CN110011350A

CN110011350A - 交直流系统长期电压稳定协调控制方法、系统、介质及设备

Info

Publication number: CN110011350A
Application number: CN201910346024.5A
Authority: CN
Inventors: 张文; 谢季平
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: CN110011350B

Abstract

本公开提供了一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法、系统、介质及设备，在系统发生长期电压失稳后，循环执行以下步骤，直到满足控制目标：将分层接入的直流系统运行方式切换为定电流‑定熄弧角控制；基于实时量测数据计算特高压直流分层接入系统的初值信息，结合时域仿真对特高压直流分层接入系统的输出轨迹进行预测，计算出各母线电压的轨迹灵敏度；求解直流分层接入下系统电压稳定协调控制的最优控制序列，并施加至系统。本公开对直流传输功率在分层接入交流电网中的分配进行协调，同时对分层接入直流系统的直流控制量和交流控制量进行协调优化控制，使交流系统的潮流分布更加合理，提高系统的长期电压稳定性。

Description

交直流系统长期电压稳定协调控制方法、系统、介质及设备

技术领域

本公开属于智能电网领域，具体涉及一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法、系统、介质及设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

高压直流输电具有远距离大容量输电且易于连接异步电网等优点而在跨区域向负荷中心输电时得到广泛应用。然而直流系统稳定运行时需要交流系统提供足够的电压支持，随着多回直流线路馈入同一受端系统，电压稳定问题愈加突出。为了从网架结构上改善多直流馈入系统稳定性，国内特高压直流输电工程创新性地提出直流分层接入交流电网的新方式，提高了交流系统的直流接纳能力，有利于电能就地疏散，引导潮流合理分布。由于直流分层接入500kV交流层的高端逆变器与接入1000kV层的低端逆变器在同一个换流站内串联连接，与传统单层接入方式下的直流输电系统相比，不仅存在交流侧的相互作用，在直流内部也存在着耦合作用，交直流系统间的协调控制更为复杂。为了充分利用分层接入直流系统的灵活调节能力，对特高压直流分层接入系统的控制策略进行研究具有重要意义。

据发明人了解，目前，特高压直流分层接入下电压稳定控制方法存在以下问题：

(1)主要对特高压直流分层接入下逆变侧各换流器间的协调控制策略进行研究，缺乏交流和直流系统控制间的协调；

(2)长期电压失稳过程中缺乏直流功率调制量计算和直流功率在分层接入的高端、低端逆变器间的分配依据。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法、系统、介质及设备，本公开针对特高压直流分层接入系统的特点，对直流分层注入功率和交流系统各电压进行控制协调，能够提高系统的长期电压稳定性。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，在系统发生长期电压失稳后，循环执行以下步骤，直到满足控制目标：

将分层接入的直流系统运行方式切换为定电流-定熄弧角控制；

基于实时量测数据计算特高压直流分层接入系统的初值信息；

结合时域仿真对特高压直流分层接入系统的输出轨迹进行预测，计算出各母线电压的轨迹灵敏度；

求解直流分层接入下系统电压稳定协调控制的最优控制序列，并施加至系统。

作为可能的实施例，将直流控制方式切换为定电流-定熄弧角控制方式，该控制方式下的直流电流和熄弧角控制量的整定值由优化模型通过附加的直流电流和熄弧角控制器给定。

作为可能的实施例，基于广域量测系统提供的各负荷节点电压向量及功率注入向量等在线同步量测数据，计算系统导纳矩阵及各状态量初值信息。

作为可能的实施例，对特高压直流分层接入下交直流系统准稳态模型进行建模，结合特高压直流分层接入下交直流系统准稳态模型，应用隐式梯形积分法和牛顿-拉夫逊法进行时域仿真，预测系统电压输出轨迹。

作为可能的实施例，通过时域仿真中得到的雅可比矩阵求得特高压直流分层接入下各交直流控制量对负荷母线电压的轨迹灵敏度。

进一步的，基于轨迹灵敏度，对系统输入、输出关系进行局部线性化，构建协调电压控制的模型预测二次规划模型，求解特高压直流分层接入下模型预测控制的二次规划问题，获得控制量的最优控制序列。

作为可能的实施例，循环执行包括：施加求得的最优控制序列的第一组控制量到系统中，进入下一个时刻的采样区间，判断负荷母线电压是否满足要求；若负荷母线电压满足要求，则退出控制；否则重新返回至运行方式的切换执行步骤。

一种交直流系统长期电压稳定协调控制系统，所述控制器被配置为循环执行以下步骤，直到满足控制目标：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的交直流系统长期电压稳定协调控制方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的交直流系统长期电压稳定协调控制方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开考虑了分层接入方式下直流系统对交流系统电压稳定的影响，充分利用分层接入直流系统在功率调制上的灵活性，将直流电流和高、低端逆变器熄弧角的协调控制纳入长期电压稳定控制中；

(2)本公开考虑了直流传输功率在分层接入交流电网中的协调分配，使交流系统的潮流分布更加合理；

(3)本公开通过求解模型预测控制的二次规划问题，对直流分层接入系统的直流控制量和交流控制量进行协调优化控制，提高了系统的长期电压稳定性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1本公开提供的设计方案流程图；

图2本公开提供的特高压直流分层接入下长期电压稳定协调控制的实施流程图；

图3本公开提供的经过修改的Nordic32算例系统接线图；

图4本公开提供的算例系统不施加控制时薄弱母线电压在系统故障前后的变化曲线；

图5本公开提供的特高压直流分层接入下长期电压稳定协调控制实施后薄弱母线电压在系统故障前后的变化曲线；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。

如图1所示，特高压直流分层接入下交直流系统长期电压稳定协调控制方法，包括以下步骤：

(1)检测到系统发生长期电压失稳，将直流控制方式切换为定电流-定熄弧角控制方式；

(2)基于广域量测系统，获取各交流母线节点的电压向量及功率注入向量，确定特高压直流分层接入下交直流系统的运行状态；

(3)结合特高压直流分层接入下交直流系统准稳态模型，应用隐式梯形积分法和牛顿-拉夫逊法进行时域仿真对特高压直流分层接入系统的电压输出轨迹进行预测，并求得各控制量对电压的轨迹灵敏度；

(4)求解特高压直流分层接入下模型预测控制的二次规划问题，获得控制量的最优控制序列；

(5)将最优控制序列第一组控制量施加到实际系统中，滚动控制直到满足控制要求。

本公开考虑了分层接入方式下直流系统对交流系统电压稳定的影响，充分利用分层接入直流系统在功率调制上的灵活性，将直流电流和高、低端逆变器熄弧角的协调控制纳入长期电压稳定控制中；对直流传输功率在分层接入交流电网中的分配进行协调，同时对分层接入直流系统的直流控制量和交流控制量进行协调优化控制，使交流系统的潮流分布更加合理，提高系统的长期电压稳定性。

步骤(1)中将直流控制方式切换为定电流-定熄弧角控制方式，对特高压直流分层接入下高、低端逆变器功率进行独立调制，该控制方式下的直流控制量整定值由(4)中的优化模型通过附加的直流电流和熄弧角控制器给定；

步骤(2)中通过量测系统需要确定的交流电网运行参数包括各发电机节点、负荷节点、联络节点及换流母线节点的电压、功率向量，以及交流网络的导纳矩阵Y_ac；量测的分层接入直流系统运行参数包括直流线路的电阻R_d，整流侧和高、低端逆变侧换流器等效换相电抗X_cr和X_ciH、X_ciL，整流和高、低端逆变侧换流变压器变比K_Tr和K_TiH、K_TiL，整流器的触发角α，高、低端逆变器的熄弧角γ_H和γ_L。

前述步骤(3)，用微分-代数方程描述交系统准稳态模型：

式中，x为发电机及其控制系统相关的暂态变量；y为系统代数变量，包含节点电压幅值和相角等；z_c为负荷恢复特性相关的状态变量；z_d为发电机过励磁限制和OLTC变比等相关的离散变量；z_d ⁺和z_d ^-为离散变量z_d跃变前后的数值；u为交流系统控制量；f为发电机、变压器和负荷等元件的平衡方程；g为系统网络代数方程；h_c为长期连续动态过程相关的微分方程；h_d为离散事件相关的动态方程。

特高压直流分层接入下直流系统模型：

式中：下标r和i分别代表整流侧和逆变侧；下标H和L分别代表逆变侧直流分层接入的高端换流器和低端换流器；V_acR、V_acIH和V_acIL分别为整流侧交流换流母线电压和逆变侧高、低端换流母线电压；V_d0r、V_d0iH和V_d0iL为整流、逆变侧换流器直流侧空载电势；V_dr、V_diH和V_diL为整流、逆变侧直流电压；I_d为直流电流；R_d为直流线路电阻；X_cr、X_ciH和X_ciL为整流、逆变侧换流器等效换相电抗；N_r、N_iH和N_iL为六脉动换流阀组数；K_Tr、K_TiH和K_TiL为整流、逆变侧换流变的变比；α为整流器触发角；γ_H和γ_L为逆变器熄弧角；P_dcr、P_dciH和P_dciL为整流站从交流电网吸收的有功功率和逆变站注入交流电网的有功功率；Q_dcr、Q_dciH和Q_dciL为换流站消耗的无功功率；当直流系统参数不变时，A、B、C_H、C_L、D_H和D_L为定值常量。

在交流系统侧将馈入受端系统的高、低端换流站视为特殊负荷，对交流系统网络方程g中与换流器相连母线k的稳态潮流方程进行修改：

式中：ΔP和ΔQ分别为潮流计算过程中的有功功率和无功功率的误差列向量；P_s和Q_s分别为发电机和负荷在相应节点的净注入有功和无功功率；P_dc和Q_dc为与换流器相连换流母线的直流注入有功和无功功率；V和δ分别为交流母线电压幅值和相角；G和B分别为节点导纳矩阵相应元素的电导和电纳。

当直流高、低端换流站分层接入换流母线a和b时，需要对纯交流系统雅可比矩阵中相应的元素(J_PV)_m,n和(J_QV)_m,n进行修改：

式中：J_PV'和J_QV'分别为修改后的雅可比矩阵子矩阵J_PV和J_QV；和为直流功率对换流母线电压幅值的灵敏度。

其中，高端逆变器直流功率对换流母线电压幅值的灵敏度和需要根据直流控制方式确定：

1)当直流系统采用定功率-定熄弧角控制方式时：

2)当直流系统采用当定电流-定熄弧角控制方式时：

3)当直流系统采用定功率(或定电流)-定电压控制方式时：

由于逆变侧高、低端换流器模型在直流系统模型中是对称的，则低端逆变器直流功率对换流母线电压幅值的灵敏度仅需将上述1)～3)中的下标H和L交换即可。

令特高压直流分层接入方式下直流控制的调节量u_dc＝[I_dc；γ_H；γ_L]，交流系统控制量u_ac＝[V_ref,g；B；n_t；k_load]，包含发电机端电压参考值V_ref,g、并联电容器投入量B、OLTC变比n_t、切负荷量k_load。则特高压直流分层接入下交直流系统控制量交直流系统模型的紧凑形式为：

式中:z＝[z_c；z_d]；z⁺为离散量z在离散事件触发下跃变后的数值；和为z跃变前和的数值；h_dc为分层接入直流系统准稳态模型；为离散事件触发的临界条件。

采用时域仿真常用的隐式梯形法和牛顿法迭代求解上述交直流系统模型的微分-代数方程组，即可获得特高压直流分层接入下交直流系统的电压预测输出轨迹，通过时域仿真过程中的系统雅可比矩阵求取电压轨迹灵敏度。则电压稳定控制下系统输入、输出的线性化关系表示为：

式中，下标k表示相应变量在t_k时刻的取值；为电压预测轨迹；为输入的控制量变化；为电压幅值对的轨迹灵敏度。

前述步骤(4)，基于轨迹灵敏度，对系统输入、输出关系进行局部线性化，构建协调电压控制的模型预测二次规划模型，其形式如下：

s.t.

式中：目标函数J由当前电压幅值最低节点的电压预测轨迹与参考轨迹V^ref的偏差和控制代价组成；Q和R为目标函数中的系数矩阵；N_p和N_c为模型预测控制的预测步长和控制步长，且N_p≥N_c；下标max和min分别表示各变量的上、下限值。

前述步骤(5)滚动控制步骤如下：

1)将(4)中求解的最优控制序列的第一组控制量施加到直流分层接入系统中；

2)时间窗口进入下一个采样时刻的采样区间，重新测量各负荷母线电压水平；

3)若负荷母线电压全部满足要求，则退出协调控制；否则重复步骤(1)-步骤(4)，对预测模型误差和环境干扰导致的控制偏差进行反复校正，直到电压幅值满足要求。

对图3所示的经过修改的Nordic32算例系统进行仿真，直流分层接入母线1044和4044，系统负荷采用指数自恢复负荷模型。在t＝10s时，南部送电区域的发电机g17故障跳闸。图4表明，若不采取紧急控制措施，系统将在t＝418s发生电压崩溃；图5表明本公开提供的特高压直流分层接入下交直流系统长期电压稳定协调控制方法实施后，在t＝260s时检测到长期电压失稳，控制启动并对特高压直流分层接入下高、低端逆变器功率进行协调控制，经过15次滚动优化控制后，负荷母线电压恢复到控制目标值0.9以上。由此可得，本公开考虑了分层接入下特高压直流控制量参与长期电压稳定控制，对分层接入直流系统的直流控制量和交流控制量进行协调优化控制，通过模型预测控制方法对分层注入交流电网的直流传输功率进行协调分配，提高了直流分层接入下交直流系统的长期电压稳定性。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims

1.一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，其特征是：在系统发生长期电压失稳后，循环执行以下步骤，直到满足控制目标：

2.如权利要求1所述的一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，其特征是：将直流控制方式切换为定电流-定熄弧角控制方式，该控制方式下的直流电流和熄弧角控制量的整定值由优化模型通过附加的直流电流和熄弧角控制器给定。

3.如权利要求1所述的一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，其特征是：基于广域量测系统提供的各负荷节点电压向量及功率注入向量等在线同步量测数据，计算系统导纳矩阵及各状态量初值信息。

4.如权利要求1所述的一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，其特征是：对特高压直流分层接入下交直流系统准稳态模型进行建模，结合特高压直流分层接入下交直流系统准稳态模型，应用隐式梯形积分法和牛顿-拉夫逊法进行时域仿真，预测系统电压输出轨迹。

5.如权利要求1所述的一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，其特征是：通过时域仿真中得到的雅可比矩阵求得特高压直流分层接入下各交直流控制量对负荷母线电压的轨迹灵敏度。

6.如权利要求5所述的一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，其特征是：基于轨迹灵敏度，对系统输入、输出关系进行局部线性化，构建协调电压控制的模型预测二次规划模型，求解特高压直流分层接入下模型预测控制的二次规划问题，获得控制量的最优控制序列。

7.如权利要求1所述的一种交直流系统长期电压稳定协调控制方法，其特征是：循环执行包括：施加求得的最优控制序列的第一组控制量到系统中，进入下一个时刻的采样区间，判断负荷母线电压是否满足要求；

若负荷母线电压满足要求，则退出控制；否则重新返回至运行方式的切换执行步骤。

8.一种交直流系统长期电压稳定协调控制系统，其特征是：所述控制器被配置为循环执行以下步骤，直到满足控制目标：

9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的交直流系统长期电压稳定协调控制方法。

10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的交直流系统长期电压稳定协调控制方法。