CN110707741A - 柔性直流系统电压功率分布特性分析方法及装置 - Google Patents

柔性直流系统电压功率分布特性分析方法及装置 Download PDF

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CN110707741A CN201910998648.5A CN201910998648A CN110707741A CN 110707741 A CN110707741 A CN 110707741A CN 201910998648 A CN201910998648 A CN 201910998648A CN 110707741 A CN110707741 A CN 110707741A
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Abstract

本发明公开一种柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法和装置。该方法包括：获取柔性直流输电系统在n个换流站处的控制变量组合；当所述控制变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，将所述柔性直流输电系统等效为具有n+1个节点的等效系统；其中，所述第n+1个节点为虚拟节点，所述n个换流站为n个功率节点；确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗；根据所述虚拟线路阻抗，通过直流电网线性潮流计算方法得到所述柔性直流系统在n个换流站处的电压分布和功率分布。该方法和装置能够快速直观地得到柔性直流系统电压功率分布特性，提高了电压功率分布特性分析方法的效率。

Description

柔性直流系统电压功率分布特性分析方法及装置
技术领域
本发明直流输电技术领域，尤其涉及柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法及装置。
背景技术
基于电压源型换流器(Voltage Source Converter，简称VSC)的多端直流输电(Multi-Terminal，简称MTDC)系统在分布式发电、可再生能源发电、中/低压输配电、电力市场等方面具有广阔的应用前景。
目前，鉴于在分析柔性直流输电系统受端故障穿越策略时，采用的电压功率分布特性分析方法非常复杂、导致作业效率低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法及装置，以解决目前电压功率分布特性分析方法复杂、作业效率低的问题。
第一方面，本发明提供一种柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法，包括：
获取柔性直流输电系统在n个换流站处的控制变量组合；
当所述控制变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，将所述柔性直流输电系统等效为具有n+1个节点的等效系统；
其中，所述第n+1个节点为虚拟节点，所述n个换流站为n个功率节点；
确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗；
根据所述虚拟线路阻抗，通过直流电网线性潮流计算方法得到所述柔性直流系统在n个换流站处的电压分布和功率分布。
进一步地，所述有功变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，有：
Figure BDA0002239577820000021
其中，Kp表示有功功率系数；
Ku表示直流电压系数；
Figure BDA0002239577820000022
为参考有功功率；
Pg为量测得到的有功功率；
为参考直流电压；
Udc为量测得到的直流电压。
进一步地，所述确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗，包括：
在各变流站的直流电压波动小于预先设定的阈值范围时，根据下式确定各功率节点与所述虚拟节点之间形成的虚拟线路的阻抗βi：
Figure BDA0002239577820000024
其中，ρdci为直流下垂系数；Pni为额定有功功率；Udcni为额定直流电压。
进一步地，每一换流站的控制系统包括内环电流控制器和外环功率控制器；
外环功率控制器控制以下控制变量中的至少两项：交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压。
进一步地，两端交流系统均为有源系统时，控制变量为在送端控制有功功率和交流侧无功功率，控制变量为在变端控制直流电压和交流侧无功功率；
在受端交流系统为无源系统时，连接无源交流网络的换流站的控制变量为交流系统频率和交流系统电压，连接有源交流网络的换流站的控制变量为直流电压和交流侧无功功率。
第二方面，本发明提供一种柔性直流输电系统电压功率分布特性分析装置，包括：
控制变量组合获取模块，用于获取柔性直流输电系统在n个换流站处的控制变量组合；
系统等效模块，用于当所述控制变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，将所述柔性直流输电系统等效为具有n+1个节点的等效系统；
其中，所述第n+1个节点为虚拟节点，所述n个换流站为n个功率节点；
虚拟线路阻抗确定模块，用于确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗；
电压功率分布特性确定模块，用于根据所述虚拟线路阻抗，通过直流电网线性潮流计算方法得到所述柔性直流系统在n个换流站处的电压分布和功率分布。
进一步地，所述系统等效模块中，所述有功变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，有：
Figure BDA0002239577820000031
其中，Kp表示有功功率系数；
Ku表示直流电压系数；
Figure BDA0002239577820000032
为参考有功功率；
Pg为量测得到的有功功率；
Figure BDA0002239577820000033
为参考直流电压；
Udc为量测得到的直流电压。
进一步地，所述虚拟线路阻抗确定模块，用于：
在各变流站的直流电压波动小于预先设定的阈值范围时，根据下式确定各功率节点与所述虚拟节点之间形成的虚拟线路的阻抗βi：
Figure BDA0002239577820000041
其中，ρdci为直流下垂系数；Pni为额定有功功率；Udcni为额定直流电压。
进一步地，每一换流站的控制系统包括内环电流控制器和外环功率控制器；
外环功率控制器控制以下控制变量中的至少两项：交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压。
进一步地，两端交流系统均为有源系统时，控制变量为在送端控制有功功率和交流侧无功功率，控制变量为在变端控制直流电压和交流侧无功功率；
在受端交流系统为无源系统时，连接无源交流网络的换流站的控制变量为交流系统频率和交流系统电压，连接有源交流网络的换流站的控制变量为直流电压和交流侧无功功率。
本发明提供的柔性直流系统电压功率分布特性分析方法和装置，根据各换流站处的控制变量组合，将柔性直流输电系统等效为包括虚拟节点和虚拟线路的等效系统，根据等效线路的阻抗，利用直流潮流计算方法，快速直观地得到柔性直流系统电压功率分布特性，提高了电压功率分布特性分析方法的效率。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本发明优选实施方式的柔性直流系统电压功率分布特性分析方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施方式的柔性直流系统电压功率分布特性分析装置的组成示意图。
图3为本发明优选实施方式的柔性直流系统等效过程示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
常规直流输电具有造价低、损耗小、输送容量大、输送距离不受限制等优点，但也存在受端易发生换相失败、对交流系统依赖性强以及运行消耗大量无功等问题。另一方面，直流受端落点往往比较集中；送端交流系统故障可能引起受端多个换流站同时发生换相失败，从而使多个换流站闭锁，导致输送功率中断，严重威胁电网的稳定运行。柔性直流输电从根本上避免了换相失败问题，且可以分别独立控制有功功率与无功功率，并且还可以向无源网络供电，且占地面积小。
如图1所示，本发明实施例的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法，包括：
步骤S100：获取柔性直流输电系统在n个换流站处的控制变量组合；
步骤S200：当所述控制变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，将所述柔性直流输电系统等效为具有n+1个节点的等效系统；
其中，所述第n+1个节点为虚拟节点，所述n个换流站为n个功率节点；
步骤S300：确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗；
步骤S400：根据所述虚拟线路阻抗，通过直流电网线性潮流计算方法得到所述柔性直流系统在n个换流站处的电压分布和功率分布。
进一步地，所述有功变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，有：
Figure BDA0002239577820000051
其中，Kp表示有功功率系数；
Ku表示直流电压系数；
为参考有功功率；
Pg为量测得到的有功功率；
Figure BDA0002239577820000062
为参考直流电压；
Udc为量测得到的直流电压。
进一步地，所述确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗，包括：
在各变流站的直流电压波动小于预先设定的阈值范围时，根据下式确定各功率节点与所述虚拟节点之间形成的虚拟线路的阻抗βi：
Figure BDA0002239577820000063
其中，ρdci为直流下垂系数；Pni为额定有功功率；Udcni为额定直流电压。
进一步地，每一换流站的控制系统包括内环电流控制器和外环功率控制器；
外环功率控制器控制以下控制变量中的至少两项：交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压。
进一步地，两端交流系统均为有源系统时，控制变量为在送端控制有功功率和交流侧无功功率，控制变量为在变端控制直流电压和交流侧无功功率；
在受端交流系统为无源系统时，连接无源交流网络的换流站的控制变量为交流系统频率和交流系统电压，连接有源交流网络的换流站的控制变量为直流电压和交流侧无功功率。
如图2所示，本发明实施例的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析装置，包括：
控制变量组合获取模块10，用于获取柔性直流输电系统在n个换流站处的控制变量组合；
系统等效模块20，用于当所述控制变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，将所述柔性直流输电系统等效为具有n+1个节点的等效系统；
其中，所述第n+1个节点为虚拟节点，所述n个换流站为n个功率节点；
虚拟线路阻抗确定模块30，用于确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗；
电压功率分布特性确定模块40，用于根据所述虚拟线路阻抗，通过直流电网线性潮流计算方法得到所述柔性直流系统在n个换流站处的电压分布和功率分布。
进一步地，所述系统等效模块中，所述有功变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，有：
Figure BDA0002239577820000071
其中，Kp表示有功功率系数；
Ku表示直流电压系数；
Figure BDA0002239577820000072
为参考有功功率；
Pg为量测得到的有功功率；
Figure BDA0002239577820000073
为参考直流电压；
Udc为量测得到的直流电压。
进一步地，所述虚拟线路阻抗确定模块，用于：
在各变流站的直流电压波动小于预先设定的阈值范围时，根据下式确定各功率节点与所述虚拟节点之间形成的虚拟线路的阻抗βi：
Figure BDA0002239577820000074
其中，ρdci为直流下垂系数；Pni为额定有功功率；Udcni为额定直流电压。
进一步地，每一换流站的控制系统包括内环电流控制器和外环功率控制器；
外环功率控制器控制以下控制变量中的至少两项：交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压。
进一步地，两端交流系统均为有源系统时，控制变量为在送端控制有功功率和交流侧无功功率，控制变量为在变端控制直流电压和交流侧无功功率；
在受端交流系统为无源系统时，连接无源交流网络的换流站的控制变量为交流系统频率和交流系统电压，连接有源交流网络的换流站的控制变量为直流电压和交流侧无功功率。
以上发明实施例的柔性直流系统电压功率分布特性分析方法和装置，根据各换流站处的控制变量组合，将柔性直流输电系统等效为包括虚拟节点和虚拟线路的等效系统，根据等效线路的阻抗，利用直流潮流计算方法，快速直观地得到柔性直流系统电压功率分布特性，提高了电压功率分布特性分析方法的效率。
柔性直流输电控制系统主要由内环电流控制器和外环功率控制器构成。其中，柔性直流输电系统的基本控制方式由外环控制器决定。而外环功率控制器控制的主要物理量有：交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压等。其中，交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率等为有功功率类物理量(也称有功分量)；而交流侧无功功率、交流侧电压等为无功功率类物理量(也称无功分量)。
鉴于有功功率类物理量产生Idref，无功功率类物理量产生Iqref，为电流内环控制，柔性直流输电控制系统需要分别选择有功类控制变量和无功类控制变量。
如，内环电流控制器的输入包括预先设定的直流电流参考值
Figure BDA0002239577820000081
和当前采样时刻的直流电流值Id；内环电流控制器的输出为直流电压参考值的偏差量△Udc，其用于修正外环定电压控制环节的电压参考值
Figure BDA0002239577820000082
外环功率控制器的输入包括预先设定的无功功率参考值Q*和当前采样时刻的无功功率值Q；外环功率控制器的输出包括内环电流控制器的q轴电流参考值。
为保持柔性直流输电系统稳定运行，在每一个直流换流站，必须在有功类物理量和无功类物理量中各挑选一个物理量进行控制。柔性直流换流站可以是送端换流站，或受端换流站，并不区分是受端还是送端。同时，柔性直流输电系统中还必须有一端控制直流电压，这样柔性直流输电系统就存在多种控制变量的组合。合理的控制变量组合随两端交流系统情况的不同而改变。
对于两端交流系统均为有源系统的情况(也即，送端柔性直流换流站与交流电网连接且受端柔性直流换流站也与交流电网连接的情况)，优选的控制变量组合是整流端(或送端)控制有功功率和交流侧无功功率，逆变端(或受端)控制直流电压和交流侧无功功率。
这时，送端换流站(整流端)和受端换流站(逆变端)各自的无功功率的控制是彼此独立的。两站各自所需的参考无功功率可以由交流电压控制间接来实现或由无功功率控制直接来实现。
但是，由于换流器容量的限制，在同一站实现有功功率量和无功功率量的独立控制时，有功功率和无功功率必须控制在PQ平面的一个特定范围内。
当使用柔性直流输电向无源交流网络供电(也即受端交流系统为无源系统)时，通常设定为由连接无源交流网络的那个VSC站(记为受端VSC1)控制交流系统频率和交流系统电压，而连接有源交流网络的那个VSC站(记为送端VSC2)控制直流电压和交流侧无功功率。
对于有功分量控制，有如下公式：
Figure BDA0002239577820000091
其中，Kp和Ku分别表示有功功率系数和直流电压系数；为参考有功功率；Pg为量测得到的有功功率，即实际有功功率；
Figure BDA0002239577820000093
是参考直流电压；Udc为量测得到的直流电压，即实际直流电压。
如果Kp＝0，VSC换流站为定直流电压控制方式；如果Ku＝0，VSC换流站为定有功功率控制方式。如果Kp和Ku这两者均不为0，则该VSC换流站为直流电压下垂控制方式。
设β＝Ku/Kp，则公式(1)可以表示为
Figure BDA0002239577820000101
进一步地，在VSC换流站为直流电压下垂控制方式时，如果直流电压波动较小(如，波动率为5％～10％)，那么直流电压和有功功率呈现线性的关系，有
Figure BDA0002239577820000102
其中，ρdc为直流下垂系数；Pn为额定有功功率；Udcn为额定直流电压。
这时，采用直流电压下垂控制的柔性直流输电系统可以转换为等效的扩展柔直系统。
如图3的左侧所示，采用直流电压下垂控制的多终端柔性直流输电系统中包括有n条线路及换流站；在每一个换流站处，直流电压和有功功率呈现线性关系，有
Figure BDA0002239577820000103
其中，
Figure BDA0002239577820000104
为直流电压变化量，
Figure BDA0002239577820000105
为有功功率变化量。
该等效的扩展柔直系统中，增加了一个虚拟节点n+1；其中，li表示虚拟节点n+1与第i个节点之间的虚拟线路参数；
该等效的扩展柔直系统中，有
Figure BDA0002239577820000106
其中，
Figure BDA0002239577820000107
为等效的直流电压变化量，
Figure BDA0002239577820000108
为等效的有功功率变化量。
该等效的扩展柔直系统运行在直流电压控制模式，VSCi站与虚拟节点n+1这时，可以根据各线路换流站与虚拟节点之间的虚拟线路的阻抗，直观快速地得到柔性直流系统各换流站的电压功率分布特性。
电压功率分布特性与虚拟线路阻抗参数有很大关系。根据虚拟线路阻抗可以通过直流电网线性潮流计算方法得到各个节点的电压分布和功率分布。
综上，该柔性直流系统电压功率分布特性分析方法和装置，根据各换流站处的控制变量组合，将柔性直流输电系统等效为包括虚拟节点和虚拟线路的等效系统，根据等效线路的阻抗，利用直流潮流计算方法，快速直观地得到柔性直流系统电压功率分布特性，提高了电压功率分布特性分析方法的效率。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法，其特征在于，包括：
获取柔性直流输电系统在n个换流站处的控制变量组合；
当所述控制变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，将所述柔性直流输电系统等效为具有n+1个节点的等效系统；
其中，所述第n+1个节点为虚拟节点，所述n个换流站为n个功率节点；
确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗；
根据所述虚拟线路阻抗，通过直流电网线性潮流计算方法得到所述柔性直流系统在n个换流站处的电压分布和功率分布。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法，其特征在于，
所述有功变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，有：
其中，Kp表示有功功率系数；
Ku表示直流电压系数；
为参考有功功率；
Pg为量测得到的有功功率；
Figure FDA0002239577810000013
为参考直流电压；
Udc为量测得到的直流电压。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法，其特征在于，所述确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗，包括：
在各变流站的直流电压波动小于预先设定的阈值范围时，根据下式确定各功率节点与所述虚拟节点之间形成的虚拟线路的阻抗βi：
其中，ρdci为直流下垂系数；Pni为额定有功功率；Udcni为额定直流电压。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法，其特征在于，
每一换流站的控制系统包括内环电流控制器和外环功率控制器；
外环功率控制器控制以下控制变量中的至少两项：交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压。
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析方法，其特征在于，
两端交流系统均为有源系统时，控制变量为在送端控制有功功率和交流侧无功功率，控制变量为在变端控制直流电压和交流侧无功功率；
在受端交流系统为无源系统时，连接无源交流网络的换流站的控制变量为交流系统频率和交流系统电压，连接有源交流网络的换流站的控制变量为直流电压和交流侧无功功率。
6.一种柔性直流输电系统电压功率分布特性分析装置，其特征在于，包括：
控制变量组合获取模块，用于获取柔性直流输电系统在n个换流站处的控制变量组合；
系统等效模块，用于当所述控制变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，将所述柔性直流输电系统等效为具有n+1个节点的等效系统；
其中，所述第n+1个节点为虚拟节点，所述n个换流站为n个功率节点；
虚拟线路阻抗确定模块，用于确定所述功率节点与所述虚拟节点之间形成的n条虚拟线路的阻抗；
电压功率分布特性确定模块，用于根据所述虚拟线路阻抗，通过直流电网线性潮流计算方法得到所述柔性直流系统在n个换流站处的电压分布和功率分布。
7.根据权利要求6所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析装置，其特征在于，
所述系统等效模块中，所述有功变量组合为有功功率和直流电压、且采用直流电压下垂控制策略时，有：
Figure FDA0002239577810000031
其中，Kp表示有功功率系数；
Ku表示直流电压系数；
Figure FDA0002239577810000032
为参考有功功率；
Pg为量测得到的有功功率；
Figure FDA0002239577810000033
为参考直流电压；
Udc为量测得到的直流电压。
8.根据权利要求6所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析装置，其特征在于，
所述虚拟线路阻抗确定模块，用于：
在各变流站的直流电压波动小于预先设定的阈值范围时，根据下式确定各功率节点与所述虚拟节点之间形成的虚拟线路的阻抗βi：
Figure FDA0002239577810000034
其中，ρdci为直流下垂系数；Pni为额定有功功率；Udcni为额定直流电压。
9.根据权利要求6所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析装置，其特征在于，
每一换流站的控制系统包括内环电流控制器和外环功率控制器；
外环功率控制器控制以下控制变量中的至少两项：交流侧或直流侧有功功率、直流电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压。
10.根据权利要求9所述的柔性直流输电系统电压功率分布特性分析装置，其特征在于，
两端交流系统均为有源系统时，控制变量为在送端控制有功功率和交流侧无功功率，控制变量为在变端控制直流电压和交流侧无功功率；
在受端交流系统为无源系统时，连接无源交流网络的换流站的控制变量为交流系统频率和交流系统电压，连接有源交流网络的换流站的控制变量为直流电压和交流侧无功功率。
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