CN104269861A - 基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法，属于电力***分析、运行与控制技术领域。本发明的目的是对于高低压电磁环网***，利用柔性输电技术及最忧潮流计算方法来优化控制电磁环网中无功功率分布的基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法。本发明步骤是：①确定环网控制器的拓扑结构及阀级控制策略。②推导出柔性环网控制器的无功环流优化目标函数及约束条件。③采用灾变遗传算法对目标函数进行寻优。④在原有换流器级控制策略上添加了计及电流控制的调控策略。本发明旨在于抑制电磁环网无功功率环流，使电磁环网能够更加经济、稳定的运行。

Description

基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法

技术领域

本发明属于电力***分析、运行与控制技术领域。

背景技术

在高一级电压电网发展的初期，高低压电磁环网所通过的潮流不大，它的存在可提高电网供电可靠性、灵活性。一般而言，只要不影响电网安全稳定运行和不受短路容量限制，可以维持电磁环网运行。但随着高一级电压电网的发展，传输负荷不断增大，电磁环网成为电力***严重的事故隐患，给电网运行带来很多问题。其中，高低压电磁环网的形成对电网的经济性运行造成了极大的影响。在电磁环网实际运行中，由于变压器、线路等电气元件参数匹配不合理，会在电磁环网内产生功率环流，并以无功环流最为普遍，这种功率环流会使电网的有功损耗明显增加，影响电网经济运行。同时，国外对电磁环网的研究重点也更多集中在抑制电磁环网内可能产生的功率环流这一主题上。这些国家的主要研究重点在于将柔性控制(FACTS)技术应用于电磁环网中，以消除环流或对功率分布进行控制，提高***运行的经济性；主要通过采取统一潮流控制器(UPFC)、移相器(phase-shifter)、相间功率控制器(IPC)、可控串补(TCSC)等柔性控制手段来控制功率环流和潮流分布。但是由于我国对上述装置的研究和研制还不够成熟，设备制造工艺及水平还达不到要求，因此很难立即解决电磁环网运行所面临的困难。所以本发明提出在电磁环网中加入现阶段较为成熟的柔性直流输电技术，来解决电磁环网的无功优化问题。

目前，从现有投运的柔性直流输电工程及其技术特点来看，柔性直流输电技术主要应用于风电并网、城市供电、电网互联、海上平台供电等领域，在交流电网解环方面尚无应用。已投运柔性直流输电工程的最大容量达到400MW，最高电压等级达到±200kV；在建柔性直流输电工程的最大容量达到1000MW，最高电压等级达到了500kV。在我国，国家电网公司通过自主研发于2011 年7 月投运了我国首个柔性直流输电工程，即上海南汇风电并网柔性直流输电示范工程，工程容量达到了20MW，电压等级达到了±30kV，标志着我国在柔性直流输电技术领域实现了从无到有的突破。目前，世界范围内柔性直流输电技术程正迅速朝着高电压、大容量方向发展，工程数量越来越多，应用领域也越来越广泛，从两端向多端领域发展，成为促进新能源的大规模开放利用和智能电网建设的重要手段。

发明内容

本发明的目的是对于高低压电磁环网***，利用柔性输电技术及最忧潮流计算方法来优化控制电磁环网中无功功率分布的基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法。

本发明的步骤是：

（1）确定环网控制器的拓扑结构及阀级控制策略：在电磁环网的低压侧加入柔性环网控制器，即在原来需要开环运行的电磁环网两端采用背靠背柔性直流换流站相连接，由此构成软环网运行，其中柔性环网控制器采用模块化多电平换流器拓扑结构；柔性环网控制器的控制策略分为***级控制与换流器级控制，***级控制指令包括有功类指令和无功类指令：有功类指令为换流站Ⅰ采用定有功功率控制策略，换流站Ⅱ采用定直流电压控制策略，无功类指令为两换流站均采用定无功功率控制策略；换流器级调制策略采用：矢量控制，又称为直接电流控制；

（2）无功功率环流优化目标函数及约束条件：柔性直流输电稳态运行的基本原理，三相电网平衡条件下存在如下方程组：

                             (1)

                                (2)

                                    (3)

                                        (4)

                                      (5)

                                                        (6)

                                                     (7)

式中，i表示换流器编号；U_aci为换流器交流侧电压；μ为直流电压利用系数；M为调制比；U_dci为i节点处的换流器直流电压；δ为移相角；P_iref、Q_iref分别为换流器处的输入有功功率和无功功率参考指令；I_aci为换流器交流母线侧交流电流；I_{di_ref}、I_{qi_ref}分别为交流电流的dq轴分量，这里取交流电压U_aci矢量方向为d轴方向；

                                                               (8)

                                  (9)

无功功率环流最小的优化目标函数可以表示为：

           （10）

式中，U_NH为电磁环网高压侧的额定电压；k₁,k₂为变压器T1与T2的变比；U_ci，U_c2代表柔性环网控制器的交流母线电压；、为电磁环网的总阻抗值；

潮流方程如下：

     （11）

式中：n是***节点数；P_Gi、Q_Gi为***发电机节点的有功和无功出力；P_aci、Q_aci为节点的负荷有功功率和无功功率；P_iref、Q_iref为直流***接入节点有功功率和无功功率，当换流器从节点吸收无功时，Q_iref取正值，当换流器向交流***输入无功时，Q_iref取负值；Q_ci为节点的无功补偿容量；G_ij、B_ij为节点导纳矩阵行列元素的电导和电纳；U_ij、θ_ij为节点i、j之间的电压幅值和相角；

变量约束包括状态变量约束和控制变量约束，控制变量包括发电机机端电压U_G、无功补偿点补偿容量Q_C、变压器抽头档位T、换流器有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref；状态变量主要考虑各节点电压U和柔性换网控制器两侧注入电流Iac ；

交流***时变量约束为：

                              (12)

式中：i指交流节点；min下标表示对应变量的下限值；max下标表示对应变量的上限值；

直流***的变量约束时：

                          (13)

式中的i指直流节点；

（3）含有柔性环网控制器的电磁环网最优潮流求解实现过程，步骤如下：

1）给定灾变次数C_a，灾变发生时的代数N_c，最大进化代数N_max；

2）根据基本遗传算法寻优；

3）当遗传代数N_gen达到N_c时进行灾变处理，保留最优个体，其他个体初始化生成新群体，返回步骤2），直至达到最大灾变次数C_a；

4）反复执行上述步骤2）和3），直至达到最大进化代数N_max；

（4）计及电流限制的调控策略：

由式1、2可知，有功功率和无功功率参考值间接用I_aci(i=1,2)的d轴和q轴分量表示；功率参考值制定策略为：

有功电流优先时，要保证需要输送的有功功率量，因此I_d可直接作为参考值I_{d_ref}输入到控制器；结合电流约束I_{ac_max}，得无功电流分量的允许上限值，其与优化值I-q_opt比较，选择较小者作为参考值I_{q_ref}输入到控制器；

无功电流优先时，优化计算得到的I-q_opt可直接作为参考值I_{q_ref}输入到控制器；结合电流约束I_{ac_max}，得I_{q_opt}情况下对应的有功电流分量，将其作为参考值I_{d_ref}输入到控制器。

本发明公开了一种基于柔性环网控制器的潮流优化控制方法，旨在于抑制电磁环网无功功率环流。首先，提出了在电磁环网低压侧的线路上安装柔性环网控制器，该柔性环网控制器换流阀的拓扑结构是模块化多电平换流器（MMC），换流阀***连接形式为背靠背式。其次，通过对电磁环网数学模型的推倒，得到电磁环网中无功环流产生原因及潮流优化控制的目标函数；同时，结合MMC-HVDC***稳态运行条件下对有功功率（P）及无功功率（Q）的独立解耦控制特性，得到了柔性环网控制器的潮流控制范围。最后，把柔性环网控制器的控制量纳入潮流优化控制变量中，通过全局优化，考虑***安全约束条件下柔性环网控制器对电磁环网中无功功率环流的优化控制作用，把柔性环网控制器的潮流优化控制问题转化为一个潮流优化问题。本方法克服了传统电磁环网中仅能通过改变线路参数来抑制无功功率环流中存在的潮流控制范围有限及潮流优化控制不能及时的跟随负荷变化而进行等诸多问题；在抑制无功环流的同时柔性环网控制器也能够为两侧交流母线提供电压支撑，使电磁环网能够更加经济、稳定的运行。

附图说明

图1是加入柔性环网控制器的电500/220kV磁环网拓扑结构；

图2是模块化多电平换流器拓扑结构；

图3是换流器级直接电压控制原理图；

图4是含柔性环网控制器电磁环网解环示意图；

图5是灾变遗传算法流程图；

图6是计及电流限幅调控原理图；

图7是未加入柔性环网控制器电磁环网中潮流分布；

图8是加入柔性环网控制器后电磁环网中潮流分布。

具体实施方式

在电磁环网中，利用柔性环网控制器抑制无功功率环流：

①确定环网控制器的拓扑结构及阀级控制策略。

②结合MMC-HVDC稳态输电数学模型及电磁环网中无功环流数学模型，推导出柔性环网控制器的无功环流优化目标函数及约束条件。

③由于目标函数的约束条件中含有较多的离散变量，为了提高算法求解的全局收敛效果，这里采用灾变遗传算法对目标函数进行寻优。

④柔性环网控制器功率输送过程中要受到线路电流限制，而根据其不同的电流限制方式，柔性环网控制器可以进行电压调控的无功输出能力也有差异，因此在原有换流器级控制策略上添加了计及电流控制的调控策略。

本发明的步骤是：

（1）如图1所示在电磁环网的低压侧加入环网控制器。以柔性直流输电技术为基础的柔性环网控制器的主要原理为在原来需要开环运行的电磁环网两端采用背靠背柔性直流换流站相连接，由此构成软环网运行。因此，柔性环网控制器不仅能够传输功率，实现环网运行，同时还能够参与电网电压调节、提供动态无功支撑和抑制无功功率环流。 柔性环网控制器采用模块化多电平换流器（MMC）拓扑结构。模块化多电平环流器拓扑结构较传统两电平拓扑结构具有更多的优点，目前越来越多的柔性直流输电工程采用模块化多电平换流器拓扑结构。MMC是利用串联半桥技术构成的一种多电平换流器，其外环特性为电压源换流器特性，能够做到四象限运行。由于其半桥单元模块化设计，使其扩展灵活，维护方便；采用多电平换流直流输电，具有损耗较小的特点，且输出谐波小，无需滤波装置。三相MMC主电路拓扑结构请参见图2。 柔性环网控制器的控制策略分为***级控制与换流器级控制。其***级控制指令包括有功类指令和无功类指令：有功类指令为换流站Ⅰ采用定有功功率控制策略，换流站Ⅱ采用定直流电压控制策略，无功类指令为两换流站均采用定无功功率控制策略。柔性环网控制器的换流器级调制策略采用：矢量控制，又称为直接电流控制。并且，在传统的VSC直接电流控制中又添加了电流限幅控制策略来达到无功环流优化的预期目标。柔性环网控制器的换流器级控制见图3。

（2）结合MMC-HVDC稳态输电数学模型及电磁环网中无功环流数学模型，推导出柔性环网控制器的无功环流优化目标函数及约束条件。 从控制效果的角度来研究柔性环网控制器对电磁环网运行目标的影响。在研究中将柔性环网控制器的控制量纳入优化控制变量中,通过全局优化,考虑***安全约束条件下的柔性环网控制器对无功功率的优化控制作用。若指定柔性环网控制器的控制目标,就可以将柔性环网控制器的潮流控制问题转换为一个优化问题。

如图3所示，柔性环网控制器的换流器级控制是采用直接电流控制；其外环控制器根据有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref及直流电压参考值U_d计算内环电流参考值i_d和i_q,内环电流控制器跟踪电流参考值并输出电压的d、q轴分量期望值u-_dref和u_qref,其后通过dq反变换生成调制波的瞬时值u_s(t)，最后通过最近电平逼近调制策略生成其正弦电压波形U_c(t)。根据柔性直流输电稳态运行的基本原理，三相电网平衡条件下存在如下方程组：

                             (1)

                                (2)

                                    (3)

                                        (4)

                                      (5)

                                                        (6)

                                                     (7)

式中，i表示换流器编号；U_aci为换流器交流侧电压；μ为直流电压利用系数；M为调制比；U_dci为i节点处的换流器直流电压；δ为移相角；P_iref、Q_iref分别为换流器处的输入有功功率和无功功率参考指令；I_aci为换流器交流母线侧交流电流；I_{di_ref}、I_{qi_ref}分别为交流电流的dq轴分量，这里取交流电压U_aci矢量方向为d轴方向；

如图4所示，在图1中母线1位置把电磁环网解环，变为双端供电网络进行分析。则有：

                                                               (8)

                                  (9)

综上分析，含柔性环网控制器的电磁环网无功功率优化，其无功功率环流最小的优化目标函数可以表示为：

           （10）

式中，U_NH为电磁环网高压侧的额定电压；k₁,k₂为变压器T1与T2的变比；U_ci，U_c2代表柔性环网控制器的交流母线电压；、为电磁环网的总阻抗值；

在进行交直流***的最优潮流求解中，应在常规交流***潮流方程中增加考虑直流***潮流对应的项。因此其潮流方程如下：

     （11）

式中：n是***节点数；P_Gi、Q_Gi为***发电机节点的有功和无功出力；P_aci、Q_aci为节点的负荷有功功率和无功功率；P_iref、Q_iref为直流***接入节点有功功率和无功功率，当换流器从节点吸收无功时，Q_iref取正值，当换流器向交流***输入无功时，Q_iref取负值；Q_ci为节点的无功补偿容量；G_ij、B_ij为节点导纳矩阵行列元素的电导和电纳；U_ij、θ_ij为节点i、j之间的电压幅值和相角；

变量约束包括状态变量约束和控制变量约束，含有柔性环网控制器的电磁环网***中，控制变量包括发电机机端电压U_G、无功补偿点补偿容量Q_C、变压器抽头档位T、换流器有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref；状态变量主要考虑各节点电压U和柔性换网控制器两侧注入电流Iac ；

交流***时变量约束为：

                              (12)

式中：i指交流节点；min下标表示对应变量的下限值；max下标表示对应变量的上限值；

直流***的变量约束时，由于柔性直流输电中，其有功功率和无功功率可以实现解耦独立控制，但是仍然要满足式(5)的等式关系，同时还要满足以下约束关系：

                          (13)

式中的i指直流节点。

（3）含有柔性环网控制器的电磁环网最优潮流求解实现过程，由于目标函数的约束条件中含有较多的离散变量，为了提高算法求解的全局收敛效果，这里采用灾变遗传算法对目标函数进行寻优。算法求解基本步骤描述如下：

1）给定灾变次数C_a，灾变发生时的代数N_c，最大进化代数N_max；

2）根据基本遗传算法（GA）寻优；

3）当遗传代数N_gen达到N_c时进行灾变处理，保留最优个体，其他个体初始化生成新群体，返回步骤2），直至达到最大灾变次数C_a。

4）反复执行上述步骤2）和3），直至达到最大进化代数N_max；

其具体求解流程图如图5所示。

（4）计及电流限制的调控策略：

柔性环网控制器功率输送过程中要受到线路电流限制，而根据其不同的电流限制方式，柔性环网控制器可以进行电压调控的无功输出能力也有差异，因此使用了计及电流控制的调控策略。

由式1、2可知，有功功率和无功功率参考值间接用I_aci(i=1,2)的d轴和q轴分量表示；如图6中，用I_d表示柔性直流输电***需要输送的有功功率对应的有功电流分量；I_{q_opt}表示利用优化算法求得的无功参考值优化值对应的无功电流分量；I_{ac_max}为电流I_ac的最大值；I_{d_ref}、I_{q_ref}分别表示有功功率和无功功率控制的理想参考值对应的电流分量。改进后的功率参考值制定策略为：

有功电流优先时，要保证需要输送的有功功率量，因此I_d可直接作为参考值I_{d_ref}输入到控制器；结合电流约束I_{ac_max}，得无功电流分量的允许上限值，其与优化值I-q_opt比较，选择较小者作为参考值I_{q_ref}输入到控制器；

无功电流优先时，优化计算得到的I-q_opt可直接作为参考值I_{q_ref}输入到控制器；结合电流约束I_{ac_max}，得I_{q_opt}情况下对应的有功电流分量，将其作为参考值I_{d_ref}输入到控制器。

 算例分析

为验证本文所提出的方法的有效性和正确性，采用某电网的典型220/300kV进行方法的有效性及正确性研证。未加入柔性环网控制器的电磁环网潮流分布如图6所示。在节点3电压等级为220kV的线路上加入环网控制器后潮流分布如图7所示。

对比分析潮流图7和图8可见，消除无功环流后降低了线路和变压器的负载率，提高了线路、变压器等的传送能力，330 kV 母线的电压分别提高 3 kV，如果该电磁环网重负荷运行，消除无功环流将会明显提高电压运行水平。 而且消除无功环流后可明显降低有功功率损耗。存在无功环流时，该电磁环网中的 1、2节点间线路和 3、4节点间双回线损耗共计 1.363 MW+4.935 Mvar，2、3节点间联络变压器和 1、4节点间变压器损耗共计 0.078 MW+75.616 Mvar，合计 1.441 MW+ 80.551  Mvar。而无功环流消除后，线路损耗共计1.156 MW+4.594 Mvar，变压器损耗共计 0.078 MW+ 75.616 Mvar，合计 1.223 MW+69.284 Mvar。可见有功损耗降低了约 0.22 MW，如果年利用小时数按 8 760 h 计算，上网电价按平均约 0.25 元/kWh 计算，则每年在降低有功损耗方面可获得约 48.2 万元的经济效益。此算例有效的证明了柔性环网控制器对电磁环网中无功功率的优化控制作用。

Claims (1)

1.一种基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法，其特征在于：

（1）确定环网控制器的拓扑结构及阀级控制策略：在电磁环网的低压侧加入柔性环网控制器，即在原来需要开环运行的电磁环网两端采用背靠背柔性直流换流站相连接，由此构成软环网运行，其中柔性环网控制器采用模块化多电平换流器拓扑结构；柔性环网控制器的控制策略分为***级控制与换流器级控制，***级控制指令包括有功类指令和无功类指令：有功类指令为换流站Ⅰ采用定有功功率控制策略，换流站Ⅱ采用定直流电压控制策略，无功类指令为两换流站均采用定无功功率控制策略；换流器级调制策略采用：矢量控制，又称为直接电流控制；

（2）无功功率环流优化目标函数及约束条件：柔性直流输电稳态运行的基本原理，三相电网平衡条件下存在如下方程组：

                             (1)

                                (2)

                                    (3)

                                        (4)

                                      (5)

                                                        (6)

                                                     (7)

式中，i表示换流器编号；U_aci为换流器交流侧电压；μ为直流电压利用系数；M为调制比；U_dci为i节点处的换流器直流电压；δ为移相角；P_iref、Q_iref分别为换流器处的输入有功功率和无功功率参考指令；I_aci为换流器交流母线侧交流电流；I_{di_ref}、I_{qi_ref}分别为交流电流的dq轴分量，这里取交流电压U_aci矢量方向为d轴方向；

                                                               (8)

                                  (9)

无功功率环流最小的优化目标函数可以表示为：

           （10）

式中，U_NH为电磁环网高压侧的额定电压；k₁,k₂为变压器T1与T2的变比；U_ci，U_c2代表柔性环网控制器的交流母线电压；、为电磁环网的总阻抗值；

潮流方程如下：

     （11）

式中：n是***节点数；P_Gi、Q_Gi为***发电机节点的有功和无功出力；P_aci、Q_aci为节点的负荷有功功率和无功功率；P_iref、Q_iref为直流***接入节点有功功率和无功功率，当换流器从节点吸收无功时，Q_iref取正值，当换流器向交流***输入无功时，Q_iref取负值；Q_ci为节点的无功补偿容量；G_ij、B_ij为节点导纳矩阵行列元素的电导和电纳；U_ij、θ_ij为节点i、j之间的电压幅值和相角；

变量约束包括状态变量约束和控制变量约束，控制变量包括发电机机端电压U_G、无功补偿点补偿容量Q_C、变压器抽头档位T、换流器有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref；状态变量主要考虑各节点电压U和柔性换网控制器两侧注入电流Iac ；

交流***时变量约束为：

                              (12)

式中：i指交流节点；min下标表示对应变量的下限值；max下标表示对应变量的上限值；

直流***的变量约束时：

                          (13)

式中的i指直流节点；

（3）含有柔性环网控制器的电磁环网最优潮流求解实现过程，步骤如下：

1）给定灾变次数C_a，灾变发生时的代数N_c，最大进化代数N_max；

2）根据基本遗传算法寻优；

3）当遗传代数N_gen达到N_c时进行灾变处理，保留最优个体，其他个体初始化生成新群体，返回步骤2），直至达到最大灾变次数C_a；

4）反复执行上述步骤2）和3），直至达到最大进化代数N_max；

（4）计及电流限制的调控策略：

由式1、2可知，有功功率和无功功率参考值间接用I_aci(i=1,2)的d轴和q轴分量表示；功率参考值制定策略为：

有功电流优先时，要保证需要输送的有功功率量，因此I_d可直接作为参考值I_{d_ref}输入到控制器；结合电流约束I_{ac_max}，得无功电流分量的允许上限值，其与优化值I-q_opt比较，选择较小者作为参考值I_{q_ref}输入到控制器；

无功电流优先时，优化计算得到的I-q_opt可直接作为参考值I_{q_ref}输入到控制器；结合电流约束I_{ac_max}，得I_{q_opt}情况下对应的有功电流分量，将其作为参考值I_{d_ref}输入到控制器。