CN111064179B - 多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法及系统，方法包括：将交直流系统的潮流方程线性化以获取节点电压关于直流输送有功功率和无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵。建立以节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流功率恢复优化模型并进行求解，得到以电压安全为前提的每一时步各直流系统功率最优恢复量；建立以节点电压偏差量最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型并进行求解，得到每一时步直流功率恢复完成后各无功补偿装置最优增投量，使直流功率恢复造成的节点电压偏差降到最小。本发明可在线指导多馈入直流系统功率恢复控制以充分保证恢复过程的电压安全性和恢复效率。

Description

多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方 法及系统
技术领域
本发明涉及直流系统功率恢复技术领域，尤其涉及一种多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
由于多馈入直流系统中直流落点密集，电气耦合增强，其运行机理更加复杂。目前国内外电网应对多馈入直流系统大停电后的恢复操作的经验很少，一般为先恢复交流系统，最后恢复直流系统。然而直流系统有输送容量大、功率调节快的优势，在系统恢复过程中若能充分利用直流系统的恢复能力，将大大加快系统的恢复速度，因此针对多馈入直流系统的快速安全恢复方案的研究具有重要实际意义。
直流系统参与恢复需要满足一定的安全约束。目前对直流系统启动阶段的安全控制研究已经较为完善，能够解决直流系统启动的安全性。但针对直流系统启动后的功率恢复阶段的安全控制方案较为缺失。直流系统正常运行时就要消耗大量的无功，随着直流系统输送有功功率的增加，直流系统消耗的无功功率成比例地增加。因此在多馈入直流的功率恢复阶段，因系统无功功率不足而导致的交流电压降低问题十分显著。因此有必要关注多馈入直流系统功率恢复过程的电压安全性，给出保证电压安全性的综合恢复控制方案。
发明内容
为了解决多馈入直流系统功率恢复造成交流电压降低的问题，本发明提出了多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法及系统，可以保证多馈入直流系统功率恢复阶段的电压安全性并提高恢复效率。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，包括：
根据每一时步的初始状态，建立交直流系统的潮流方程；
获得节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵，以及节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵；
根据节点电压关于直流输送有功功率的灵敏度矩阵，建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型，求解该模型得到每一时步在电压安全前提下的各直流系统的有功功率最优恢复量；
根据节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵，建立以节点电压偏差量的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型，求解该模型得到每一时步直流功率恢复完成后各无功补偿装置的最优增投量，使直流功率恢复造成的节点电压偏差降到最小。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制系统，包括：
用于根据每一时步的初始状态，建立交直流系统的潮流方程的装置；
用于获得节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵的装置，以及用于节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵的装置；
用于根据节点电压关于直流输送有功功率的灵敏度矩阵，建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型的装置；用于求解该模型得到每一时步在电压安全前提下的各直流系统的有功功率最优恢复量的装置；
用于根据节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵，建立以节点电压偏差量的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型的装置；用于求解该模型得到每一时步直流功率恢复完成后各无功补偿装置的最优增投量，使直流功率恢复造成的节点电压偏差降到最小的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其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上述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
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上述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法能够解决直流系统功率恢复造成交流电压下降的问题；在恢复的每一个时步内，该方法对直流系统有功功率的恢复量进行优化，在保证系统电压安全性的前提下提高恢复效率，然后对无功补偿装置的增投量进行优化以最小化直流功率恢复引起的各节点的电压偏差量，保持系统电压的恒定。
附图说明
图1是本发明实施例一中多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法流程图；
图2是本发明实施例一中的方法迭代流程图；
图3是本发明实施例一中电力系统结构图；
图4为采用本发明的综合控制方法的直流功率恢复阶段的节点电压变化曲线；
图5为未采用本发明的综合控制方法的直流功率恢复阶段的节点电压变化曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。
实施例一
多馈入直流系统功率恢复过程中系统的无功水平为影响节点电压的主要因素。因此决定节点电压的变量为：直流逆变器吸收的无功功率和无功补偿装置发出的无功功率功率。而直流系统吸收的无功功率与直流系统恢复的有功功率直接相关，所以通过对每一时步各直流系统功率恢复量的合理调控可以保证节点的电压安全并提高恢复速度；每一时步直流功率恢复完成后必然会造成一定的电压偏差，通过合理增投系统中的无功补偿设备能够最小化直流功率恢复引起的电压偏差，保持电压的恒定。此外，多馈入直流系统存在直流系统间的相互影响，如何准确计及直流系统间的相互作用，对可靠保证多馈入直流系统功率恢复过程的电压安全性具有重要意义。
在一个或多个实施例中，公开了一种多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，如图1和图2所示，该方法分多个时步进行，每一时步包括以下步骤：
(1)根据每一时步的初始状态，建立交直流系统的潮流方程；
(2)获得节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵，以及节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵；
(3)根据节点电压关于直流输送有功功率的灵敏度矩阵，建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型，求解该模型得到每一时步在电压安全前提下的各直流系统的有功功率最优恢复量；
(4)根据节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵，建立以节点电压偏差量的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型，求解该模型得到每一时步直流功率恢复完成后各无功补偿装置的最优增投量，使直流功率恢复造成的节点电压偏差降到最小。
其中，步骤(1)中，交直流系统的潮流方程由交流系统潮流方程和直流系统运行方程组成。交流系统潮流方程的形式为：
PG,i-PL,i-Pa,i＝0
QG,i-QL,i-Qa,i＝0
其中，PG,i、QG,i为交流发电机组向节点i发出的有功功率和无功功率；PL,i、QL,i为节点i的负荷消耗的有功功率和无功功率；Pa,i、Qa,i为注入交流节点i的有功功率和无功功率，其计算形式为：
Figure BDA0002242778060000061
Figure BDA0002242778060000062
其中，Ui、Uj为节点i、j的电压，Gij、δij、Bij分别为节点i、j之间的电导、功角差、电纳。
直流系统的运行方程形式如下：
根据直流系统在不同控制方式下的控制方程，可得到直流系统在确定的控制参数下的运行方程。
Pd,i＝f(Ui,δi)
Figure BDA0002242778060000063
其中，Pd,i为馈入节点i的直流系统注入的有功功率，Qd,i为馈入节点i的直流系统注入的无功功率；
Figure BDA0002242778060000064
为馈入节点i的直流系统逆变器的功率因数角；δi为节点i的功角。
直流系统的运行方程定量表达了直流输出的有功功率和无功功率与换流母线的电压幅值和相角的关系。
在换流母线处运用功率平衡方程，可得到交直流系统的潮流方程。交直流系统潮流方程的形式如下：
PG,i+Pd,i-PL,i-Pa,i＝0
QG,i+Qd,i-QL,i-Qa,i＝0
步骤(2)中，通过交直流系统潮流方程获得节点电压对直流输送有功功率的灵敏度矩阵和节点电压对无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵。
为计算节点电压关于直流输送有功功率的灵敏度矩阵，需要根据直流逆变器的功率因数将直流系统吸收的无功功率用直流系统输送的有功功率进行表示，然后代入到节点电压关于节点注入无功功率的灵敏度矩阵中，整理可得节点电压对直流输送有功功率的灵敏度矩阵。
无功补偿装置发出的无功即为节点注入的无功，从而节点电压对节点注入无功的灵敏度矩阵即为节点电压对无功补偿装置发出无功的灵敏度矩阵。
首先利用交直流潮流方程对各节点电压的幅值和相角求偏导获得交直流系统的潮流雅克比矩阵，形式如下：
Figure BDA0002242778060000071
式中，JPδ、JPU、JQδ和JQU分别为雅克比矩阵的相应分块矩阵。只考虑无功功率与电压幅值的作用关系，从而将交直流系统潮流雅克比矩阵化为降维矩阵：
ΔQ＝JQUΔU；
对上式求逆可得节点电压对无功功率的灵敏度方程为：
Figure BDA0002242778060000072
其中，
Figure BDA0002242778060000073
为节点电压对无功功率的灵敏度矩阵。通过节点电压对无功功率的灵敏度矩阵可得节点电压对直流输送有功功率的灵敏度方程为：
Figure BDA0002242778060000074
式中，
Figure BDA0002242778060000075
为馈入节点i的直流系统逆变器的功率因数角；
Figure BDA0002242778060000076
为节点电压对直流输送有功功率的灵敏度矩阵；ΔPd为直流功率的恢复量。
通过节点电压对无功功率的灵敏度矩阵可得节点电压对无功补偿装置发出无功功率的灵敏度方程为：
Figure BDA0002242778060000077
式中，ΔQc为无功补偿装置的无功增发量。
步骤(3)中，以节点电压偏差在安全范围内为约束的直流输送有功功率恢复优化模型的建立过程如下：
决策变量为ΔPd,i，即各直流系统每一时步的有功功率恢复量。
优化目标为每时步直流功率恢复量最大：
Figure BDA0002242778060000081
等式约束为节点电压对直流输送有功功率的灵敏度方程：
Figure BDA0002242778060000082
不等式约束为直流功率上限约束和节点电压安全范围约束：
Pd,i+ΔPd,i≤Pdmax,i
Ui+ΔUi>0.9UN
式中，Pdmax,i为直流输送功率的上限；UN,i为节点i的额定电压，0.9UN,i为节点电压的安全下限。
进一步的，以节点电压偏差在安全范围内为约束的直流输送有功功率恢复优化模型可通过CPLEX的线性规划功能进行求解，得到以节点电压在安全范围内为前提的每一时步的各直流系统最优恢复功率。将计算结果下发到各直流系统的控制器进行直流有功功率的恢复控制。
步骤(4)中，以节点电压偏差值的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量的优化模型的建立过程如下：
决策变量为ΔQC,i，即每一时步直流功率恢复完成后每个节点无功补偿装置的增投量。
优化目标为节点电压的偏差值平方和最小：
Figure BDA0002242778060000083
等式约束为节点电压对无功补偿装置发出无功功率的灵敏度方程：
Figure BDA0002242778060000091
不等式约束为无功补偿装置的容量上限约束：QC,i+ΔQC,i≤QCmax,i。
式中，QCmax,i为无功补偿装置的容量上限。
进一步的，以节点电压偏差值的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量的优化模型可通过CPLEX的线性规划功能进行求解，得到每一时步直流功率恢复完成后无功补偿装置的最优增投量，使直流功率恢复造成的节点电压偏差降到最小。将计算结果下发到各变电站的无功补偿设备控制器，进行无功补偿控制。
本实施例以图3所示的4直流馈入39节点系统为例，对本发明的具体实现过程进行进一步说明。
本实施例电力系统的形成方法为在IEEE-39节点标准电力系统上进行改进，将节点35、36、37和38的发电机组修改为馈入的直流系统；图3中的虚线表示还未恢复的线路或母线；设各直流系统在功率恢复阶段的初始功率为10％的额定功率，在t＝0时刻开始恢复，时步长度为5min。本实例具体实现过程包括：
(1)获取每一时步初始的电网信息，包括节点电压、负荷功率、发电机功率、直流控制参数、直流输送功率和无功补偿装置投入量，形成交直流系统潮流方程。
(2)对交直流系统潮流方程求偏导得到潮流雅克比矩阵，提取反映节点电压对无功功率影响的分块矩阵进行求逆运算得到节点电压关于无功功率的灵敏度矩阵，进一步得到节点电压关于直流输送有功功率的灵敏度矩阵和节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵。
(3)利用节点电压关于直流输送有功功率的灵敏度矩阵建立直流功率恢复优化模型，采用CPLEX对模型进行求解，得到满足电压安全的前提下的各直流系统最优功率恢复量，下发到各直流换流站控制器按优化结果执行功率恢复控制。
(4)利用节点电压关于无功补偿装置发出有功功率的灵敏度矩阵建立无功补偿装置增投量优化模型，采用CPLEX对模型进行求解，得到使直流功率恢复导致的电压偏差量最小的无功补偿装置最优增投方案，下发到各变电站无功补偿控制器按优化结果执行无功补偿控制。
若4条直流系统功率未全部恢复，则进入下一时步的优化控制；若4条直流功率全部恢复，则多馈入直流系统功率恢复阶段结束。
将节点16设为实施例系统的中枢节点，每一步操作后利用潮流计算软件计算节点16的电压反映系统的总体电压水平。图4记录了采用本发明的综合控制方法的多馈入直流系统功率恢复过程的节点16的电压变化。如图4所示，每一时步直流功率恢复造成的节点电压下降都在安全范围内，经过无功补偿控制后节点电压又恢复到接近额定电压的水平，整个多馈入直流系统功率恢复过程的电压安全性得到了保证，直流功率恢复总耗时为20分钟。图5记录了未采用本发明的综合控制方法的多馈入直流系统功率恢复过程的节点16的电压变化，每一时步各直流系统都恢复10％的功率，未及时进行无功补偿控制。
图5显示，由于未采用保证电压安全性的综合控制方法，随着多馈入直流系统功率的恢复，系统电压水平严重下降，严重威胁了系统的运行安全；此外直流功率恢复总耗时为40分钟，大于采用本发明的综合控制方法的直流功率恢复总耗时。由此体现了本发明对提高多馈入直流系统参与恢复的安全性和高效性有重要指导意义。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制系统，包括：
用于根据每一时步的初始状态，建立交直流系统的潮流方程的装置；
用于获得节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵的装置，以及用于节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵的装置；
用于根据节点电压关于直流输送有功功率的灵敏度矩阵，建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型的装置；用于求解该模型得到每一时步在电压安全前提下的各直流系统的有功功率最优恢复量的装置；
用于根据节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵，建立以节点电压偏差量的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型的装置；用于求解该模型得到每一时步直流功率恢复完成后各无功补偿装置的最优增投量，使直流功率恢复造成的节点电压偏差降到最小的装置。
在另一些实施方式中，公开了一种终端设备，其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实施例一中所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法。
在另一些实施方式中，公开了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实施例一中所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，其特征在于，包括：
根据每一时步的初始状态，建立交直流系统的潮流方程；
获得节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵，以及节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵；
根据节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵，建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型，求解直流有功功率恢复优化模型得到每一时步在电压安全前提下的各直流系统的有功功率最优恢复量；
根据节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵，建立以节点电压偏差量的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型，求解无功补偿装置增投量优化模型得到每一时步直流有功功率恢复完成后各无功补偿装置的最优增投量，使直流有功功率恢复造成的节点电压偏差降到最小；
建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型，具体为：
以各直流系统每一时步的有功功率恢复量为决策变量；以每个时步的直流有功功率恢复量最大为优化目标；以节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度方程为等式约束；以各节点的电压偏差量在安全范围内的约束以及直流系统功率恢复上限约束作为不等式约束，建立直流有功功率恢复优化模型。
2.如权利要求1所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，其特征在于，建立交直流系统的潮流方程的过程具体为：
根据交流发电机组向节点
Figure 127941DEST_PATH_IMAGE002
发出的有功功率和无功功率、从节点
Figure 372978DEST_PATH_IMAGE002
的负荷消耗的有功功率和无功功率以及注入交流节点
Figure 887136DEST_PATH_IMAGE002
的有功功率和无功功率之间的关系，建立交流系统潮流方程；
根据直流系统输出的有功功率和无功功率分别与换流母线的电压幅值和相角之间的关系，建立直流系统的运行方程；
在换流母线处根据交流系统潮流方程与直流系统的运行方程建立功率平衡方程，得到交直流系统的潮流方程。
3.如权利要求1所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，其特征在于，获得节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵，具体为：
利用交直流系统潮流方程对各节点电压的幅值和相角求偏导获得交直流系统的潮流雅克比矩阵；提取雅克比矩阵中反映节点电压幅值对节点注入无功功率影响的分块矩阵进行求逆运算得到节点电压关于节点注入无功功率的灵敏度矩阵；
根据直流逆变器的功率因数将直流系统吸收的无功功率用直流系统输送的有功功率进行表示，然后代入到节点电压关于节点注入无功功率的灵敏度矩阵中，得到节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵。
4.如权利要求1所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，其特征在于，获得节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵，具体为：
利用交直流系统潮流方程对各节点电压的幅值和相角求偏导获得交直流系统的潮流雅克比矩阵；提取雅克比矩阵中反映节点电压幅值对节点注入无功功率影响的分块矩阵进行求逆运算得到节点电压关于节点注入无功功率的灵敏度矩阵，即为节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵。
5.如权利要求1所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，其特征在于，建立以节点电压偏差量的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型，具体为：
以每一时步直流有功功率恢复完成后无功补偿装置的增投量为决策变量；以直流有功功率恢复造成的节点电压偏差量的平方和最小为优化目标；以节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度方程为等式约束；以无功补偿装置发出无功功率的上限为不等式约束，建立无功补偿装置增投量优化模型。
6.如权利要求1所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法，其特征在于，所述有功功率恢复优化模型和无功补偿装置增投量优化模型的求解均采用CPLEX的线性规划功能进行求解。
7.多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制系统，其特征在于，包括：
用于根据每一时步的初始状态，建立交直流系统的潮流方程的装置；
用于获得节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵的装置，以及用于节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵的装置；
用于根据节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度矩阵，建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型的装置；用于求解直流有功功率恢复优化模型得到每一时步在电压安全前提下的各直流系统的有功功率最优恢复量的装置；
用于根据节点电压关于无功补偿装置发出无功功率的灵敏度矩阵，建立以节点电压偏差量的平方和最小为目标的无功补偿装置增投量优化模型的装置；用于求解无功补偿装置增投量优化模型得到每一时步直流有功功率恢复完成后各无功补偿装置的最优增投量，使直流有功功率恢复造成的节点电压偏差降到最小的装置；
建立以所有节点电压偏差量在安全范围内为约束的直流有功功率恢复优化模型，具体为：
以各直流系统每一时步的有功功率恢复量为决策变量；以每个时步的直流有功功率恢复量最大为优化目标；以节点电压关于直流系统输送有功功率的灵敏度方程为等式约束；以各节点的电压偏差量在安全范围内的约束以及直流系统功率恢复上限约束作为不等式约束，建立直流有功功率恢复优化模型。
8.一种终端设备，其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，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，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任一项所述的多馈入直流系统功率恢复阶段保证电压安全性的综合控制方法。
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