基于連續(xù)潮流的含vsc系統(tǒng)最大輸電能力計算方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)調(diào)度自動化領(lǐng)域，具體涉及一種基于連續(xù)潮流的含VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，包括首先建立含VSC?HVDC交直流系統(tǒng)的多目標最大輸電能力計算模型；基于上述計算模型進入預(yù)測環(huán)節(jié)求解預(yù)測方程，然后進入校正環(huán)節(jié)求解修正方程，進入方向校正及參數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)，最后進入安全校驗環(huán)節(jié)進行靜態(tài)安全分析，檢驗電壓水平和線路熱穩(wěn)定性；同時校驗是否到達電壓崩潰點。本發(fā)明能綜合考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定性、靜態(tài)安全性以及系統(tǒng)經(jīng)濟性對輸電能力的影響，能夠有效解決含VSC?HVDC交直流系統(tǒng)最大輸電能力計算問題，計算最大輸電能力的同時給出發(fā)電機經(jīng)濟出力以及VSC最優(yōu)控制參數(shù)，具有很好的工程應(yīng)用前景。
【專利說明】
基于連續(xù)潮流的含vsc系統(tǒng)最大輸電能力計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)調(diào)度自動化領(lǐng)域，具體涉及一種基于連續(xù)潮流的含電壓源換 流器(VSC)系統(tǒng)最大輸電能力計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代電力電子器件的逐漸普及與應(yīng)用增加了電力系統(tǒng)運行的復(fù)雜性，如何在保證 電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、可靠運行的基礎(chǔ)上，提高電網(wǎng)的輸送能力，從而盡可能滿足各區(qū)域用電負 荷需求，成為重要且具有挑戰(zhàn)性的研究課題。在電力市場環(huán)境下，最大輸電能力(TTC)是一 個兼顧系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟性的重要指標，對確定區(qū)域間的輸電潛力具有指導(dǎo)作用。
[0003] 電網(wǎng)區(qū)域間輸電能力的計算方法分為確定型方法和概率型方法，其中確定型方法 包括直流線性分布因子法、交流靈敏度分析法、連續(xù)潮流法(CPF)、最優(yōu)潮流法(0PF)、遺傳 算法(GA)等。直流線性分布因子法采用直流潮流模型，計算簡單但不夠準確。交流靈敏度分 析法無法計及無功潮流和電壓的非線性影響，不適用于缺乏無功支持和電壓控制的重負荷 系統(tǒng)。0PF獲得的最優(yōu)運行點是一個理想的結(jié)果，但實際運行中難以達到。傳統(tǒng)CPF通過追蹤 P-V曲線，每次迭代得到的潮流解可反映系統(tǒng)運行狀況，并被廣泛應(yīng)用于考慮各種約束的輸 電能力計算中，但已有CPF對發(fā)電量采用公共負荷因子增長模式，忽略了發(fā)電機經(jīng)濟調(diào)度， 使得計算的結(jié)果偏于保守。GA雖具全局尋優(yōu)能力，但對大規(guī)模系統(tǒng)計算效率太低。在研究對 象上，已有的輸電能力計算模型中雖然考慮了傳統(tǒng)直流系統(tǒng)，但是對于含VSC-HVDC的研究 十分缺乏;且已有的輸電能力計算模型多為單目標優(yōu)化模型，未能綜合考慮系統(tǒng)的安全性 與經(jīng)濟性對輸電能力的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為如下：
[0005] -種基于連續(xù)潮流的含電壓源換流器VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，其特征在 于，所述方法包括
[0006] 首先建立含基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)即VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)的 多目標最大輸電能力計算模型;基于上述計算模型進入預(yù)測環(huán)節(jié)求解預(yù)測方程，然后進入 校正環(huán)節(jié)求解修正方程，進入方向校正及參數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)，最后進入安全校驗環(huán)節(jié)進行靜態(tài) 安全分析，檢驗電壓水平和線路熱穩(wěn)定性;同時校驗是否到達電壓崩潰點。
[0007] 所述含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)多目標最大輸電能力模型為： 尸=卜尬;s.t.h(x，u)=0，|^咖，《)<'?，式中:F表示系統(tǒng)目標函 數(shù)，內(nèi)為最大輸電能力目標函數(shù)，內(nèi)為發(fā)電機經(jīng)濟調(diào)度目標函數(shù);x表示狀態(tài)變量;u表示控制 變量;h(x，u)=0和分別為等式約束和不等式約束，g和^分別表示不等式約束 的下限和上限，A為區(qū)域電網(wǎng)的負荷節(jié)點集合，P Ll為節(jié)點i的有功負荷，PGl為節(jié)點i的發(fā)電機 有功出力。
[0008] 所述預(yù)測環(huán)節(jié)包括 jpg Jptl + JpdU ^dP- ^ Q
[0009] 求解預(yù)測方程心得到預(yù)估的U、0、A; e：p dX ±1
[0010]式中：^、^、^、加為常規(guī)交流雅克比矩陣子陣^剛為直流有功對交流節(jié)點電壓 的偏導(dǎo)，Jwu為直流無功功率對交流節(jié)點電壓的偏導(dǎo)，
；U表示 交直流系統(tǒng)中節(jié)點電壓，9表示交直流系統(tǒng)中除平衡節(jié)點外的電壓相角，A表示負荷增長因 子，Ud表示直流電壓，Ps表示換流站注入的有功功率，Qs表示換流站注入的無功功率;S dP、Sdu 為功率注入變化方向；ep是m維行向量，其中只有第k個元素為l，m為負荷節(jié)點個數(shù)。
[0011] 校正環(huán)節(jié)包括 " &p l [" ： _
[0012] 求解修正方程竣=: 0 ?從得到實際的U、0、入； X' - ^ia. ： -?<iV _
[0013] 式中：Jaa表示常規(guī)交流雅可比矩陣;Jda表示直流量對交流量求導(dǎo)所得的雅可比矩 陣;Ddx表示直流雅可比矩陣;X表示交直流系統(tǒng)變量；A P為交流系統(tǒng)有功功率偏差量，A Q分 別為交流系統(tǒng)無功功率偏差量；A d為直流系統(tǒng)中Ud，知，Md，Ps，Qs各參數(shù)偏差量。
[0014] 所述方向校正及參數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)包括通過GA算法計算得出AC/DC系統(tǒng)負荷節(jié)點的 Pl、Ql、Pg、QG以及含VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù);其中，Pl為節(jié)點有功出力，Ql為節(jié)點 無功出力，Pc為發(fā)電機有功出力，Qc為發(fā)電機無功出力;含VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)狀態(tài)參 數(shù)包括直流電壓幅值Ud;為直流電壓相角Sd;為調(diào)制度Md、交流系統(tǒng)流入換流變壓器的有功 功率P s和交流系統(tǒng)流入換流變壓器的無功功率Qs。
[0015] 有益效果
[0016]本發(fā)明提出的基于連續(xù)潮流的含VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)最大輸電能力計算方 法，綜合考慮了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性、靜態(tài)安全性以及系統(tǒng)經(jīng)濟性對輸電能力的影響，能夠有效 解決含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)最大輸電能力計算問題，同時通過合理分配發(fā)電機出力以及合 理設(shè)定VSC參數(shù)，可有效指導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)電設(shè)置以及VSC的控制參數(shù)調(diào)整，非常適宜于實際工程 應(yīng)用。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0018] 圖2為在原IEEE30節(jié)點標準系統(tǒng)的基礎(chǔ)上修改后的IEEE30節(jié)點系統(tǒng)；
[0019]圖3為優(yōu)化前后的P-V曲線，其中3a為P-V曲線極限點處局部放大圖，3b為完整的P-V曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明提出了一種基于連續(xù)潮 流的含VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，包括下列步驟：
[0021 ]步驟A:提供含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)的多目標最大輸電能力計算模型。
[0022]具體地，提出的含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)TTC計算的基本模型如下：
[0023] 1目標函數(shù)
[0024] 1.1最大輸電能力
[0025] 施* IX ⑴ igA
[0026] 式中A:區(qū)域電網(wǎng)的負荷節(jié)點集合;PLi:節(jié)點i的有功負荷。
[0027] 1.2發(fā)電機經(jīng)濟調(diào)度
[0028] MinEFi(Pci) (2)
[0029]其中，F(xiàn)KPh)為發(fā)電機i的發(fā)電成本函數(shù)。
[0030] 2約束條件
[0031] 2.1等式約束
[0032] 純交流節(jié)點： PG, _PL, -u奴(Gv cos0V + Bti Shy 0V) = 0
[0033] p (3) ft,. - Q" - I f- /i,. cos 0") = 0 , J
[0034] 式中，Ui為節(jié)點i的電壓幅值;0ij為節(jié)點i與節(jié)點j的相角差;Gij和Bij為節(jié)點導(dǎo)納矩 陣中的元素;PGi和QGi分別為節(jié)點i的發(fā)電機有功與無功出力;PLi和QLi分別為節(jié)點i的有功與 無功負荷。
[0035] 含VSC-HVDC的交流節(jié)點： Pu -P,.- /；' YU. ((/. cos ~B,s\nO )~P. = ?
[0036] 二 、 ⑷ & -a Z% K sin& -鳥熱叫)-a, = 〇
[0037] 含VSC-HVDC的直流節(jié)點： p, = -UaUJ, cos {5, +a,)- U：X cos a, Qu =-f-/^c,Y, sin(<5； +a,)-U；lYI siua,
[0038] n rr r TT jr.v. w p6, = UJlb = US,U,J, C0S(A-a,)-U；Y cos?, ：!di=
[0039] 負荷增長方式： = Pirn , r\
[0040] i , -、 (6) Qu={pLa, +Apl,)tan^
[0041] 式中，A；C的大小代表負荷增長步長，方向代表負荷增長的方向，無功增量按恒定 功率因數(shù)隨著有功負荷變化。
[0042] 2.2.2不等式約束
[0043] 發(fā)電出力約束：
[0044] \P〇imB ^P〇i {7) ~ QiJi - -Qs/max
[0045] 式中，下標min和max分別代表變量的下限和上限。
[0046] 主變?nèi)萘考s束：
[0047] ^<1, (8)
[0048]式中to 1:主變出線數(shù);Lai:主變a第i條出線的潮流;Ta :主變a的額定容量。
[0049] 節(jié)點電壓上下限約束：
[0050] Uimin^Ui^Uimax (9)
[0051] 式中，Ui為節(jié)點i的電壓幅值。
[0052] 變壓器變比范圍約束：
[0053] K?in^Kv^K?ax (10)
[0054] 式中，Kv為變壓器v的變比。
[0055]無功補償出力約束：
[0056] Qcmin^Qc^Qcmax (11)
[0057]式中，Qc為無功補償?shù)娜萘俊?br>[0058]線路熱穩(wěn)定約束：
[0059] i jmax (12)
[0060] 式中Iij:輸電線路的電流值;Iijmax:電流限值。
[0061 ] VSC-HVDC 容量約束：
[0062] (13)
[0063]式中，Psi和Qsi分別為注入換流站的有功功率與無功功率。
[0064] N-1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化：
[0065] gGG (14)
[0066] 式中g(shù): N-1校驗時電網(wǎng)結(jié)構(gòu);G:所有可能的輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0067] 步驟B:提供一種連續(xù)潮流與遺傳算法相結(jié)合的多目標優(yōu)化計算方法
[0068] 本專利提出的連續(xù)潮流與遺傳算法相結(jié)合的多目標優(yōu)化計算方法包括以下四個 階段，具體說明如下。
[0069] (1)第一階段:預(yù)測環(huán)節(jié)
[0070] 預(yù)測環(huán)節(jié)的核心是求解如下預(yù)測方程： ~jpe JPl,+Jmr s^Jdal \〇~
[0071] JQ0 SdQ dV = 0 (15) eP dA 土 i
[0072]式中：加、>11、加、]^為常規(guī)交流雅克比矩陣子陣;>〇111、]^11分別為直流有功及無功 功率對交流節(jié)點電壓的偏導(dǎo)，/_:=。
[0073]剛開始或者遇到發(fā)電機無功極限點后，采用切線預(yù)測，其他情況下采用割線預(yù)測。 [0074] (2)第二階段:校正環(huán)節(jié)
[0075]校正環(huán)節(jié)的核心是求解修正潮流方程。將式(5)加入傳統(tǒng)擴展潮流方程中，求出含 VSC-HVDC的修正方程。
[0076]修正方程中，與傳統(tǒng)潮流求解相比，擴展變量為。
[0077] 相應(yīng)的混聯(lián)系統(tǒng)的潮流計算修正方程式為：
[― ~I r~ ? -I AF. ;
[0078] = Ja° 6 ?dX (16) ，」L Ja.
[0079] 式中：Jaa為常規(guī)交流雅可比矩陣;Jda*直流量對交流量求導(dǎo)所得的雅可比矩陣； Ddx為直流雅可比矩陣。
[0080] 純交流部分的功率偏差量為：APi = PGi-PLi，AQi = QGi-QLi。
[0081 ]含VSC-HVDC的節(jié)點功率偏差量為：A Pi = PGi-PLi-Psi，A Qi = QGi-QLi-Qsi。
[0082]對應(yīng)的直流部分為：
[A^/, Adj Ad3 Ad4 = /n、
[0083] - T U/J ASd .AM, AP AO]
[0084] 其中，A di= [ A Psi A PS2 ??? A Psnc]T，A d2= [ A Qsi A QS2 ??? A Qsnc]T，A d3 =
[APdi APd2 ??? APdnc]T，Ad4=[Aidi Aid2 ??? Aidnc]T〇
[0085] 同時，要滿足控制約束d5=[Us Ud Ps Qs]=0。
[0086] (3)第三階段:方向校正及參數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)
[0087]轉(zhuǎn)入GA算法，以發(fā)電費用最小為目標，對發(fā)電機出力進行優(yōu)化分配，計算得出AC/ DC系統(tǒng)負荷節(jié)點的Pl、Ql、Pg、Qg以及含VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)。選擇目標函數(shù)為 適應(yīng)度函數(shù)，優(yōu)化發(fā)電機的發(fā)電量Pc以及VSC的控制參數(shù)Xd。
[0088] 優(yōu)化得到新的發(fā)電機出力以及VSC參數(shù)，返回修改Pg、Qg以及VSC參數(shù)，從而調(diào)整P-V 曲線的發(fā)電增長方向。
[0089] (4)第四階段:安全校驗環(huán)節(jié)
[0090]在校正環(huán)節(jié)后進行N-1校驗，檢驗電壓水平和線路熱穩(wěn)定性。此處采用補償法，在 原有基本運行方式的因子表基礎(chǔ)上，進行開斷運行方式的計算。
[0091 ]下一步校驗是否到達電壓崩潰點。
[0092] 以識別鞍結(jié)型分岔為依據(jù)，即基于式（18)尋找臨界運行點。 f(x)+M = 0
[0093] f,w = 〇 (IB) w -1
[0094] 式中，f (x )= 0為交直流潮流方程式;b為系統(tǒng)中各節(jié)點的負荷增長方式;A為負荷 增長參數(shù)，w為對應(yīng)于fx的零特征根的右特征向量。
[0095] 若檢驗不滿足靜態(tài)穩(wěn)定指標或者已經(jīng)達到P-V曲線的鞍點則計算結(jié)束;若校驗滿 足，則調(diào)整控制變量，重新進行預(yù)測和校正等環(huán)節(jié)。
[0096]設(shè)定利用修改的IEEE-30節(jié)點標準系統(tǒng)驗證含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)最大輸電能力 計算方法的有效性和實用性。如圖2所示，試驗在原IEEE30節(jié)點標準系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將支路 2-4、16-17、23-24修改為VSC-HVDC線路，系統(tǒng)單線圖如圖2所示，3組VSC-HVDC分別采用（2) (1)、（2)(3)、（4)(1)的控制方式。換流站等效1? = 0.006，父=0.10，直流網(wǎng)絡(luò)電阻1?(1 = 0.03， 基準容量為100MW。
[0097]表1給出了 VSC參數(shù)初始設(shè)定，其中初始值設(shè)定參照IEEE30的初始潮流。
[0098]表 1
[0100] 表2列出了優(yōu)化計算前后的發(fā)電機出力比較。
[0101] 表2
[0103]圖3給出了優(yōu)化前后的P-V曲線，其中（a)為P-V曲線極限點處局部放大圖，（b)為完 整的P-V曲線圖，藍色為基于CPF的多目標TTC計算得到的P-V曲線，紅色為傳統(tǒng)CPF得到的P-V曲線，且在圖3中標示出優(yōu)化前后首先達到無功極限的發(fā)電機，即均為節(jié)點8上的發(fā)電機 組。同時得到如表2所示的VSC最優(yōu)控制參數(shù)。
[0104]表3
[0106]綜上所述，本發(fā)明提出的基于連續(xù)潮流的含VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)最大輸電能 力計算方法能夠有效解決含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)最大輸電能力計算問題，綜合考慮了靜態(tài) 電壓穩(wěn)定性、靜態(tài)安全性以及系統(tǒng)經(jīng)濟性對輸電能力的影響，能夠有效解決含VSC-HVDC交 直流系統(tǒng)最大輸電能力計算問題，計算最大輸電能力的同時給出發(fā)電機經(jīng)濟出力以及VSC 最優(yōu)控制參數(shù)，具有很好的工程應(yīng)用前景。
【主權(quán)項】
1. 一種基于連續(xù)潮流的含VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，其特征在于，所述方法包括 首先建立含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)的多目標最大輸電能力計算模型;基于上述計算模型 進入預(yù)測環(huán)節(jié)求解預(yù)測方程，然后進入校正環(huán)節(jié)求解修正方程，進入方向校正及參數(shù)優(yōu)化 環(huán)節(jié)，最后進入安全校驗環(huán)節(jié)進行靜態(tài)安全分析，檢驗電壓水平和線路熱穩(wěn)定性；同時校驗 是否到達電壓崩潰點。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)潮流的含VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，其特征在于， 所述含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)多目標最大輸電能力模型為：s. t. h (X，u) = 0，ρ #(.v.?) 4，式中:F表示系統(tǒng)目標函數(shù)，F(xiàn)1為最大輸電能力目標函數(shù)，F(xiàn)2為 發(fā)電機經(jīng)濟調(diào)度目標函數(shù);X表示狀態(tài)變量;u表示控制變量;h(x，u)=0和f §分別 為等式約束和不等式約束，g和?分別表示不等式約束的下限和上限，A為區(qū)域電網(wǎng)的負荷節(jié) 點集合，PLi為節(jié)點i的有功負荷，Pci為節(jié)點i的發(fā)電機有功出力。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)潮流的含VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，其特征在 于，所述預(yù)測環(huán)節(jié)包括 求解預(yù)測方?I到預(yù)估的υ、θ、λ; 式中：>0、>11、心0、心11為常規(guī)交流雅克比矩陣子陣;><111為直流有功對交流節(jié)點電壓的偏 導(dǎo)，Jwu為直流無功功率對交流節(jié)點電壓的偏導(dǎo)，;1]表示交直 流系統(tǒng)中節(jié)點電壓，Θ表示交直流系統(tǒng)中除平衡節(jié)點外的電壓相角，λ表示負荷增長因子，Ud 表示直流電壓，Ps表示換流站注入的有功功率，Qs表示換流站注入的無功功率;SdP、SdQ為功 率注入變化方向；ep是m維行向量，其中只有第k個元素為1，m為負荷節(jié)點個數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于連續(xù)潮流的含VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，其特征在 于，校正環(huán)節(jié)包括 求解修正方茜*視得到實際的υ、θ、λ; 式中：Jaa表示常規(guī)交流雅可比矩陣;Jda表示直流量對交流量求導(dǎo)所得的雅可比矩陣； DdX表示直流雅可比矩陣;X表示交直流系統(tǒng)變量；ΛΡ為交流系統(tǒng)有功功率偏差量，AQ分別 為交流系統(tǒng)無功功率偏差量；Δ d為直流系統(tǒng)中Ud，，Md，Ps，Qs各參數(shù)偏差量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)潮流的含VSC系統(tǒng)最大輸電能力計算方法，其特征在 于，所述方向校正及參數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)包括通過GA算法計算得出AC/DC系統(tǒng)負荷節(jié)點的Pl、Ql、 Pg、Qg以及含VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù);其中，Pl為節(jié)點有功出力，Ql為節(jié)點無功出 力，Pg為發(fā)電機有功出力，Qg為發(fā)電機無功出力;含VSC-HVDC交直流混合系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)包括 直流電壓幅值Ud;為直流電壓相角S d;為調(diào)制度Md、交流系統(tǒng)流入換流變壓器的有功功率Ps 和交流系統(tǒng)流入換流變壓器的無功功率Qs。
【文檔編號】H02J3/36GK105958496SQ201610515992
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】陳艷波, 顓孫旭, 朱岸明, 鄔捷龍, 于普瑤, 馬進
【申請人】華北電力大學(xué), 國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院