CN112290575A - 确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定电压下垂控制换流站电压‑功率关系的方法。本发明的目的是提供一种确定电压下垂控制换流站电压‑功率关系的方法，适用于多端柔性直流系统，S01、根据直流系统拓扑结构和直流线路参数，以换流站直流电压为变量，确定整个直流网络的节点电压方程；基于节点电压方程，确定任意一条直流线路的直流电流和换流站的直流电流，从而确定整个直流系统损耗的解析公式；S02、选取多端柔性直流系统的各种典型运行工况，针对每个工况分别计算出直流系统损耗最小情况下各个换流站的电压和功率水平；S03、基于各种典型运行工况下换流站的电压和功率水平，计算拟合出换流站的直流电压‑功率特性曲线。本发明适用于电力系统输配电技术领域。

Description

确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法
技术领域
本发明涉及一种确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法。适用于电力系统输配电技术领域。
背景技术
化石能源的枯竭和环境及气候的恶化，使得新能源作为战略资源受到了世界各国的重点关注并逐步大规模开发应用。我国新能源储备丰富，近年来大力开发了西部和北部的风电和光伏，如果能进一步提升新能源灵活消纳能力，就可以减少化石能源利用，避免二氧化碳排放，同时消除弃光、弃风、弃水问题，为我国加快构建绿色环保型能源社会提供重要的柔性直流输电装备支撑，也为实现“清洁替代”提供必要的技术支持。
以电压源型换流器为基础的柔性直流输电技术为直流输电技术提供了新的发展方向，代表了直流输电技术的发展前沿。柔性直流输电技术利用全控电力电子器件和脉冲调制技术，能够准确、快速地控制与交流电网交换的有功功率和无功功率，并为交流电网提供电压支撑，克服了常规直流输电技术中存在的换相失败、不能接入弱交流系统等固有问题，且占地面积小，得到大力研究与发展，尤其在清洁能源送出、接入弱交流系统或解决常规直流多馈入系统的换相失败问题、实现电网异步互联、构建多端直流或直流电网等领域具有常规直流输电技术无法比拟的技术优势。特别的，基于柔性直流的多端柔性直流输电技术，能够在大范围内平抑清洁能源发电的波动性和随机性，未来有望成为西电东送的关键技术之一。
目前多端柔性直流输电系统的系统级控制主要可以分为主从控制策略、直流电压裕额控制策略和直流电压下垂控制策略及它们的变种。主从控制策略的优点是简单清晰，目前国内已投运的多端柔性直流系统通常采用主从控制策略，但是主从控制策略季度依赖于换流站之间的通信系统，通信系统的故障可能会影响整个直流系统的运行。直流电压裕额控制策略虽然不依赖于通信系统，但是它在故障下的响应特性并不如主从控制策略，因此不是多端柔性直流系统的最优控制策略。直流电压下垂控制策略的本质是利用多个换流站承担起控制直流电压的作用，可以不依赖于通信系统，非常适合于在多端柔性直流系统中使用。
直流电压下垂控制策略的最主要问题是有功功率分配的不可调节性，也就是说只要当换流站直流电压-直流功率曲线斜率已经确定，那么换流站之间有功功率分配就已经基本确定。换流站有功功率的不可调节性可能会带来的一个问题在于会导致整个直流系统损耗较大，导致直流系统运行不经济。另外，新能源还具有一定的随机性和波动性，虽然采用直流电压下垂控制策略可以将送端功率波动平摊到每个受端换流站中，但是受端换流站的功率波动又给降低直流系统损耗带来了一定难度。
到目前为止，已公开的绝大多数文献基本只研究直流电压下垂控制策略在柔直系统中的应用。为了进一步发挥直流电压下垂控制策略的技术优势，很有必要从降低直流系统损耗的方面对直流电压下垂控制策略的中换流站直流电压-功率水平下垂曲线的确定方法进行研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法，适用于多端柔性直流系统，其特征在于：
S01、根据直流系统拓扑结构和直流线路参数，以换流站直流电压为变量，确定整个直流网络的节点电压方程；基于节点电压方程，确定任意一条直流线路的直流电流和换流站的直流电流，从而确定整个直流系统损耗的解析公式；
S02、选取多端柔性直流系统的各种典型运行工况，针对每个工况分别计算出直流系统损耗最小情况下各个换流站的电压和功率水平；
S03、基于各种典型运行工况下换流站的电压和功率水平，计算拟合出换流站的直流电压-功率特性曲线。
步骤S01，包括：
假定所述的多端柔性直流系统包含M个换流站，其中包含N个送端换流站，按照先送端换流站后受端换流站的顺序对每个换流站分别编号，换流站编号为1～M；
换流站之间通过导线相互连接，假定连接换流站j和换流站k之间导线的直流电阻为Rjk；
假定换流站k的直流电压和直流电流分别为Uk和为Ik，则整个直流网络的节点导纳方程可以写为：
Figure BDA0002733644340000031
基于节点电压方程，计算直流系统中的换流站损耗公式PConv和线路损耗公式PLine如下所示：
Figure BDA0002733644340000041
Figure BDA0002733644340000042
其中，ai，bi和ci(i＝1,2,…,M)分别表示换流站i损耗拟合公式的常数项、一次项系数和二次项系数，abs()表示取绝对值；
整个直流系统损耗的表达式为Pdcloss＝PConv+PLine。
步骤S02包括：
在第s个典型工况，假定1号换流站的直流电压为UdcN*(1+(s-1)*0.005)，其中UdcN为额定直流电压；
送端换流站k的直流功率为为0.1*(s-1)*PdcN_i，其中PdcN_i表示第i号换流站的额定直流功率；
利用以下方程组计算各个换流站的直流电压：
Figure BDA0002733644340000051
以0.1p.u.为步长，从0～1.0p.u.调制，共11种工况；1≤s≤11。
步骤S03包括：
在以直流电压为纵坐标、功率为横坐标的二维坐标系中，采用描点法各个典型工况下的计算所得的换流站电压和功率画在坐标系中，其他工况下换流站的电压-功率采用相邻两个典型工况之间的线性拟合函数进行计算。
一种多端柔性直流系统，其特征在于：该系统采用所述的方法确定换流站电压-功率关系。
本发明的有益效果是：对于采用直流电压下垂控制的多端柔性直流系统，本发明提出了一种适用于确定多端柔性直流换流站电压-功率特性曲线的确定方法，该方法能够在一定程度上降低直流系统损耗，可以为未来工程的设计起到一定的指导作用。
本发明通过基于直流网络节点导纳矩阵，计算直流网路和换流站的解析损耗；选择各个典型工况，基于整个直流系统总损耗最小的原则分别计算这些工况下换流站的电压和功率；在以直流电压为纵坐标、功率为横坐标的二维坐标系中，利用线性插值法得到换流站的电压-功率关系曲线。
本发明基于整个直流系统的损耗解析表达式，通过计算若干个典型工况下换流站的直流电压和功率水平来确定换流站的电压-功率特性曲线，相比起基于最优潮流的传统方法而言，本方法能够自动地让整个直流系统运行在损耗较低的水平，特别是在新能源并网等功率波动较大场景下的意义重大。
附图说明
图1为实施例中多端柔性直流系统的结构示意图。
图2为实施例的流程示意图。
图3为使用本实施例方法计算出的受端换流站电压-功率曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例为三端柔性直流输电系统，其中换流站1作为送端换流站，换流站2和换流站3作为受端换流站。三端柔性直流输电系统参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002733644340000061
Figure BDA0002733644340000071
如图2所示，本实施例中三端柔性直流输电系统采用以下方法确定电压下垂控制换流站电压-功率关系：
S01、根据直流系统拓扑结构和直流线路参数，以换流站直流电压为变量，基于直流网络侧节点电压方程计算所有直流线路的电流和换流站的直流电流；然后基于直流线路电流和换流站直流电流，分别计算直流线路损耗和换流站损耗，进而得到整个直流系统的损耗。
根据直流系统的节点电压方程，可以得到直流线路12的直流电流I12、直流线路13的直流电流I13和直流线路23的电流的直流电流I13分别可以写为：
Figure BDA0002733644340000072
Figure BDA0002733644340000073
根据直流线路电流和换流站电流可以分别计算出直流线路的损耗PLine、换流站的损耗PConv和整个直流系统的损耗Pdcloss分别为：
Figure BDA0002733644340000074
PConv＝3.309+0.3141U1 2+0.2200U2 2+U1(0.4731-0.1635U2-0.4648)+U2(-0.1774-0.2765U3)-0.2957U3+0.3706U3 2
Pdcloss＝3.309+0.5808U1 2+0.4450U2 2+U1(0.4731-0.3635U2-0.7981)+U2(-0.1774-0.5265U3)-0.2957U3+0.6623U3 2
S02、选取11个典型工况(以0.1p.u.为步长，从0～1.0p.u.调制，共11种工况)，对于第s(1≤s≤11)个工况而言，换流站1的直流电压为500*(1+(s-1)*0.005)，换流站1的直流功率为0.1*(s-1)*1000。这11个典型工况下换流站1的直流电压和直流功率计算结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002733644340000081
对于某个确定的工况s，假设换流站1的直流电压和直流功率分别为为U1s和P1s，那么可以利用以下公式来计算换流站2和换流站3的直流电压U2和U3:
Figure BDA0002733644340000082
表2中11个典型工况下换流站2和换流站3的直流电压(U2和U3)和直流功率(P2和P3，以注入换流站为正)计算结果如表3所示。
表3
Figure BDA0002733644340000091
通常情况下，送端换流站一般不采用直流电压下垂控制，因此只有换流站2和换流站3采用直流电压下垂控制，在以直流电压为纵坐标且功率为横坐标的二维坐标系中，采用描点法把11个典型工况下的计算所得的换流站2和换流站2的直流电压和直流功率在坐标系中画出，其他工况下换流站的电压-功率采用相邻两个典型工况之间的线性拟合函数进行计算，这样就得到了换流站2和换流站3的电压-功率关系曲线如图3所示。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本专利所作的举例说明；而且，本专利各部分所取的名称也可以不同，凡依本专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本专利的保护范围内。

Claims (6)

1.一种确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法，适用于多端柔性直流系统，其特征在于：
S01、根据直流系统拓扑结构和直流线路参数，以换流站直流电压为变量，确定整个直流网络的节点电压方程；基于节点电压方程，确定任意一条直流线路的直流电流和换流站的直流电流，从而确定整个直流系统损耗的解析公式；
S02、选取多端柔性直流系统的各种典型运行工况，针对每个工况分别计算出直流系统损耗最小情况下各个换流站的电压和功率水平；
S03、基于各种典型运行工况下换流站的电压和功率水平，计算拟合出换流站的直流电压-功率特性曲线。
2.根据权利要求1所述的确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法，其特征在于，步骤S01，包括：
假定所述的多端柔性直流系统包含M个换流站，其中包含N个送端换流站，按照先送端换流站后受端换流站的顺序对每个换流站分别编号，换流站编号为1～M；
换流站之间通过导线相互连接，假定连接换流站j和换流站k之间导线的直流电阻为Rjk；
假定换流站k的直流电压和直流电流分别为Uk和为Ik，则整个直流网络的节点导纳方程可以写为：
Figure FDA0002733644330000011
基于节点电压方程，计算直流系统中的换流站损耗公式PConv和线路损耗公式PLine如下所示：
Figure FDA0002733644330000021
Figure FDA0002733644330000022
其中，ai，bi和ci(i＝1,2,…,M)分别表示换流站i损耗拟合公式的常数项、一次项系数和二次项系数，abs()表示取绝对值；
整个直流系统损耗的表达式为Pdcloss＝PConv+PLine。
3.根据权利要求2所述的确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法，其特征在于，步骤S03包括：
在第s个典型工况，假定1号换流站的直流电压为UdcN*(1+(s-1)*0.005)，其中UdcN为额定直流电压；
送端换流站k的直流功率为为0.1*(s-1)*PdcN_i，其中PdcN_i表示第i号换流站的额定直流功率；
利用以下方程组计算各个换流站的直流电压：
Figure FDA0002733644330000031
4.根据权利要求3所述的确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法，其特征在于：以0.1p.u.为步长，从0～1.0p.u.调制，共11种工况；1≤s≤11。
5.根据权利要求1所述的确定电压下垂控制换流站电压-功率关系的方法，其特征在于，步骤S04包括：
在以直流电压为纵坐标、功率为横坐标的二维坐标系中，采用描点法各个典型工况下的计算所得的换流站电压和功率画在坐标系中，其他工况下换流站的电压-功率采用相邻两个典型工况之间的线性拟合函数进行计算。
6.一种多端柔性直流系统，其特征在于：该系统采用权利要求1～5任意一项所述的方法确定换流站电压-功率关系。
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