CN109301856B - 一种直流分层结构建模分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流分层结构建模分析方法及系统，包括以下步骤：对直流网络求解电导矩阵，得到每两个换流器间的电阻，或者与分层结构的直流电网连接点间的电阻；分析单条线路两端存在分层结构，确定各节点间对应的电阻关系；根据得到的等效电路结构提取计算所需参数，进行潮流计算。本发明考虑到未来分层接入方式应用场合会推广，结构更加复杂，本发明所建立的模型具有普遍适用性，因而在计算机编程潮流计算中更有价值。

Description

一种直流分层结构建模分析方法及系统

技术领域

本发明涉及一种直流分层结构建模分析方法及系统。

背景技术

伴随着社会的不断发展，电力需求增加，多条高电压直流输电线路接入同一负荷中心的情形多次出现。直流输电容量不断增加，直流落点也将越来越密集，多回直流集中馈入负荷中心已经在华东电网出现。现有的单层多馈入接入方式需要交流电网接收端提供足够的无功功率维持电网稳定，同时交流电网接收端必须架设足够的线路疏散有功潮流，这都将对接收端交流电网提出巨大的挑战。为此，我国电网研究人员提出了特高压直流分层接入方式。在特高压直流分层接入方式下，直流输电逆变端同时与两个电压等级的常规交流网络相连接，根据负荷需求，实现对电网潮流的合理调控。受端电网的两个电压等级网络通过与逆变端的换流站相连，产生了新的联系，因而整个网络与原先的单层接入方式或者单层多馈入方式更加复杂。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种直流分层结构建模分析方法及系统，本发明能够克服分层接入方式结构带来的直流网络模型的特殊性，通过对分层接入方式结构进行建模，使模型更具有普适性，便于潮流计算。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

直流分层结构建模分析方法，包括以下步骤：

对直流网络求解电导矩阵，得到每两个换流器间的电阻，或者与分层结构的直流电网连接点间的电阻；

分析单条线路两端存在分层结构，确定各节点间对应的电阻关系；

根据得到的等效电路结构提取计算所需参数，进行潮流计算。

进一步的，得到直流网络每两个节点之间的阻抗，进而获得电导矩阵，用于潮流计算。

更进一步的，得到直流网络每两个节点之间的阻抗的具体过程为，将串联的换流器相关的直流节点进行复制，并将直流节点分配给在单独的复制的串联换流器组上，引入直流理想变压器给发出端来实现倍流，消去变压器组成，得到纯电阻的网络。

进一步的，利用获得的直流网络电导矩阵，形成牛顿—拉夫逊统一迭代方程，将直流网络，包括分层结构参数融入雅可比矩阵；如果需要获得直流网络非换流站节点参数，需要在潮流计算收敛后代入直流网络计算。

进一步的，分析单条线路两端存在分层结构，确定各节点间对应的电阻关系的具体过程，包括：

(1)在接收端存在分层结构的情况下，对接收端等效建模，得到等效结构；否则直接转至步骤(2)；。

(2)在发送端存在分层结构的情况下，对发送端建模；否则直接得到的等效电路结构提取计算所需参数。

进一步的，根据得到的等效电路结构提取计算所需参数，进行潮流计算的过程包括：

(a)针对分层结构节点，向电路添加理想变压器来获得更多的节点输出，消去变压器，转化为纯电阻结构；

(b)定义扩展变量，使用牛顿迭代法完成潮流计算。

进一步的，所述步骤(a)中，包括：

(i)将已有等效结构电路中靠近发送端设置一理想变压器，另外一侧为电阻，变换为纯电阻结构，获取发送端直流网络电流平衡方程；

(ii)将已有等效结构电路中靠近接收端设置一理想变压器，另外一侧为电阻，变换为纯电阻结构，获取接受端直流网络电流平衡方程。

直流分层结构建模分析系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下步骤：

对直流网络求解电导矩阵，得到每两个换流器间的电阻，或者与分层结构的直流电网连接点间的电阻；

分析单条线路两端存在分层结构，确定各节点间对应的电阻关系；

根据得到的等效电路结构提取计算所需参数，进行潮流计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过对分层结构多种存在情况的考虑下,完成了建模工作；

与目前主流的交直流混联潮流算法相契合，对原有代码改动少，有利于加快分层结构引入直流网络后相关研究的进程。

考虑到未来分层接入方式应用场合会推广，结构更加复杂，本发明所建立的模型具有普遍适用性，因而在计算机编程潮流计算中更有价值。

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是简单的分层接入直流输电结构示意；

图2是简单分层接入方式的等效电路示意；

图3是变压器结构等值电路转化示意；

图4是计及接收端多个串联分层结构的等效电路图；

图5是计及发送端多个串联分层结构的原始电路图；

图6是计及发送端多个串联分层结构的等效电路图；

图7是算例电路图；

图8是算例接收端等效电路图；

图9：是算例发送端等效电路图。

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。

一种直流分层结构建模分析方法，包括以下步骤：

直流网络建模

1)传统直流网络模型

在直流线路参数中，包含电容、电感等参数值。但潮流计算考虑的是稳态情况，故直流线路整体表现为电阻特性。使用节点导纳矩阵表示直流网络：

其中：G_ij表示直流节点i与直流节点j之间的电导值。

节点注入电流可以表示为：

I_d＝G_dV_d (2)

式中I_d为直流节点注入电流，V_d为直流电压。

2)计及接收端为直流分层结构建模

简单的分层接入直流输电结构如图1所示；

分层接入方式直流输电的节点存在串联耦合，如图中的直流节点1和直流节点2满足如下关系：

其中：I_di1，I_di2分别表示流经分层结构下换流站的高、低电压换流器的电流；I_d表示流经换流站整体的电流；V_dr表示直流网络送端电压；V_di1，V_di2分别表示分层结构下高、低电压换流器的直流电压；R_d表示直流线路的电阻。

而直流节点1与直流节点2无法直接给出与直流节点0之间的电导矩阵。

为了获得每个直流节点间独立的阻抗，本文的思路是将串联的换流器相关的直流节点进行复制，并将直流节点分配给在单独的复制的串联换流器组上。此时每个直流节点间的电阻将十分清晰。考虑到复制出的换流器组将同时产生成倍的电流，本发明引入直流理想变压器给发出端来实现倍流，如图2所示。消去变压器组成，得到纯电阻的网络，原理如图3所示。

将上述二层接入的结构扩展为多层接入，即存在多个换流器串联，且每个换流器都外接一个直流节点，本发明给出图4等效电路结构。

3)计及发送端为直流分层结构建模

计及发送端为直流分层结构的建模，与仅考虑接收端为分层结构相比，原理上一致，仅是复杂度变大。本发明在图5的网络结构上得到图6的等效模型。

潮流计算

通过对分层结构完成建模，得到如下方程：

式中，n₁、n₂分别表示整流侧和逆变侧的串联级数，V_drn为直流送端第n个换流器，V_din为直流受端第n个换流器，I_drn1、I_din2为注入送端、受端第n1、n2个换流器的电流。

简写为：

式中：G′_dkj是经过本文建模变换后的新结构下的电导矩阵；n_c为换流站的个数；V′_dsumkj为对应分层接入方式下，各换流器的直流电压累加所得整个换流站电压；电流正负号分别对应逆变器和整流器。

建模针对直流线路两端的换流站结构，所述分层结构分别接入不同的交流节点。建模旨在得到直流网络每两个节点之间的电阻，进而获得电导矩阵，用于潮流计算。

在等效模型下，应用牛顿统一迭代法，与目前主流的交直流混联潮流程序差别不大，有利于程序的重复利用。

针对分层结构节点，向电路添加理想变压器来获得更多的节点输出，消去变压器，转化为纯电阻结构。

利用获得的直流网络电导矩阵，形成牛顿-拉夫逊统一迭代方程，将直流网络，包括分层结构参数融入雅可比矩阵；如果需要获得直流网络非换流站节点参数，需要在潮流计算收敛后代入直流网络计算。

为了获得某一端的直流网络电流方程，优先将远离该端的理想变压器向该端移动，并将电阻向远离方向移动转化；最终形成单一变压器，单一电阻串联结构后转化为纯电阻结构。

综上，本发明是通过下述技术方案实现的，具体措施为：

步骤1：对直流网络求解电导矩阵，得到每两个换流器间的电阻，或者与分层结构的直流电网连接点间的电阻。

步骤2：分析单条线路两端存在分层结构，各节点间对应的电阻关系。

本发明使用一种输入端为3层串联，输出端为2层串联的直流线路作为算例，结构如图7所示。

所述步骤2包括：

步骤2.1：在接收端存在分层结构的情况下，对接收端等效建模；否则直接转至步骤2.2；对于算例，该步骤得到如图8所示的等效结构。

步骤2.2：在发送端存在分层结构的情况下，对发送端建模；否则直接转至步骤3；针对算例，该步骤得到如图9所示的等效结构。

步骤3：根据步骤2得到的等效电路结构提取计算所需参数，进行潮流。

所述步骤3包括：

步骤3.1：为获取发送端直流网络电流平衡方程，针对已有等效结构电路中的R″先完成R_d向接收端移动，得到靠近发送端有一个理想变压器，另外一侧为电阻；最后通过图3所示原理变换为纯电阻结构。

步骤3.2：为获取接受端直流网络电流平衡方程，针对已有等效结构电路中的R″先完成R_d向接收端移动，得到靠近接收端有一个理想变压器，另外一侧为电阻；最后通过图3所示原理变换为纯电阻结构。

步骤3.3：目前主流的交直流混联潮流程序定义扩展变量为：

上式中：V_dn、I_dn、k_Tn、θ_dn、

为第n个换流站所连接直流节点的电压、注入电流、所使用变压器的变比、换流器的换相控制角、注入交流网络的有功功率与无功功率所形成的功率因素；V_d、I_d、K_T、W、Φ对应上面各变量的集合。

结合牛顿-拉夫逊法计算原理，可采用如下修正方程式完成潮流计算：

其中：用下标a、t区分纯交流节点和直流节点，即用V_a、θ_a、ΔP_a、ΔQ_a、ΔV_a、Δθ_a表示纯交流节点的电压、相角、有功功率偏差、无功功率偏差、电压修正量、相角修正量；用V_t、θ_t、ΔP_t、ΔQ_t、ΔV_t、Δθ_t表示直流节点的电压、相角、有功功率偏差、无功功率偏差、电压修正量、相角修正量。

Δd₁、Δd₂对应换流器基本方程偏差，Δd₄、Δd₅对应换流器控制方程偏差，Δd₃对应直流网络方程偏差，即：

因而存在对应关系的

其他元素：H，N，J，L，A，C按照容易推导得到。

步骤3.4：使用牛顿迭代法完成潮流计算。

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.直流分层结构建模分析方法，其特征是：包括以下步骤：

分析单条线路两端存在分层结构，利用理想变压器的倍流特性以解耦分层结构，得到等效电路结构；具体为：将串联的换流器相关的直流节点进行复制，并将直流节点分配给在单独的复制的串联换流器组上，引入直流理想变压器给发出端来实现倍流，消去变压器组成，得到纯电阻的网络；

根据得到的等效电路结构提取计算所需参数，得到每两个换流器间的电阻，或者与分层结构的直流电网连接点间的电阻，对直流网络求解电导矩阵；

进行潮流计算。

2.如权利要求1所述的直流分层结构建模分析方法，其特征是：利用获得的直流网络电导矩阵，形成牛顿—拉夫逊统一迭代方程，将直流网络，包括分层结构参数融入雅可比矩阵；如果需要获得直流网络非换流站节点参数，需要在潮流计算收敛后代入直流网络计算。

3.如权利要求1所述的直流分层结构建模分析方法，其特征是：分析单条线路两端存在分层结构，确定等效电路结构的具体过程，包括：

(1)在接收端存在分层结构的情况下，对接收端等效建模，得到等效电路结构，否则转至步骤(2)；

(2)在发送端存在分层结构的情况下，对发送端等效建模；得到等效电路结构。

4.如权利要求3所述的直流分层结构建模分析方法，其特征是：根据得到的等效电路结构消去变压器，转化为纯电阻结构；定义扩展变量，使用牛顿迭代法完成潮流计算。

5.如权利要求4所述的直流分层结构建模分析方法，其特征是：

(i)将已有等效结构电路中将靠近发送端设置的理想变压器和理想变压器一侧电阻的结构，变换为纯电阻结构，获取发送端直流网络电流平衡方程；

(ii)将已有等效结构电路中将靠近接收端设置的理想变压器和理想变压器一侧电阻的结构，变换为纯电阻结构，获取接受端直流网络电流平衡方程。

6.直流分层结构建模分析系统，其特征是：运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下步骤：

分析单条线路两端存在分层结构，利用理想变压器的倍流特性以解耦分层结构，得到等效电路结构；具体为：将串联的换流器相关的直流节点进行复制，并将直流节点分配给在单独的复制的串联换流器组上，引入直流理想变压器给发出端来实现倍流，消去变压器组成，得到纯电阻的网络；

根据得到的等效电路结构提取计算所需参数，得到每两个换流器间的电阻，或者与分层结构的直流电网连接点间的电阻，对直流网络求解电导矩阵；

进行潮流计算。

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