CN108832649B - 基于运行点优化的真双极柔性直流电网协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统保护与控制领域，为实现监控系统运行状态、进行运行点优化计算并向各换流站发送正、负极换流阀的控制指令。为此，本发明，基于运行点优化的真双极柔性直流电网协调控制方法，适用对象为真双极柔性直流电网，控制策略是，各换流站的正、负极换流阀均进行独立控制，对于与交流电网相连的换流站，其正、负极换流阀进行下垂控制；对于与新能源发电系统或无源网络相连的换流站，选定一极换流阀进行定交流电压控制，另一极进行定功率控制，设置站间协调控制系统，利用该系统监控系统运行状态、进行运行点优化计算并向各换流站发送正、负极换流阀的控制指令。本发明主要应用于电力系统保护与控制场合。

Description

基于运行点优化的真双极柔性直流电网协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护与控制领域，尤其涉及柔性直流输电系统的协调控制技术，特别是涉及真双极柔性直流电网的协调控制策略。

背景技术

由组合式电压源型换流器构成的真双极柔性直流电网可以实现大规模可再生能源的高效接入，提供适应性更强的电能接纳和传输方式，是推进能源结构转型和实现大范围能源互联的重要手段。科学合理的的协调控制策略是实现真双极柔性直流电网安全、可靠、经济运行的关键。

目前，相关领域的国内外研究团队从提高系统安全性和可靠性出发，针对采用伪双极接线的柔性直流输电系统的协调控制策略进行了深入研究。真双极系统的控制更为灵活，需要从系统的安全性、可靠性和经济性出发，对其协调控制策略进行深入研究。由于目前真双极柔性直流电网的研究和示范刚刚起步，专门针对真双极柔性直流电网协调控制策略的研究成果还比较匮乏，综合考虑系统安全可靠性及经济性的真双极柔性直流电网细条控制策略具有重要的研究及应用价值。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出真双极柔性直流电网协调控制方法，实现监控系统运行状态、进行运行点优化计算并向各换流站发送正、负极换流阀的控制指令。为此，本发明采用的技术方案是，基于运行点优化的真双极柔性直流电网协调控制方法，适用对象为真双极柔性直流电网，其包括直流线路和换流站，所述的直流线路共包含三层：正极线路层、金属回线层和负极线路层，所述的换流站由电压源型换流器串联构成，其中正极换流阀的正极出线接入正极线路层，负极换流阀的负极出线接入负极线路层，正极换流阀的负极出线与负极换流阀的正极出线相连接入金属回线层，换流站通过换流变压器与交流系统相连，所述的交流系统包括交流电网、新能源发电系统、无源网络；控制策略是，各换流站的正、负极换流阀均进行独立控制，对于与交流电网相连的换流站，其正、负极换流阀进行下垂控制；对于与新能源发电系统或无源网络相连的换流站，选定一极换流阀进行定交流电压控制，另一极进行定功率控制，设置站间协调控制系统，利用该系统监控系统运行状态、进行运行点优化计算并向各换流站发送正、负极换流阀的控制指令。

运行点指各端换流站正、负极换流阀的直流侧电压及由交流系统向正、负极换流阀输送的有功功率，运行点优化指基于当前时刻系统运行状态，以系统有功功率损耗最低为目标，计算得出站间协调控制系统需要下发的控制指令，运行点的优化问题转化为以极换流阀控制器的输入参考值为控制变量，该最优化问题的目标函数及约束条件如下：

目标函数：

式中，V表示连接新能源发电系统及无源网络的换流站的集合，D表示连接交流电网的换流站的集合，其中P_i ^p表示正极换流阀的有功功率参考值，P_i ⁿ表示负极换流阀的有功功率参考值；

等式约束1：

式中，

表示换流站i正极线路的电压，

表示换流站i中性极线路的电压，

表示换流站i负极线路的电压，

分别表示换流站i中正、负极换流阀的功率损耗，

表示正极层节点导纳矩阵中的元素，

表示负极层节点导纳矩阵中的元素，各层网络节点导纳矩阵求解方法为：

式中，

表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导，由直流网络拓扑结构、线路参数及当前各直流断路器状态得出，当某条线路两端直流断路器均闭合时，该条线路所连接两个换流站之间的电导与线路参数相等，当某一端直流断路器断开或两端断路器均断开时，两个换流站之间的电导设置为0；

等式约束2：

P_i ^p+P_i ⁿ＝P_i(t)i∈V

式中，P_i(t)表示连接新能源发电系统或无源网络的换流站i在当前自然条件下要输出的有功功率。当连接新能源发电系统时，其值为正；连接无源网络时，其值为负；

等式约束3：

式中，G表示所有中性点接地换流站的集合；

等式约束4：

式中，

表示回线层节点导纳矩阵中的元素；

等式约束5：

式中，P_{loss_line}表示直流电网线路损耗，P_{loss_vscs}表示直流电网换流站损耗，其中线路损耗进一步表示为：

换流站损耗可表示为：

式中，

具体表达式如下：

式中，a_i、b_i、c_i分别为用多项式拟合的方法评估换流站i功率损耗的二次项系数、一次项系数及常数项系数，其值由实验拟合得出，

分别表示由交流系统输送到换流站i正、负极换流阀的无功功率，

分别表示换流站i正、负极换流阀的交流侧电压；

不等式约束1：

式中，

分别表示正、负极换流阀接收交流系统有功功率的上限，其值可根据换流阀的稳态运行范围及交流系统的无功需求确定；

不等式约束2：

式中，

分别表示正极层网络节点电压的上限和下限；

分别表示负极层网络节点电压的上限和下限；

不等式约束3：

式中，

分别表示正极层线路、回线层线路极负极层线路对应的长期允许载流量；

根据运行点优化计算结果，将连接新能源发电系统或无源网络的换流站中进行定功率控制的极换流阀的有功功率参考值设定为优化结果中对应的计算值，将各下垂控制换流站的有功功率及直流电压参考值设定为对应的计算值，系统即可运行于求解得出的最优点。

本发明的特点及有益效果是：

1.系统正常运行时，本文提出的协调控制策略一方面能够优化直流电网功率分配，提高系统经济性；另一方面能够保证各下垂控制换流站的直流电压及输出有功功率准确跟踪其参考值。

2.直流线路发生故障后，协调控制系统能够识别网络拓扑结构的变化并下发相应控制指令，在保证各段线路电流低于其长期允许载流量的前提下优化直流电网的功率分配，同时提高系统运行的安全性和经济性。

附图说明：

图1是真双极柔性直流电网典型结构。

图2是真双极柔性直流电网协调控制策略。

具体实施方式

本发明提出一种基于运行点优化的真双极柔性直流电网协调控制策略。在真双极柔性直流电网中，各换流站的正、负极换流阀均进行独立控制。对于与交流电网相连的换流站，其正、负极换流阀进行下垂控制；对于与新能源发电系统或无源网络相连的换流站，选定一极换流阀进行定交流电压控制，另一极进行定功率控制。在此基础上设置站间协调控制系统，其功能为监控系统运行状态、进行运行点优化计算并向各换流站发送正、负极换流阀的控制指令。

本发明适用对象为真双极柔性直流电网，其包括直流线路和换流站。所述的直流线路共包含三层：正极线路层、金属回线层和负极线路层。所述的换流站由电压源型换流器串联构成，其中正极换流阀的正极出线接入正极线路层，负极换流阀的负极出线接入负极线路层，正极换流阀的负极出线与负极换流阀的正极出线相连接入金属回线层。换流站通过换流变压器与交流系统相连，所述的交流系统包括交流电网、新能源发电系统、无源网络。

本发明技术方案如下：

一、正、负极换流阀均配备独立的控制系统，根据所连接交流系统类型，各换流站正、负极换流阀采取相应的控制策略。

若换流站连接新能源发电系统或无源网络，选定某一极换流阀进行定交流电压控制，以维持换流站交流侧电压恒定，定交流电压控制器的输入参数根据交流系统需求进行设定。另外一极换流阀进行定功率控制，以调整正、负极换流阀之间功率的分配。有功功率控制器的输入参数为由交流系统输送到该极换流阀的有功功率实际值和参考值，无功功率控制器的输入参数为由交流系统输送到该极换流阀的无功功率实际值和参考值，有功功率参考值由站间协调控制系统根据当前系统运行状态进行优化计算后给出，无功功率参考值由站间协调控制系统根据该换流站所连接交流系统的无功需求给出。

对于连接交流电网的换流站，其正、负极换流阀均进行独立的下垂控制。下垂控制器的输入参数包括下垂系数、有功功率参考值和实际值、直流电压的参考值和实际值。下垂系数根据各换流站额定容量按比例进行设定，以保证无通讯情况下系统运行状态变化时各下垂控制换流站能按其容量调整功率输出/输入。有功功率参考值和直流电压参考值均由站间协调控制系统根据当前运行状态进行优化计算后给出。无功功率控制方面，正、负极换流阀均进行独立的定无功功率控制，参考值由站间协调控制系统根据该换流站所连接交流系统的无功需求给出。

二、设置站间协调控制系统，其功能为：1.监控系统运行状态。2.运行点优化并下发控制指令。

系统运行状态包括：(1)各换流站正、负极换流阀的交流侧电压、电流；(2)各换流站正、负极换流阀的直流侧电压、电流；(3)新能源发电系统当前发出的最大功率；(4)无源网络当前的用电需求；(5)各换流站所连接交流系统当前的无功需求；(6)直流电网拓扑结构及线路参数；(7)直流电网中所有高压直流断路器的动作情况。

运行点指各端换流站正、负极换流阀的直流侧电压及由交流系统向正、负极换流阀输送的有功功率。运行点优化指基于当前时刻系统运行状态，以系统有功功率损耗最低为目标，计算得出站间协调控制系统需要下发的控制指令。运行点的优化问题可转化为以极换流阀控制器的输入参考值为控制变量，以提高直流电网运行的经济性为目标，以系统内各设备安全、稳定运行为约束的最优化问题，该最优化问题的目标函数及约束条件如下：

目标函数：

式中，V表示连接新能源发电系统及无源网络的换流站的集合，D表示连接交流电网的换流站的集合。其中P_i ^p表示正极换流阀的有功功率参考值，P_i ⁿ表示负极换流阀的有功功率参考值。

等式约束1：

式中，

表示换流站i正极线路的电压，

表示换流站i中性极线路的电压，

表示换流站i负极线路的电压，

分别表示换流站i中正、负极换流阀的功率损耗，其具体表达式见等式约束5。

表示正极层节点导纳矩阵中的元素，

表示负极层节点导纳矩阵中的元素，各层网络节点导纳矩阵求解方法为：

式中，

表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导，由直流网络拓扑结构、线路参数及当前各直流断路器状态得出。当某条线路两端直流断路器均闭合时，该条线路所连接两个换流站之间的电导与线路参数相等，当某一端直流断路器断开或两端断路器均断开时，两个换流站之间的电导设置为0。

等式约束2：

P_i ^p+P_i ⁿ＝P_i(t)i∈V

式中，P_i(t)表示连接新能源发电系统或无源网络的换流站i在当前自然条件下要输出的有功功率。当连接新能源发电系统时，其值为正；连接无源网络时，其值为负。

等式约束3：

式中，G表示所有中性点接地换流站的集合。

等式约束4：

式中，

表示回线层节点导纳矩阵中的元素；

等式约束5：

式中，P_{loss_line}表示直流电网线路损耗，P_{loss_vscs}表示直流电网换流站损耗。其中线路损耗可进一步表示为：

换流站损耗可表示为：

式中，

具体表达式如下：

式中，a_i、b_i、c_i分别为用多项式拟合的方法评估换流站i功率损耗的二次项系数、一次项系数及常数项系数，其值可由实验拟合得出。

分别表示由交流系统输送到换流站i正、负极换流阀的无功功率。

分别表示换流站i正、负极换流阀的交流侧电压。

不等式约束1：

式中，

分别表示正、负极换流阀接收交流系统有功功率的上限，其值可根据换流阀的稳态运行范围及交流系统的无功需求确定。

不等式约束2：

式中，

分别表示正极层网络节点电压的上限和下限；

分别表示负极层网络节点电压的上限和下限。

不等式约束3：

式中，

分别表示正极层线路、回线层线路极负极层线路对应的长期允许载流量。

根据运行点优化计算结果，将连接新能源发电系统或无源网络的换流站中进行定功率控制的极换流阀的有功功率参考值设定为优化结果中对应的计算值，将各下垂控制换流站的有功功率及直流电压参考值设定为对应的计算值，系统即可运行于求解得出的最优点。

下面通过具体实施例，来详细说明本发明的技术方案：

图1为用单线图表示的真双极柔性直流电网的典型结构，具体换流站形式在图的右侧详细说明。直流线路共包含三层：正极线路层、金属回线层和负极线路层。各端换流站的正、负极换流阀均为电压源型换流器，其中正极换流阀的正极出线接入正极线路层，负极换流阀的负极出线接入负极线路层，正极换流阀的负极出线与负极换流阀的正极出线相连接入金属回线层。为了固定直流侧各种设备的对地电位，选择换流站5的中性点接地。换流站1连接的交流系统为无源网络，换流站2、3连接的交流系统均为风力发电站，换流站4-6连接的交流系统为交流电网。

各换流站正、负极换流阀配备独立的控制系统，采取的具体站级控制策略如下：

对于连接无源网络的换流站1及连接风力发电站的换流站2、3，选定某一极换流阀进行定交流电压控制，以维持换流站交流侧电压恒定，定交流电压控制器的输入参数根据交流系统需求进行设定。另外一极换流阀进行定功率控制，以调整正、负极换流阀之间功率的分配。有功功率控制器的输入参数为由交流系统输送到该极换流阀的有功功率实际值和参考值，无功功率控制器的输入参数为由交流系统输送到该极换流阀的无功功率实际值和参考值，有功功率参考值由站间协调控制系统根据当前系统运行状态进行优化计算后给出，无功功率参考值由站间协调控制系统根据该换流站所连接交流系统的无功需求给出。

对于连接交流电网的换流站4-6，其正、负极换流阀均进行独立的下垂控制。下垂控制器的输入参数包括下垂系数、有功功率参考值和实际值、直流电压的参考值和实际值。下垂系数根据各换流站额定容量按比例进行设定，以保证无通讯情况下系统运行状态变化时各下垂控制换流站能按其容量调整功率输出/输入。有功功率参考值和直流电压参考值均由站间协调控制系统根据当前运行状态进行优化计算后给出。无功功率控制方面，正、负极换流阀均进行独立的定无功功率控制，参考值由站间协调控制系统根据该换流站所连接交流系统的无功需求给出。

设置站间协调控制系统，其功能为：1.监控系统运行状态。2.运行点优化并下发控制指令。其与各换流站正、负极换流阀的控制器协调配合，实现真双极柔性直流电网的协调控制，如图2所示。图中S1表示交流电网，S2表示新能源发电系统或无源网络，Q_Ctrl为无功功率控制器。

站间协调控制系统监控的系统运行状态包括：(1)各换流站正、负极换流阀的交流侧电压、电流；(2)各换流站正、负极换流阀的直流侧电压、电流；(3)新能源发电系统当前发出的最大功率；(4)无源网络当前的用电需求；(5)各换流站所连接交流系统当前的无功需求；(6)直流电网拓扑结构；(7)直流电网中所有高压直流断路器的动作情况。

站间协调控制系统的运行点优化计算流程为：

1.由图2中系统监视模块导入系统结构参数及运行状态。如果某段线路发生故障导致其一端或两端断路器断开时，调整故障段线路电导为0。

2.输入如下目标函数及约束条件。

目标函数：

式中，V表示连接新能源发电系统及无源网络的换流站的集合，本例中V指由换流站1-3构成的集合。D表示连接交流电网的换流站的集合，本例中D指由换流站4-6构成的集合。其中P_i ^p表示正极换流阀的有功功率参考值，P_i ⁿ表示负极换流阀的有功功率参考值。

等式约束1：

式中，

表示换流站i正极线路的电压，

表示换流站i中性极线路的电压，

表示换流站i负极线路的电压，

分别表示换流站i中正、负极换流阀的功率损耗，其具体表达式见等式约束5。

表示正极层节点导纳矩阵中的元素，

表示负极层节点导纳矩阵中的元素，各层网络节点导纳矩阵求解方法为：

式中，

表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导，由直流网络拓扑结构、线路参数及当前各直流断路器状态得出。当某条线路两端直流断路器均闭合时，该条线路所连接两个换流站之间的电导与线路参数相等，当某一端直流断路器断开或两端断路器均断开时，两个换流站之间的电导设置为0。

等式约束2：

P_i ^p+P_i ⁿ＝P_i(t)i∈V

式中，P_i(t)表示连接新能源发电系统或无源网络的换流站i在当前自然条件下要输出的有功功率。当连接新能源发电系统时，其值为正；连接无源网络时，其值为负。

等式约束3：

式中，G表示所有中性点接地换流站的集合，本例中G指由换流站5构成的集合。

等式约束4：

等式约束5：

式中，P_{loss_line}表示直流电网线路损耗，P_{loss_vscs}表示直流电网换流站损耗。其中线路损耗可进一步表示为：

换流站损耗可表示为：

式中，

具体表达式如下：

式中，a_i、b_i、c_i分别为用多项式拟合的方法评估换流站i功率损耗的二次项系数、一次项系数及常数项系数，其值可由实验拟合得出。

分别表示由交流系统输送到换流站i正、负极换流阀的无功功率。

分别表示换流站i正、负极换流阀的交流侧电压。

不等式约束1：

式中，

分别表示正、负极换流阀接收交流系统有功功率的上限，其值可根据换流阀的稳态运行范围及交流系统的无功需求确定。

不等式约束2：

式中，

分别表示正极层网络节点电压的上限和下限；

分别表示负极层网络节点电压的上限和下限。

不等式约束3：

式中，

分别表示正极层线路、回线层线路极负极层线路对应的长期允许载流量。

将目标函数、等式约束1-5、不等式约束1-3依次输入到预处理程序中，调用非线性规划工具进行全局寻优。

3.输出最优运行点。根据优化结果，将连接新能源发电系统或无源网络的换流站中进行定功率控制的极换流阀的有功功率参考值设定为优化结果中对应的计算值，将各下垂控制换流站的有功功率及直流电压参考值设定为对应的计算值，系统即可运行于求解得出的最优点。

Claims (1)

1.一种基于运行点优化的真双极柔性直流电网协调控制方法，其特征是，适用对象为真双极柔性直流电网，其包括直流线路和换流站，所述的直流线路共包含三层：正极线路层、金属回线层和负极线路层，所述的换流站由电压源型换流器串联构成，其中正极换流阀的正极出线接入正极线路层，负极换流阀的负极出线接入负极线路层，正极换流阀的负极出线与负极换流阀的正极出线相连接入金属回线层，换流站通过换流变压器与交流系统相连，所述的交流系统包括交流电网、新能源发电系统、无源网络；控制策略是，各换流站的正、负极换流阀均进行独立控制，对于与交流电网相连的换流站，其正、负极换流阀进行下垂控制；对于与新能源发电系统或无源网络相连的换流站，选定一极换流阀进行定交流电压控制，另一极进行定功率控制，设置站间协调控制系统，利用该系统监控系统运行状态、进行运行点优化计算并向各换流站发送正、负极换流阀的控制指令；运行点指各端换流站正、负极换流阀的直流侧电压及由交流系统向正、负极换流阀输送的有功功率，运行点优化指基于当前时刻系统运行状态，以系统有功功率损耗最低为目标，计算得出站间协调控制系统需要下发的控制指令，运行点的优化问题转化为以极换流阀控制器的输入参考值为控制变量，该最优化问题的目标函数及约束条件如下：

目标函数：

式中，V表示连接新能源发电系统及无源网络的换流站的集合，D表示连接交流电网的换流站的集合，其中P_i ^p表示正极换流阀的有功功率参考值，P_i ⁿ表示负极换流阀的有功功率参考值；

等式约束1：

式中，

表示换流站i正极线路的电压，

表示换流站i中性极线路的电压，

表示换流站i负极线路的电压，

分别表示换流站i中正、负极换流阀的功率损耗，

表示正极层节点导纳矩阵中的元素，

表示负极层节点导纳矩阵中的元素，各层网络节点导纳矩阵求解方法为：

式中，

表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导，由直流网络拓扑结构、线路参数及当前各直流断路器状态得出，当某条线路两端直流断路器均闭合时，该条线路所连接两个换流站之间的电导与线路参数相等，当某一端直流断路器断开或两端断路器均断开时，两个换流站之间的电导设置为0；

等式约束2：

P_i ^p+P_i ⁿ＝P_i(t) i∈V

式中，P_i(t)表示连接新能源发电系统或无源网络的换流站i在当前自然条件下要输出的有功功率，当连接新能源发电系统时，其值为正；连接无源网络时，其值为负；

等式约束3：

式中，G表示所有中性点接地换流站的集合；

等式约束4：

式中，

表示回线层节点导纳矩阵中的元素；

等式约束5：

式中，P_{loss_line}表示直流电网线路损耗，P_{loss_vscs}表示直流电网换流站损耗，其中线路损耗进一步表示为：

换流站损耗表示为：

式中，

具体表达式如下：

式中，a_i、b_i、c_i分别为用多项式拟合的方法评估换流站i功率损耗的二次项系数、一次项系数及常数项系数，其值由实验拟合得出，

分别表示由交流系统输送到换流站i正、负极换流阀的无功功率，

分别表示换流站i正、负极换流阀的交流侧电压；

不等式约束1：

式中，

分别表示正、负极换流阀接收交流系统有功功率的上限，其值根据换流阀的稳态运行范围及交流系统的无功需求确定；

不等式约束2：

式中，

分别表示正极层网络节点电压的上限和下限；

分别表示负极层网络节点电压的上限和下限；

不等式约束3：

式中，

分别表示正极层线路、回线层线路极负极层线路对应的长期允许载流量；

根据运行点优化计算结果，将连接新能源发电系统或无源网络的换流站中进行定功率控制的极换流阀的有功功率参考值设定为优化结果中对应的计算值，将各下垂控制换流站的有功功率及直流电压参考值设定为对应的计算值，系统即可运行于求解得出的最优点。

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