CN110048427B - 一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法。本发明的技术方案包括：建立一种VSC的数学模型：通过对转换器损耗进行适当的建模，依据转换器相电流的多项式函数，分析转换器作为整流器或逆变器时的损耗类型差异；制定多端柔性直流配电网潮流算法：分析在适当位置进行DG连接时多端柔性直流配电网络中的转换器损耗对潮流解决方案的影响；建立一种多端柔性直流配电网模型：基于配电网上的IEEE33总线，在不同的总线之间增加转换器，从而分析转换器损耗和网络损耗的影响；最后通过对多端柔性直流配电系统中的拓扑结构仿真分析，验证所述多端柔性直流配电网模型的可行性和正确性。本发明实现了对直流配电网的保护。

Description

一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法

技术领域

本发明属于直流配电网技术领域，涉及一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法。

背景技术

在国民经济持续快速发展的背景下，针对大型城市配电网发展过程中出现的供电容量不足、电能质量要求提高、分布式电源接入需求等问题，柔性直流配电技术能有效提高单位供电走廊的供电能力，改善供电电能质量，减少故障停电时间，提高供电可靠性，还能为光伏发电装置、电动汽车充电站等分布式电源提供高效便捷的接入接口。多端柔性直流配电技术为直流配网提供了全新的发展方向。

目前，限制柔性直流配电系统广泛应用的主要技术瓶颈之一在于保护控制技术。柔性直流配电网的发展为配电网的保护控制及定值计算带来了严峻的挑战。在继电保护整定计算领域，因其特殊的实用价值和研究价值，国内外大量整定工作者在长期的工作实践中总结了很多经验。早在世纪年代，国内外高校及科研单位就开始了电力系统故障分析及多端柔性直流配电网整定计算算法及软件的开发与推广工作。

多端柔性直流配电网保护装置作为一种自动控制装置，为了使其满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性的四性要求，必须合理地设置保护定值，以确保各个保护间的配合关系。作为计算多端柔性直流配电网保护装置定值的手段，多端柔性直流配电网保护整定计算是多端柔性直流配电网保护各项工作中最为重要的一环，没有进行整定计算并确定合理定值的多端柔性直流配电网保护装置是毫无意义的，使多端柔性直流配电网保护装置定值得到可靠的整定计算是保障电网安全运行的前提。

随着电力工业的持续发展，电压等级逐步提高，电网规模不断增大，全国已经形成了7个跨省的区域电网，而且随着交流特高压的发展，区域电网间也在逐步实现互联，极大地增加了日常多端柔性直流配电网保护整定计算工作需要处理的网络规模。

发明内容

本发明的目的是提供一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法，其通过设计一种多端柔性直流配电网模型，减少直流配电网的网络损耗和转换器损耗，以实现对直流配电网的保护。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法，其包括如下步骤：

步骤1，建立一种VSC的数学模型，包括：通过对转换器损耗进行适当的建模，依据转换器相电流的多项式函数，分析转换器作为整流器或逆变器时的损耗类型差异；

步骤2，制定多端柔性直流配电网潮流算法，包括：分析在适当位置进行DG连接时多端柔性直流配电网络中的转换器损耗对潮流解决方案的影响；

步骤3，建立一种多端柔性直流配电网模型，包括：基于配电网上的IEEE33总线，在不同的总线之间增加转换器，从而分析转换器损耗和网络损耗的影响；

步骤4，最后通过对多端柔性直流配电系统中的拓扑结构仿真分析，验证所述多端柔性直流配电网模型的可行性和正确性。

进一步地，步骤1中所述VSC的数学模型的建立还包括：对VSC站模型及其操作模式分类进行分析，在VSC站的通用模型上，考虑滤波器损耗、相电抗器损耗和变压器阻抗下降因素，形成VSC等效电路模型，在该模型中，VSC变换站成为交流和直流网络之间的基本链路，相电抗器和滤波器母线通过变压器连接到AC网络，并且功率在两个方向上流动；当有功功率从AC侧取出并注入到DC网络时，转换器作为整流器工作，当有功功率从DC侧反向流到AC网络时，转换器作为逆变器工作。

进一步地，步骤1中，所述的多项式函数为：

其中，A、B和C代表每单位损耗系数，并取决于VSC的转换器损耗的测试数据；P_loss表示总转换器损耗。

进一步地，步骤2中所述多端柔性直流配电网潮流算法包括步骤：

21)数据输入和单位转换，将所有转移器数据和交直流网络数据转换为单位标么值；

22)交流网络的转换器的有功功率注入；

23)确定网络类型，如果是交流网络，执行步骤24)，如果是直流网络，执行步骤26)；

24)交流网络潮流计算；

25)转换器功率和损耗的计算；

26)直流网络潮流的计算；

27)确定网络类型，如果是交流系统，执行步骤28)，如果是直流系统，则执行步骤25)；

28)当计算出交直流系统中的所有未知数之后，通过迭代计算在转换器侧注入交流系统的有功功率P_c,n，它取决于直流松弛节点功率P_DC,n和转换器损耗P_loss,n，如下所示：

P_c,n＝-P_DC,n-P_loss,n；

29)确定收敛标准：顺序交直流潮流算法的收敛标准由转换器侧注入交流网络的有功功率的差值设定，如下式所示：

其中，“k”和“ε”分别表示潮流迭代次数和收敛检查的容差值；

如果结果收敛，则计算结束，否则返回步骤22)，更新当前迭代的配电网的数据。

进一步地，步骤3中所述多端柔性直流配电网模型包括：多端柔性直流配电系统中的拓扑结构，以及给定场景下的在该拓扑结构下的分布式能源。

进一步地，所述步骤4中所述的多端柔性直流配电系统中的拓扑结构仿真分析包括：1)有的场景在四次迭代中收敛结果；2)给定不同场景下的对比结论。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法设计了一种多端柔性直流配电网模型，减少了直流配电网的网络损耗和转换器损耗，实现了对直流配电网的保护。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中顺序多端柔性配电网潮流算法的流程图；

图2是本发明具体实施方式中VSC-Station等效电路模型图；

图3是本发明具体实施方式中多端柔性直流配电网模型-拓扑图；

图4是本发明具体实施方式中DER容量(DC输出)的增加使网络损耗变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

1.建立一种VSC的数学模型

首先描述VSC站模型及其操作模式分类。VSC站由连接交流和直流网络的所有元件组成。

(1)VSC分类

基于模块化多电平变换器(MMC)的VSC-MTDC技术具有降低谐波、降低变压器dv/dt应力等优点，可望成为支持VSC-MTDC网络的新技术。VSC通常使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)，电压波形通过脉冲宽度调制(PWM)与相电抗器，直流电容器和低通滤波器合成，这对于阻止高次谐波流动至关重要。PWM基于两级或三级VSC拓扑结构，可实现受控的二级或三级电压输出。本发明采用的是转换器建模方法而且不考虑转换器类型。

(2)VSC-MTDC功率注入建模与操作

在VSC-MTDC多端柔性直流配电系统中，VSC变换站成为了交流和直流网络之间的基本链路。相电抗器和滤波器母线通过变压器连接到AC网络，并且功率可以在两个方向上流动。当有功功率从AC侧取出并注入到DC网络时，转换器作为整流器工作，当有功功率从DC侧反向流到AC网络时，转换器作为逆变器工作。图2展示了VSC的等效电路模型，展示了交流母线，换流变压器，相电抗器，交流滤波器，交流和直流侧转换器模块以及直流母线等不同组件。根据图2中表示的VSC的等效电路模型，在相电抗器后面的VSC表示的是可控电压源，U_c＝U_c∠δ_c，通过复数导纳法求得，Y_c＝G_c+jB_c。低通AC滤波器表示为电纳jBf。转换器变压器接口滤波器总线到AC网络由复数导纳表示为Y_tf＝G_tf+jB_tf。AC和DC总线上的复杂电网侧电压输出分别表示为U_DC＝U_DC∠δ_DC和U_AC＝U_AC∠δ_AC。因此，滤波器总线电压和接口变压器电压可以分别表示为U_f＝U_f∠δ_f和U_tf＝U_tf∠δ_tf。注入AC网络的功率为P_AC、Q_AC，从转换器侧流向交流网络的功率是P_C、Q_C，从转换器侧流向直流网络的功率是P_DC，根据电压关系注入交流电网的有功和无功功率方程为：

通过上述方程可以相应地实现变压器导纳或滤波器纳度的修改。

(3)转换器损耗建模

转换器损耗建模的方法有多种：模块化多电平转换器(MMC)方法包括线性损耗模型，ABB HVDC Light模型方法，其中转换器被建模为发电机，直流线路没有建模，而且该模型不包括损耗。所以说，这些模型都是经过简化的，需要其他方法，这种方法中能够把转换器损耗计算在内。一种能够表示VSC站的通用模型，要考虑到滤波器损耗，相电抗器损耗和变压器阻抗下降这些因素。因此，在本发明中，转换器损耗的大小取决于转换器电流I_c的平方。转换器电流大小取决于流经转换器的有功和无功功率，如方程式(5)所示。

而由等式(6)表示的总转换器损耗P_LOSS是由常数和可变分量组合而成。恒定损耗是与器件的关断状态相关联的电路损耗，而线性损耗是与电流状态相关的开关损耗，可变损耗与生成的热损耗和反向恢复损耗相关联。

其中A，B和C代表每单位损耗系数，并取决于VSC的转换器损耗的测试数据。

2.建立一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法

图1展示了顺序潮流算法的流程图。

该算法还可以运用在具有多个交直流网络互连的系统，并且还可以运用在那些没有交流电网连接的直流总线。

第一步：数据输入和单位转换：该算法首先将所有转换器数据和交直流网络数据转换为单位标幺值。

第二步：确定交流网络的转换器的有功功率注入：首先，假设直流网络和转换器是无损的。以下步骤中，为了能够迭代计算，通过方程式(7)把直流网络功率参考的负值来估计交流网络转换器的有功功率注入的初始值。通过转换器注入的有功功率来估算：

有源功率注入交流网络的矢量表示可以为

式中n表示MTDC网络中连接的转换器总数，第n个转换器与直流松弛节点连接，第n-1个转换器总线则处于恒定有功功率控制之下，假设剩余的总线未连接到交流网络。

第三步：确定网络类型：如果是交流网络，执行步骤4，否则，如果是直流网络，执行步骤6。

第四步：交流网络潮流计算：当为交流网络潮流计算时，所有转换器和直流网络数据都被认为是恒定的。交流网络潮流计算的有功和无功功率方程可写成：

式中m是直流网络总线的总数。转换器功率注入P_AC，i和Q_AC，i作为负载包括在功率失配矢量ΔP和ΔQ中。失配向量可以表示为

式中P_i ^Gen和Q_i ^Gen代表连接交流网络总线的有功和无功功率发生器；P_i ^Load、Q_i ^Load代表交流网络总线上连接的负载；P_AC,i,Q_AC,i代表通过VSC变换器注入的有功功率和无功功率；P_i(u,δ)和Q_i(u,δ)表示由交流潮流计算的交流网络总线的有功和无功功率。

通过使用Newton-Raphson(N-R)潮流算法来求解非线性潮流方程组，通过公式(13)确定所有交流总线的电压和相位角。

第五步：计算转换器功率和损耗：通过交流网络潮流计算后，交流总线电压U_AC，i，向交流网络侧注入的所有转换器有功功率P_AC，i和无功功率Q_AC，i以及损耗P_loss，运用公式(1)-(4)和(6)来计算。

第六步：直流网络潮流计算：首先将功率P_DC,i,注入到直流网络，使转换器与直流母线相连接，通过如下方程计算：

式中，P_c,i表示注入转换器侧的复合功率的有功部分。直流网络潮流计算类似于传统的交流网络潮流计算，不考虑无功功率和线路电抗，因为它在直流网络中不起任何作用。直流网络的电导矩阵G_DC可以表示为：

式中，p表示直流网络总线的总数。注入直流网络的电流可以写成：

u_DC＝[u_DC1,u_DC2,…,u_DCn]^T代表直流电压矢量，I_DC＝[I_DC1,I_DC2,…,I_DCn]^T，代表直流电流矢量。

直流网络上的有功功率注入P_DC,i计算如下：

式中，用T_o定义直流系统的配置，T_o＝1用于单极配置，T_o＝2用于双极配置。采用N-R算法计算直流母线电压：

第七步：确定网络类型：如果是交流系统，执行步骤8，否则，如果网络不是交流系统，执行步骤4，否则，如果是直流系统，则执行步骤5。

第八步：当计算出交直流系统中的所有未知数之后，另外通过迭代计算在转换器侧注入交流系统的有功功率P_c,n，它取决于直流松弛节点功率P_DC,n和转换器损耗P_loss,n，如公式(21)所示：

迭代的时候，假设直流网络侧电压U_AC和注入到交流网络的无功功率Q_AC是恒定的。

第九步：收敛标准：顺序交直流潮流算法的收敛标准由转换器侧注入交流网络的有功功率的差值设定，如公式(22)所示：

其中，“k”和“ε”分别表示潮流迭代次数和收敛检查的容差值。

如果结果收敛，则计算结束，否则返回步骤2，更新当前迭代的配电网的数据。

3.建立一种多端柔性直流配电网模型

本发明修改了配电网上的IEEE33总线。多端柔性直流配电系统中的拓扑结构如图3所示。修改后的拓扑建模方法对配电网的配置和拓扑没有任何限制，并且该设计还可以使不同类型DER可以和多端柔性直流配电系统互连。

基本功率，基本交流电压值和基本直流电压分别为100MVA，12.66kV和1.5kV。电压和功率数据都以单位标幺值(p.u)值表示。所有换流变压器的电阻和漏抗均取为0.0015+j0.1121p.u.滤波器电纳为j0.045p.u，电抗器阻抗为0.0001+j0.1643p.u.

多端柔性直流配电网-拓扑如图3所示。在多端柔性直流配电网中对拓扑进行修改，在总线5和6之间增加了VSC转换器。在这种直流总线占主导地位的拓扑结构中，交流与直流总线的比率为1:2。而且，在该拓扑结构中，将交流母线1作为交流松弛母线，交流电压幅值为1.05p.u，相位角为零。在直流网络中，将直流母线6作为直流松弛母线，直流电压幅值为1.05p.u，其余交流母线电压幅值为1p.u，相位为零，直流母线电压幅值为1.0p.u，并作为平启动值。

如表1所示，在下面的三种情形中对配网中的分布式能源进行了研究：

场景(1)传统的交流配电网：所有的分布式能源都在交流网络侧连接，并且输出只有交流。(传统交流配电网)

场景(2)多端柔性直流配电网：所有的分布式能源都在直流网络侧连接，并且输出只有直流。

场景(3)交直流混合配电网：分布式能源连接在交流网络和直流网络之间，具体取决于分布式能源的输出类型。研究中，分布式能源和负荷被建模为常数，而不考虑分布式能源的变化性质，其输出取决于许多自然因素。

表1拓扑中的分布式能源

4.多端柔性直流配电系统中的拓扑结构仿真分析：

所有仿真都采用10-4p.u的收敛容差。表2中的仿真结果展示了在给定场景(2)和(3)下的电压曲线有所改善。

表2拓扑中的潮流仿真结果

在表3和表4中，在给定场景(2)和(3)下，得出结论：在直流网络上连接的分布式能源使从交流网络到直流网络注入功率减少，导致配电网中转换器数量和网络损耗减少。从表4的结果可以看出，如果使用集成的分布式能源，那么转换器或逆变器的损耗会减少，则情景(3)中的总损耗也会有所降低。

表3多端柔性直流配电系统拓扑结构综述

表4多端柔性直流配电系统拓扑损耗

图4展示了在场景(3)下的案例研究的结果。考虑到在直流网络上连接的分布式能源的增加导致整体网络损耗的减少，而假设在交流网络中的分布式能源恒定，交流和直流网络的负载也是恒定的。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立一种VSC的数学模型，包括：通过对转换器损耗进行适当的建模，依据转换器相电流的多项式函数，分析转换器作为整流器或逆变器时的损耗类型差异；

步骤2，制定多端柔性直流配电网潮流算法，包括：分析在适当位置进行DG连接时多端柔性直流配电网络中的转换器损耗对潮流解决方案的影响；

步骤3，建立一种多端柔性直流配电网模型，包括：基于配电网上的IEEE33总线，在不同的总线之间增加转换器，从而分析转换器损耗和网络损耗的影响；

步骤4，最后通过对多端柔性直流配电系统中的拓扑结构仿真分析，验证所述多端柔性直流配电网模型的可行性和正确性；

步骤1中，所述的多项式函数为：

其中，A、B和C代表每单位损耗系数，并取决于VSC的转换器损耗的测试数据；P_loss表示总转换器损耗，I_c表示转换器电流；

步骤2中所述多端柔性直流配电网潮流算法包括步骤：

21)数据输入和单位转换，将所有转换器数据和交直流网络数据转换为单位标么值；

22)交流网络的转换器的有功功率注入；

23)确定网络类型，如果是交流网络，执行步骤24)，如果是直流网络，执行步骤26)；

24)交流网络潮流计算；

25)转换器功率和损耗的计算；

26)直流网络潮流的计算；

27)确定网络类型，如果是交流系统，执行步骤28)，如果是直流系统，则执行步骤25)；

28)当计算出交直流系统中的所有未知数之后，通过迭代计算在转换器侧注入交流系统的有功功率P_c,n，它取决于直流松弛节点功率P_DC,n和转换器损耗P_loss,n，如下所示：

P_c,n＝-P_DC,n-P_loss,n；

29)确定收敛标准：顺序交直流潮流算法的收敛标准由转换器侧注入交流网络的有功功率的差值设定，如下式所示：

其中，“k”和“ε”分别表示潮流迭代次数和收敛检查的容差值；

如果结果收敛，则计算结束，否则返回步骤22)，更新当前迭代的配电网的数据。

2.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法，其特征在于，步骤1中所述VSC的数学模型的建立还包括：对VSC变换站模型及其操作模式分类进行分析，在VSC变换站的通用模型上，考虑滤波器损耗、相电抗器损耗和变压器阻抗下降因素，形成VSC等效电路模型，在该模型中，VSC变换站成为交流和直流网络之间的基本链路，相电抗器和滤波器母线通过变压器连接到AC网络，并且功率在两个方向上流动；当有功功率从AC侧取出并注入到DC网络时，转换器作为整流器工作，当有功功率从DC侧反向流到AC网络时，转换器作为逆变器工作。

3.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法，其特征在于，步骤3中所述多端柔性直流配电网模型包括：多端柔性直流配电系统中的拓扑结构，以及给定场景下的在该拓扑结构下的分布式能源，所述的场景为多端柔性直流配电网或直流混合配电网。

4.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流配电网潮流保护定值计算方法，其特征在于，所述步骤4中所述的多端柔性直流配电系统中的拓扑结构仿真分析包括：1)场景在四次迭代中收敛结果；2)给定不同场景下的对比结论，所述的场景为多端柔性直流配电网或直流混合配电网。

Images