CN109921406A - 真双极柔性直流电网分层潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真双极柔性直流电网分层潮流计算方法，首先根据真双极柔性直流电网的参数计算其节点导纳矩阵，设置各层网络待求节点的电压初值及最大迭代次数；其次，进行迭代计算，计算各层网络误差向量，若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；最后，计算潮流分布并输出结果或输出潮流不收敛信息。

Description

真双极柔性直流电网分层潮流计算方法

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潮流计算方法，特别是涉及真双极柔性直流电网的潮流计算方法。

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。针对真双极柔性直流电网潮流分布的计算是对其进行优化控制的基础。传统直流潮流计算方法无法满足控制方式更加灵活、运行方式更加多样的真双极柔性直流电网的潮流计算需求，研究适用于真双极系统的潮流计算方法对于在系统层面实现对潮流的精确控制和优化具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种考虑站级控制策略的真双极柔性直流电网分层潮流计算方法。首先根据真双极柔性直流电网的参数计算其节点导纳矩阵，设置各层网络待求节点的电压初值及最大迭代次数；其次，进行迭代计算，计算各层网络误差向量，若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；最后，计算潮流分布并输出结果或输出潮流不收敛信息。本发明技术方案如下：

一种真双极柔性直流电网分层潮流计算方法，首先根据真双极柔性直流电网的参数计算其节点导纳矩阵，设置各层网络待求节点的电压初值及最大迭代次数；其次，进行迭代计算，计算各层网络误差向量，若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；最后，计算潮流分布并输出结果或输出潮流不收敛信息。

具体包括下列步骤：

一、计算节点导纳矩阵，设置节点电压初值及最大迭代次数；

对于采用金属回线的真双极系统，其节点导纳矩阵G^k的计算方法为：

式中，i和j表示节点编号，j∈i表示节点i通过线路与节点j相关联；上标k＝p时，表示正极层对应的电气量，上标k＝r时，表示回线层对应的电气量，k＝n时，表示负极层对应的电气量；表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导；

对于采用大地回线的真双极系统，其回线层节点电压均为零，各节点之间电导为零，因此仅考虑其正极层和负极层的节点方程，节点导纳矩阵G^k的计算方法为：

根据系统额定电压等级设定各层网络待求节点的电压初值，在此基础上设置最大迭代次数；

二、迭代求解

首先计算各层网络误差向量，

式中，ΔW_i ^p、ΔW_i ⁿ分别为定义的换流站i正、负极换流阀的误差向量；K₁和K₂为控制系数：K₁＝0，K₂＝1时，相当于定直流电压控制；K₁＝1，K₂＝0时，相当于定有功功率控制；K₁≠0， K₂≠0时，相当于下垂控制，K₁和K₂分别表示下垂控制器对应的功率系数和电压系数；P_i ^p*和P_i ^n*分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的有功功率参考值；和分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的直流电压参考值；表示换流站i接入到 k层网络的线路的对地电压；P_i ^p、P_i ⁿ分别表示换流站i正、负极换流阀从交流系统接收的有功功率；分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗；

P_i ^p和P_i ⁿ的具体表达式分别为：

式中，分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗，分别为：

式中，P_i ^k、分别表示换流站i的k，k＝p,n，极换流阀从交流系统接收的有功功率、无功功率及交流侧电压；二次项系数a_i，一次项系数b_i及常数项c_i可通过实验拟合得出；

若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；

对于采用金属回线的真双极柔性直流电网，其向量形式的修正方程表示为：

式中，ΔU^p(k)、ΔU^r(k)和ΔU^n(k)分别为待求解的正极层节点电压、回线层节点电压和负极层节点电压的修正量向量，H^(k)、N^(k)、M^(k)和L^(k)分别为对应的雅克比矩阵，具体求解方法为：

定义方程

联立修正方程及方程即可求得各层线路节点电压修正量，在此基础上更新各层线路节点电压进行下一步迭代，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；

对于采用大地回线的真双极柔性直流电网，回线层节点电压均为0，因此其向量形式的修正方程可表示为：

式中，J^p(k)、J^n(k)分别为对应的雅克比矩阵，具体求解方法为：

根据上式求得正、负极线路节点电压修正向量，在此基础上更新各层节点电压进行下一步迭代，直到满足最大容许误差或最大迭代次数；

三、输出结果

若迭代结果满足最大容许误差，则根据各层网络节点电压计算系统潮流分布，输出系统潮流计算结果；若达到最大迭代次数，则输出系统潮流不收敛信息。

本发明的特点及有益效果是：

1.所提出的真双极柔性直流电网分层潮流计算方法适用于真双极柔性直流电网的不同接线方式，包括：1.采用金属回线作为不平衡电流的流通路径；2.采用大地回线作为不平衡电流的流通路径；

2.所提出的真双极柔性直流电网分层潮流计算方法能够以较高精度求得真双极系统不同运行模式下的潮流分布，包括：(1)系统正常运行；(2)正极线路被切除；(3)正极线路和金属回线被切除；(4)正极线路和负极线路被切除；

附图说明

图1是金属回线真双极柔性直流电网典型结构。

图2是金属回线真双极柔性直流电网潮流计算流程。

图3是大地回线真双极柔性直流电网典型结构。

图4是大地回线真双极柔性直流电网潮流计算流程。

具体实施方式

下面通过具体实施例，来详细说明本发明的技术方案：

本发明适用对象为采用金属回线的真双极柔性直流电网与采用大地回线的真双极柔性直流电网。对于采用金属回线的系统，其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。对于采用大地回线的系统，其直流线路包含两层：正极线路层和负极线路层。真双极柔性直流电网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(采用金属回线)或直接接地(采用大地回线)。

图1为用单线图表示的金属回线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。

对于如图1所示的金属回线真双极柔性直流电网，分层潮流计算的流程如图2所示，具体步骤为：

A.计算节点导纳矩阵，设置节点电压初值及最大迭代次数。

对于如图1所示的真双极系统，其节点导纳矩阵G^k的计算方法为：

式中，i和j表示节点编号，j∈i表示节点i通过线路与节点j相关联；上标k＝p时，表示正极层对应的电气量，上标k＝r时，表示回线层对应的电气量，k＝n时，表示负极层对应的电气量；表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导(线路电阻的倒数)。

根据系统额定电压等级设定各层网络待求节点的电压初值，在此基础上设置最大迭代次数。

B.迭代求解

首先计算各层网络误差向量，

式中，ΔW_i ^p、ΔW_i ⁿ分别为定义的换流站i正、负极换流阀的误差向量。K₁和K₂为控制系数：K₁＝0，K₂＝1时，相当于定直流电压控制；K₁＝1，K₂＝0时，相当于定有功功率控制；K₁≠0， K₂≠0时，相当于下垂控制，K₁和K₂分别表示下垂控制器对应的功率系数和电压系数。P_i ^p*和P_i ^n*分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的有功功率参考值。和分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的直流电压参考值。表示换流站i接入到k 层网络的线路的对地电压。P_i ^p、P_i ⁿ分别表示换流站i正、负极换流阀从交流系统接收的有功功率。分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗。

P_i ^p和P_i ⁿ的具体表达式分别为：

式中，分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗，其具体表达式分别为：

式中，P_i ^k、分别表示换流站i的k(k＝p,n)极换流阀从交流系统接收的有功功率、无功功率及交流侧电压。二次项系数a，一次项系数b及常数项c可通过实验拟合得出。

若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数。

对于如图1所示的真双极柔性直流电网，其向量形式的修正方程可表示为：

式中，ΔU^p(k)、ΔU^r(k)和ΔU^n(k)分别为待求解的正极层节点电压、回线层节点电压和负极层节点电压的修正量向量，H^(k)、N^(k)、M^(k)和L^(k)分别为对应的雅克比矩阵，具体求解方法为：

定义函数

联立修正方程及方程即可求得各层线路节点电压修正量，在此基础上更新各层线路节点电压进行下一步迭代，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数。

C.输出结果

若迭代结果满足最大容许误差，则根据各层网络节点电压计算系统潮流分布，输出系统潮流计算结果；若达到最大迭代次数，则输出系统潮流不收敛信息。

图3为用单线图表示的大地回线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。直流线路包含两层：正极线路层和负极线路层。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并接地。

对于如图3所示的金属回线真双极柔性直流电网，分层潮流计算的流程如图4所示，具体步骤为：

A.计算节点导纳矩阵，设置节点电压初值及最大迭代次数。

对于如图1所示的真双极系统，其节点导纳矩阵G^k的计算方法为：

式中，i和j表示节点编号，j∈i表示节点i通过线路与节点j相关联；上标k＝p时，表示正极层对应的电气量，k＝n时，表示负极层对应的电气量；表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导(线路电阻的倒数)。

根据系统额定电压等级设定各层网络待求节点的电压初值，在此基础上设置最大迭代次数。

B.迭代求解

首先计算各层网络误差向量，

式中，ΔW_i ^p、ΔW_i ⁿ分别为定义的换流站i正、负极换流阀的误差向量。K₁和K₂为控制系数：K₁＝0，K₂＝1时，相当于定直流电压控制；K₁＝1，K₂＝0时，相当于定有功功率控制；K₁≠0， K₂≠0时，相当于下垂控制，K₁和K₂分别表示下垂控制器对应的功率系数和电压系数。P_i ^p*和P_i ^n*分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的有功功率参考值。和分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的直流电压参考值。表示换流站i接入到k 层网络的线路的对地电压。P_i ^p、P_i ⁿ分别表示换流站i正、负极换流阀从交流系统接收的有功功率。分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗。

P_i ^p和P_i ⁿ的具体表达式分别为：

式中，分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗，其具体表达式分别为：

式中，P_i ^k、分别表示换流站i的k(k＝p,n)极换流阀从交流系统接收的有功功率、无功功率及交流侧电压。二次项系数a，一次项系数b及常数项c可通过实验拟合得出。

若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数。

对于如图3所示的真双极柔性直流电网，其向量形式的修正方程可表示为：

式中，J^p(k)、J^n(k)分别为对应的雅克比矩阵，具体求解方法为：

根据上式求得正、负极线路节点电压修正向量，在此基础上更新各层节点电压进行下一步迭代，直到满足最大容许误差或最大迭代次数。

C.输出结果

若迭代结果满足最大容许误差，则根据各层网络节点电压计算系统潮流分布，输出系统潮流计算结果；若达到最大迭代次数，则输出系统潮流不收敛信息。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种真双极柔性直流电网分层潮流计算方法，首先根据真双极柔性直流电网的参数计算其节点导纳矩阵，设置各层网络待求节点的电压初值及最大迭代次数；其次，进行迭代计算，计算各层网络误差向量，若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；最后，计算潮流分布并输出结果或输出潮流不收敛信息。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，具体包括下列步骤：

一、计算节点导纳矩阵，设置节点电压初值及最大迭代次数；

对于采用金属回线的真双极系统，其节点导纳矩阵G^k的计算方法为：

式中，i和j表示节点编号，j∈i表示节点i通过线路与节点j相关联；上标k＝p时，表示正极层对应的电气量，上标k＝r时，表示回线层对应的电气量，k＝n时，表示负极层对应的电气量；表示k层网络中连接节点i与j的输电线路的电导；

对于采用大地回线的真双极系统，其回线层节点电压均为零，各节点之间电导为零，因此仅考虑其正极层和负极层的节点方程，节点导纳矩阵G^k的计算方法为：

根据系统额定电压等级设定各层网络待求节点的电压初值，在此基础上设置最大迭代次数；

二、迭代求解

首先计算各层网络误差向量，

式中，ΔW_i ^p、ΔW_i ⁿ分别为定义的换流站i正、负极换流阀的误差向量；K₁和K₂为控制系数：K₁＝0，K₂＝1时，相当于定直流电压控制；K₁＝1，K₂＝0时，相当于定有功功率控制；K₁≠0，K₂≠0时，相当于下垂控制，K₁和K₂分别表示下垂控制器对应的功率系数和电压系数；P_i ^p*和P_i ^n*分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的有功功率参考值；和分别为换流站i正、负极换流阀对应控制器的直流电压参考值；表示换流站i接入到k层网络的线路的对地电压；P_i ^p、P_i ⁿ分别表示换流站i正、负极换流阀从交流系统接收的有功功率；分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗；

P_i ^p和P_i ⁿ的具体表达式分别为：

式中，分别表示换流站i正、负极换流阀的功率损耗，分别为：

式中，P_i ^k、分别表示换流站i的k，k＝p,n，极换流阀从交流系统接收的有功功率、无功功率及交流侧电压；二次项系数a_i，一次项系数b_i及常数项c_i可通过实验拟合得出；

若误差向量满足最大容许误差，则进行下一步，反之则求解雅可比矩阵，更新各层网络节点电压，重新计算各层网络误差向量，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；

对于采用金属回线的真双极柔性直流电网，其向量形式的修正方程表示为：

式中，ΔU^p(k)、ΔU^r(k)和ΔU^n(k)分别为待求解的正极层节点电压、回线层节点电压和负极层节点电压的修正量向量，H^(k)、N^(k)、M^(k)和L^(k)分别为对应的雅克比矩阵，具体求解方法为：

定义方程

联立修正方程及方程即可求得各层线路节点电压修正量，在此基础上更新各层线路节点电压进行下一步迭代，直到满足最大容许误差或达到最大迭代次数；

对于采用大地回线的真双极柔性直流电网，回线层节点电压均为0，因此其向量形式的修正方程可表示为：

式中，J^p(k)、J^n(k)分别为对应的雅克比矩阵，具体求解方法为：

根据上式求得正、负极线路节点电压修正向量，在此基础上更新各层节点电压进行下一步迭代，直到满足最大容许误差或最大迭代次数；

三、输出结果

若迭代结果满足最大容许误差，则根据各层网络节点电压计算系统潮流分布，输出系统潮流计算结果；若达到最大迭代次数，则输出系统潮流不收敛信息。