dc为定直流电压控制器当前直流电压与其参考值的电压偏差；D_i为第i个下垂控制器的斜率系数，且满足D_iS_i＝D_jS_j约束，S_i为第i个下垂控制器对应换流极额定容量；

当第m个换流站发生故障扰动直流系统直流电压和功率关系为：

将式(3)带入式(4)可得：

其中，S_i、Q_i为第i个下垂控制器换流极额定容量及无功功率；

(2-2-2)修正换流站功率参考，使故障后换流站按照新一轮设定参考值进行运行；

其中，和分别为第i个下垂控制器进入新稳态后的新一轮功率参考值和直流电压参考值。

步骤S4具体包括：

(4-1)按序遍历交直流N-1预想故障集，根据故障类型分别进行N-1故障模拟；对于交流故障，采用补偿注入和局部因子分解法模拟故障后节点注入和因子表；对于直流故障，采用步骤S2模拟直流网络故障后功率再分配计算结果修正换流站交流母线节点注入；

(4-2)在换流器交流节点处解耦交直流电网，将直流网络功率视作换流器交流节点注入，计算交流网络功率不平衡量，并按照系统一次调频特性将不平衡量分摊至各发电机和负荷节点；

(4-3)交流网络潮流迭代计算，判断是否满足收敛条件如果满足收敛条件，则为直流电网计算出换流器直流侧第k次迭代节点电压转入步骤(4-4)继续参与迭代，否则退出该N-1模拟计算；其中，分别为交流网络第k-1次和第k次在节点i的注入功率(包括有功功率和无功功率)；ε为收敛判断门限值；

(4-4)直流网络潮流迭代计算，判断是否满足收敛条件如果满足收敛条件，则为交流电网计算出换流器交流侧节点第k次迭代注入功率转入步骤(4-5)继续迭代计算，否则退出该N-1模拟计算，其中，分别为直流网络第k-1次和第k次在节点i的注入功率；

(4-5)交直流交替迭代收敛判定，如果满足收敛条件则进一步校核交直流系统设备越限重载情况，转入步骤(4-6)，否则转入步骤(4-3)继续交替迭代，直至满足收敛条件或者达到迭代极限，其中，为交流系统第k次迭代在节点i的注入功率(有功功率和无功功率)， 为直流系统第k次迭代在节点i的注入功率(有功功率和无功功率)；

(4-6)是否遍历完N-1预想故障集，如果是则结束本轮在线安全分析，否则，继续转入步骤(4-1)进行遍历。

本发明有益效果包括：本发明公开一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，针对多端柔性交直流混联系统，建立考虑控制模式的稳态潮流计算模型；根据多端柔直系统运行模式，构建直流系统预想故障集，优先考虑换流站内极间转代，兼顾换流站间功率协调策略，实现直流网络功率再调整，维持直流电压稳定；根据基态潮流结果，采用直流过滤法，构建交流系统严重预想故障集；基于交替迭代的交直流潮流算法，计及交流电网机组、负荷一次调频特性，分析交流故障或直流故障对交直流混合系统的相互影响，校核交直流系统设备越限重载情况，为交直流系统潜在安全风险分析进行预警；在交流系统静态安全分析计算框架基础上，提出了考虑直流网络故障的多端柔直系统静态安全分析方法，使得扫描分析结果更加接近于实际运行状态，能够适用于调度系统在线计算需求；

本发明针对直流网络故障，考虑了换流站内正负极极间转代和换流站间功率再分配协调策略，通过适当简化，能够在工程应用上满足直流系统故障后稳态点计算需求；从N-1在线安全分析层面去分析交流系统或直流系统故障情况下的相互影响，为调度运行人员进行电网安全风险控制提供重要参考依据。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的目的在于提出一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，针对多端柔性交直流混联系统，建立考虑控制模式的稳态潮流计算模型；根据多端柔直系统运行模式，构建直流系统预想故障集，优先考虑换流站内极间转代，兼顾换流站间功率协调策略，实现直流网络功率再调整，维持直流电压稳定；根据基态潮流结果，采用直流过滤法，构建交流系统严重预想故障集；基于交替迭代的交直流潮流算法，计及交流电网机组、负荷一次调频特性，分析交流故障或直流故障对交直流混合系统的相互影响，校核交直流系统设备越限重载情况，为交直流系统潜在安全风险分析进行预警。

下面结合附图1对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，包括以下步骤：

S1，设定换流站控制模式，基于交直流交替迭代算法进行基态潮流计算；

S2，基于基态潮流计算结果，构建直流预想故障集，基于换流极功率控制和换流站功率控制协调实现直流网络故障后功率再分配计算；

S3，基于基态潮流计算结果，构建交流预想故障集，采用直流潮流算法过滤无害故障，避免不必要的潮流计算，加快预想故障分析速度；

S4，采用交直流交替解耦迭代潮流算法依次遍历直流预想故障集和交流预想故障集，校核交直流系统设备越限重载情况，分析交直流电网故障的相互影响。

步骤S1具体包括：

(1-1)、读入各换流站控制模式及其相应功率、电压参考系数，在换流站边界交流母线侧将交直流系统解耦，设定换流站交流侧母线节点类型及潮流计算功率、电压初值；

换流站控制模式包括：有功功率控制模式(包括定有功功率控制、定直流电压控制、直流电压功率下垂控制)、无功功率控制模式(包括定无功功率控制、定交流母线电压控制)。

根据换流站有功、无功控制模式组合方式将换流站交流侧母线节点分别设定为PQ节点或者PV节点，并根据各换流站控制模式的参考值设定换流站交流侧母线PQ、PV节点的功率和电压初值。

受端换流站采用直流电压功率下垂控制模式实现多个换流站共同维持直流系统电压稳定、功率平衡，以此弥补只采用一个定直流电压换流站作为主站进行稳定控制的缺陷，是一个相对合理的控制方案。直流电压功率下垂控制模型为式(1)：

K_p(P_ref-P_dc)+K_u(U_ref-U_dc)＝0 (1)

其中，K_p、K_u为下垂控制器(直流电压斜率控制器)的比例系数，K_p和K_u分别为下垂控制器(直流电压斜率控制器)的功率控制系数和直流电压控制系数；P_ref为功率控制参考值；P_dc为控制器输出直流功率；U_ref为直流电压参考值；U_dc为控制器输出直流电压。

(1-2)采用交直流交替迭代算法分别对交流系统、直流系统进行潮流计算，对边界母线电压及注入功率进行修正，直至满足交替迭代收敛判据，为静态安全分析扫描计算提供一个收敛可用的潮流数据断面。

步骤S2具体包括：

直流网络预想故障考虑直流线路N-1、换流站单极闭锁、换流站双极闭锁；

新能源换流站在孤岛联网模式下，作为直流网络的送端换流站，N-1故障下仅考虑同站极间功率转代；受端换流站与交流电网并网运行，N-1故障下考虑同站极间功率转代和基于下垂控制模式的站间功率协调，功率协调具体步骤为：

(2-1)针对直流网络故障导致的大功率缺失，考虑双极直流电网极间功率灵活转代能力，实现直流网络极间功率再分配计算；

(2-2)计及换流站控制模式，考虑直流电网站间功率灵活转代能力，分别对正负极直流网络功率扰动进行功率再分配计算。

步骤(2-1)步具体包括：

正常运行方式下，换流站正负极对称运行，当前正极功率为负极功率为N-1故障运行方式下单极最大输送功率为P_N-1，假定正极网络发生故障，则优先考虑极间功率转代：

(2-1-1)当受限功率小于非故障极剩余功率，即非故障极全部转代，当前运行功率调整为双极总运行功率保持不变；

(2-1-2)当受限功率大于非故障极剩余功率，即造成非故障极过流直流过电压，非故障极按照N-1输送极限运行，即当前运行功率为转代功率为故障极当前功率

(2-1-3)直流线路发生故障被直流断路器断开，使环网中该极其余线路电流增大；如果直流线路超负荷，由非故障回路进行功率转代。

步骤(2-2)步，具体包括：

(2-2-1)基于换流站极间功率转代后正负极直流网络的功率波动，分别按照下垂控制器的斜率系数修改各下垂控制器的换流极功率参考值；

当多端柔性直流系统发生故障扰动，换流站在直流电压下垂控制模式下将偏离初始运行点至新稳态点，直流网络电压与功率关系为：

其中，分别为第i个下垂控制器在新稳态时的输出功率、直流电压；和分别为第i个下垂控制器的功率控制系数、直流电压控制系数、功率控制初始参考值和直流电压初始参考值。

当直流网络存在潮流时，各端换流极直流电压由于直流线路压降而略有差异，但差异较小，一般与定直流电压换流极出口直流电压相近，忽略各换流极直流电压波动差异，对应于具体换流站：

其中，为第i个下垂控制器(下垂控制器)的功率调整量，即当前功率与功率参考值的功率偏差；为第i个下垂控制器当前直流电压与其参考值的电压偏差；ΔU_dc为定直流电压控制器当前直流电压与其参考值的电压偏差；D_i为第i个下垂控制器的斜率系数，且满足D_iS_i＝D_jS_j约束，S_i为第i个下垂控制器对应换流极额定容量；

假定，第m个换流站发生故障扰动直流系统直流电压和功率关系为：

将式(3)带入式(4)可得：

其中，S_i为第i个下垂控制器换流极额定容量，Q_i为第i个下垂控制器换流极无功功率；

(2-2-2)修正换流站功率参考，使故障后换流站按照新一轮设定参考值进行运行；

其中，和分别为第i个控制器进入新稳态后的新一轮功率参考值和直流电压参考值。

步骤S4具体包括：

(4-1)按序遍历交直流N-1预想故障集，根据故障类型分别进行N-1故障模拟；对于交流故障，采用补偿注入和局部因子分解法模拟故障后节点注入和因子表；对于直流故障，采用步骤S2模拟直流网络故障后功率再分配计算结果修正换流站交流母线节点注入；

(4-2)在换流器交流节点处解耦交直流电网，将直流网络功率视作换流器交流节点注入，计算交流网络功率不平衡量，并按照系统一次调频特性将不平衡量分摊至各发电机和负荷节点；

(4-3)交流网络潮流迭代计算，判断是否满足收敛条件如果是，则进一步为直流电网计算出换流器直流侧第k次迭代节点电压转入步骤(4-4)继续参与迭代，否则退出该N-1模拟计算；其中，分别为交流网络第k-1次和第k次在节点i的注入功率(包括有功功率和无功功率)；ε为收敛判断门限值，取值为0.001～0.01；

(4-4)直流网络潮流迭代计算，判断是否满足收敛条件如果满足收敛条件，则进一步为交流电网计算出换流器交流侧节点第k次迭代注入功率转入步骤(4-5)继续迭代计算，否则退出该N-1模拟计算，其中，分别为直流网络第k-1次和第k次在节点i的注入功率；

(4-5)交直流交替迭代收敛判定，如果满足收敛条件则进一步校核交直流系统设备越限重载情况、计算故障扰动后电网频率变化趋势，并转入步骤(4-6)，否则转入步骤(4-3)继续交替迭代，直至满足收敛条件或者达到迭代极限，其中，为交流系统第k次迭代在节点i的注入功率(有功功率和无功功率)，为直流系统第k次迭代在节点i的注入功率(有功功率和无功功率)；

(4-6)是否遍历完N-1预想故障集，如果是则结束本轮在线安全分析，否则，继续转入步骤(4-1)进行遍历。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，设定换流站控制模式，基于交直流交替迭代算法进行基态潮流计算；

S2，基于基态潮流计算结果，构建直流预想故障集，基于换流极功率控制和换流站功率控制协调实现直流网络故障后功率再分配计算；

S3，基于基态潮流计算结果，构建交流预想故障集，采用直流潮流算法过滤无害故障；

S4，采用交直流交替解耦迭代潮流算法依次遍历直流预想故障集和交流预想故障集，校核交直流系统设备越限重载，分析交直流电网故障的相互影响。

2.根据权利要求1所述的一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

(1-1)、读入各换流站控制模式及相应功率和电压参考系数，在换流站边界交流母线侧将交直流系统解耦，设定换流站交流母线节点类型及潮流计算功率和电压初值；

受端换流站采用直流电压功率下垂控制模式实现多个换流站共同维持直流系统电压稳定、功率平衡，直流电压功率下垂控制模型为式(1)：

K_p(P_ref-P_dc)+K_u(U_ref-U_dc)＝0 (1)

其中，K_p和K_u分别为下垂控制器的功率控制系数和直流电压控制系数；P_ref为功率参考值；P_dc为控制器输出直流功率；U_ref为直流电压参考值；U_dc为控制器输出直流电压；

(1-2)采用交直流交替迭代算法分别对交流系统、直流系统进行潮流计算，对边界母线电压及注入功率进行修正，直至满足交替迭代收敛判据。

3.根据权利要求1所述的一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

(2-1)针对直流网络故障导致的大功率缺失，考虑双极直流电网极间功率灵活转代能力，实现直流网络极间功率再分配计算；

(2-2)计及换流站控制模式，考虑直流电网站间功率灵活转代能力，分别对正负极直流网络功率扰动进行功率再分配计算。

4.根据权利要求3所述的一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，其特征在于，所述步骤(2-1)步具体包括：

正常运行方式下，换流站正负极对称运行，当前正极功率为负极功率为N-1故障运行方式下单极最大输送功率为P_N-1，当正极网络发生故障，优先考虑极间功率转代：

(2-1-1)当受限功率小于非故障极剩余功率，即非故障极全部转代，当前运行功率调整为双极总运行功率保持不变；

(2-1-2)当受限功率大于非故障极剩余功率，即造成非故障极过流直流过电压，非故障极按照N-1输送极限运行，即当前运行功率为转代功率为故障极当前功率

(2-1-3)直流线路发生故障被直流断路器断开，使环网中该极其余线路电流增大；如果直流线路超负荷，由非故障回路进行功率转代。

5.根据权利要求3所述的一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，其特征在于，所述步骤(2-2)步，具体包括：

(2-2-1)基于换流站极间功率转代后正负极直流网络的功率波动，分别按照下垂控制器(直流电压斜率控制器)的斜率系数修改各下垂控制器的换流极功率参考值；

当多端柔性直流系统发生故障扰动，换流站在直流电压下垂控制模式下将偏离初始运行点至新稳态点，直流网络电压与功率关系为：

其中，分别为第i个下垂控制器在新稳态时的输出功率、直流电压；和分别为第i个下垂控制器的功率控制系数、直流电压控制系数、功率控制初始参考值和直流电压初始参考值；

当直流网络存在潮流时，对应于具体换流站：

其中，为第i个下垂控制器的功率调整量，即当前功率与功率参考值的功率偏差；为第i个下垂控制器当前直流电压与其参考值的电压偏差；ΔU_dc为定直流电压控制器当前直流电压与其参考值的电压偏差；D_i为第i个下垂控制器的斜率系数，且满足D_iS_i＝D_jS_j约束，S_i为第i个下垂控制器对应换流极额定容量；

当第m个换流站发生故障扰动直流系统直流电压和功率关系为：

将式(3)带入式(4)可得：

其中，S_i、Q_i为第i个下垂控制器换流极额定容量及无功功率；

(2-2-2)修正换流站功率参考，使故障后换流站按照新一轮设定参考值进行运行；

其中，和分别为第i个下垂控制器进入新稳态后的新一轮功率参考值和直流电压参考值。

6.根据权利要求1所述的一种考虑直流网络故障功率的多端柔直系统静态安全分析方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

(4-1)按序遍历交直流N-1预想故障集，根据故障类型分别进行N-1故障模拟；对于交流故障，采用补偿注入和局部因子分解法模拟故障后节点注入和因子表；对于直流故障，采用步骤S2模拟直流网络故障后功率再分配计算结果修正换流站交流母线节点注入；

(4-2)在换流器交流节点处解耦交直流电网，将直流网络功率视作换流器交流节点注入，计算交流网络功率不平衡量，并按照系统一次调频特性将不平衡量分摊至各发电机和负荷节点；

(4-3)交流网络潮流迭代计算，判断是否满足收敛条件如果满足收敛条件，则为直流电网计算出换流器直流侧第k次迭代节点电压转入步骤(4-4)继续参与迭代，否则退出该N-1模拟计算；其中，分别为交流网络第k-1次和第k次在节点i的注入功率；ε为收敛判断门限值；

(4-4)直流网络潮流迭代计算，判断是否满足收敛条件如果满足收敛条件，则为交流电网计算出换流器交流侧节点第k次迭代注入功率转入步骤(4-5)继续迭代计算，否则退出该N-1模拟计算，其中，分别为直流网络第k-1次和第k次在节点i的注入功率；

(4-5)交直流交替迭代收敛判定，如果满足收敛条件则进一步校核交直流系统设备越限重载情况，转入步骤(4-6)，否则转入步骤(4-3)继续交替迭代，直至满足收敛条件或者达到迭代极限，其中，为交流系统第k次迭代在节点i的注入功率，为直流系统第k次迭代在节点i的注入功率，注入功率包括有功功率和无功功率；

(4-6)是否遍历完N-1预想故障集，如果是则结束本轮在线安全分析，否则，继续转入步骤(4-1)进行遍历。