CN110784116B - 考虑mmc内部动态约束的换流站工作域的确定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法及系统，建立单端MMC‑HVDC系统的稳态模型，给定系统运行的约束条件；在已知换流变压器的额定视在功率的前提下，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点；将每个功率运行点代入稳态模型，计算出相应的MMC的调制比及其他电气量的稳态值，并利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值；对每一个功率运行点，依次进行各约束条件的检验，如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；否则舍弃该点并直接检验下一个点；重复上述过程，直到扫描完所有的点，即可确定MMC工作域。

Description

考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法及系统
技术领域
本公开属于电力系统柔性直流输电领域，涉及一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法及系统。
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。
近年来，模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)凭借其波形质量高和功率损耗低的特性受到了广泛关注，国内外已有很多柔性直流输电工程采用MMC技术。确定MMC换流站工作域，是进行MMC-HVDC系统参数设计的重要基础，对于确保前期设计的合理性和换流站正常运转有着重要作用，具有较强的工程实际意义。
据发明人了解，目前，模块化多电平换流器工作域的确定方法仍存在一些需要解决的问题：一是降低计算的复杂度，二是提高计算的精确性。因此，现有的解决技术方案主要围绕这两个方面，例如张静等人于2015年在《电力建设》上发表了《MMC-HVDC的稳态运行范围研究》，该文章研究了交流系统对MMC-HVDC稳态运行范围的影响，揭示了限制直流功率输送能力的关键因素。缺点是只对基波电路进行数学建模，没有考虑模块化多电平换流器的内部动态特性。林环城等人于2018年在《电力自动化设备》上发表了《MMC功率运行区域分析及环流切换控制策略》，该文章考虑了模块化多电平换流器的内部动态特性，确定了更为准确的稳态运行范围。缺点是基于三相静止坐标系进行数学建模，模型变量均为交流量，具有强非线性和时变性的特点，计算复杂。鲁晓军等人于2016年在《中国电机工程学报》上发表了《MMC电气系统动态相量模型统一建模方法及运行特性分析》，该文章建立了稳态相量模型，研究了不同约束条件下的MMC运行区间。缺点是文中所提方法无法解析计算非正弦周期电气量极值，精度有限，且不能独立计算每个约束条件限制的运行区间。
综上所述，模块化多电平换流器工作域的确定方法在降低计算复杂度和提高计算精度上已经有了不少改进，现有的技术方案大都取得了良好的目标效果，但也存在着一些缺点亟待改进。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法及系统，本公开计算简单且精确度高，可以解析计算各非正弦周期电气量极值，实现各约束条件对运行范围影响的独立计算与分析，准确确定工作域。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，包括以下步骤：
建立单端MMC-HVDC系统的稳态模型，给定系统运行的约束条件；
在已知换流变压器的额定视在功率的前提下，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点；
将每个功率运行点代入稳态模型，计算出相应的MMC的调制比及其他电气量的稳态值，并利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值；
对每一个功率运行点，依次进行各约束条件的检验，如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；否则舍弃该点并直接检验下一个点；
重复上述过程，直到扫描完所有的点，即可确定MMC工作域。
作为可选择的实施方式，构建d-q同步旋转坐标系下的单端MMC-HVDC系统的稳态模型。
作为可选择的实施方式，所述约束条件包括换流变压器容量约束、换流站容量约束、交流电流约束、调制比最大值与最小值约束和内部动态约束；
内部动态约束包括：桥臂电流约束和电容电压波动最大值约束。
作为可选择的实施方式，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点(PPCC，QPCC)，确定检验区域。
作为可选择的实施方式，利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值的具体过程包括：通过MMC稳态模型求解出电气量fi在d-q坐标系下分量的稳态值后，在一个周期内扫描θ，计算得到fi的最大幅值fimax。
作为进一步的限定，具体计算流程包括：
将fimax及θ的初始值被设置为0，然后在一个周期0≤θ≤2π内进行逐点扫描；
根据解析表达式计算fi，如果fi的绝对值大于fimax，则将其赋值给fimax，否则直接进行下一步；
将θ更新为θ+Δθ，进行下一次扫描计算直到θ＝2π，输出极值fimax。
作为可选择的实施方式，对筛选得到的每一个功率运行点，依次进行换流器容量、交流电流、调制比、桥臂电流和电容电压波动约束条件的检验，如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；如果这个过程中有任何一个约束不能满足，则舍弃该点并直接检验下一个点。
一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定系统，包括：
模型构建模块，被配置为建立单端MMC-HVDC系统的稳态模型，给定系统运行的约束条件；
筛选模块，被配置为在已知换流变压器的额定视在功率的前提下，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点；
计算模块，被配置为将每个功率运行点代入稳态模型，计算出相应的MMC的调制比及其他电气量的稳态值，并利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值；
检验模块，被配置为对每一个功率运行点，依次进行各约束条件的检验，如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；否则舍弃该点并直接检验下一个点；
循环模块，被配置为汇总所有符合检验的点，得到工作域结果。
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一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法的步骤。
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一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开若想确定每个约束的运行边界，可以在执行逐点扫描时只针对单个约束进行检验，获得工作域后取其边界即可，可以解析计算各非正弦周期电气量极值，提高计算精度；
本公开考虑了内部动态约束，分析更为全面，确定的工作域更为准确，有利于系统的安全稳定运行。同时，可以进行考虑单个约束条件的换流站工作域的独立计算。
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是本公开利用逐点扫描绘制MMC工作域的流程图；
图2是本公开提出的计算非正弦周期电气量极值的流程图；
图3是得到的考虑常规约束和内部动态约束的MMC工作域；
图4是得到的考虑换流器容量约束的MMC运行边界；
图5是得到的考虑交流电流约束的MMC运行边界；
图6是得到的考虑调制比约束的MMC运行边界；
图7是得到的考虑桥臂电流约束的MMC运行边界；
图8是得到的考虑电容电压波动约束的MMC运行边界。
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。
一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，步骤如下：
(1)建立单端MMC-HVDC系统的稳态模型；
(2)给定系统运行的约束条件；
(3)在已知换流变压器的额定视在功率的前提下，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点(PPCC,QPCC)；
(4)将每个功率运行点代入稳态模型计算出相应的MMC的调制比及其他电气量的稳态值，并利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值；
(5)对每一个功率运行点，依次进行换流器容量、交流电流、调制比、桥臂电流和电容电压波动等约束条件的检验。如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；如果这个过程中有任何一个约束不能满足，则舍弃该点并直接检验下一个点；
(6)重复上述过程，直到扫描完所有的点，即可确定MMC工作域。
其中，步骤(1)中d-q同步旋转坐标系下单端MMC-HVDC系统的稳态模型如下：
Figure BDA0002251832990000081
模型中交流电网与换流站参数为：Lt为变压器等效漏抗，Rs和Ls分别为交流系统等效电阻和电感，且Leq＝2Ls+2Lt+La，Req＝2Rs+Ra；Ceq＝C/N，C为单个子模块电容值，N为桥臂子模块数；ω为交流电网电压角频率，VDC为直流侧额定直流电压。调制信号与换流站的电气量为：调制信号的基频分量及二倍频分量md,mq,md2,mq2，环流的直流分量及二倍频分量Idiff0,Idiffd2,Idiffq2，桥臂电压的直流分量、基频分量及二倍频分量VCP0,VCPd,VCPq,VCPd2,VCPq2，交流电流的基频分量Ivd,Ivq。此外，由于在进行d-q变换时，模型锁相角θpll取余弦形式下PCC点a相电压Vta的相位，d轴与PCC点电压空间矢量重合，即PCC点电压d轴分量Vtd为PCC点电压幅值，q轴分量Vtq恒为0；Vsx与Vtx的相位差为α0，Vtd和α0作为中间变量被引入。所以，环流未抑制时，md,mq,VCP0,VCPd,VCPq,VCPd2,VCPq2,Ivd,Ivq,Idiff0,Idiffd2,Idiffq2,Vtd和α0为待求量；环流抑制时，Idiffd2和Idiffq2被抑制为0，此时md,mq,md2,mq2,VCP0,VCPd,VCPq,VCPd2,VCPq2,Ivd,Ivq,Idiff0,Vtd和α0为待求量。
步骤(2)约束条件的确定与现有技术方案相似，不同之处在于同时考虑了常规约束与内部动态约束。其中，常规约束包括：换流变压器容量约束、换流站容量约束、交流电流约束和调制比最大值与最小值约束，内部动态约束包括：桥臂电流约束和电容电压波动最大值约束，数学表达式如(4)所示，
换流变容量约束：
Figure BDA0002251832990000091
换流站容量约束：
Figure BDA0002251832990000092
交流电流约束：ivmax≤IvN (4)
调制比约束：mmin≤m≤mmax (5)
桥臂电流约束：|iPmax|≤Iarmmax (6)
电容电压波动约束：|ΔVCPmax|≤ΔUCmax (7)
其中，PPCC和QPCC分别为PCC处的有功功率和无功功率值，SPCC为换流变压器额定的视在功率；Pv和Qv分别为换流站的有功功率和无功功率值，Sv为换流站额定的视在功率；ivmax为交流电流幅值，IvN为额定交流电流的幅值；m为调制比的计算值，mmin和mmax分别为调制比的最小限值和最大限值；iPmax为桥臂电流的幅值，Iarmmax为桥臂电流的最大限值；ΔVCPmax为电容电压波动的最大值，ΔUCmax为电容电压波动的最大限值。
步骤(3)利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点(PPCC,QPCC)，确定检验区域。
步骤(4)首先利用单端MMC-HVDC系统的稳态模型计算系统状态变量，然后利用公式(8)计算换流站出口处的有功功率和无功功率，
Pv＝PPCC
Figure BDA0002251832990000101
接下来，根据一种系统非正弦周期电气量极值的计算方法来求解各电气量的极值。三相对称交流系统可只对单相电路进行分析，且稳态时，同相上下桥臂的同一电气量在时域上彼此相差T/2，所以可以仅以a相上桥臂为例进行分析。假设变量fi为直流分量f0i、基频分量f1i和二倍频分量f2i的叠加，即
fi＝f0i+f1i+f2i (9)
其中i＝a,b,c，且各分量的表达式分别为：
f0i(t)＝f0 (10)
f1i(t)＝fdcosθ-fqsinθ (11)
f2i(t)＝fd2cos2θ+fq2sin2θ (12)
此时，交流电流、调制信号、桥臂电流和电容电压波动的解析计算表达式分别表示为
iv(t)＝iv1(t) (13)
Figure BDA0002251832990000111
Figure BDA0002251832990000112
ΔVCP(t)＝|(VCP0(t)+VCP1(t)+VCP2(t))-VDC| (16)
通过MMC稳态模型求解出电气量fi在d-q坐标系下分量的稳态值后，利用图2所示方法在一个周期内扫描θ，最终得到的fimax即为fi的最大幅值。计算流程为：
1)fimax及θ的初始值被设置为0，然后在一个周期0≤θ≤2π内进行逐点扫描；
2)根据式(13)-(16)计算fi，如果fi的绝对值大于fimax，则将其赋值给fimax，否则直接进行下一步；
3)θ更新为θ+Δθ，进行下一次扫描计算直到θ＝2π，输出极值fimax，程序终止。
步骤(5)对步骤(3)筛选得到的每一个功率运行点，依次进行换流器容量、交流电流、调制比、桥臂电流和电容电压波动等约束条件的检验。如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；如果这个过程中有任何一个约束不能满足，则舍弃该点并直接检验下一个点。
步骤(6)重复步骤(1)-(5)直到扫描完所有的点，即可确定MMC工作域。
基于以上步骤，若想确定每个约束的运行边界，可以在执行逐点扫描时只针对单个约束进行检验，获得工作域后取其边界即可。
实施例1：
一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法如图1所示，具体步骤如下：
步骤(1)，根据表1单端MMC-HVDC系统的基本参数，结合公式(1)，建立不投入环流抑制策略时的单端MMC-HVDC系统的稳态模型。
表1测试系统参数
Figure BDA0002251832990000121
Figure BDA0002251832990000131
步骤(2)，给出公式(2)-(7)中系统运行的约束条件：换流变压器容量约束、换流站容量约束、交流电流约束、调制比最大值与最小值约束、桥臂电流约束和电容电压波动最大值约束，约束限值如表2所示。
表2约束条件参数
参数 约束限值
换流站容量/MW 750
换流变压器容量/MW 850
交流侧电流/kA 2.39
调制比 0.8～1
桥臂电流/kA 1.48
电容电压波动/％ ±5
步骤(3)根据表2所示约束限值，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点(PPCC,QPCC)，确定检验区域。
步骤(4)首先利用步骤(1)建立的单端MMC-HVDC系统的稳态模型计算系统状态变量，然后利用公式(8)计算换流站出口处的有功功率和无功功率；接下来，根据图2所示系统非正弦周期电气量极值的计算方法来求解交流电流幅值、调制信号幅值、桥臂电流幅值和电容电压波动幅值。
步骤(5)对步骤(3)筛选得到的每一个功率运行点，依次进行换流器容量、交流电流、调制比、桥臂电流和电容电压波动等约束条件的检验。如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；如果这个过程中有任何一个约束不能满足，则舍弃该点并直接检验下一个点。
步骤(6)重复步骤(1)-(5)直到扫描完所有的点，即可确定MMC工作域，如图3所示。
基于步骤(1)-(6)，在执行步骤(3)时只针对单个约束进行检验，获得工作域后取其边界即可确定每个约束的运行边界，如图4-8所示。
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 (9)

1.一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，其特征是：包括以下步骤：
建立单端MMC-HVDC系统的稳态模型，给定系统运行的约束条件；
在已知换流变压器的额定视在功率的前提下，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点；
将每个功率运行点代入稳态模型，计算出相应的MMC的调制比及其他电气量的稳态值，并利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值；
利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值的具体过程包括：通过MMC稳态模型求解出电气量fi在d-q坐标系下分量的稳态值后，在一个周期内扫描θ，计算得到fi的最大幅值fimax；
对每一个功率运行点，依次进行各约束条件的检验，如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；否则舍弃该点并直接检验下一个点；
重复上述步骤，直到扫描完所有的点，即可确定MMC工作域。
2.如权利要求1所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，其特征是：构建d-q同步旋转坐标系下的单端MMC-HVDC系统的稳态模型。
3.如权利要求1所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，其特征是：所述约束条件包括换流变压器容量约束、换流站容量约束、交流电流约束、调制比最大值与最小值约束和内部动态约束；
内部动态约束包括：桥臂电流约束和电容电压波动最大值约束。
4.如权利要求1所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，其特征是：利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点(PPCC，QPCC)，确定检验区域。
5.如权利要求1所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，其特征是：具体计算流程包括：
将fimax及θ的初始值被设置为0，然后在一个周期0≤θ≤2π内进行逐点扫描；
根据解析表达式计算fi，如果fi的绝对值大于fimax，则将其赋值给fimax，否则直接进行下一步；
将θ更新为θ+Δθ，进行下一次扫描计算直到θ＝2π，输出最大幅值fimax。
6.如权利要求1所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法，其特征是：对筛选得到的每一个功率运行点，依次进行换流器容量、交流电流、调制比、桥臂电流和电容电压波动约束条件的检验，如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；如果这个过程中有任何一个约束不能满足，则舍弃该点并直接检验下一个点。
7.一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定系统，其特征是：包括：
模型构建模块，被配置为建立单端MMC-HVDC系统的稳态模型，给定系统运行的约束条件；
筛选模块，被配置为在已知换流变压器的额定视在功率的前提下，利用逐点扫描筛选出满足换流变压器容量约束的功率运行点；
计算模块，被配置为将每个功率运行点代入稳态模型，计算出相应的MMC的调制比及其他电气量的稳态值，并利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值；
利用非正弦周期电气量极值计算方法求解相应的极值的具体过程包括：通过MMC稳态模型求解出电气量fi在d-q坐标系下分量的稳态值后，在一个周期内扫描θ，计算得到fi的最大幅值fimax；
检验模块，被配置为对每一个功率运行点，依次进行各约束条件的检验，如果所有约束条件都满足，在PQ平面绘制出这个点并对下一个点进行计算和检验；否则舍弃该点并直接检验下一个点；
循环模块，被配置为汇总所有符合检验的点，得到工作域结果。
8.一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1-6中任一项所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法的步骤。
9.一种终端设备，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1-6中任一项所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法的步骤。
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