CN110350566A - 含直流潮流控制器的三端直流系统 - Google Patents
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Abstract
本发明含直流潮流控制器的三端直流系统,包括换流站,所述换流站为多个,多个所述换流站呈多边形;输电线,所述输电线连接在相邻多个所述换流站之间;潮流控制装置,多个所述潮流控制装置分别设置在多个所述换流站的输出端口处;变压器,多个所述变压器分别串联在所述输电线的正极性输电段和负极性输电段上。与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:引入多个直流变压器和线间直流潮流控制器,使含多个直流潮流控制器的直流系统相比于不含直流潮流控制器的直流系统,网损能有效地降低。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子变换器与直流输电领域,尤其涉及直流潮流控制器电路拓扑设计与运行控制技术。
背景技术
多端柔性直流输电系统是解决大规模新能源并网问题的有效手段,直流电网采用网状结构能够显著提高系统的可靠性。但网状直流电网的输电线路非常复杂,系统的潮流分布由各节点电压和功率以及线路阻抗决定。复杂的直流网络会引起潮流分布不均,从而增大直流系统网损,带来额外的能量消耗。
直流电网的损耗问题逐渐引起学者们的关注。为了解决潮流有效控制问题,直流潮流控制器的概念引入学术界和工业界。直流潮流控制器能够有效地控制直流线路潮流,增加直流电网潮流控制的自由度。网状直流电网需要有效的手段优化潮流分布,才能降低网损,直流潮流控制器作为能够控制潮流的专用设备,初步得到人们关注。目前国内外主要集中于其拓扑的研究,在深入优化产潮流分布方面,相关研究仍为空白,缺乏关注其对网损影响。
从功能看,直流潮流控制器可以分为电阻型直流潮流控制器和电压型直流潮流控制器。电阻型直流潮流控制器的拓扑和控制较简单,等效于增大该输电线路的电阻,如图1(a)所示,其结构和控制都较简单,但电阻器上会有较大损耗,不利于减小总网损。从拓扑结构分类,电压型直流潮流控制器分为直流变压器、串联可调电压源和线间直流潮流控制器。直流变压器的工作原理是将单个变压器串联在正极性线路和负极性线路中,通过调整变压器的变比来调节线路潮流。直流变压器能够起到隔离的作用,但需要承受系统级别的电压,如图1(b)所示,M表示流变压器的等效变比,其数值为输出电压与输入电压的比值。如图1(c)所示,在正极性线路或负极性线路中串联可调电压源,通过改变端电压来调节线路潮流,蓝色的电压源表示与外部直流母线进行能量交换。装置所需承受电压等级和功率等级较低,但需要提供外部电源。由于串联可调电压源需要消耗额外的能量,增大系统的总能量损耗,降低传输效率,不适合选为减小网损的直流潮流控制器。线间直流潮流控制器,以电容作为能量转移枢纽,将1条线路上的部分功率转移到另1条线路。利用线路之间的功率交换实现2条线路的潮流控制,其工作原理如图1(d)所示。其中Vx和Vy表示一组线间直流潮流控制器所对应的等效电压源,满足功率平恒式VxI2=VyI1,蓝色的箭头表示Vx和Vy之间的功率交换。
直流潮流控制器作用在直流电网交互影响中,目前仅有文献[1](李琰,姚良忠,陈武,等.潮流控制器对直流电网运行网损影响分析[J].电网技术2016,40(6):1736-1742.LiYan,Yao Liangzhong,Chen Wu,et al.Study on Effects of DC Power Flow Controlleron DC Transmission Loss[J].Power System Technology,2016,40(6):1736-1742.)初步探讨了引入直流潮流控制器场景下的直流网损。将直流变压器串联在三端柔性直流系统的其中一条支路上,通过改变等效变比M来改变潮流,进而影响网损。该文献[1]采用灵敏度分析的方法,以等效变比M作为自变量,总网损Ploss作为因变量,求出Ploss对M的偏导数。若偏导数等于0,说明Ploss取极小值。结果表明,直流变压器确实能够减小网损,但影响幅度很有限,不使用直流潮流控制器时的网损为83.56MW,使用后的最小网损为83.33MW,减小幅度仅为0.2%。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种解决上述技术问题的含直流潮流控制器的三端直流系统。
为了解决上述技术问题,本发明含直流潮流控制器的三端直流系统,包括换流站,所述换流站为多个,多个所述换流站呈多边形;输电线,所述输电线连接在相邻多个所述换流站之间;潮流控制装置,多个所述潮流控制装置分别设置在多个所述换流站的输出端口处;变压器,多个所述变压器分别串联在所述输电线的正极性输电段和负极性输电段上。
所述换流站包括:换流站,多个所述潮流控制装置分别设置在多个所述换流站的输出端口处;电源,所述电源与所述换流站的输入端电连接。
所述电源为交流源。
所述换流站的数量为三个,三个所述换流站呈三角形。
所述潮流控制装置为三组。
所述潮流控制装置包括两个潮流控制器,两个所述潮流控制器分别位于与同一输出端口相连接的两条所述输电线上。
所述潮流控制器为线间直流潮流控制器。
所述变压器为直流变压器。
三个所述换流站与所述输电线构成三端柔性直流输电系统。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:引入多个直流变压器和线间直流潮流控制器,使含多个直流潮流控制器的直流系统相比于不含直流潮流控制器的直流系统,网损能有效地降低。
附图说明
通过阅读以下附图,参照详细描述的非限制性实施示例,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1(a)为可变电阻器示意图;
图1(b)为直流变压器示意图;
图1(c)为可调电压源示意图;
图1(d)为线间直流潮流控制器示意图;
图2为本发明三端环网式直流系统示意图;
图3为本发明含三组线间直流潮流控制器的三端直流系统示意图;
图4为本发明最小网损的求解步骤示意图;
图5为本发明含三组线间直流潮流控制器的三端直流系统网损变化图;
图6为本发明含三组直流变压器的三端直流系统示意图;
图7为本发明含三组直流变压器的三端直流系统网损变化图;
图8为本发明含六组直流潮流控制器的三端直流系统示意图;
图9为本发明线路总网损仿真波形图;
图10为本发明线路电流仿真波形图;
图11为本发明端电压仿真波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施示例对本发明进行详细阐述。以下实施示例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明针对现有技术图1(a)~图1(d)所示的四类直流潮流控制器的特点,聚焦于直流系统网损的降低策略,探讨了直流潮流控制器对直流线路潮流的影响。在一个典型的三端直流系统中,引入多个直流变压器和线间直流潮流控制器,建立三个不同的场景,验证了以下结论:含多个直流潮流控制器的直流系统相比于不含直流潮流控制器的直流系统,网损能有效地降低。针对含三组线间直流潮流控制器的直流系统,本发明在PLECS仿真平台搭建模型,验证了控制策略的有效性。
针对既有技术方案存在的缺点和不足,本专利旨在解决以下问题:
(1)直流潮流控制器参数配置的程序化:在直流电网中引入多个直流潮流控制器时,如何选择其参数使网损最小,很难直接求解。本专利给出了求解方法的流程图,使用matlb编程可得到其最优解;
(2)不同场景下的系统最小网损求解:以三端直流输电系统为例,设计三个基本场景,场景一包含3组线间直流潮流控制器,场景二包含3组直流变压器,场景三包含3个直流变压器和3个线间直流潮流控制器。根据场景的不同,调整直流潮流控制器的参数,得到符合实际的网损降低方案;
(3)直流系统网损理论极值的求解:在直流潮流控制器的参数没有限制,可任意取值的条件下,计算网损所能达到的极小值;
(4)网损数据的图像化:以直流潮流控制器的参数为自变量,系统总网损为因变量,作出相应的折线图。
本发明所研究的三端柔性直流输电系统如图2所示。换流站VSC1、VSC2的出口分别为节点1、节点2,其端电压分别用V1、V2表示。换流站VSC1和VSC2其运行模式为定功率运行,分别向直流系统注入功率P1(160kW)、P2(80kW)。换流站VSC3的出口为节点3,其输出端电压为V3,控制在150kV。节点1、2的电压由欧姆定理决定,线路1、线路2、线路3的电阻分别为2Ω、3Ω、1Ω。
下面对其应用场景、工作原理和控制策略进行简要阐述。
A.含三组线间型直流潮流控制器的直流系统网损优化
线间直流潮流控制器具有开关器件少、控制简单、应用场合广泛等优点。其通过一个电容器等效为电压源,不需要与外部进行能量交换,也无需承受系统级的高电压和功率,损耗低。场景一的电路图如图3所示,三组线间直流潮流控制器分别接在在换流站1、2、3端口处,对应六个等效电压源V1x、V2x、V3x、V1y、V2y、V3y。设等效电压源阈值为VT,(VT>0),即|Vix|<VT,|Viy|<VT(i=1,2,3),电路电压电流方程如下:
目标是求解Ploss(min),方程组(1)有8个方程,8个因变量(I12、I13、I23、V1、V2、V1y、V2y、V3y),3个自变量(V1x、V2x、V3x)。对于这种强耦合方程组,采用判断单调性的方法求解Ploss(min)非常困难,故按图4所示的流程图作近似计算,此外加上了回路电流限制条件:电流幅值小于1.5kA,即|I12|<1.5kA、|I13|<1.5kA、|I23|<1.5kA。VT=10kV时,编写matlab程序计算得到的最优解如表1(含三组线间直流潮流控制器的直流系统最小网损)所示:
表1
V<sub>1</sub>(kV) | V<sub>2</sub>(kV) | I<sub>12</sub>(kA) | I<sub>13</sub>(kA) | I<sub>23</sub>(kA) | P<sub>loss</sub>(MW) |
157.644 | 140.572 | 0.406 | 0.608 | 0.976 | 2.393 |
V<sub>1x</sub>(kV) | V<sub>2x</sub>(kV) | V<sub>3x</sub>(kV) | V<sub>1y</sub>(kV) | V<sub>2y</sub>(kV) | V<sub>3y</sub>(kV) |
-6.259 | -10 | -6.237 | -4.181 | -4.167 | -10 |
若继续增大VT的数值,总网损Ploss还会继续减小。以等效电压源阈值VT为自变量,对应的最小网损Ploss(min)为因变量,作出了Ploss(min)随VT变化的曲线图,如图5所示。观察曲线图,可得到如下结论:
(1)在直流系统中引入三组线间直流潮流控制器后,网损降低的幅度显著增加,当VT为10kV时,总网损由2.458MW下降到了2.393MW,降低幅度为2.64%;;
(2)VT和对应最小网损Ploss(min)接近线性关系。
B.含三组直流变压器型潮流控制器的直流系统网损优化
直流变压器的工作原理是将单个直流变压器串联在正极性线路和负极性线路中,通过调整变压器的变比来调节线路潮流,能够起到隔离的作用。场景二的电路图如图6所示:三个直流变压器分别串联在线路1、2、3处,等效变比分别为M3、M1、M2。设等效变比的浮动范围为m(m>0),即1-m<Mi<1+m(i=1,2,3)。(2)式为其电压电流方程组,包含5个方程,5个因变量(I12、I13、I23、V1、V2),3个自变量(M1、M2、M3)。
最优解Ploss(min)仍采用图4所示的流程图来计算,只需将自变量换成M1、M2、M3即可,故不再另给流程图。当直流变压器等效变比的浮动范围为m=0.1,即0.9<Mi<1.1时。matlab求解Ploss(min)的结果如表2(含三组直流变压器的直流系统最小网损)所示。最小网损为2.382MW。
表2
以等效变比Mi的浮动范围m为自变量,所对应的最小网损Ploss(min)为因变量,再重复运行程序并记录数据。描点作出了Ploss(min)随m变化的曲线图,如图7所示。观察曲线图,可得到如下结论:
(1)相比于只含一个直流潮流控制器的三端系统,本场景下的直流网损能够显著降低,当限定变比浮动范围m=0.1时,总网损由2.458MW下降到了2.382MW,减小幅度为3.09%;
(2)变比浮动范围m与最小网损Ploss(min)之间接近于线性关系。
C.含六组直流潮流控制器的直流系统网损优化
为了最大限度地降低网损,本发明将直流变压器与线间直流潮流控制器尽可能多地应用在直流系统中,电路如图8所示。基于A、B两部分所描述的场景,设VT的取值为10kV,m的取值为0.1。由于变量个数较多,方程组及其求解较繁琐,故不再列出,给出最优化软件Lingo的求解结果供参考,如表3(含六组直流潮流控制器的直流系统最小网损)所示。
表3
由表3可知,最小网损达到了2.329MW,降低幅度为5.25%。相比于方案A或方案B,直流系统的网损能进一步降低。
D.直流系统网损理论极值计算与迭代计算验证
在直流系统中引入直流变压器和线间直流潮流控制器时,与外界均无能量交换,满足功率守恒:
Ploss+Pin=P1+P2 (3)
P1和P2为恒定功率,换流站VSC3为定直流电压模式运行,输出为P3。总网损为Ploss,P3和Ploss的计算如公式(4)、(5)所示:
P3=V3(I13+I23) (4)
V3为定值,因此,减小网损等价于增大输入功率P3,即增大(I13+I23)的值,将(4)式变形,得到:
Pin/150=I13+I23,为了表述方便,设Pin/150=a,I13=x,则I23=a-x。代入(5)式,并进行整理。
因为I12不直接输送功率至换流站3,假设直流变压器工作范围理论上没有限制,即等效变比大小M能任意取值,使得I12约等于0,那么(5)式可转化为:
Ploss≈(R13+R23)x2-2aR23x+R23a2 (6)
解方程(6),当x=aR23/(R13+R23)时,网损最小,I23=a-x=aR13/(R13+R23),综上所述,建立基于变压比M的含直流变压器的直流电网网损优化模型,如下所示:
电阻数据为R13=3Ω,R23=1Ω,代入(5)式,得:
Ploss(min)≈4(a/4)2-2a×(a/4)+a2=3a2/4 (8)
由(3)式知:
Pin(max)=P1+P2-Ploss(min)=240-(3/4)a2,因为Pin/150=a,则有:
240-(3/4)a2=150a (9)
解上述方程可得,a=1.5874,I12=0,I13=a/4=0.3969,I23=1.1905。最小网损为:
Ploss(min)≈(3/4)a2=1.889879 (10)
系统原网损为2.4578MW,配置直流潮流控制器后,网损最多可以降到1.889879MW,降低幅度为23.1%。由此可见:合理使用直流潮流控制器能够有效减小能量损耗,提高传输效率。
以上对本发明的具体实施示例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施示例和实施示例中的特征可相互组合。
Claims (9)
1.一种含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,包括:
换流站,所述换流站为多个,多个所述换流站呈多边形;
输电线,所述输电线连接在相邻多个所述换流站之间;
潮流控制装置,多个所述潮流控制装置分别设置在多个所述换流站的输出端口处;
变压器,多个所述变压器分别串联在所述输电线的正极性输电段和负极性输电段上。
2.根据权利要求1所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,所述换流站包括:
换流站,多个所述潮流控制装置分别设置在多个所述换流站的输出端口处;
电源,所述电源与所述换流站的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,所述电源为交流源。
4.根据权利要求1或2所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,所述换流站的数量为三个,三个所述换流站呈三角形。
5.根据权利要求4所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,所述潮流控制装置为三组。
6.根据权利要求4所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,所述潮流控制装置包括两个潮流控制器,两个所述潮流控制器分别位于与同一输出端口相连接的两条所述输电线上。
7.根据权利要求6所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,所述潮流控制器为线间直流潮流控制器。
8.根据权利要求1所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,所述变压器为直流变压器。
9.根据权利要求4所述的含直流潮流控制器的三端直流系统,其特征在于,三个所述换流站与所述输电线构成三端柔性直流输电系统。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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