CN109390962B - 一种多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法，含一次下垂控制、功率再平衡优化控制的双层控制结构。其中，功率再平衡优化控制层针对负荷或新能源频繁波动所引起的不平衡功率，基于含电压源换流站的多端柔直极坐标等值模型，推导了功率再平衡引起的系统附加发电费用的等效成本表达式，引入了辐射状多端柔直的公共直流参考电压，设计了新型有功功率‑直流电压下垂曲线。所提方法克服了传统优化控制对高速通信和集中处理层依赖过强的缺点，在正常工况下能使不平衡功率自适应地进行经济分配，使系统附加的发电费用明显降低，在故障工况下仍可维持直流电压稳定和功率平衡，控制效果显著。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电系统控制技术领域，涉及一种多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法。
背景技术
随着多电源供电、多落点受电问题的凸现，基于模块化多电平等电压源换流器的多端直流输电系统(MMC-MTDC)因其经济性高、拓扑灵活等特点，在大规模远距离输电、新能源并网等领域受到了广泛的关注。而通过协调控制实现多端柔直MMC-MTDC的直流电压稳定、有功功率平衡是MMC-MTDC安全稳定运行的首要目标。
就目前比较常见的几种协调控制方法而言，将传统的直流电压下垂控制与经济调度问题的研究相结合的研究仍较小，而主从控制、直流电压偏差控制方法都需要1台主导换流站来维持直流电压稳定，系统运行可靠性相对较低，一旦主站功率越限或退出运行，系统将无法正常运行。
大多数关于协调控制中的经济调度问题的研究仍依靠中央控制器(上层)和集中通信系统对各换流站(下层)发布指令，这样的控制方式需要建立庞大的通信网络来传递中央控制器和各换流站之间的信息，增加了整个系统的成本和复杂程度。且由于风电接入的多端柔直中风电出力波动频繁且随机性大，在已有考虑经济调度问题的优化控制方法中，换流站上层调度指令需频繁更改并快速下发，且为保证经济性，需对网络参数、功率波动等全局信息进行实时性获取和处理，造成控制对高速、稳定的通讯系统依赖性高的缺点。因此，有必要针对多端柔直电网的经济调度问题进一步研究，设计出一种不依赖通信的不平衡功率优化协调分配方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法，包括以下步骤：
(1)基于含电压源换流站的多端柔直极坐标等值模型，推导了功率再平衡引起的系统附加发电费用的等效成本表达式fi(ΔPsi)，引入了关于μi(ΔPsi)的等“类微增率”原则和辐射状多端柔直的公共直流参考电压VPCC，设计了新型有功功率-直流电压下垂曲线，其子步骤如下：
(1.1)计算各换流站所对应的非同步火电厂的输出有功功率值。对于多端柔直系统中外部连至强交流网(即ZLi＜＜XCi)，并采用直流电压下垂控制和定无功功率控制的第i个整流站，记为MMCi，用等效阻抗模型和等效交流源用来表示换流站MMCi外部所连接的交流网，忽略换流站内部、联接变压器的有功损耗。因此，对于MMCi而言，从交流系统输出的有功功率PGi的数学表达式如下：
其中，Psi、Qsi分别为注入第i个换流站的有功功率、无功功率，Vi为换流站交流母线等效电势幅值，RLi为交流网输电线路等效电阻；此外，Xci为换流站出口联络变压器电抗，ZLi为交流系统等值阻抗幅值，VGi∠θGi为交流系统的等值交流源电压；jXCi为联接变压器电抗和阀联接电抗器的等值电抗之和；Vdi为换流站直流侧电压；ZLi∠θLi＝RLi+jXLi为交流网的等效输电阻抗；VCi∠θCi为换流阀交流输出线电压；
(1.2)推导系统不平衡功率产生后，换流站侧物理量所表示的系统附加发电费用的等效成本表达式。所述的换流站MMCi的无功功率值Qsi可视作恒定量，当多端柔直网络中无源负荷频繁波动或风电频繁发生变化。对式(1)线性化处理、忽略二次项，并考虑到：
则得：
式中，ΔPGi、ΔPsi分别为在产生不平衡功率后第i座火电厂、第i个换流站需要调整的有功值。
当忽略换流站内部损耗时，对于直流网中的第i座交流火电厂，若其发电耗量(t/h)成本函数如下：
则所提及的产生功率再平衡引起的系统附加发电费用(extra generation cost，EGC)如式(4)，并以多端柔直系统中MMC1～MMCi的总的附加发电费用最小作为目标函数：
若将式(1)、式(3)代入式(4)，则得换流站侧物理量所表示的系统EGC的等效成本表达式为：
其中，ai、bi、ci分别为发电费用函数的常数项、一次项系数、二次项系数。
分别为第i个换流站有功功率、无功功率、等效电势的初始值。整个系统的EGC只需根据换流站内部、交流侧及阀侧物理值计算，无需依赖远程通信。
(1.3)提出等“类微增率”原则。对式(6)功率再平衡引起的系统附加发电费用(EGC)函数f(ΔPsi)进行求导，得：
类比成本微增率，将μi(ΔPsi)定义为EGC的“类微增率”函数，是第i个换流站需要调整的有功值ΔPsi的函数，若各换流站的类微增率满足：
其中μ称为类微增率常数，按(8)则可实现直流网的不平衡功率在各换流站间按等“类微增率”原则进行经济分配。式中，
是换流站有功出力的上、下限。
(1.4)引入辐射状多端柔直的公共直流参考电压。选取MMC1～MMCi公共连接点PCC1作为直流电压参考节点，并以公共连接点PCC1的母线直流电压VPCC及其初始值
来表示：
λ、α是综合考虑量纲的归一化系数，α取
为换流站MMCi的有功调节能力上限、直流电压下限；λ＝max(ni)。同时，对于MMCi，由于忽略换流站内部及换流变压器损耗，因此可假设
Psi≈Pdi成立，其中Pdi为流出MMCi的直流功率，
为初始值。则推导可得直流母线电压表达式如下：
VPCC＝Vdi-[Psi/Vdi-C(dVdi/dt)]Ri (11)
式中，Vdi、Psi分别为换流站MMCi直流电压、有功功率值，Ri为MMCi的直流输电线路电阻，C为直流母线侧并联电容。
(1.5)得出功率再平衡优化控制层的新型下垂特性曲线。将式(10)、(11)代入式(9)，并对式(9)进行反函数变换，可得基于换流站初始运行点
的Vdi-Psi曲线，即基于本地信息量的新型下垂特性曲线。
(2)所改进的不平衡功率自适应分配方法的功率外环主要分为有两个关键部分，分别是分散一次下垂控制层、功率再平衡优化控制层，具体如下：
(a)分散一次下垂控制层的功率指令值
为：
式中，
分别为传统下垂控制中各换流站MMCi的直流电压Vdi、有功功率Psi对应的参考指令值，KDi为其下垂系数。
(b)功率再平衡优化控制层的功率指令值
为：
式中，Ts为低通滤波器的时间常数，
表示μi的反函数，VPCC、
分别用式(10)、(11)代替。
(c)所设计的改进电压下垂控制策略的全框图功率外环指令值
为：
上述所得的各换流站有功功率参考指令值
与换流站输出功率测量值Psi形成闭环反馈(稳态下，有功功率参考指令值与输出功率测量值相等)，经PI控制环节后，为内环d轴跟踪电流提供电流参考值，从而使稳态工况下负荷或风电频繁波动引起的不平衡功率在各换流站间自适应经济分配。
本发明的有益效果是：
本发明可使多端柔性直流中具备功率调节能力的各换流站在不借助微网中央控制器和通信系统的情况下，按照等“类微增率”来分摊系统负荷或新能源发电功率波动引起的不平衡功率，实现完全自适应性，在正常工况下能使不平衡功率在各换流站间自适应地进行经济分配，使附加发电费用明显降低，在故障工况下仍可维持直流电压稳定和功率平衡，控制效果显著。
并且采用本发明提出的控制方法的多端柔直能够具有较好的稳态和动态性能。
附图说明
图1是并联辐射形多端柔直拓扑结构图；
图2含电压源换流器的多端柔直系统的极坐标等值电路；
图3是公共直流参考电压示意图；
图4是全分散、准分层的多端柔直不平衡功率自适应优化分配方法示意图；
图5是本发明实施例仿真验证中MMC3功率突变后，各换流站直流电压波形图；
图6是本发明实施例仿真验证中MMC3功率突变后换流站有功功率波形图；
图7是本发明实施例仿真验证中MMC3功率突变后，MMC1、2等效类微增率变化图；
图8是本发明实施例仿真验证中正常工况下，改进前后附加发电耗量成本差额曲线；
图9是本发明实施例仿真验证中MMC2退出运行后各换流站直流电压仿真波形图；
图10是本发明实施例仿真验证中MMC2退出运行时后各换流站有功功率仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明针对如图1的并联辐射型多端柔直系统提出。其中，公共连接母线点PCC1、PCC2为电能汇集点，左侧MMC1～MMCi连接传统火电供能的非同步电网，均采用上述的自适应优化分配方法；右侧MMCj向无源负荷供电，MMCm～MMCn连接至风电场。风电场可近似等效看成一个功率频繁变化的有源负荷，因此，在此发明中与风电场相连接的换流站采用定有功功率控制来模拟风电出力的变化。
对于上述电网中连接至传统火电厂的第i个换流站MMC，记为MMCi，相关物理量及其参考方向如图2所示，即将多端柔直电网模型等值为等值阻抗、理想电压源换流器极坐标等值模型和直流电网三部分组成，等效阻抗模型和等效交流源用来表示换流站外部连接的交流网。其中，从交流系统输出的有功功率为PGi，Psi、Qsi分别为注入第i个换流站的有功、无功功率，Vi为第i个换流站交流母线等效电势幅值，RLi为交流网输电线路等效电阻，XLi为交流网输电线路等效电抗，jXCi为联接换流变压器电抗和阀联接电抗器的等值电抗之和，Pdi为换流站输出直流功率，Pgdi为注入直流电网的直流功率，Vdi为换流站的直流电压；VGi∠θGi为交流系统的等值交流电压源电压；ZLi∠θLi＝RLi+jXLi为交流网的等效输电阻抗；VCi∠θCi为换流阀交流输出线电压；
图3为公共直流参考电压示意图，VPCC为公共连接点PCC的母线直流电压，作为控制策略中的参考电压，
为其初始值。Ri为MMCi的直流输电线路电阻，C为直流母线侧并联电容。
上述的多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法的控制框图如图4所示。主要有两个关键部分，分别是分散一次下垂控制层、功率再平衡优化控制层，二者通过低通滤波器进行耦合。
以CIGRE B4的四端辐射状柔直模型为例，换流站采用半桥子模块拓扑。MMC1和MMC2连接火力发电厂，具有功率调节能力，采用改进直流电压下垂和定无功功率控制模式，稳态时输送功率均为200MW(以换流站流向直流为正方向)。整流站MMC3连接风电场，采用定有功功率和定无功功率控制模式，稳态时输送100MW功率。逆变站MMC4向480MW的无源负荷供电，为定交流电压控制模式。
由图5、图6可知，当多端柔直系统系统中因风电功率频繁扰动而产生不平衡功率时，MMC1、MMC2可快速分配不平衡功率，其直流电压仍保持在400kV左右，整个系统稳定运行；图7给出了换流站MMC1、MMC2的类微增率变化情况。由图7可知，改进直流电压下垂控制可使MMC1、MMC2在扰动发生后满足等“类微增率”原则，可实现不平衡功率在MMC1、MMC2之间的经济分配。由图7可知，MMC1、MMC2有功出力波形被放大，可以看出一次下垂控制的动态快于功率再平衡优化控制，不平衡功率经济分配在较慢时间尺度内进行，暂态过程特性由一次下垂控制主导。
图8为发电厂总出力增加时，改进前、后两者之间因功率再平衡引起的系统附加发电费用差额(改进前的控制仅包含一次下垂控制层，参数与前文所述相同)。可以看出改进后附加发电的耗量成本明显降低。由于功率调节范围的不等式约束存在，当直流网不平衡功率过大时，经济性会有所降低。仿真表明，在发电厂总额外增加出力达641.6MW时，此时MMC1达功率调节上限，二者差额最大，达2.91t/h；额外增加总出力继续增至903.3MW时，MMC2也达功率调节上限，差额为0t/h，改进前后调节效果一致。
图9、图10为MMC2因故障退出运行后的系统响应。其中，MMC1承担了MMC2造成的功率缺额，系统最终恢复稳定运行，且各换流站并未出现较大过电压，直流电压稳定。在不同典型工况下的系统响应与稳定运行表明，此改进方法具有较强的鲁棒性和可靠性。
上述具体实施方式及仿真验证用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于含电压源换流站的多端柔直极坐标等值模型，推导获得功率再平衡引起的系统附加发电费用的等效成本表达式fi(ΔPsi)，引入关于μi(ΔPsi)的等“类微增率”原则和辐射状多端柔直的公共直流参考电压VPCC，设计获得有功功率-直流电压下垂曲线；
(2)由检测得到的各换流站出口侧直流电压Vdi根据步骤(1)所得有功功率-直流电压下垂曲线，从而得到功率再平衡优化控制的有功功率参考值
并与传统一次下垂曲线的有功功率参考指令值
经低通滤波器相加得各换流站有功功率参考指令值
从而与换流站输出功率测量值Psi形成闭环反馈，使不平衡功率在各换流站间自适应经济分配；
步骤(1)中，具体如下：
(2.1)系统不平衡功率产生后，阀侧物理量表示的系统附加发电费用的等效成本表达式；
对于多端柔直系统中外部连至强交流网，并采用直流电压下垂控制和定无功功率控制的第i个整流站，记为MMCi，用等效阻抗模型和等效交流源用来表示换流站MMCi外部所连接的交流网，忽略换流站内部、联接变压器的有功损耗，则对于MMCi而言，从交流系统输出的有功功率PGi的数学表达式如下：
其中，Psi、Qsi分别为注入第i个换流站的有功功率、无功功率，Vi为换流站交流母线等效电势幅值，RLi为交流网输电线路等效电阻；
所述的换流站MMCi的无功功率值Qsi为恒定量，当多端柔直网络中无源负荷频繁波动或风电频繁发生变化时，对式(1)线性化处理、忽略二次项，并考虑到：
则得：
ΔPGi≈(1+2PsiRLi/Vi 2)ΔPsi (3)
式中，ΔPGi、ΔPsi分别为在产生不平衡功率后第i座火电厂、第i个换流站需要调整的有功值；
当忽略换流站内部损耗时，对于直流网中的第i座交流火电厂，若其发电耗量(t/h)成本函数如下：
则所提及的功率再平衡附加发电费用(extra generation cost，EGC)如式(4)，并以多端柔直系统中MMC1～MMCi的总的附加发电费用最小作为目标函数：
若将式(2)、式(3)代入式(5)，则得换流站侧物理量所表示的功率再平衡引起的系统EGC的等效成本表达式为：
其中，mi、ni分别为附加发电费用函数的二次项和一次项系数，ai、bi、ci分别为发电费用函数的常数项、一次项系数、二次项系数，
Vi (0)分别为第i个换流站有功功率、无功功率、等效电势的初始值，全系统的EGC只需根据换流站内部、交流侧及阀侧物理值计算，无需依赖远程通信；
(2.2)等“类微增率”原则；
对式(6)功率再平衡引起的系统附加发电费用(EGC)函数f(ΔPsi)进行求导，得：
类比成本微增率，将μi(ΔPsi)定义为EGC的“类微增率”函数，是第i个换流站需要调整的有功值ΔPsi的函数，若各换流站的类微增率满足：
其中μ称为类微增率常数，按(8)可实现直流网的不平衡功率在各换流站间按等“类微增率”原则进行经济分配，式中
是换流站有功出力的上、下限；
(2.3)引入辐射状多端柔直的公共直流参考电压；
选取MMC1～MMCi公共连接点PCC1作为直流电压参考节点，并以公共连接点PCC1的母线直流电压VPCC及其初始值
来表示
λ、α是综合考虑量纲的归一化系数，α取
r表示裕度值，取(0,0.1)间的任意值；
为换流站MMCi的有功调节能力上限、直流电压下限；λ＝max(ni)；同时，对于MMCi，由于忽略换流站内部及换流变压器损耗，因此可假设
Psi≈Pdi成立，其中Pdi为流出MMCi的直流功率，
为初始值。则推导可得直流母线电压表达式如下：
VPCC＝Vdi-[Psi/Vdi-C(dVdi/dt)]Ri (11)
式中，Vdi、Psi分别为换流站MMCi直流电压、有功功率值，Ri为MMCi的直流输电线路电阻，C为直流母线侧并联电容；
(2.4)功率再平衡优化控制层的下垂特性曲线；
将式(10)、(11)代入式(9)，并对式(9)进行反函数变换，可得基于换流站初始运行点
的Vdi-Psi曲线，即基于本地信息量的下垂特性曲线。
2.根据权利要求1所述的一种多端柔直系统的不平衡功率自适应优化分配方法，其特征在于，步骤(2)中，主要分为两个关键部分，分别是分散一次下垂控制层、功率再平衡优化控制层：
(3.1)分散一次下垂控制层的功率指令值
为：
式中，
分别为传统一次下垂控制中各换流站MMCi的直流电压Vdi、有功功率Psi对应的参考指令值，KDi为其下垂系数；
(3.2)功率再平衡优化控制层的功率指令值
为：
式中，Ts为低通滤波器的时间常数，
表示μi的反函数，VPCC、
分别用式(10)、(11)代替；
(3.3)(3.1)和(3.2)所得的两控制层有功功率指令参考值，经低通滤波器相加后，得各换流站的功率外环指令参考值为：
所得的各换流站有功功率参考指令值
由于各换流站有功功率参考指令值与换流站输出功率测量值Psi在稳态下相等，因而形成闭环反馈，经PI控制环节后，为内环d轴跟踪电流提供电流参考值，从而使负荷或风电频繁波动引起的不平衡功率在各换流站间自适应经济分配。
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