CN109462237A - 计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法及系统，根据换流站的控制方式完成直流网络的状态计算，将直流网络与交流网络的连接点等效为功率节点；使用牛顿—拉夫逊法计算潮流。本发明既克服了交替迭代法的交替迭代引起的收敛性变差问题，又避免了联立求解法所引起的初值选取、雅可比矩阵规模扩大问题；具有好的收敛性和迭代过程内存占用少双重优点。

Description

计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法及系统。

背景技术

交直流混联电力系统潮流的方法主要有交替迭代法和联立求解法两大类方法：

1)交替迭代法主要优点是主迭代中未改变原节点导纳矩阵和雅可比矩阵，只需要稍微修改节点功率平衡方程，易于与原有的潮流算法相结合而编程实现。其缺点是新增元件装置的控制变量只在子迭代中被修正，而在主迭代过程中控制变量值保持子迭代中修正后的给定值不变，两部分迭代过程相交互所造成的差异使得全算法收敛特性变差，甚至发生数值振荡或者发散，导致算法不收敛，不再具有传统牛顿—拉夫逊法求解潮流时的二阶收敛特性。

2)联立求解法优点是保留了传统潮流算法的收敛特性。联立求解法将求解系统运行状态变量的方程组与求解新增元件控制变量的方程组进行统一的联立迭代求解，被联立求解的是同一个非线性方程组，本质上与传统潮流算法是相同的，故具有相同的收敛特性；与原电网潮流计算相比，增加了新的状态变量和控制目标方程或内部约束方程，需要对原雅可比矩阵进行修改扩充。新增的控制变量要考虑初始值的选取，而牛顿—拉夫逊法的求解又对变量的初始值依赖较强，因此联立求解法也存在收敛速度减慢，收敛可靠性变差的问题。同时，新增控制目标方程与经典潮流方程的表达式差异较大，在个别条件下可能出现修正方程病态的情况。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法及系统，本发明通过将直流网络与交流网络的连接点等效为交流网络中的功率节点，使得潮流计算具有更好的收敛速度、收敛可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，根据换流站的控制方式完成直流网络的状态计算，将直流网络与交流网络的连接点等效为功率节点；使用牛顿—拉夫逊法计算潮流。

具体的，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值；

分析各换流器的控制方式，得到每个节点的电压和有功功率；

根据所得到的控制方式和各节点的电压和有功功率，计算对交流电网的无功注入量；

使用牛顿-拉夫逊法完成潮流计算，得到计算结果。

进一步的，依据换流器控制方式确定节点部分参数，继而构造方程组，以求解节点电压和有功功率为目标完成计算，具体方程组为：

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。

进一步的，串联侧单个换流器输出的有功功率与所述换流器承受的电压占比成正比。

进一步的，依据节点换流器的控制方式，即恒定换相角控制控制方式下使用式(2)，恒定变压器变比控制方式下使用式(3)完成对交流电网无功注入量的计算，有功注入量的计算通过直流网络状态计算得到；

其中：V_dc为换流站所连接的直流网络节点电压；θ_d为换流器的控制角，即整流器的触发延迟角、逆变器的熄弧超前角；K_t为变压器变比；X_c为换相电阻；考虑到换相角的影响，引入了变量k_γ；为换流器从交流系统吸收有功功率(整流器为吸收，逆变器为发出)和无功功率对应的功率因素角；V_a为换流器连接的交流网络的电压幅值。

进一步的，涉及到分层结构时，根据分层的换流器电压占比完成功率节点的等效。

进一步的，计算对交流电网的无功注入量的具体过程包括：

(1)如果一个节点对应的换流器控制方式为恒定换相角，则使用公式(2)计算无功注入量，接着转至步骤(3)；否则转至步骤(2)；

(2)如果一个节点对应的换流器控制方式为恒定变压器变比，则使用公式(3)计算无功注入量，并计算无功注入量对所对应交流电压的导数；

(2)如果存在分层结构，依据

计算各层对交流电网连接点的功率影响；

k_idk为换流器k在分层结构中的电压占比，P_d为直流注入换流站的有功功率，V_d为换流站所连接节点的直流电压，P_idk为分层结构下换流器k所输出的有功功率，V_idk为分层结构下换流器k所承受的直流电压。

使用牛顿-拉夫逊法完成潮流计算的具体过程包括：

(a)设定交流网络初始值，求解潮流功率方程不平衡量；

(b)构造雅可比矩阵，流器控制方式为恒定换相角对应的节点所对应的雅可比矩阵参数仅由交流网络参数求出；换流器控制方式为恒定变压器变比对应的节点所对应的雅可比矩阵参数由交流网络参数求出后进行修正；

(c)完成交流网络参数修正，检查收敛条件，达到条件结束迭代，否则转步骤(a)。

更进一步的，修正的方式为：

其中：为传统纯交流潮流计算中雅可比矩阵元素L的计算式，V_i为对应节点i的电压幅值，G_ij和B_ij为导纳矩阵的实部与虚部，V_a换流器相连节点的电压幅值，数值上与V_i一致。

一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的系统，运行于处理器上，被配置为执行以下指令：

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值；

分析各换流器的控制方式，得到每个节点的电压和有功功率；

根据所得到的控制方式和各节点的电压和有功功率，计算对交流电网的无功注入量；

使用牛顿-拉夫逊法完成潮流计算，得到计算结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明既克服了交替迭代法的交替迭代引起的收敛性变差问题，又避免了联立求解法所引起的初值选取、雅可比矩阵规模扩大问题；具有好的收敛性和迭代过程内存占用少双重优点。

2.本发明对于既有的纯交流潮流计算程序改动量小，节约软件更新成本。

3.本发明的技术思路完全适用于当前电网新型器件带来的新的网络组成的潮流计算，易于相关软件形成标准化处理。

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是分层接入结构示意；

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。

一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，具体包括：

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值。

步骤2：分析各换流器的控制方式，通过下式

得到每个节点的电压和有功功率。

其中：I_dk为流入换流站k的直流电流，G_kj为对应节点k，j之间的导纳矩阵元素。

步骤3：根据步骤2所得到的控制方式和各节点的电压和有功功率，计算对交流电网的无功注入量。

所述步骤3包括：

步骤3.1：如果一个节点对应的换流器控制方式为恒定换相角，则依据式(2)计算无功注入量，接着转至步骤3.3；否则转至步骤3.2。

步骤3.2：如果一个节点对应的换流器控制方式为恒定变压器变比，则依据式(3)计算无功注入量，并计算依据下式

完成无功注入量对所对应交流电压的导数。

步骤3.3：如果存在分层结构，依据式(4)计算各层对交流电网连接点的功率影响。

步骤4：使用牛顿-拉夫逊法完成潮流计算。

所述步骤4包括：

步骤4.1：设定交流网络初始值，求解潮流功率方程不平衡量。

步骤4.2：构造雅可比矩阵如式

其中：J为雅可比矩阵；当换流器控制方式为恒定换相角时，对应的节点所对应的L_ii仅由交流网络参数求出；当换流器控制方式为恒定变压器变比时，对应的节点所对应的L_ii除了由交流网络参数求出，需要进一步根据(5)修正；ΔP，ΔQ为功率方程不平衡量，Δθ，ΔV为迭代过程中的变量的修正量。

步骤4.3：求得修正量，完成交流网络参数修正，检查收敛条件，达到条件结束迭代，否则转步骤4.1。

步骤5：输出结果。

具体的，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：

节点注入电流可以表示为：

I_d＝G_dV_d

式中I_d为直流节点注入电流，V_d为直流电压。

换流器基本方程：

式中，小标*表示标幺值，V_dci和I_dci分别是直流输电电压和电流；V_i∠δ_si是交流母线的线电压向量；I_ci是注入换流器的基频交流电流；n_ti是换流器所含桥的个数；k_Ti为变压器变比；θ_i为换流器的控制角，即整流器的触发延迟角、逆变器的熄弧超前角；X_ci为换相电阻；考虑到换相角的影响，简化分析，近似取常数k_γ＝0.995；为换流器从交流系统吸收有功功率(整流器为吸收，逆变器为发出)和无功功率对应的功率因素角。

2)直流分层结构的参与

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1中的直流节点1和直流节点2满足如下关系：

其中，各变量含义与式(1)一致。

串联侧单个换流器输出的有功功率与该换流器承受的电压占比成正比，即：

式中：k_idk为换流器k在分层结构中的电压占比，P_d为直流注入换流站的有功功率，V_d为换流站所连接节点的直流电压，P_idk为分层结构下换流器k所输出的有功功率，V_idk为分层结构下换流器k所承受的直流电压。

3)换流站控制策略

对于传统的换相换流器，每个换流器有两个独立的控制变量。假定变压器抽头可以无缝调节，那么匝数比k_Ti可以被线性控制。因此，直流母线有功功率P_dci、直流电压V_dci和直流电流I_dci被定义为D轴控制变量；变压器变比k_Ti和换流器的控制角θ_i被称为E轴控制变量。

表1换流器控制策略

D轴控制：对于一个直流网络而言，必有一端换流器D轴控制为电压控制模式，而对于其他端换流器D轴控制无论是恒P_dc还是恒I_dc，在已知直流网络电阻的情况下得到G_kj，继而依据式(6)计算得到各端换流器的电压值和有功功率。

2)E轴控制：E轴控制存在两类：

①换流器选择恒定换相角：

抽出功率可以表示为：

其中：为换流器功率因素，V_dk和I_dk为换流器所连接直流节点的电压和电流。

与式(9)联立可得:

②换流器选择恒定变压器变比：

将式(10)式(9)联立可得:

3.潮流计算

在潮流计算迭代过程中，不平衡方程为：

其中P_idc，Q_idc均是标量，为正值，±号的选择：整流侧选择正，逆变侧选择负；P_is和Q_is为系统发电机与负荷节点总的注入功率；δ_ij为节点i与j之间的相角差；G_ij和B_ij为导纳矩阵对应元素的实部与虚部。

1)换流器E轴控制选择恒定换相角时，原潮流计算所用的雅可比矩阵无需变化。

2)换流器E轴控制选择恒定变压器变比时

在潮流计算迭代过程中，不平衡量与(11)一致。

雅可比矩阵做如下修改：

式中i对应的是换流器连接的交流节点；为传统纯交流潮流计算中雅可比矩阵元素L的计算式，V_i为对应节点i的电压幅值，G_ij和B_ij为导纳矩阵的实部与虚部，V_a换流器相连节点的电压幅值，数值上与V_i一致。

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 (10)

1.一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：根据换流站的控制方式完成直流网络的状态计算，将直流网络与交流网络的连接点等效为功率节点；使用牛顿—拉夫逊法计算潮流。

2.一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：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值；

分析各换流器的控制方式，计算得到每个节点的电压和有功功率；

根据所得到的控制方式和各节点的电压和有功功率，计算对交流电网的无功注入量；

使用牛顿-拉夫逊法完成潮流计算，得到计算结果。

3.如权利要求1或2所述的一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：依据换流器控制方式确定节点部分参数，继而构造方程组

其中：I_dk为流入换流站k的直流电流，G_kj为对应节点k，j之间的导纳矩阵元素。

以求解节点电压和有功功率为目标完成计算，具体方程组为：

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。

4.如权利要求1或2所述的一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：串联侧单个换流器输出的有功功率与所述换流器承受的电压占比成正比。

5.如权利要求1或2所述的一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：依据节点换流器的控制方式，即恒定换相角控制控制方式下使用

恒定变压器变比控制方式下使用

完成对交流电网无功注入量的计算，有功注入量的计算通过直流网络状态计算得到；其中：V_dc为换流站所连接的直流网络节点电压；θ_d为换流器的控制角，即整流器的触发延迟角、逆变器的熄弧超前角；K_t为变压器变比；X_c为换相电阻；考虑到换相角的影响，引入了变量k_γ；为换流器从交流系统吸收有功功率和无功功率对应的功率因素角；V_a为换流器连接的交流网络的电压幅值。

6.如权利要求1或2所述的一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：涉及到分层结构时，根据分层的换流器电压占比完成功率节点的等效。

7.如权利要求1或2所述的一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：计算对交流电网的无功注入量的具体过程包括：

(1)如果一个节点对应的换流器控制方式为恒定换相角，则用

计算无功注入量，接着转至步骤(3)；否则转至步骤(2)；

其中：其中：V_dc为换流站所连接的直流网络节点电压；θ_d为换流器的控制角，即整流器的触发延迟角、逆变器的熄弧超前角；K_t为变压器变比；X_c为换相电阻；考虑到换相角的影响，引入了变量k_γ；为换流器从交流系统吸收有功功率和无功功率对应的功率因素角；

(2)如果一个节点对应的换流器控制方式为恒定变压器变比，用

计算无功注入量，并计算无功注入量对所对应交流电压的导数；

V_a为换流器连接的交流网络的电压幅值；

(3)如果存在分层结构，依据

计算各层对交流电网连接点的功率影响；

式中：k_idk为换流器k在分层结构中的电压占比，P_d为直流注入换流站的有功功率，V_d为换流站所连接节点的直流电压，P_idk为分层结构下换流器k所输出的有功功率，V_idk为分层结构下换流器k所承受的直流电压。

8.如权利要求1或2所述的一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：使用牛顿-拉夫逊法完成潮流计算的具体过程包括：

(a)设定交流网络初始值，求解潮流功率方程不平衡量；

(b)构造雅可比矩阵，流器控制方式为恒定换相角对应的节点所对应的雅可比矩阵参数仅由交流网络参数求出；换流器控制方式为恒定变压器变比对应的节点所对应的雅可比矩阵参数由交流网络参数求出后进行修正；

(c)完成交流网络参数修正，检查收敛条件，达到条件结束迭代，否则转步骤(a)。

9.如权利要求8所述的一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的方法，其特征是：修正的方式为：

其中：为传统纯交流潮流计算中雅可比矩阵元素L的计算式，V_i为对应节点i的电压幅值，G_ij和B_ij为导纳矩阵的实部与虚部，V_a换流器相连节点的电压幅值，数值上与V_i一致。

10.一种计及直流分层结构交直流混联潮流计算的系统，其特征是：运行于处理器上，被配置为执行以下指令：

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值；

分析各换流器的控制方式，计算得到每个节点的电压和有功功率；

根据所得到的控制方式和各节点的电压和有功功率，计算对交流电网的无功注入量；

使用牛顿-拉夫逊法完成潮流计算，得到计算结果。