一種基於擴展支路模型的交直流混聯網絡穩態建模方法與流程

2023-05-02 11:57:41

本發明屬於電力系統的穩態建模技術領域，具體涉及交直流網絡統一求解的擴展支路建模方法，特別是涉及一種基於擴展支路模型的交直流混聯網絡穩態建模方法。

背景技術：

隨著直流網絡的不斷發展，大功率電力電子器件在電力系統中應用越來越廣泛，交直流互聯的趨勢越來越緊迫，電壓源型換流器(vsc)由於能靈活控制所在點的電壓幅值、相位，進而控制系統有功和無功，已經成為新一代的柔性直流輸電技術，是近年來眾多學者研究的熱點。隨著電壓源型換流器(vsc)及基於vsc的並聯型直流電網的不斷發展,未來電網會形成含vsc的多直流母線、多直流聯絡線和多直流負荷的交直流網絡，系統的結構也將變得越來越複雜。與此同時，交直流網絡的求解問題也成為了一個新的難點，在分析交直流網絡的穩態及暫態運行、設計相應控制方式和研究配備相關保護裝置時，就得同時考慮到交流系統和直流系統，並且要考慮到二者之間的耦合關係。當前，純交流系統的求解方法和理論已經較為成熟，相比之下,交直流混聯電力系統特別是含電壓源換流器的交直流混聯繫統的求解算法卻沒有發展到相同的高度。當系統中含有直流網絡時，在描述全系統的非線性代數方程中就包含了與直流有關的變量，這樣，傳統的交流網絡求解方法就不能直接應用於交直流混聯網絡。現在大多數文獻中在求解含vsc的交直流混聯繫統時多採用交流網絡和直流網絡交替求解的方法，將直流系統方程和交流系統方程分別進行求解，該算法一般根據vsc換流站的不同控制方式在交流側和直流側解耦等效,先進行直流電網潮流迭代,後進行交流電網潮流迭代,二者交替計算直至直流電網、換流站和交流電網全部收斂。這種交直流網絡交替迭代的方法，整個求解過程會比較繁瑣，也很容易出錯。

綜上所述，對於交直流混聯網絡，目前還缺少一種統一計及電壓源換流器(vsc)的交直流建模和求解的方法。

技術實現要素：

針對當前含電壓源換流器(vsc)的交直流混合電網不能統一求解問題，本發明提出以下技術方案。

一種基於擴展支路模型的交直流混聯網絡穩態建模方法，包括以下步驟：

1)建立所述交直流混聯網絡的等值數學模型，所述模型包括交流網絡等值電路、直流網絡等值電路和電壓源換流器vsc等值電路；

要根據實際運行電網，建立交流網絡、直流網絡和電壓源換流器(vsc)的等值電路模型，並收集電網的運行數據，所述電網的運行數據包括系統元件參數、網絡拓撲結構信息和負荷信息；

2)根據所得到的交流網絡等值電路圖，用支路數據(支路功率、支路電流等)建立交流支路模型。

圖2所示是網絡中一個基本交流網絡支路的模型，交流支路ij流過的電流和該交流支路兩端電壓需滿足歐姆定律，即存在如下關係：

交流支路中流過的功率定義為：

交流網絡功率平衡方程為：

式(3)中，si表示節點i的注入功率(負荷功率減去發電機功率)。

3)根據所得到直流網絡等值電路圖，用支路數據建立直流支路模型，

圖3所示是網絡中一個基本的直流支路模型，同交流支路模型，網絡中直流支路ij流過的電流iij,iji和該直流支路兩端電壓vi,vj也需滿足歐姆定律：

直流支路中流過的功率定義為：

直流網絡功率平衡方程為：

4)在所得到的vsc換流器等值電路圖中，用支路數據(支路功率、支路電流等)建立vsc支路模型如下：

圖4為本發明電壓源換流器的等值電路圖，其中包括接入交流側網絡的換流電壓器、相電抗器、交流濾波器等，直流側網絡等值電壓源和連接交直流網絡的換流器的等值電路，交流系統接入換流器的埠電壓為us∠δs；換流變壓器後節點的電壓為uf∠δf，vsc換流站的等值交流側電壓為uc∠δc；換流變壓器等效阻抗為zt；換流器內部等效阻抗為zc，交流系統注入換流變壓器的功率為ps+jqs，換流橋交流側輸出的功率為pc+jqc，換流器注入直流系統的功率為pdc。直流系統中的電流電壓分別為udc、idc。

圖5為本發明vcs支路模型圖，其中，vsc支路連接交流網絡中的交流節點a和直流網絡中的直流節點b，節點a左側是交流支路，節點b右側是直流支路，換流器內部損耗由阻抗等效，則vsc支路模型應滿足的功率關係為：

pab＝pba(7)

5)由上述的交流支路、直流支路、vsc支路及相應的參數和公式建立所述的交直流混聯網絡的擴展支路模型根據vsc等值電路圖建立vsc支路模型如圖5所示。所述交流支路連接兩個交流節點，所述直流支路連接兩個直流節點，所述vsc支路連接一個交流節點和一個直流節點，由vsc支路連接交流支路和直流支路，使整個網絡成為一個整體。

本發明提出的計及vsc的交直流混聯繫統擴展支路建模方法中，通過交流支路、直流支路和vsc支路將整個網絡中的交流節點、直流節點連接到一起，形成一個整體，其中交流支路連接兩個交流節點，直流支路連接兩個直流節點，vsc支路連接一個交流節點和一個直流節點。這樣整個系統就包含三種支路(交流支路、直流支路、vsc支路)和兩種節點(交流節點和直流節點)，各支路均應滿足歐姆定律和功率定義式，然後在交流節點和直流節點處滿足功率平衡方程，這樣一來，即可對整個系統進行統一求解了。

本發明提出了一種基於擴展支路模型的交直流混聯網絡的穩態建模方法，可用於處理基於vsc換流器的交直流混聯網絡統一建模、統一求解的問題。

本發明的有益效果，本發明提出的一種基於擴展支路建模的交直流混聯網絡穩態建模方法，充分考慮了當前電壓源換流器vsc在系統中應用越來越廣泛的實際情況，具有以下優點：

(1)改變了傳統以節點建模時，必需根據電壓源換流器(vsc)的不同控制方式對vsc進行節點等效的處理方法，而是把vsc當成支路處理，分別連接交流節點和直流節點，這樣對vsc的處理就變得簡單了；

(2)由vsc支路連接交流支路和直流支路，整個系統就可以看成是一個整體，可以將交流系統和直流系統進行統一建模、統一求解，而不必再依靠傳統的交流網絡、直流網絡交替求解的方法。

(3)整個求解過程比傳統方法要簡潔。

本發明通過建立一種vsc支路模型，將交流網絡的交流支路和直流網絡的直流支路連接到一起，再加上一些需滿足的約束關係，電網就可以看成是一個簡單的由支路和節點所組成的一個有向圖，從而整個網絡可以看成一個整體進行求解，而不必再考慮傳統的以節點建模方式中根據控制方式的不同vsc節點的不同等效節點類型的問題。交直流網絡統一求解也避免了交流網絡和直流網絡迭代求解時會出現的一些問題，簡化了整個求解過程。

附圖說明

圖1是本發明所提供的基於擴展支路建模的交直流混聯網絡穩態建模方法流程示意圖。

圖2為本發明交流支路模型圖。

圖3為本發明直流支路模型圖。

圖4為本發明電壓源換流器的等值電路圖。

圖5為本發明vcs支路模型圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明進一步詳細說明。

請參閱圖1，圖1是本發明基於擴展支路建模的交直流混聯網絡穩態建模方法的流程示意圖。

所述的基於擴展支路建模的交直流混聯網絡穩態建模方法包括以下步驟：

s01建立所述交直流混聯網絡的等值電路，包括交流網絡等值電路、直流網絡等值電路和電壓源換流器vsc的等值電路；

s02在所得到的交流網絡等值電路圖中，用支路數據(支路功率、支路電流等)建立交流支路模型；

s03在所得到的直流網絡等值電路圖中，用支路數據建立直流支路模型；

s04在所得到的vsc換流器等值電路圖中，用支路數據建立vsc支路模型

s05由上述的交流支路、直流支路、vsc支路及相應的參數、公式建立所述的交直流混聯網絡的擴展支路模型。

本發明提出的計及vsc的交直流混聯繫統擴展支路建模方法中，通過交流支路、直流直流和vsc支路將整個網絡中的交流節點、直流節點連接到一起，形成一個整體，其中交流支路連接兩個交流節點，直流支路連接兩個直流節點，vsc支路連接一個交流節點和一個直流節點。這樣整個系統就包含三種支路(交流支路、直流支路、vsc支路)和兩種節點(交流節點和直流節點)，各支路均應滿足歐姆定律和功率定義式，然後在交流節點和直流節點處滿足功率平衡方程，這樣一來，即可對整個系統進行統一求解了。

其中，對於步驟s01，首先要根據實際運行電網，建立交流網絡、直流網絡和電壓源換流器(vsc)的等值支路模型，並收集電網的運行數據，包括系統元件參數、網絡拓撲結構信息和負荷信息等。

對於步驟s02，根據所得到的交流網絡等值電路及收集的系統運行參數建立交流支路模型，所建立的交流支路兩端連接的都是交流節點，其中，交流支路ij流過的電流和該交流支路兩端電壓需滿足歐姆定律，即：

支路上流過的功率也應滿足功率定義，即應滿足：

然後在兩端的交流節點上應滿足功率平衡方程，即：

對於步驟s03，根據所得到的直流網絡等值電路及收集的系統運行參數建立直流支路模型，所建立的直流支路兩端連接的都是直流節點，其中直流支路ij流過的電流iij,iji和該直流支路兩端電壓vi,vj也需滿足歐姆定律，即應滿足：

支路上流過的功率也應滿足功率定義，即：

在支路所連接的直流節點上也應滿足功率平衡方程，即：

對於步驟s04，根據所得到的vsc等值電路及收集的系統運行參數建立vsc支路模型，所建立的vsc支路一端連接交流節點，一端連接直流節點，在交流節點和直流節點上應分別滿足交流節點和直流節點的功率平衡方程，同時vsc支路還應滿足有vsc本身特性帶來的功率關係，即還應滿足：

pab＝pba(7)

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。