CN111711216A - 一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法 - Google Patents

一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，包括步骤：1)分析有功功率对柔性直流输电网安全性和经济性影响；2)确定目标函数和约束条件，建立有功优化模型；3)采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理，应用内点法对目标函数和约束条件进行优化计算，获取不同输送功率下直流通道功率‑总输送功率优化曲线；4)采用折线逼近法对曲线进行拟合，并通过最小二乘法进行计算斜率，获得不同功率区段直流通道功率‑总输送功率优化曲线；5)设计滞环器，制定有功优化方法具体实现方案，实现了系统有功功率的优化分配。本发明可解决直重交轻或者交重直轻的传输容量分配比例失调可能导致系统的经济性和安全性达不到最优的问题。

Description

一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电网的技术领域，尤其是指一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法。
背景技术
柔性直流输电技术是以可关断器件和脉冲宽度调制技术为基础的新一代直流技术。柔性直流输电网的有功功率控制主要包括定直流电压控制、定有功功率控制和定频率控制。利用基于电压源换流器的高压直流输电技术进行输电时，至少有一端换流器采用定直流电压控制，其余的换流器可采用定有功功率控制模式。换流器系统级的有功功率控制指令值Pref一般依据当地电网各种运行方式、电网自动调度系统来设定的，缺乏相应的理论依据，换流器有功功率控制参考值设定的合理性无法得到保障。交流输电和直流输电具有各自的优势，在联网运行情况下如何在交直流通道中进行功率的合理分配输送，在经济、安全等多种效益上达到更优，显然很有必要。实际上，如果换流器的Pref设置过低，系统损耗将比较大。相反，如果换流器的Pref设置过高，可能出现交直流通道输送功率流向相反的情况(简称“并列环流”)，也可能导致孤岛切换失败。直重交轻或者交重直轻的传输容量分配比例失调可能导致系统的经济性和安全性达不到最优。因此，为保证交直流通道传输容量一定程度上的均衡，进行合理的有功功率指令值设定方法研究很有必要。
柔性直流输电网由联网状态切换至孤岛状态时，从交流通道的断路器断开到孤岛控制模式切换需要一定的时间，在这段时间内，由于脱离了大陆电网形成孤岛，海岛电网的电压频率失去主网的钳制，随着检测时间推移，与大陆电网电压额定值的偏移逐渐增大，此时交流通道输送的功率过大，在孤岛控制模式切换瞬间，原本从交流通道输送的有功功率全部窝积在海岛电网内，到孤岛被检测出时，海岛电网的电压已经发生严重偏移，可能导致海岛内风电脱网。即使海岛电网不脱网，由于交流通道转移到直流通道功率过大，若换流器直流功率阶跃的响应速度不够，换流器将无法接管海岛电网，导致换流器孤岛状态切换失败，海岛电网崩溃，显然交重直轻不利于系统的安全运行。
柔性直流输电网直流通道的功率损耗要大于交流流通道的损耗，交流通道的经济性优于直流通道，如果直流通道输送的功率过重，将造成交直流通道的整体损耗较大，直重交轻不利于柔性直流输电网的经济运行。
因此，对于柔性直流输电网，若从安全性角度出发，希望直流通道承担更多的有功功率输送任务，这样在联网状态向孤岛状态切换的过程中，海岛电网电压、频率不会出现急剧上升，易于实现孤岛控制模式的平滑切入；从经济性角度出发，由于交流通道的经济性优于直流通道，希望交流通道承担更多的有功功率输送份额，实现经济最优。对于柔性直流输电网而言，经济性和安全性是一对矛盾体，因此，在既保证系统的安全性，又获得最优的经济效益的情况下，如何实现有功功率在交直流通道的优化分配，成为影响柔性直流输电网安全稳定运行的关键问题。
本发明提供一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法。首先，提出了一种以安全性和经济性为目标的有功优化方法。通过建立有功优化模型，确定目标函数和约束条件，并采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理，采用内点法对目标函数和约束条件进行优化计算，获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线；其次，采用折线逼近法对曲线进行拟合，并通过最小二乘法进行计算斜率，获得不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线；最后，设计滞环器，制定有功优化方法具体实现方案，实现了柔性直流输电网的有功功率优化分配。该有功优化方法，一方面，减少孤岛切换时交流通道转移到直流通道的有功功率，提高系统的安全性；另一方面，优化系统有功功率输送效率，提高了系统的经济性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，针对直重交轻或者交重直轻的传输容量分配比例失调可能导致系统的经济性和安全性达不到最优的问题，提出了一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，以安全性和经济性为目标，该有功优化方法根据输送功率大小确定交流通道、直流通道承载功率比例，当输送功率较大时，以安全性为主要优化目标，适当提高直流通道输送功率的比重；当输送功率较小时，以经济性为主要优化目标，适当地提高交流通道输送功率的比重，从而实现了对有功功率指令值合理地设定。本发明还设计了滞环器，制定了有功优化方法具体实现方案，实现了柔性直流输电网有功功率的优化分配。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，所述柔性直流输电网包括大陆电网、风电场、阻性负载、感性负载、补偿电容器、第一交流断路器、第二交流断路器、第三交流断路器、第四交流断路器、交流通道、直流线路、第一交流母线、第二交流母线、第一直流母线、第二直流母线、第三交流母线、第一模块化多电平电压源型换流器、第二模块化多电平电压源型换流器、第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器；其中，所述风电场、阻性负载、感性负载、补偿电容器构成海岛电网；所述风电场、阻性负载、感性负载、补偿电容器都并联接在第三交流母线上；所述大陆电网与第三交流母线通过一条交流通道和一条直流通道连接；直流通道为：大陆电网依次经第一变压器、第一交流母线、第三交流断路器、第三变压器、第一模块化多电平电压源型换流器、第一直流母线、直流通道、第二直流母线、第二模块化多电平电压源型换流器、第四变压器、第四交流断路器、第二交流母线、第二变压器与第三交流母线连接；交流通道为：大陆电网依次经第一变压器、第一交流母线、第一交流断路器、交流通道、第二交流断路器、第二交流母线、第二变压器与第三交流母线连接；
所述适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，包括以下步骤：
1)分析有功功率对柔性直流输电网安全性和经济性的影响；
2)确定目标函数和约束条件，建立有功优化模型；
3)采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理，采用内点法对目标函数和约束条件进行优化计算，获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线；
4)采用折线逼近法对曲线进行拟合，并通过最小二乘法进行计算斜率，获得不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线；
5)设计滞环器，制定有功优化具体实现方案，实现系统有功功率的优化分配。
在步骤1)中，分析有功功率对柔性直流输电网安全性和经济性的影响，具体实现包括以下步骤：
1.1)有功功率对柔性直流输电网安全性和经济性的影响分析
正常运行时，第一模块化多电平电压源型换流器采用定直流电压和无功功率控制模式，第二模块化多电平电压源型换流器采用定有功功率和无功功率控制模式；定义海岛电网与大陆电网之间的总输送功率为Ptotal，直流通道功率为Pdc，交流通道功率为Pac；Ptotal、Pdc和Pac之间存在以下关系：
Ptotal＝Pdc+Pac
某一时刻，总输送功率Ptotal是一定的，直流通道功率Pdc能够通过第二模块化多电平电压源型换流器的有功参考值Pref进行设定，因此只要对第二模块化多电平电压源型换流器的有功参考值Pref进行控制，就能够在交流通道和直流通道之间进行有功功率分配；
对于柔性直流输电网，若从安全性角度出发，希望直流通道承担更多的有功功率输送任务，这样在联网状态向孤岛状态切换的过程中，海岛电网电压、频率不会出现急剧上升，易于实现孤岛控制模式的平滑切入；从经济性角度出发，由于交流通道的经济性优于直流通道，希望交流通道承担更多的有功功率输送份额，实现经济最优；对于柔性直流输电网而言，经济性和安全性是一对矛盾体，因此，在满足安全性、可靠性的条件下，如何合理分配Pac和Pdc是实现系统优化运行的关键；
1.1.1)有功功率对柔性直流输电网安全性的影响分析
海岛电网形成孤岛后，风电场输出的有功功率大于直流通道功率和海岛电网的阻性负载功率的总和，海岛电网的有功功率不平衡，存在有功功率缺额；海岛电网的有功功率缺额为风电场输出的有功功率与直流通道功率和阻性负载功率之和的差值，这个有功功率缺额也是海岛电网在形成孤岛前，交流通道的有功功率；同理，交流通道的无功功率就是海岛电网孤岛后的无功功率缺额；
定义有功功率缺额ΔP和无功功率缺额ΔQ的计算公式为：
ΔP＝PDG-Pdc-PR＝Pac
ΔQ＝QDG+QC-QL＝Qac
式中，ΔP、ΔQ分别为海岛电网孤岛后的有功功率缺额和无功功率缺额；Pac、Qac分别为海岛电网进入孤岛状态前交流通道的有功功率和无功功率；Pdc为海岛电网进入孤岛状态前直流通道的有功功率；PDG、QDG分别为风电场的有功功率和无功功率；PR、QL、QC分别为海岛电网的阻性负载R、感性负载L、补偿电容器C消耗的功率；
上述部分有功功率缺额和无功功率缺额将导致海岛电网功率失去平衡，引起海岛电网电压频率和幅值的变化；
有功功率剩余将导致风电场的机组转速增加，海岛电网频率上升，加快风电场的机组转子转速，导致海岛电网频率上升；反之，如果发生孤岛前，交流通道传输的功率是由大陆电网指向海岛电网，孤岛发生后，海岛电网有功功率不足，将风电场的机组转子转速拖低，转子达不到同步转速，海岛电网频率下降；而无功功率缺额将导致无功功率过多或不足，引起海岛电网的电压幅值上升或跌落；
1.1.2)有功功率对柔性直流输电网经济性的影响分析
有功功率对柔性直流输电网的经济性影响是指功率在交流通道和直流通道上传输产生的损耗大小；
1.1.2.1)交流通道损耗
交流通道损耗是由海岛电网与大陆电网交换功率时电流在交流通道上的损耗，这里交流通道是指交流线路损耗；
交流线路损耗Paclineloss能够通过以下公式计算得出：
Figure BDA0002487962510000051
式中，U为系统电压，Rac为线路每公里电阻值，lac为交流线路长度；
1.1.2.2)直流通道损耗
直流通道损耗包括换流站损耗和直流线路损耗；
1.1.2.2.1)换流站损耗
直流通道包括2个及以上的换流站，每个换流站损耗主要是由换流器损耗和换流变压器损耗构成；
定义每个换流器损耗如下式所示：
PMMCloss＝(2PIGBT+2Pdiode)×6×n+PL×6
式中，PMMCloss为换流器损耗；PIGBT为IGBT损耗；Pdiode为二极管损耗；n为每个桥臂的SM模块个数；PL为桥臂电抗器上的损耗；
换流变压器损耗包括铜耗和铁耗，这两个参数由变压器出厂时给定；
换流器损耗是每个换流站损耗中最大的，能够占到换流站损耗的60％～75％，单个换流站损耗率为1％；
1.1.2.2.2)直流线路损耗
由于直流线路是以电缆为主，故直流线路损耗这里是指直流电缆损耗；直流电缆损耗是由直流电流在传输线路的电阻所造成的，其计算方法如下式所示：
Figure BDA0002487962510000052
式中，ldc为直流线路长度，Rdc为直流电缆每公里电阻值，Idc为直流电缆传输的直流电流；50km输送距离的直流线路损耗占换流站额定输送容量的0.2％～3％；
因此，通过分析有功功率分配对系统安全性及经济性的影响，可知柔性直流输电网的安全性及经济性是相互矛盾的；对于安全性而言，要求直流通道应该更多的承担功率传输任务，从而保证系统由联网状态切换到孤岛状态时的安全稳定运行，保证孤岛切换成功率；而对于经济性而言，要求交流通道应该更多的承担功率传输任务，从而保证系统经济性达到最优。
在步骤2)中，确定目标函数和约束条件，建立有功优化模型，具体实现包括以下步骤：
2.1)确定目标函数
为实现系统的安全经济运行，提出根据输送功率大小确定交流通道、直流通道承载功率比例的有功优化，当输送功率大于预设值时，以安全性为主要优化目标，适当提高直流通道输送功率的比重；当输送功率小于预设值时，以经济性为主要优化目标，适当地提高交流通道输送功率的比重；
根据上述有功优化，确定以网损最小的经济性和孤岛切换时的安全性作为优化目标；
2.1.1)经济性目标函数
柔性直流输电网的经济性以网损最小作为优化目标，网损包括所有交流通道和所有直流通道损耗的总和，即经济性目标函数f1为：
Figure BDA0002487962510000061
式中，Paclineloss,ij为节点i和节点j之间的交流线路损耗；Pdclineloss,ij为换流器i和换流器j之间的直流线路损耗；PMMCloss,j是换流器j的损耗；ndc为直流节点数，即换流器的个数；nac为纯交流节点数；
2.1.2)安全性目标函数
当直流通道断开，交流通道需要完全接纳直流通道上输送的功率；由于交流系统的潮流不是可控的，交流通道接纳直流通道的功率无需响应时间，只需要考虑转移的直流潮流对交流通道的冲击，用ψac衡量交流通道能够承受的冲击能力：
Figure BDA0002487962510000062
式中，Paclimit为交流通道的暂态稳定输送功率极限；PdcN为直流通道的额定输送功率；Pac为海岛电网进入孤岛状态前交流通道输送的有功功率；
当交流通道断开，交流通道承载的功率转移到直流通道，一方面交流通道功率的转移将引起直流电压上升，甚至有可能超过换流器绝缘水平；另一方面直流通道并网切换为孤岛控制模式需要一段时间；在这段时间，海岛电网因有功功率缺额形成窝电现象，将导致电压频率和幅值持续上升，严重时会导致风电解列；电压频率Δf和电压幅值ΔUd的变化值如下式所示：
Figure BDA0002487962510000071
Figure BDA0002487962510000072
式中，KG为功率调系数；tm为直流系统转换控制方式的最小反应时间；cv为柔性直流换流站等效电容值；
令
Figure BDA0002487962510000073
则安全性目标函数f2定义为：
Figure BDA0002487962510000074
式中，Γ表示对频率和直流电压影响指标相对交流线路承受冲击能力指标的重要因子，Γ≥0；
2.2)确定约束条件
柔性直流输电网的有功优化的约束条件包括潮流约束、控制方式约束及经济性与安全性约束；
2.2.1)潮流约束
将节点分为直流节点和纯交流节点，纯交流节点数为nac，直流节点数为ndc，则柔性直流输电网的节点总数为n＝nac+ndc；
对纯交流节点，其有功功率Pai和无功功率Qai，满足：
Figure BDA0002487962510000075
式中，下标a表示此节点为纯交流节点，a＝1,2,…nac；下标i表示第i个节点，i＝1,2,…n；下标j为与节点i直接相连的所有节点；Uai为节点a与节点i间的电压值；Uj为节点j的电压值；θij为节点电压相角差，Gij、Bij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；
对直流节点，其有功功率Pti和无功功率Qti，满足：
Figure BDA0002487962510000081
式中，下标t表示此节点为直流节点，Uti为节点t与节点i间的电压值；Psi和Qsi分别为注入换流器的有功功率和无功功率；
直流通道功率Pdi为：
Figure BDA0002487962510000082
式中，
Figure BDA0002487962510000083
αi＝arctan(Rci/Xci)，Rci、Xci为与第i个换流器联接的联结变压器支路等效电阻与电抗，λi为直流电压利用率，Mi为换流器的调制度，Usi为与第i个换流器联接的联结变压器交流侧电压，Udi、Idi分别为直流通道的电压值和电流值，δi为换流器的网侧与阀侧之间的相角差；
2.2.2)控制方式约束
柔性直流输电网的系统级控制采用主从控制模式，选取容量大的换流站为主换流站，设置为定直流电压和无功功率控制，这样能保持直流母线电压跟踪电压参考值，同时维持直流电压和功率的平衡；主换流站与从换流站分别满足：
Udi-Udiref＝0
Pdi-Pdiref＝0
式中，Udiref为第i个换流器直流电压参考值，Pdiref为第i个换流器直流有功功率参考值；
2.2.3)经济性和安全性约束
交流系统约束包括电压上、下限约束及交流通道最大传输功率约束，而直流系统还应考虑换流站的调制度、直流节点电压、换流器参考值和控制参数的约束以及避免交直流并列环流的约束；
交流系统约束为：
0.9≤Ui≤1.1
Pijmin≤Pij≤Pijmax
式中，Ui为交流电压值，Pij为交流通道功率，Pijmax为节点i和节点j之间交流通道功率的上限，防止线路过载；Pijmin为节点i和节点j之间交流通道功率的下限，防止并列环流现象；由于系统存在交直流通道的有功功率分配问题，实际调度中应避免出现交直流通道并列环流的现象，并列环流主要是由于系统的有功参考值大于预设值，导致直流通道功率和交流通道出现功率传输方向相反的现象；
直流系统约束为：
1.9≤Udi≤2.1
0.75≤Mi≤0.95
Figure BDA0002487962510000093
式中，Pc、Qc分别为注入换流器直流侧的有功功率和无功功率；SMMC为换流器容量；
根据以上分析，柔性直流输电网的有功优化模型能够表示为：
Figure BDA0002487962510000091
式中，f为总目标函数；h(x)、g(x)分别为柔性直流输电网的等式与不等式约束；gmin、gmax分别为不等式约束的上下限。
在步骤3)中，采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理，应用内点法对目标函数和约束条件进行优化计算，获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线，具体实现包括以下步骤：
利用模糊理论对目标函数进行模糊化处理：目标函数的模糊化根据决策者要求达到的满意度，构建作为模糊评价指标的目标函数的隶属函数；
给每个目标函数指定一个隶属函数μi，目标值越小，满意度越高；隶属函数构建如下：
Figure BDA0002487962510000092
式中，fi *为目标函数fi的最优值，fi k为目标函数fi的最坏值，即最大值，i＝1,2；
求出各项目标的隶属函数之后，并分别给定满意度系数εi，则能够确定总隶属函数：
minμ(f)＝ε1μ1(f1)+ε2μ2(f2)
式中，μ1(f1)为目标函数f1的隶属函数，ε1为隶属函数μ1(f1)的满意度系数，μ2(f2)为目标函数f2的隶属函数，ε2为隶属函数μ2(f2)的满意度系数，
获得系统的目标函数和约束条件后，以系统经济性和安全性作为优化目标，采用内点法进行优化计算，从而获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线。
在步骤4)中，采用折线逼近法对曲线进行拟合，并通过最小二乘法进行计算斜率，获得不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线曲线，具体实现如下：
采用折线逼近法对直流通道功率-总输送功率优化曲线进行拟合；将总输送功率进行分区段，用有限段折线即n段折线来近似代替，每个区段的总输送功率和直流通道输送功率能够近似地看作是线性关系，各个区段斜率就是直流输送功率比例k；理论上区段数越多，折线越逼近曲线，拟合度越高，但由于风电场功率波动频繁，如果区段数多于预设值，每个区段窄于预设值，横坐标总输送功率会在不同区段频繁跳跃，给纵坐标直流通道功率的计算带来难度，折线拟合度反而越差；因此，n的值需要综合考虑，设置合适的值；
将整个总输送功率分成n个区段，直流通道功率-总输送功率优化曲线就是由n段斜率不同的线性方程组成：
Figure BDA0002487962510000101
式中，y对应就是直流通道功率，x为总输送功率；k1,k2,…,kn为拟合曲线的斜率；b1,b2,…,bn为定值；k1,k2,…,kn和b1,b2,…,bn值能够通过最小二乘法进行计算，由此得到不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线。
在步骤5)中，设计滞环器，制定有功优化具体实现方案，具体实现如下：
由于风电场功率输出随机性大，总输送功率会发生大波动，甚至可能在各个功率区段边界处跳跃，导致有功优化所采用的直流通道功率-总输送功率优化曲线也随之波动；为防止出现这种情况，在曲线中的各个功率区段边界引入滞环器，解决由于总输送功率随机波动引起的直流通道功率-总输送功率优化曲线跳跃波动的问题；
制定有功优化的具体实现方案：a、分析有功功率对柔性直流输电网经济性和安全性的影响；b、建立有功优化模型，确定目标函数和约束条件；c、采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理；d、采用内点法进行优化计算；e、获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线；f、为满足工程建设需要，对曲线处理，获取不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线；g、设计滞环器，避免有功参考值在功率区段边界波动时频繁切换；h、在第二模块化多电平电压源型换流器的系统级控制中植入有功优化，从而实现柔性直流输电网的有功优化运行。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明首次对柔性直流输电网经济性和安全性进行了分析，解决了换流器系统级有功功率控制指令值Pref只能依据当地电网各种运行方式或电网自动调度系统设定，缺乏相应的理论依据，有功功率参考值设定的合理性无法保障的问题，从而保证有功功率在交直流通道传输上的均衡，提供了合理的有功功率指令值设定方法。
2、本发明首次提出了适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，解决了在孤岛切换瞬间，原本从交流通道输送的有功功率全部窝积在海岛电网内，海岛电网的电压发生严重偏移，可能导致岛内风电脱网的问题，从而实现了柔性直流输电网孤岛状态的平滑切入。
3、本发明首次提出将直流通道功率-总输送功率优化曲线分区段，并采用折线逼近法对进行拟合，解决由于直流通道输送功率-总输送功率优化曲线是一条非线性曲线，使优化结果难以在实际工程中应用的问题。
4、本发明首次提出在直流通道功率-总输送功率优化曲线中的各个区段边界引入滞环器，解决了由于总输送功率随机波动引起的直流通道功率-总输送功率优化曲线跳跃波动的问题。
5、本发明首次提出的以经济性和安全性为目标的有功优化方法，能实现柔性直流输电网有功功率在交直流通道的合理分配，一方面，减少了孤岛切换时交流通道转移到直流通道的有功功率，保证了柔性直流输电网的安全性；另一方面，优化了系统有功功率输送效率，提高了柔性直流输电网的经济性。
6、本发明方法在柔性直流输电网孤岛切换过程中上具有广泛的使用空间，操作简单、适应性强，在提高柔性直流输电网的稳定性和可靠性上有广阔前景。
附图说明
图1为本发明的柔性直流输电网的结构图。
图2为本发明在RTDS仿真平台上搭建的系统结构图。
图3为本发明的不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线图。
图4为本发明的不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线图。
图5为本发明的区段边界引入滞环器图。
图6为本发明的有功优化方法的具体实现方案图。
图7为本发明的RTDS仿真图之一。
图8为本发明的RTDS仿真图之二。
图9为本发明的RTDS仿真图之三。
图10为本发明的RTDS仿真图之四。
图11为本发明的RTDS仿真图之五。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示，柔性直流输电网包括大陆电网ACgrid1、风电场、阻性负载R、感性负载L、补偿电容器C、第一交流断路器ACCB1、第二交流断路器ACCB2、第三交流断路器ACCB3、第四交流断路器ACCB4、交流通道L1、直流线路L2、第一交流母线#1、第二交流母线#2、第一直流母线#3、第二直流母线#4、第三交流母线#5、第一模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC1、第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2、第一变压器TM1、第二变压器TM2、第三变压器TM3、第四变压器TM4；其中，所述风电场、阻性负载R、感性负载L、补偿电容器C构成海岛电网ACgrid2；所述风电场、阻性负载R、感性负载L、补偿电容器C都并联接在第三交流母线#5上；所述大陆电网ACgrid1与第三交流母线#5通过一条交流通道和一条直流通道连接；直流通道为：大陆电网ACgrid1依次经第一变压器TM1、第一交流母线#1、第三交流断路器ACCB3、第三变压器TM3、第一模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC1、第一直流母线#3、直流通道L2、第二直流母线#4、第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2、第四变压器TM4、第四交流断路器ACCB4、第二交流母线#2、第二变压器TM2与第三交流母线#5连接；交流通道为：大陆电网ACgrid1依次经第一变压器TM1、第一交流母线#1、第一交流断路器ACCB1、交流通道L1、第二交流断路器ACCB2、第二交流母线#2、第二变压器TM2与第三交流母线#5连接。
针对上述的柔性直流输电网，本实施例提供的适合该柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，具体情况如下：
搭建RTDS实时闭环仿真平台，如图2所示，由该系统直流侧的电压为±160kV。正常运行时，第一模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC1采用Udc-Q控制模式，用于稳定直流侧电压；第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2采用P-Q控制模式。
在RTDS闭环仿真平台上开展有功优化分配方法的仿真，分别对交直流通道有功优化方法的经济性和安全性进行仿真分析。
换流器的主要参数如表1所示。
表1换流器主要参数
参数 换流器MMC-VSC1 换流器MMC-VSC2
额定容量/MVA 200 100
无功输出范围/Mvar -200～100 -100～60
额定直流电压/kV ±160 ±160
额定直流电流/A 625 313
1)有功功率对柔性直流输电网经济性和安全性的影响分析
正常运行时，第一模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC1采用定直流电压和无功功率控制模式，第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2采用定有功功率和无功功率控制模式；定义海岛电网与大陆电网之间的总输送功率为Ptotal，直流通道功率为Pdc，交流通道功率为Pac；Ptotal、Pdc和Pac之间存在以下关系：
Ptotal＝Pdc+Pac
某一时刻，总输送功率Ptotal是一定的，直流通道功率Pdc能够通过第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的有功参考值Pref进行设定，因此只要对第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的有功参考值Pref进行控制，就能够在交流通道和直流通道之间进行有功功率分配；
1.1)有功功率对柔性直流输电网安全性的影响分析
海岛电网形成孤岛后，风电场输出的有功功率大于直流通道功率和海岛电网的阻性负载功率的总和，海岛电网的有功功率不平衡，存在有功功率缺额；海岛电网的有功功率缺额为风电场输出的有功功率与直流通道功率和阻性负载功率之和的差值，这个有功功率缺额也是海岛电网在形成孤岛前，交流通道的有功功率；同理，交流通道的无功功率就是海岛电网孤岛后的无功功率缺额；
定义有功功率缺额ΔP和无功功率缺额ΔQ的计算公式为：
ΔP＝PDG-Pdc-PR＝Pac
ΔQ＝QDG+QC-QL＝Qac
式中，ΔP、ΔQ分别为海岛电网孤岛后的有功功率缺额和无功功率缺额；Pac、Qac分别为海岛电网进入孤岛状态前交流通道的有功功率和无功功率；Pdc为海岛电网进入孤岛状态前直流通道的有功功率；PDG、QDG分别为风电场的有功功率和无功功率；PR、QL、QC分别为海岛电网的阻性负载R、感性负载L、补偿电容器C消耗的功率；
上述部分有功功率缺额和无功功率缺额将导致海岛电网功率失去平衡，引起海岛电网电压频率和幅值的变化；
有功功率剩余将导致风电场的机组转速增加，海岛电网频率上升，加快风电场的机组转子转速，导致海岛电网频率上升；反之，如果发生孤岛前，交流通道传输的功率是由大陆电网指向海岛电网，孤岛发生后，海岛电网有功功率不足，将风电场的机组转子转速拖低，转子达不到同步转速，海岛电网频率下降；而无功功率缺额将导致无功功率过多或不足，引起海岛电网的电压幅值上升或跌落；
1.2)有功功率对柔性直流输电网经济性的影响分析
有功功率对柔性直流输电网的经济性影响是指功率在交流通道和直流通道上传输产生的损耗大小；
交流通道损耗是由海岛电网与大陆电网交换功率时电流在交流通道上的损耗，这里交流通道是指交流线路损耗；
交流线路损耗Paclineloss能够通过以下公式计算得出：
Figure BDA0002487962510000141
式中，U为系统电压，Rac为线路每公里电阻值，lac为交流线路长度；
直流通道损耗主要包括换流站损耗和直流线路损耗。
直流通道包括2个及以上的换流站，每个换流站损耗主要是由换流器损耗和换流变压器损耗构成；
定义每个换流器损耗如下式所示：
PMMCloss＝(2PIGBT+2Pdiode)×6×n+PL×6
式中，PMMCloss为换流器损耗；PIGBT为IGBT损耗；Pdiode为二极管损耗；n为每个桥臂的SM模块个数；PL为桥臂电抗器上的损耗；
换流变压器损耗包括铜耗和铁耗，这两个参数由变压器出厂时给定；
换流器损耗是每个换流站损耗中最大的，能够占到换流站损耗的60％～75％，单个换流站损耗率为1％；
计算直流线路损耗如下式所示：
Figure BDA0002487962510000142
式中，ldc为直流线路长度，Rdc为直流电缆每公里电阻值，Idc为直流电缆传输的直流电流。对50km输送距离的直流线路损耗通常约占换流站额定输送容量的0.2％～3％。
因此，通过分析有功功率分配对系统安全性及经济性的影响，可知柔性直流输电网的安全性及经济性是相互矛盾的。对于安全性而言，要求直流通道应该更多的承担功率传输任务，从而保证系统由联网状态切换到孤岛状态时的安全稳定运行，保证孤岛切换成功率。而对于经济性而言，要求交流通道应该更多的承担功率传输任务，从而保证系统经济性达到最优。
2)确定目标函数和约束条件，建立有功优化模型
确定以网损为主的经济性和孤岛切换时的安全性作为优化目标。
2.1)确定目标函数
为实现系统的安全经济运行，提出根据输送功率大小确定交流通道、直流通道承载功率比例的有功优化，当输送功率大于预设值时，以安全性为主要优化目标，适当提高直流通道输送功率的比重；当输送功率小于预设值时，以经济性为主要优化目标，适当地提高交流通道输送功率的比重；
根据上述有功优化，确定以网损最小的经济性和孤岛切换时的安全性作为优化目标；
2.1.1)经济性目标函数
柔性直流输电网的经济性以网损最小作为优化目标，网损包括所有交流通道和所有直流通道损耗的总和，即经济性目标函数f1为：
Figure BDA0002487962510000151
式中，Paclineloss,ij为节点i和节点j之间的交流线路损耗；Pdclineloss,ij为换流器i和换流器j之间的直流线路损耗；PMMCloss,j是换流器j的损耗；ndc为直流节点数，即换流器的个数；nac为纯交流节点数；
2.1.2)安全性目标函数
当直流通道断开，交流通道需要完全接纳直流通道上输送的功率；由于交流系统的潮流不是可控的，交流通道接纳直流通道的功率无需响应时间，只需要考虑转移的直流潮流对交流通道的冲击，用ψac衡量交流通道能够承受的冲击能力：
Figure BDA0002487962510000152
式中，Paclimit为交流通道的暂态稳定输送功率极限；PdcN为直流通道的额定输送功率；Pac为海岛电网进入孤岛状态前交流通道输送的有功功率；
当交流通道断开，交流通道承载的功率转移到直流通道，一方面交流通道功率的转移将引起直流电压上升，甚至有可能超过换流器绝缘水平；另一方面直流通道并网切换为孤岛控制模式需要一段时间；在这段时间，海岛电网因有功功率缺额形成窝电现象，将导致电压频率和幅值持续上升，严重时会导致风电解列；电压频率Δf和电压幅值ΔUd的变化值如下式所示：
Figure BDA0002487962510000161
Figure BDA0002487962510000162
式中，KG为功率调系数；tm为直流系统转换控制方式的最小反应时间；cv为柔性直流换流站等效电容值。
令
Figure BDA0002487962510000163
则安全性目标函数f2定义为：
Figure BDA0002487962510000164
式中，Γ表示对频率和直流电压影响指标相对交流线路承受冲击能力指标的重要因子，Γ≥0；
2.2)确定约束条件
柔性直流输电网的有功优化的约束条件包括潮流约束、控制方式约束及经济性与安全性约束；
2.2.1)潮流约束
将节点分为直流节点和纯交流节点，纯交流节点数为nac，直流节点数为ndc，则柔性直流输电网的节点总数为n＝nac+ndc；
对纯交流节点，其有功功率Pai和无功功率Qai，满足：
Figure BDA0002487962510000165
式中，下标a表示此节点为纯交流节点，a＝1,2,…nac；下标i表示第i个节点，i＝1,2,…n；下标j为与节点i直接相连的所有节点；Uai为节点a与节点i间的电压值；Uj为节点j的电压值；θij为节点电压相角差，Gij、Bij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；
对直流节点，其有功功率Pti和无功功率Qti，满足：
Figure BDA0002487962510000171
式中，下标t表示此节点为直流节点，Uti为节点t与节点i间的电压值；Psi和Qsi分别为注入换流器的有功功率和无功功率；
直流通道功率Pdi为：
Figure BDA0002487962510000172
式中，
Figure BDA0002487962510000173
αi＝arctan(Rci/Xci)，Rci、Xci为与第i个换流器联接的联结变压器支路等效电阻与电抗，λi为直流电压利用率，Mi为换流器的调制度，Usi为与第i个换流器联接的联结变压器交流侧电压，Udi、Idi分别为直流通道的电压值和电流值，δi为换流器的网侧与阀侧之间的相角差；
2.2.2)控制方式约束
柔性直流输电网的系统级控制采用主从控制模式，选取容量大的换流站为主换流站，设置为定直流电压和无功功率控制，这样能保持直流母线电压跟踪电压参考值，同时维持直流电压和功率的平衡；主换流站与从换流站分别满足：
Udi-Udiref＝0
Pdi-Pdiref＝0
式中，Udiref为第i个换流器直流电压参考值，Pdiref为第i个换流器直流有功功率参考值；
2.2.3)经济性和安全性约束
交流系统约束包括电压上、下限约束及交流通道最大传输功率约束，而直流系统还应考虑换流站的调制度、直流节点电压、换流器参考值和控制参数的约束以及避免交直流并列环流的约束；
交流系统约束为：
0.9≤Ui≤1.1
Pijmin≤Pij≤Pijmax
式中，Ui为交流电压值，Pij为交流通道功率，Pijmax为节点i和节点j之间交流通道功率的上限，防止线路过载；Pijmin为节点i和节点j之间交流通道功率的下限，防止并列环流现象；由于系统存在交直流通道的有功功率分配问题，实际调度中应避免出现交直流通道并列环流的现象，并列环流主要是由于系统的有功参考值大于预设值，导致直流通道功率和交流通道出现功率传输方向相反的现象；
直流系统约束为：
1.9≤Udi≤2.1
0.75≤Mi≤0.95
Figure BDA0002487962510000182
式中，Pc、Qc分别为注入换流器直流侧的有功功率和无功功率；SMMC为换流器容量；
根据以上分析，柔性直流输电网的有功优化模型能够表示为：
Figure BDA0002487962510000181
式中，f为总目标函数；h(x)、g(x)分别为柔性直流输电网的等式与不等式约束；gmin、gmax分别为不等式约束的上下限。
3)利用模糊理论对目标函数进行模糊化处理。目标函数的模糊化根据决策者要求达到的满意度，构建作为模糊评价指标的目标函数的隶属函数。
将风电场的额定输送容量为200MW，由于风电注入功率越大，系统安全稳定性要求越高，因此可设定满意度系数随风电注入功率变化而变化，且其变化范围限制在0.4～0.6内，即总隶属函数为：
minμ(f)＝(0.6-0.1x)μ1(f1)+(0.4+0.1x)μ2(f2)
式中，x与风电功率成比例，x＝kPw。
以网损最小的经济性和孤岛切换时的安全性作为优化目标，采用内点法对目标函数和约束条件进行优化计算。
取Γ＝1，Rvf＝0.1，假设各节点负荷为零，输送功率为80MW，有功优化结果如表2所示。
表2有功优化结果
直流通道输送功率/MW 交流通道输送功率/MW
52.089 28.911
由表2可知，从最优输送功率考虑，直流通道功率应作适当的调整。分别对不同总输送功率值进行优化计算，可以得到不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线，如图3所示。
4)采用折线逼近法对直流通道功率-总输送功率优化曲线进行拟合。将总输送功率进行分区段，把每个区段长度设置为20MW，总输送功率即可分成[0,20]、[20,40]、…、[180,200]等20个区段，每个区段的总输送功率和直流通道功率可以近似地看做是线性关系，各个区段斜率就是直流通道功率比例k。理论上区段数越多，折线越逼近曲线，拟合度越高，但由于风电场功率波动频繁，如果区段太多，每个区段过窄，横坐标总输送功率会在不同区段频繁跳跃，给纵坐标直流通道功率的计算带来较大难度，折线拟合度反而越差。因此将整个总输送功率(0-200MW)分成20个区段，直流通道功率-总输送功率优化曲线就是由20段斜率不同的线性方程组成。
Figure BDA0002487962510000191
式中，y对应就是直流通道功率，x为总输送功率，k1，…,k20为拟合曲线的斜率，b1，…,b20为定值。k1，…,k20和b1，…,b20值可以通过最小二乘法进行计算。由此得到不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线，如图4所示。
5)设计滞环器，制定有功优化方法的具体实现方案：由于风电场功率输出随机性较大，总输送功率会发生较大波动，甚至可能在各个区段边界处跳跃，导致有功优化方法采用的直流通道功率-总输送功率优化曲线也随之波动。为防止出现这种情况，在曲线中的各个区段边界引入滞环器，如图5所示，解决由于总输送功率随机波动引起的直流通道功率曲线跳跃波动的问题。
有功优化方法的具体实现方案，如图6所示：a、分析有功功率对柔性直流输电网经济性和安全性的影响；b、建立有功优化模型，确定目标函数和约束条件；c、采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理；d、采用内点法进行优化计算；e、获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线；f、为满足工程建设需要，对曲线处理，获取不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线；g、设计滞环器，避免有功参考值在功率区段边界波动时频繁切换；h、在第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的系统级控制中植入有功优化，从而实现柔性直流输电网的有功优化运行。
6)仿真分析：
6.1)系统经济性优化仿真分析
模拟海岛电网连续运行于丰大、丰小、枯大、枯小四种工况，利用大陆电网收到的功率和海岛电网送出的功率之差计算系统的损耗，如表3所示。仿真过程中负荷和风电场的功率均按丰大、丰小、枯大、枯小四种工况连续变化。
表3丰大、丰小、枯大、枯小工况下功率情况
工况 风电场输出功率 负荷消耗功率 交直流通道总输送功率
丰大 159MW 47MW 112MW
丰小 137MW 25MW 112MW
枯小 73MW 28MW 12MW
枯大 56MW 43MW 13MW
采用优化算法之后，交直流通道总输送功率、直流通道功率、交流通道功率以及总损耗变化趋势如图7所示。其中，Ptotal为交直流通道总输送功率，Pac为交流通道功率，Pdc为直流输送功率，Ploss为系统的总损耗。
模拟这四种工况在纯直流输送，纯交流输送以及有功优化方法之后交直流通道总损耗如表4所示。
表4交直流通道总损耗
Figure BDA0002487962510000211
由以上实验结果可以看出，在120秒内海岛电网连续运行于丰大、丰小、枯大、枯小四种工况，系统分别运行于纯直流输送、纯交流输送和优化方法输送模式。对比四种运行工况，可以看出，采用所提出的优化方法之后的系统总损耗介于纯交流输送和纯直流输送之间，损耗适中。
6.2)系统安全性优化仿真分析
假设交流线路断开，T2端换流站由联网进入孤岛运行，对系统有功优化之后的安全性进行仿真分析。选取对系统安全性考验最大运行工况，即丰小工况下，系统由联网进入孤岛状态。
仿真过程如下，系统运行于丰小工况，总输送功率为90MW，在该工况下，ACCB1突然断开，孤岛检测器200ms左右检测到孤岛发生，将T2端换流站从P-Q控制模式切换到V-f控制模式。
ACCB1断开前，系统的运行方式为优化输电(直流通道的有功参考值根据总输送功率所在区段，按照直流通道优化斜率和总输送功率的乘积，设置有功参考值)。直流通道优化根据前文所述的优化结果进行设定，直流通道功率约为76MW，交流通道功率为14MW。
图8至图10为采用所述有功优化方法后的仿真波形。其中，uisd为海岛电网的电压瞬时值，Uisd为海岛电网的电压有效值，fisd为海岛电网的电压频率，ACCB1为开关状态，IslandC为孤岛指令，
Figure BDA0002487962510000212
和
Figure BDA0002487962510000213
分别为直流通道的正极和负极电压、Udc为直流电压有效值，Pdc和Qdc分别为直流通道的有功功率和无功功率，Pac和Qac分别为交流通道的有功功率和无功功率，Pisd和Qisd分别为海岛电网的有功功率和无功功率。
从仿真结果可以看出，ACCB1断开前，直流通道功率为76MW，交流通道功率为14MW，ACCB1断开后到孤岛指令检测前，直流通道功率仍为76MW，交流通道功率为0MW，ACCB1断开前交流通道承载的14MW窝积在海岛电网内。从海岛电网的电压趋势可以看出，在此段时间内(200ms内)，这些功率累积在海岛电网内，也导致海岛电网的电压频率和幅值持续上升，但是海岛电网窝电功率较小，最大频率只上升到了52Hz。当孤岛检测器检测到孤岛指令后，切换T2端换流站的控制模式为孤岛控制模式，直流通道功率由76MW提升至90MW，海岛电网电压的有效值和频率逐步被控制到额定值，海岛电网进入孤岛运行，成功实现海岛电网由联网状态向孤岛状态的切换。
通过系统经济性和安全性优化仿真结果可知，采用有功优化方法之后，系统功率总损耗适中。在丰小方式(输送总功率90MW)下，交流线路断开直流电压和孤岛频率在跳开瞬间的变化趋势较小，频率最大上升至50.4Hz，电压波动也较小，约上升至1.06Pu，有效支持T2端换流站由联网状态向孤岛状态的切换。
6.3)对比仿真分析：ACCB1断开前，系统的运行方式为纯交流输电(直流通道的有功功率参考值设置0)，交流通道功率为90MW。
图11为对比仿真波形。从仿真结果可以看出，ACCB1断开前，直流通道功率为0MW，交流通道功率为90MW，ACCB1断开后到孤岛指令检测前，ACCB1断开前交流通道承载的90MW全部窝积在海岛电网内，这些窝积在海岛电网内的功率，导致海岛电网的电压频率和幅值持续上升，最大频率上升到了73Hz。当孤岛检测器检测到孤岛指令后，切换T2端换流站的控制模式为孤岛控制模式，直流通道功率由0MW提升至90MW，海岛电网的电压有效值和频率逐步被控制到额定值。注：本次仿真未设置风机过频保护，故在此期间，风机未脱网。
综上所述，本发明为柔性直流输电网孤岛平滑切入时的有功优化提供了新的方法。该方法提出的以经济性和安全性为目标，能实现柔性直流输电网有功功率在交直流通道的合理分配，一方面，减少了孤岛切换时交流通道转移到直流通道的有功功率，保证了柔性直流输电网的安全性；另一方面，优化了系统有功功率输送效率，提高了柔性直流输电网的经济性。同时，该方法解决了柔性直流输电网在孤岛切换瞬间，原本从交流通道输送的有功功率全部窝积在海岛电网内，电压将发生严重偏移，可能导致岛内风电脱网的问题，从而实现了柔性直流输电网孤岛状态的平滑切入，具有实际推广价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，所述柔性直流输电网包括大陆电网(ACgrid1)、风电场、阻性负载(R)、感性负载(L)、补偿电容器(C)、第一交流断路器(ACCB1)、第二交流断路器(ACCB2)、第三交流断路器(ACCB3)、第四交流断路器(ACCB4)、交流通道(L1)、直流线路(L2)、第一交流母线(#1)、第二交流母线(#2)、第一直流母线(#3)、第二直流母线(#4)、第三交流母线(#5)、第一模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC1)、第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)、第一变压器(TM1)、第二变压器(TM2)、第三变压器(TM3)、第四变压器(TM4)；其中，所述风电场、阻性负载(R)、感性负载(L)、补偿电容器(C)构成海岛电网(ACgrid2)；所述风电场、阻性负载(R)、感性负载(L)、补偿电容器(C)都并联接在第三交流母线(#5)上；所述大陆电网(ACgrid1)与第三交流母线(#5)通过一条交流通道和一条直流通道连接；直流通道为：大陆电网(ACgrid1)依次经第一变压器(TM1)、第一交流母线(#1)、第三交流断路器(ACCB3)、第三变压器(TM3)、第一模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC1)、第一直流母线(#3)、直流通道(L2)、第二直流母线(#4)、第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)、第四变压器(TM4)、第四交流断路器(ACCB4)、第二交流母线(#2)、第二变压器(TM2)与第三交流母线(#5)连接；交流通道为：大陆电网(ACgrid1)依次经第一变压器(TM1)、第一交流母线(#1)、第一交流断路器(ACCB1)、交流通道(L1)、第二交流断路器(ACCB2)、第二交流母线(#2)、第二变压器(TM2)与第三交流母线(#5)连接；
其特征在于：所述适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，包括以下步骤：
1)分析有功功率对柔性直流输电网安全性和经济性的影响；
2)确定目标函数和约束条件，建立有功优化模型；
3)采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理，采用内点法对目标函数和约束条件进行优化计算，获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线；
4)采用折线逼近法对曲线进行拟合，并通过最小二乘法进行计算斜率，获得不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线；
5)设计滞环器，制定有功优化具体实现方案，实现系统有功功率的优化分配。
2.根据权利要求1所述的一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，其特征在于：在步骤1)中，分析有功功率对柔性直流输电网安全性和经济性的影响，具体实现包括以下步骤：
1.1)有功功率对柔性直流输电网安全性和经济性的影响分析
正常运行时，第一模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC1)采用定直流电压和无功功率控制模式，第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)采用定有功功率和无功功率控制模式；定义海岛电网与大陆电网之间的总输送功率为Ptotal，直流通道功率为Pdc，交流通道功率为Pac；Ptotal、Pdc和Pac之间存在以下关系：
Ptotal＝Pdc+Pac
某一时刻，总输送功率Ptotal是一定的，直流通道功率Pdc能够通过第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的有功参考值Pref进行设定，因此只要对第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的有功参考值Pref进行控制，就能够在交流通道和直流通道之间进行有功功率分配；
对于柔性直流输电网，若从安全性角度出发，希望直流通道承担更多的有功功率输送任务，这样在联网状态向孤岛状态切换的过程中，海岛电网电压、频率不会出现急剧上升，易于实现孤岛控制模式的平滑切入；从经济性角度出发，由于交流通道的经济性优于直流通道，希望交流通道承担更多的有功功率输送份额，实现经济最优；对于柔性直流输电网而言，经济性和安全性是一对矛盾体，因此，在满足安全性、可靠性的条件下，如何合理分配Pac和Pdc是实现系统优化运行的关键；
1.1.1)有功功率对柔性直流输电网安全性的影响分析
海岛电网形成孤岛后，风电场输出的有功功率大于直流通道功率和海岛电网的阻性负载功率的总和，海岛电网的有功功率不平衡，存在有功功率缺额；海岛电网的有功功率缺额为风电场输出的有功功率与直流通道功率和阻性负载功率之和的差值，这个有功功率缺额也是海岛电网在形成孤岛前，交流通道的有功功率；同理，交流通道的无功功率就是海岛电网孤岛后的无功功率缺额；
定义有功功率缺额ΔP和无功功率缺额ΔQ的计算公式为：
ΔP＝PDG-Pdc-PR＝Pac
ΔQ＝QDG+QC-QL＝Qac
式中，ΔP、ΔQ分别为海岛电网孤岛后的有功功率缺额和无功功率缺额；Pac、Qac分别为海岛电网进入孤岛状态前交流通道的有功功率和无功功率；Pdc为海岛电网进入孤岛状态前直流通道的有功功率；PDG、QDG分别为风电场的有功功率和无功功率；PR、QL、QC分别为海岛电网的阻性负载R、感性负载L、补偿电容器C消耗的功率；
上述部分有功功率缺额和无功功率缺额将导致海岛电网功率失去平衡，引起海岛电网电压频率和幅值的变化；
有功功率剩余将导致风电场的机组转速增加，海岛电网频率上升，加快风电场的机组转子转速，导致海岛电网频率上升；反之，如果发生孤岛前，交流通道传输的功率是由大陆电网指向海岛电网，孤岛发生后，海岛电网有功功率不足，将风电场的机组转子转速拖低，转子达不到同步转速，海岛电网频率下降；而无功功率缺额将导致无功功率大于某一阈值或小于某一设定值，引起海岛电网的电压幅值上升或跌落；
1.1.2)有功功率对柔性直流输电网经济性的影响分析
有功功率对柔性直流输电网的经济性影响是指功率在交流通道和直流通道上传输产生的损耗大小；
1.1.2.1)交流通道损耗
交流通道损耗是由海岛电网与大陆电网交换功率时电流在交流通道上的损耗，这里交流通道是指交流线路损耗；
交流线路损耗Paclineloss能够通过以下公式计算得出：
Figure FDA0002487962500000031
式中，U为系统电压，Rac为线路每公里电阻值，lac为交流线路长度；
1.1.2.2)直流通道损耗
直流通道损耗包括换流站损耗和直流线路损耗；
1.1.2.2.1)换流站损耗
直流通道包括2个及以上的换流站，每个换流站损耗是由换流器损耗和换流变压器损耗构成；
定义每个换流器损耗如下式所示：
PMMCloss＝(2PIGBT+2Pdiode)×6×n+PL×6
式中，PMMCloss为换流器损耗；PIGBT为IGBT损耗；Pdiode为二极管损耗；n为每个桥臂的SM模块个数；PL为桥臂电抗器上的损耗；
换流变压器损耗包括铜耗和铁耗，这两个参数由变压器出厂时给定；
换流器损耗是每个换流站损耗中最大的，能够占到换流站损耗的60％～75％，单个换流站损耗率为1％；
1.1.2.2.2)直流线路损耗
由于直流线路是以电缆为主，故直流线路损耗这里是指直流电缆损耗；直流电缆损耗是由直流电流在传输线路的电阻所造成的，其计算方法如下式所示：
Figure FDA0002487962500000032
式中，ldc为直流线路长度，Rdc为直流电缆每公里电阻值，Idc为直流电缆传输的直流电流；50km输送距离的直流线路损耗占换流站额定输送容量的0.2％～3％；
因此，通过分析有功功率分配对系统安全性及经济性的影响，可知柔性直流输电网的安全性及经济性是相互矛盾的；对于安全性而言，要求直流通道应该更多的承担功率传输任务，从而保证系统由联网状态切换到孤岛状态时的安全稳定运行，保证孤岛切换成功率；而对于经济性而言，要求交流通道应该更多的承担功率传输任务，从而保证系统经济性达到最优。
3.根据权利要求1所述的一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，其特征在于：在步骤2)中，确定目标函数和约束条件，建立有功优化模型，具体实现包括以下步骤：
2.1)确定目标函数
为实现系统的安全经济运行，提出根据输送功率大小确定交流通道、直流通道承载功率比例的有功优化，当输送功率大于预设值时，以安全性为主要优化目标，提高直流通道输送功率的比重；当输送功率小于预设值时，以经济性为主要优化目标，提高交流通道输送功率的比重；
根据上述有功优化，确定以网损最小的经济性和孤岛切换时的安全性作为优化目标；
2.1.1)经济性目标函数
柔性直流输电网的经济性以网损最小作为优化目标，网损包括所有交流通道和所有直流通道损耗的总和，即经济性目标函数f1为：
Figure FDA0002487962500000041
式中，Paclineloss,ij为节点i和节点j之间的交流线路损耗；Pdclineloss,ij为换流器i和换流器j之间的直流线路损耗；PMMCloss,j是换流器j的损耗；ndc为直流节点数，即换流器的个数；nac为纯交流节点数；
2.1.2)安全性目标函数
当直流通道断开，交流通道需要完全接纳直流通道上输送的功率；由于交流系统的潮流不是可控的，交流通道接纳直流通道的功率无需响应时间，只需要考虑转移的直流潮流对交流通道的冲击，用ψac衡量交流通道能够承受的冲击能力：
Figure FDA0002487962500000042
式中，Paclimit为交流通道的暂态稳定输送功率极限；PdcN为直流通道的额定输送功率；Pac为海岛电网进入孤岛状态前交流通道输送的有功功率；
当交流通道断开，交流通道承载的功率转移到直流通道，一方面交流通道功率的转移将引起直流电压上升，甚至有可能超过换流器绝缘水平；另一方面直流通道并网切换为孤岛控制模式需要一段时间；在这段时间，海岛电网因有功功率缺额形成窝电现象，将导致电压频率和幅值持续上升，严重时会导致风电解列；电压频率Δf和电压幅值ΔUd的变化值如下式所示：
Figure FDA0002487962500000051
Figure FDA0002487962500000052
式中，KG为功率调系数；tm为直流系统转换控制方式的最小反应时间；cv为柔性直流换流站等效电容值；
令
Figure FDA0002487962500000053
则安全性目标函数f2定义为：
Figure FDA0002487962500000054
式中，Γ表示对频率和直流电压影响指标相对交流线路承受冲击能力指标的重要因子，Γ≥0；
2.2)确定约束条件
柔性直流输电网的有功优化的约束条件包括潮流约束、控制方式约束及经济性与安全性约束；
2.2.1)潮流约束
将节点分为直流节点和纯交流节点，纯交流节点数为nac，直流节点数为ndc，则柔性直流输电网的节点总数为n＝nac+ndc；
对纯交流节点，其有功功率Pai和无功功率Qai，满足：
Figure FDA0002487962500000055
式中，下标a表示此节点为纯交流节点，a＝1,2,…nac；下标i表示第i个节点，i＝1,2,…n；下标j为与节点i直接相连的所有节点；Uai为节点a与节点i间的电压值；Uj为节点j的电压值；θij为节点电压相角差，Gij、Bij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；
对直流节点，其有功功率Pti和无功功率Qti，满足：
Figure FDA0002487962500000061
式中，下标t表示此节点为直流节点，Uti为节点t与节点i间的电压值；Psi和Qsi分别为注入换流器的有功功率和无功功率；
直流通道功率Pdi为：
Figure FDA0002487962500000062
式中，
Figure FDA0002487962500000063
αi＝arctan(Rci/Xci)，Rci、Xci为与第i个换流器联接的联结变压器支路等效电阻与电抗，λi为直流电压利用率，Mi为换流器的调制度，Usi为与第i个换流器联接的联结变压器交流侧电压，Udi、Idi分别为直流通道的电压值和电流值，δi为换流器的网侧与阀侧之间的相角差；
2.2.2)控制方式约束
柔性直流输电网的系统级控制采用主从控制模式，选取容量大的换流站为主换流站，设置为定直流电压和无功功率控制，这样能保持直流母线电压跟踪电压参考值，同时维持直流电压和功率的平衡；主换流站与从换流站分别满足：
Udi-Udiref＝0
Pdi-Pdiref＝0
式中，Udiref为第i个换流器直流电压参考值，Pdiref为第i个换流器直流有功功率参考值；
2.2.3)经济性和安全性约束
交流系统约束包括电压上、下限约束及交流通道最大传输功率约束，而直流系统还应考虑换流站的调制度、直流节点电压、换流器参考值和控制参数的约束以及避免交直流并列环流的约束；
交流系统约束为：
0.9≤Ui≤1.1
Pijmin≤Pij≤Pijmax
式中，Ui为交流电压值，Pij为交流通道功率，Pijmax为节点i和节点j之间交流通道功率的上限，防止线路过载；Pijmin为节点i和节点j之间交流通道功率的下限，防止并列环流现象；由于系统存在交、直流通道的有功功率分配问题，实际调度中应避免出现交直流通道并列环流的现象，并列环流是由于系统的有功参考值大于预设值，导致直流通道功率和交流通道出现功率传输方向相反的现象；
直流系统约束为：
1.9≤Udi≤2.1
0.75≤Mi≤0.95
Figure FDA0002487962500000071
式中，Pc、Qc分别为注入换流器直流侧的有功功率和无功功率；SMMC为换流器容量；
根据以上分析，柔性直流输电网的有功优化模型能够表示为：
Figure FDA0002487962500000072
式中，f为总目标函数；h(x)、g(x)分别为柔性直流输电网的等式与不等式约束；gmin、gmax分别为不等式约束的上、下限。
4.根据权利要求1所述的一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，其特征在于：在步骤3)中，采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理，采用内点法对目标函数和约束条件进行优化计算，获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线，具体实现包括以下步骤：
利用模糊理论对目标函数进行模糊化处理：目标函数的模糊化根据决策者要求达到的满意度，构建作为模糊评价指标的目标函数的隶属函数；
给每个目标函数指定一个隶属函数μi，目标值越小，满意度越高；隶属函数构建如下：
Figure FDA0002487962500000073
式中，fi *为目标函数fi的最优值，fi k为目标函数fi的最坏值，即最大值，i＝1,2；
求出各项目标的隶属函数之后，并分别给定满意度系数εi，则能够确定总隶属函数：
minμ(f)＝ε1μ1(f1)+ε2μ2(f2)
式中，μ1(f1)为目标函数f1的隶属函数，ε1为隶属函数μ1(f1)的满意度系数，μ2(f2)为目标函数f2的隶属函数，ε2为隶属函数μ2(f2)的满意度系数；
获得系统的目标函数和约束条件后，以系统经济性和安全性作为优化目标，采用内点法进行优化计算，从而获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线。
5.根据权利要求1所述的一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，其特征在于：在步骤4)中，采用折线逼近法对曲线进行拟合，并通过最小二乘法进行计算斜率，获得不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线，具体实现如下：
采用折线逼近法对直流通道功率-总输送功率优化曲线进行拟合；将总输送功率进行分区段，用有限段折线即n段折线来近似代替，每个区段的总输送功率和直流通道输送功率能够近似地看作是线性关系，各个区段斜率就是直流输送功率比例k；理论上区段数越多，折线越逼近曲线，拟合度越高，但由于风电场功率波动频繁，如果区段数多于预设值，每个区段窄于预设值，横坐标总输送功率会在不同区段频繁跳跃，给纵坐标直流通道功率的计算带来难度，折线拟合度反而越差；因此，n的值需要综合考虑，设置合适的值；
将整个总输送功率分成n个区段，直流通道功率-总输送功率优化曲线就是由n段斜率不同的线性方程组成：
Figure FDA0002487962500000081
式中，y对应就是直流通道功率，x为总输送功率；k1,k2,…,kn为拟合曲线的斜率；b1,b2,…,bn为定值；k1,k2,…,kn和b1,b2,…,bn值能够通过最小二乘法进行计算，由此得到不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线。
6.根据权利要求1所述的一种适合柔性直流输电网孤岛平滑切换的有功优化方法，其特征在于：在步骤5)中，设计滞环器，制定有功优化具体实现方案，具体实现如下：
由于风电场功率输出随机性大，总输送功率会发生大波动，甚至可能在各个功率区段边界处跳跃，导致有功优化所采用的直流通道功率-总输送功率优化曲线也随之波动；为防止出现这种情况，在曲线中的各个功率区段边界引入滞环器，解决由于总输送功率随机波动引起的直流通道功率-总输送功率优化曲线跳跃波动的问题；
制定有功优化的具体实现方案：a、分析有功功率对柔性直流输电网经济性和安全性的影响；b、建立有功优化模型，确定目标函数和约束条件；c、采用模糊理论对目标函数进行模糊化处理；d、采用内点法进行优化计算；e、获取不同输送功率下直流通道功率-总输送功率优化曲线；f、为满足工程建设需要，对曲线处理，获取不同功率区段直流通道功率-总输送功率优化曲线；g、设计滞环器，避免有功参考值在功率区段边界波动时频繁切换；h、在第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的系统级控制中植入有功优化，从而实现柔性直流输电网的有功优化运行。
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