CN112531715B - 基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算方法，包括如下步骤：获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；得到直流微电网潮流计算的雅可比矩阵；采用牛顿‑拉夫逊迭代法计算节点电压，当前后两次迭代计算的节点电压差满足收敛条件时，计算完成，输出潮流计算结果。本发明通过在直流潮流模型中引入虚拟电阻，将下垂控制模型转化为精确的潮流模型，避免了直流潮流计算中松弛母线电压的更新，提高了计算速度。

Description

基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算方法

技术领域

本发明属于微电网计算技术领域，尤其涉及基于虚拟电阻的下垂控 制多端直流微电网潮流计算方法。

背景技术

随着直流型分布式电源的大规模接入和电动汽车、数据中心等直流 负荷的不断增加，配电系统的直流特征日益突出。发展直流微电网能有 效提高对光伏等直流型分布式电源的接纳能力，减少换流环节，降低线 路损耗，提高能源利用效率。

目前，潮流计算是电力系统的基本工具，前推回代法和牛顿迭代法 是配电网最常用的潮流算法：前推回代法计算速度快，适用于辐射状配 电网，虽然牛顿迭代法比前推回代法需要更多的执行时间来收敛，但是 牛顿迭代法的有效性不受网络拓扑结构的影响。因此，基于牛顿迭代法 的潮流算法更适合于直流配电网的潮流计算。

在直流微电网中，主从控制和下垂控制是两种常见的控制方式。在 下垂控制的直流微电网中，交/直流变换器的输出电压与交/直流变换器 的输出功率有关。因此，在直流微电网中没有松弛节点维持母线节点电 压恒定。

在已有的基于下垂控制的直流微电网潮流计算方法中，通常首先假 设一个最大容量的交/直流变换器的输出电压是恒定的。然后，根据每次 迭代的结果，得到该交/直流变换器的输出功率，并更新相应的输出电压。 经过多次迭代，满足了交/直流变换器输出电压的收敛条件，完成潮流计 算。在上述算法中，潮流计算多次迭代增加了计算负担，因此，基于这 些问题，提供一种更为快速准确的直流微电网潮流计算方法，具有重要 的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，引入虚拟电阻模型来表示 直流微电网下垂控制对潮流的影响，通过向下垂节点加入注入功率来补 偿虚拟电阻的功率损耗，保证了虚拟电阻模型的精度，在此模型基础上 提出了基于牛顿-拉夫逊迭代法的潮流计算方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算方法，包括如下 步骤：

获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数 及分布式电源参数；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

得到直流微电网潮流计算的雅可比矩阵；

采用牛顿-拉夫逊迭代法计算节点电压，当前后两次迭代计算的节点 电压差满足收敛条件时，计算完成，输出潮流计算结果。

进一步的，根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型的具体方法 为：

在下垂控制的直流微电网中，第n个换流阀的直流侧电压U_VSC,n和输出 功率P_VSC,n满足：

式中，U_VSC,n,ref和P_VSC,n,ref分别是第n个换流阀的运行参考电压和运行参考 功率；k_VSC,n是第n个换流阀的下垂系数；

在所构造的虚拟电阻模型中，换流阀下垂控制模型相当于一个理想 的电压源和一条线路，下垂节点相当于负荷节点；其中，理想电压源的 输出电压即为换流阀的运行参考电压，同时，通过向下垂节点增加负的 负载来补偿虚拟电阻的功率损耗，从而保证下垂节点电压和虚拟线路的 传输功率满足下垂控制方程；

对于第n个换流阀，抵消等效线路损耗的等效荷载P_loss,n可表示为：

式中，R_VSC,n为第n个换流阀的等效线路电阻；U_VSC,n,sou为第n个换流阀 的理想电压源的电压；

第n个换流阀下垂节点视为负荷节点，负荷大小为：

P_load,n＝-P_loss,n-P_VSC,n,ref (3)

第n个换流阀的虚拟电阻的潮流模型为：

其中，P_n是第n个换流阀的虚拟线路的传输功率。

根据(1)，当换流阀的输出功率变化ΔP时，换流阀的输出电压变 化量ΔU_VSC,n可以表示为：

ΔU_VSC,n＝k_VSC,nΔP (5)

由(4)可知，第n个换流阀由于换流阀输出功率的变化而产生的输 出电压变化可以表示为：

因此，第n个换流阀下垂控制对应的虚拟电阻大小为：

R_VSC,n＝-k_VSC,nU_VSC,n,sou (7) 。

进一步的，令负荷节点序号为1，2，…，h，下垂节点的序号为h+1， h+2，…，h+m，通过虚拟电阻的应用，在直流配电网中引入了m个理 想电压源，分布式电源输出功率假定为负的负载，第i条负载母线的节 点功率P_i可表示为：

P_i＝P_DG,i-P_L,i i＝1,2,L,h (8)

其中，P_DG,i和P_L,i是位于节点i的分布式电源输出功率和负载功率；

设第n个换流阀的下垂节点和理想电压源节点分别为节点i和节点 k，下垂节点的节点功率可以表示为：

P_i＝P_VSC,n,ref+g_VSC,n(U_VSC,n,ref-U_n)² i＝h+1,h+2,L,h+m (9)

式中，g_VSC,n是第n个换流阀的虚拟线路的导纳；

直流微电网模型为：

在每次迭代中，负荷节点和下垂节点的节点功率变化可以表示为：

牛顿-拉夫逊迭代方法的迭代形式为：

其中，ΔF＝[ΔP₁,ΔP₂,L,ΔP_i],x＝[U₁,U₂,L,U_i]，k是迭代次数，J是雅可比矩阵；

根据(11)，雅可比矩阵中的元素可以表示为：

进一步的，采用牛顿-拉夫逊迭代法计算节点电压，当前后两次迭 代计算的节点电压差小于10^-8p.u.时，计算完成，输出潮流计算结果。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过在直流潮流模型中引入虚拟电阻，将下垂控制模型转化 为精确的潮流模型，避免了直流潮流计算中松弛母线电压的更新，提高 了计算速度。

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体 结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将 其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以 描述或隐含的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物) 之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本 发明的更多其他实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中 的特征可以相互组合。

本实施例提供的基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算 方法，包括如下步骤：

获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数 及分布式电源参数；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

得到直流微电网潮流计算的雅可比矩阵；

采用牛顿-拉夫逊迭代法计算节点电压，当前后两次迭代计算的节点 电压差满足收敛条件时，计算完成，输出潮流计算结果。

具体的，在本实施例中，根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模 型的具体方法为：

在下垂控制的直流微电网中，第n个换流阀的直流侧电压U_VSC,n和输出 功率P_VSC,n满足：

式中，U_VSC,n,ref和P_VSC,n,ref分别是第n个换流阀的运行参考电压和运行参考 功率；k_VSC,n是第n个换流阀的下垂系数；

在虚拟电阻模型中，换流阀下垂控制模型相当于一个理想的电压源 和一条线路。其中，理想电压源的输出电压即为换流阀的运行参考电压。

通过向下垂节点增加负的负载来补偿虚拟电阻的功率损耗，从而保 证下垂节点电压和虚拟线路的传输功率满足下垂控制方程。对于第n个 换流阀，抵消等效线路损耗的等效荷载P_loss,n可表示为：

式中，R_VSC,n为第n个换流阀的等效线路电阻；U_VSC,n,sou为第n个换流阀 的理想电压源的电压。

第n个换流阀下垂节点视为负荷节点，负荷大小为：

P_load,n＝-P_loss,n-P_VSC,n,ref (3)

第n个换流阀的虚拟电阻的潮流模型为：

其中，P_n是第n个换流阀的虚拟线路的传输功率。

根据(1)，当换流阀的输出功率变化ΔP时，换流阀的输出电压变 化量ΔU_VSC,n可以表示为：

ΔU_VSC,n＝k_VSC,nΔP (5)

由(4)可知，第n个换流阀由于换流阀输出功率的变化而产生的输 出电压变化可以表示为：

因此，第n个换流阀下垂控制对应的虚拟电阻大小为：

R_VSC,n＝-k_VSC,nU_VSC,n,sou (7)

令负荷节点序号为1，2，…，h，下垂节点的序号为h+1，h+2，…， h+m，通过虚拟电阻的应用，在直流配电网中引入了m个理想电压源， 分布式电源输出功率假定为负的负载，第i条负载母线的节点功率P_i可 表示为：

P_i＝P_DG,i-P_L,i i＝1,2,L,h (8)

其中，P_DG,i和P_L,i是位于节点i的分布式电源输出功率和负载功率；

设第n个换流阀的下垂节点和理想电压源节点分别为节点i和节点 k，下垂节点的节点功率可以表示为：

P_i＝P_VSC,n,ref+g_VSC,n(U_VSC,n,ref-U_n)² i＝h+1,h+2,L,h+m (9)

式中，gVSC,n是第n个换流阀的虚拟线路的导纳；

直流微电网模型为：

在每次迭代中，负荷节点和下垂节点的节点功率变化可以表示为：

牛顿-拉夫逊迭代方法的迭代形式为：

其中，ΔF＝[ΔP₁,ΔP₂,L,ΔP_i],x＝[U₁,U₂,L,U_i]，k是迭代次数，J是雅可比矩阵；

根据(11)，雅可比矩阵中的元素可以表示为：

采用牛顿-拉夫逊迭代法计算节点电压：当前后两次迭代计算的节点 电压差小于10^-8p.u.时，计算完成，输出潮流计算结果。

相比于传统的针对下垂控制直流配电网的潮流计算，所提出的潮流 计算方法不需要多次潮流迭代修正下垂节点的节点电压，针对多个直流 微电网的仿真对比表明，本发明所提的针对下垂控制的直流微电网的潮 流计算方法的计算速度是已有的潮流计算方法的3倍。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较 佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范 围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之 内。

Claims (2)

1.基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

得到直流微电网潮流计算的雅可比矩阵；

采用牛顿-拉夫逊迭代法计算节点电压，当前后两次迭代计算的节点电压差满足收敛条件时，计算完成，输出潮流计算结果；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型的具体方法为：

在下垂控制的直流微电网中，第n个换流阀的直流侧电压U_VSC,n和输出功率P_VSC,n满足：

式中，U_VSC,n,ref和P_VSC,n,ref分别是第n个换流阀的运行参考电压和运行参考功率；k_VSC,n是第n个换流阀的下垂系数；

在所构造的虚拟电阻模型中，换流阀下垂控制模型相当于一个理想的电压源和一条线路，下垂节点相当于负荷节点；其中，理想电压源的输出电压即为换流阀的运行参考电压，同时，通过向下垂节点增加负的负载来补偿虚拟电阻的功率损耗，从而保证下垂节点电压和虚拟线路的传输功率满足下垂控制方程；

对于第n个换流阀，抵消等效线路损耗的等效荷载P_loss,n可表示为：

式中，R_VSC,n为第n个换流阀的等效线路电阻；U_VSC,n,sou为第n个换流阀的理想电压源的电压；

第n个换流阀下垂节点视为负荷节点，负荷大小为：

P_load,n＝-P_loss,n-P_VSC,n,ref (3)

第n个换流阀的虚拟电阻的潮流模型为：

其中，P_n是第n个换流阀的虚拟线路的传输功率；

根据(1)，当换流阀的输出功率变化ΔP时，换流阀的输出电压变化量ΔU_VSC,n可以表示为：

ΔU_VSC,n＝k_VSC,nΔP (5)

由(4)可知，第n个换流阀由于换流阀输出功率的变化而产生的输出电压变化可以表示为：

因此，第n个换流阀下垂控制对应的虚拟电阻大小为：

R_VSC,n＝-k_VSC,nU_VSC,n,sou (7)；

令负荷节点序号为1，2，…，h，下垂节点的序号为h+1，h+2，…，h+m，通过虚拟电阻的应用，在直流配电网中引入了m个理想电压源，分布式电源输出功率假定为负的负载，第i条负载母线的节点功率P_i可表示为：

P_i＝P_DG,i-P_L,ii＝1,2,…,h (8)

其中，P_DG,i和P_L,i是位于节点i的分布式电源输出功率和负载功率；

设第n个换流阀的下垂节点和理想电压源节点分别为节点i和节点k，下垂节点的节点功率可以表示为：

P_i＝P_VSC,n,ref+g_VSC,n(U_VSC,n,ref-U_n)² i＝h+1,h+2,…,h+m (9)

式中，g_VSC,n是第n个换流阀的虚拟线路的导纳；

直流微电网模型为：

在每次迭代中，负荷节点和下垂节点的节点功率变化可以表示为：

牛顿-拉夫逊迭代方法的迭代形式为：

其中，ΔF＝[ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_i],x＝[U₁,U₂,…,U_i]，k是迭代次数，J是雅可比矩阵；

根据(11)，雅可比矩阵中的元素可以表示为：

2.根据权利要求1所述的基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算方法，其特征在于：采用牛顿-拉夫逊迭代法计算节点电压，当前后两次迭代计算的节点电压差小于10^-8p.u.时，计算完成，输出潮流计算结果。