【精彩論文推薦】合肥工業大學 吳紅斌等:基於電壓源型換流器的多端直流配電網潮流計算

電力系統自動化2018-07-07 00:16:51

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原文發表在《電力系統自動化》2018年第42卷第11期,歡迎品讀。



本文引文信息

吳紅斌, 楊超, 陳煜, 等. 基於電壓源型換流器的多端直流配電網潮流計算 [J]. 電力系統自動化, 2018, 42(11): 79-85. DOI: 10.7500/ AEPS20170815011.

WU Hongbin, YANG Chao, CHEN Yu, et al. VSC Based Power Flow Calculation of Multi-terminal DC Distribution Network [J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(11): 79-85. DOI: 10.7500/ AEPS20170815011.



基於電壓源型換流器的多端直流配電網潮流計算

DOI: 10.7500/AEPS20170815011

吳紅斌,楊超,陳煜,王劉芳,徐斌



1

研究背景


隨著新能源的發展與應用,越來越多的分佈式電源(包括風機、光伏等直流形式的電源)接入配電網,以及電動汽車、信息設備、半導體照明系統、直流電機等直流負荷的日益增長,現有交流配電網將面臨電能接納與供應的穩定性、高效性、經濟性等方面的巨大挑戰;另一方面,隨著電力電子技術的發展以及全控器件的成熟應用,將基於電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的直流技術運用到配電網供電領域,將有效解決城市配電系統面臨的問題。因此,發展直流配網將是未來城市配電網建設的必然趨勢。由於VSC具有多種控制方式,使得直流配電網的整體運行和控制更加靈活,這對直流配電網的潮流計算提出了更高的要求。因此,有必要研究適用於直流配電網的潮流計算方法。


本文詳細分析了VSC穩態潮流模型及其直流側控制方式,針對直流電網的不同電壓控制策略,提出了一種適用於直流配電網潮流計算的改進前推回代算法:採用節點關聯矩陣對網絡結構進行自動搜索和自動開環處理;考慮了電壓下垂控制方式,提出了針對和下垂節點的統一功率修正方法;考慮了VSC的功率限制及其控制方式的轉換。


2

VSC數學模型與控制方式


忽略濾波器的損耗,VSC換流器數學模型如圖1所示。

圖1  VSC模型


VSC換流器可以通過DQ解耦的方法實現有功變量和無功變量的獨立控制,其中D軸控制有功變量,主要影響直流側潮流。換流器D軸的控制方式主要分3種:


1)定直流電壓控制,換流站直流側電壓Udc保持恆定。


2)定有功功率控制,換流器直流側注入有功Pdc保持恆定。


3)電壓下垂控制,換流器直流側電壓Udc與有功Pdc保持特定關係。


3

基於VSC的多端直流配電網控制策略


目前,尚沒有成熟的直流配電網控制策略,主要參考柔性直流輸電的電壓控制策略,其中適用於直流配電網的控制策略主要有3種:主從控制、電壓裕度控制、電壓斜率控制。


主從控制策略是指選取一端換流器作為,採用定直流電壓控制方式,其餘換流器作為從換流器,均採用定有功功率控制方式。


電壓裕度控制是指在主從控制的基礎上設定一個後備換流器,系統正常運行主換流器採用定直流電壓控制,後備換流器與各從換流器均採用定有功功率控制。當主換流器傳輸功率越限後,主換流器轉為定有功功率控制(控制值為有功功率上限或下限),後備換流器轉為定直流電壓控制。


電壓斜率控制是指選取多個換流器採用有功-電壓下垂控制方式,其餘多個換流器採用定有功功率控制。此控制策略下由採用有功-電壓下垂控制的換流器根據各自的下垂特性曲線共同平衡有功,維持直流電壓。


4

基於VSC的多端直流配電網潮流計算方法


4.1  網絡結構自動搜索和開環處理


確定系統網絡結構是配電網潮流計算的第一步。為了描述系統中節點與節點、節點與支路的連接關係,需要對系統的節點及支路進行編號,通常採用廣度優先搜索法、深度優先搜索法等節點編號方法。但這些特定的編號方法比較複雜且只適用於純輻射網,當存在環網時,需要先人為地進行開環處理。此外,直流配網中VSC換流器存在多種控制方式,潮流計算可能出現換流器由於功率越限而轉換控制方式,進而導致直流平衡節點轉移的情況。對於傳統的前推回代潮流算法而言,這將改變各節點的父子關係,使潮流計算無法繼續,需要根據新的平衡節點重新確定並輸入直流網絡的結構信息。


考慮到環網與平衡節點的轉移,為保證潮流程序的連續性,提高計算效率,本文提出了一種基於節點關聯矩陣的網絡結構自動搜索與開環方法,避免了特定的節點編號規則與網絡結構信息的重新輸入。


對節點和線路進行自然編號,根據線路的首末端節點信息生成節點關聯矩陣AA為一個n×n階矩陣,n為直流電網總節點數。當節點i與節點j之間有支路相連時,矩陣A中的元素aijaji為1,否則為0,對角線元素aii均為0。網絡結構搜索的流程圖如圖2所示,該方法需要採用遞歸函數,從根節點(平衡節點)開始層層搜索,直至所有節點都搜索完成。 

圖2  網絡結構搜索流程圖


在網絡結構搜索過程中,在各環網處增加了與開環點對應的虛擬節點,潮流計算中虛擬節點作為功率節點處理,其初始電壓為系統額定電壓,初始功率設為0。潮流迭代時對開環點以及虛擬節點的功率值進行修正,修正過程中兩節點的功率之和保持不變,為開環點的實際功率。


4.2  環網和下垂節點的功率修正


前推回代法適用於輻射狀網絡,對於環網需要進行開環處理,將環網變為輻射網進行計算。對於直流電網中的Pdc-Udc下垂節點,潮流計算時其穩定運行點未知,可先假設其節點注入功率為有功功率參考值,根據每次迭代後的節點電壓值修正節點注入功率。但是,當下垂節點到平衡節點的支路與環網支路存在重合時,下垂節點的修正功率會在重合的支路上產生額外的電壓降,對環網的修正功率值產生影響,如果分開計算環網和下垂節點的修正功率將導致潮流無法收斂。因此,必須對傳統的環網潮流計算方法進行改進。


本文算法在分析了下垂節點對環網修正功率影響的基礎上,建立了針對環網和下垂節點的統一功率修正矩陣。潮流計算時,每次迭代根據所建立的功率修正矩陣計算出環網和下垂節點的修正功率,分別疊加至開環點、虛擬節點和下垂節點,得到下次迭代開環點、虛擬節點和下垂節點的節點功率值。


4.3  直流電網中無定電壓控制節點的處理方法


當直流電網採用電壓斜率控制策略時,由多個VSC採用Pdc-Udc下垂控制共同調節直流電壓,直流電網中不存在嚴格的恆定電壓點作為潮流計算的平衡節點,選取容量大且下垂係數小的VSC節點作為代平衡節點,以下垂特性方程給定的直流電壓參考值為電壓初值進行潮流求解,再根據求解的有功功率更新平衡節點電壓,繼續進行潮流求解直至前後兩次迭代平衡節點電壓差值小於收斂精度。


4.4  VSC功率越限校驗


VSC傳輸的有功功率應滿足其有功出力上下限要求,潮流計算收斂後,需要校驗平衡節點和下垂節點VSC的有功功率是否越限。對於發生功率越限的VSC,其控制方式轉換為定有功功率控制,有功控制值取其上下限值。若平衡節點越限,則後備換流站轉換為定直流電壓控制,平衡節點轉移,重新確定網絡結構進行潮流計算;若下垂節點越限,則下垂節點數減少,需重新形成功率修正矩陣進行潮流計算。


5

算例分析


基於修改的IEEE14節點直流配電系統,根據直流配電網的控制策略分3個場景進行潮流測試。表1和表2給出了場景3的潮流計算結果。場景3採用電壓斜率控制,此控制策略下直流系統中無定電壓節點,分別以VSC1和VSC2所在節點作為平衡節點進行潮流計算,對結果進行比較分析。


表1  場景3各節點電壓


表2  場景3換流器傳輸有功

由表1和表2可知,兩次潮流計算的各節點電壓相對誤差均小於0.001%,並且VSC1和VSC2的有功和電壓均符合下垂特性方程,從而驗證了算法的正確性。



6

結論


1)利用節點關聯矩陣對網絡結構進行自動搜索和自動開環處理,平衡節點發生轉移時可在不改變節點和支路編號的情況下通過自動搜索重新確定各節點的父子關係,保證了程序的連續性,提高了效率。


2)建立了環網和下垂節點的統一功率修正矩陣,提出了針對環網和下垂節點的統一功率修正方法,實現了對VSC下垂控制的計算。


3)考慮了VSC的功率限制及其控制方式的轉換,對不同控制策略下的直流電網算例進行潮流計算,結果表明算法適用於直流配電網的典型控制策略,驗證了算法的靈活性。


4)本文對潮流算法的改進重點考慮了VSC的直流側控制方式,而簡化了對DC/DC變換器模型的處理,實際直流電網中DC/DC變換器也是重要的潮流控制設備,後續研究可進一步考慮DC/DC變換器的潮流控制方式,擴大算法的適用性。


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《電力系統自動化》2018年第11期目次


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主要作者介紹


吳紅斌,博士,合肥工業大學電氣與自動自動化工程學院教授,主要研究方向為分佈式發電微網技術、配電網的仿真分析。


楊超,合肥工業大學電氣與自動化工程學院碩士研究生,主要研究方向為分佈式發電技術。


陳煜,碩士,國網安徽省電力公司經濟技術研究院高級工程師,主要研究方向為電網規劃。


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