基于連續潮流的含vsc系統最大輸電能力計算方法
【專利摘要】本發明屬于電力系統調度自動化領域，具體涉及一種基于連續潮流的含VSC系統最大輸電能力計算方法，包括首先建立含VSC?HVDC交直流系統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測環節求解預測方程，然后進入校正環節求解修正方程，進入方向校正及參數優化環節，最后進入安全校驗環節進行靜態安全分析，檢驗電壓水平和線路熱穩定性；同時校驗是否到達電壓崩潰點。本發明能綜合考慮靜態電壓穩定性、靜態安全性以及系統經濟性對輸電能力的影響，能夠有效解決含VSC?HVDC交直流系統最大輸電能力計算問題，計算最大輸電能力的同時給出發電機經濟出力以及VSC最優控制參數，具有很好的工程應用前景。
【專利說明】
基于連續潮流的含vsc系統最大輸電能力計算方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統調度自動化領域，具體涉及一種基于連續潮流的含電壓源換 流器(VSC)系統最大輸電能力計算方法。
【背景技術】
[0002] 現代電力電子器件的逐漸普及與應用增加了電力系統運行的復雜性，如何在保證 電網安全、經濟、可靠運行的基礎上，提高電網的輸送能力，從而盡可能滿足各區域用電負 荷需求，成為重要且具有挑戰性的研究課題。在電力市場環境下，最大輸電能力(TTC)是一 個兼顧系統安全性與經濟性的重要指標，對確定區域間的輸電潛力具有指導作用。
[0003] 電網區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、連續潮流法(CPF)、最優潮流法(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。0PF獲得的最優運行點是一個理想的結果，但實際運行中難以達到。傳統CPF通過追蹤 P-V曲線，每次迭代得到的潮流解可反映系統運行狀況，并被廣泛應用于考慮各種約束的輸 電能力計算中，但已有CPF對發電量采用公共負荷因子增長模式，忽略了發電機經濟調度， 使得計算的結果偏于保守。GA雖具全局尋優能力，但對大規模系統計算效率太低。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直流系統，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化模型，未能綜合考慮系統的安全性 與經濟性對輸電能力的影響。

【發明內容】

[0004] 為了解決上述問題，本發明采取的技術方案為如下：
[0005] -種基于連續潮流的含電壓源換流器VSC系統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即VSC-HVDC的交直流系統的 多目標最大輸電能力計算模型;基于上述計算模型進入預測環節求解預測方程，然后進入 校正環節求解修正方程，進入方向校正及參數優化環節，最后進入安全校驗環節進行靜態 安全分析，檢驗電壓水平和線路熱穩定性;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表示系統目標函 數，內為最大輸電能力目標函數，內為發電機經濟調度目標函數;x表示狀態變量;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為區域電網的負荷節點集合，P Ll為節點i的有功負荷，PGl為節點i的發電機 有功出力。
[0008] 所述預測環節包括 jpg Jptl + JpdU ^dP- ^ Q
[0009] 求解預測方程心得到預估的U、0、A; e：p dX ±1
[0010]式中：^、^、^、加為常規交流雅克比矩陣子陣^剛為直流有功對交流節點電壓 的偏導，Jwu為直流無功功率對交流節點電壓的偏導，
；U表示 交直流系統中節點電壓，9表示交直流系統中除平衡節點外的電壓相角，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為負荷節點個數。
[0011] 校正環節包括 " &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表示常規交流雅可比矩陣;Jda表示直流量對交流量求導所得的雅可比矩 陣;Ddx表示直流雅可比矩陣;X表示交直流系統變量；A P為交流系統有功功率偏差量，A Q分 別為交流系統無功功率偏差量；A d為直流系統中Ud，知，Md，Ps，Qs各參數偏差量。
[0014] 所述方向校正及參數優化環節包括通過GA算法計算得出AC/DC系統負荷節點的 Pl、Ql、Pg、QG以及含VSC-HVDC交直流混合系統狀態參數;其中，Pl為節點有功出力，Ql為節點 無功出力，Pc為發電機有功出力，Qc為發電機無功出力;含VSC-HVDC交直流混合系統狀態參 數包括直流電壓幅值Ud;為直流電壓相角Sd;為調制度Md、交流系統流入換流變壓器的有功 功率P s和交流系統流入換流變壓器的無功功率Qs。
[0015] 有益效果
[0016]本發明提出的基于連續潮流的含VSC-HVDC交直流混合系統最大輸電能力計算方 法，綜合考慮了靜態電壓穩定性、靜態安全性以及系統經濟性對輸電能力的影響，能夠有效 解決含VSC-HVDC交直流系統最大輸電能力計算問題，同時通過合理分配發電機出力以及合 理設定VSC參數，可有效指導系統發電設置以及VSC的控制參數調整，非常適宜于實際工程 應用。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明方法的流程圖；
[0018] 圖2為在原IEEE30節點標準系統的基礎上修改后的IEEE30節點系統；
[0019]圖3為優化前后的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]下面結合附圖，對本發明作詳細說明。如圖1所示，本發明提出了一種基于連續潮 流的含VSC系統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TTC計算的基本模型如下：
[0023] 1目標函數
[0024] 1.1最大輸電能力
[0025] 施* IX ⑴ igA
[0026] 式中A:區域電網的負荷節點集合;PLi:節點i的有功負荷。
[0027] 1.2發電機經濟調度
[0028] MinEFi(Pci) (2)
[0029]其中，FKPh)為發電機i的發電成本函數。
[0030] 2約束條件
[0031] 2.1等式約束
[0032] 純交流節點： 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為節點i的電壓幅值;0ij為節點i與節點j的相角差;Gij和Bij為節點導納矩 陣中的元素;PGi和QGi分別為節點i的發電機有功與無功出力;PLi和QLi分別為節點i的有功與 無功負荷。
[0035] 含VSC-HVDC的交流節點： 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 功率因數隨著有功負荷變化。
[0042] 2.2.2不等式約束
[0043] 發電出力約束：
[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] 主變容量約束：
[0047] ^<1, (8)
[0048]式中to 1:主變出線數;Lai:主變a第i條出線的潮流;Ta :主變a的額定容量。
[0049] 節點電壓上下限約束：
[0050] Uimin^Ui^Uimax (9)
[0051] 式中，Ui為節點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為無功補償的容量。
[0058]線路熱穩定約束：
[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網架結構的變化：
[0065] gGG (14)
[0066] 式中g: N-1校驗時電網結構;G:所有可能的輻射型網絡結構。
[0067] 步驟B:提供一種連續潮流與遺傳算法相結合的多目標優化計算方法
[0068] 本專利提出的連續潮流與遺傳算法相結合的多目標優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:預測環節
[0070] 預測環節的核心是求解如下預測方程： ~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 功率對交流節點電壓的偏導，/_:=。
[0073]剛開始或者遇到發電機無功極限點后，采用切線預測，其他情況下采用割線預測。 [0074] (2)第二階段:校正環節
[0075]校正環節的核心是求解修正潮流方程。將式(5)加入傳統擴展潮流方程中，求出含 VSC-HVDC的修正方程。
[0076]修正方程中，與傳統潮流求解相比，擴展變量為。
[0077] 相應的混聯系統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為常規交流雅可比矩陣;Jda*直流量對交流量求導所得的雅可比矩陣； 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的節點功率偏差量為：A Pi = PGi-PLi-Psi，A Qi = QGi-QLi-Qsi。
[0082]對應的直流部分為：
[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:方向校正及參數優化環節
[0087]轉入GA算法，以發電費用最小為目標，對發電機出力進行優化分配，計算得出AC/ DC系統負荷節點的Pl、Ql、Pg、Qg以及含VSC-HVDC交直流混合系統狀態參數。選擇目標函數為 適應度函數，優化發電機的發電量Pc以及VSC的控制參數Xd。
[0088] 優化得到新的發電機出力以及VSC參數，返回修改Pg、Qg以及VSC參數，從而調整P-V 曲線的發電增長方向。
[0089] (4)第四階段:安全校驗環節
[0090]在校正環節后進行N-1校驗，檢驗電壓水平和線路熱穩定性。此處采用補償法，在 原有基本運行方式的因子表基礎上，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] 以識別鞍結型分岔為依據，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為系統中各節點的負荷增長方式;A為負荷 增長參數，w為對應于fx的零特征根的右特征向量。
[0095] 若檢驗不滿足靜態穩定指標或者已經達到P-V曲線的鞍點則計算結束;若校驗滿 足，則調整控制變量，重新進行預測和校正等環節。
[0096]設定利用修改的IEEE-30節點標準系統驗證含VSC-HVDC交直流系統最大輸電能力 計算方法的有效性和實用性。如圖2所示，試驗在原IEEE30節點標準系統的基礎上，將支路 2-4、16-17、23-24修改為VSC-HVDC線路，系統單線圖如圖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，直流網絡電阻1?(1 = 0.03， 基準容量為100MW。
[0097]表1給出了 VSC參數初始設定，其中初始值設定參照IEEE30的初始潮流。
[0098]表 1
[0100] 表2列出了優化計算前后的發電機出力比較。
[0101] 表2
[0103]圖3給出了優化前后的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CPF得到的P-V曲線，且在圖3中標示出優化前后首先達到無功極限的發電機，即均為節點8上的發電機 組。同時得到如表2所示的VSC最優控制參數。
[0104]表3
[0106]綜上所述，本發明提出的基于連續潮流的含VSC-HVDC交直流混合系統最大輸電能 力計算方法能夠有效解決含VSC-HVDC交直流系統最大輸電能力計算問題，綜合考慮了靜態 電壓穩定性、靜態安全性以及系統經濟性對輸電能力的影響，能夠有效解決含VSC-HVDC交 直流系統最大輸電能力計算問題，計算最大輸電能力的同時給出發電機經濟出力以及VSC 最優控制參數，具有很好的工程應用前景。
【主權項】
1. 一種基于連續潮流的含VSC系統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 進入預測環節求解預測方程，然后進入校正環節求解修正方程，進入方向校正及參數優化 環節，最后進入安全校驗環節進行靜態安全分析，檢驗電壓水平和線路熱穩定性；同時校驗 是否到達電壓崩潰點。2. 根據權利要求1所述的基于連續潮流的含VSC系統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表示系統目標函數，F1為最大輸電能力目標函數，F2為 發電機經濟調度目標函數;X表示狀態變量;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為區域電網的負荷節 點集合，PLi為節點i的有功負荷，Pci為節點i的發電機有功出力。3. 根據權利要求1所述的基于連續潮流的含VSC系統最大輸電能力計算方法，其特征在 于，所述預測環節包括 求解預測方?I到預估的υ、θ、λ; 式中：>0、>11、心0、心11為常規交流雅克比矩陣子陣;><111為直流有功對交流節點電壓的偏 導，Jwu為直流無功功率對交流節點電壓的偏導，;1]表示交直 流系統中節點電壓，Θ表示交直流系統中除平衡節點外的電壓相角，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為負荷節點個數。4. 根據權利要求3所述的基于連續潮流的含VSC系統最大輸電能力計算方法，其特征在 于，校正環節包括 求解修正方茜*視得到實際的υ、θ、λ; 式中：Jaa表示常規交流雅可比矩陣;Jda表示直流量對交流量求導所得的雅可比矩陣； DdX表示直流雅可比矩陣;X表示交直流系統變量；ΛΡ為交流系統有功功率偏差量，AQ分別 為交流系統無功功率偏差量；Δ d為直流系統中Ud，，Md，Ps，Qs各參數偏差量。5. 根據權利要求1所述的基于連續潮流的含VSC系統最大輸電能力計算方法，其特征在 于，所述方向校正及參數優化環節包括通過GA算法計算得出AC/DC系統負荷節點的Pl、Ql、 Pg、Qg以及含VSC-HVDC交直流混合系統狀態參數;其中，Pl為節點有功出力，Ql為節點無功出 力，Pg為發電機有功出力，Qg為發電機無功出力;含VSC-HVDC交直流混合系統狀態參數包括 直流電壓幅值Ud;為直流電壓相角S d;為調制度Md、交流系統流入換流變壓器的有功功率Ps 和交流系統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, 國網陜西省電力公司經濟技術研究院