CN110504691A - 一种计及vsc控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法 - Google Patents

一种计及vsc控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，在控制交流配电网主动管理设备的基础上，基于VSC换流站稳态运行模型，将VSC运行控制参数与主动管理设备共同作为决策变量，将计及换流站精确有功损耗的交直流网损作为目标函数，在满***直流配电网以及换流站安全运行约束条件下，构建含多端柔性直流互联的交流配电网最优潮流数学模型，并采用交直流交替迭代潮流计算方法和双重粒子群算法对模型进行建立求解。本发明在考虑VSC控制参数优化后交直流网损得到有效削减，具备良好的实用性和较好的收敛性。

Description

一种计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法
技术领域
本发明属于交直流配电网最优潮流计算领域，尤其涉及一种计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法。
背景技术
将基于电压源型换流器(VSC)的直流技术应用到配电网供电领域，有助于缓解当前城市配电***面临的压力，交直流混合配电网更适合未来城市配网的发展趋势，可以减少分布式发电***及直流负荷接入电网的中间环节，降低接入成本，提高转化效率和电能质量，缓解城市电网站点走廊有限与负荷密度高的矛盾，同时可以起到动态无功支持的作用，从而提高***整体电压水平和降低网损。
针对含VSC直流配电网的交直流最优潮流计算，已有研究成果：采用前推回代算法处理辐射状特征的配电网，但该算法在处理环网结构、其他分布式电源以及多分布式电源等情况有一定局限性；采用改进Zbus算法针对下垂控制的多端柔性互联交直流配电网进行处理，但该算法需对下垂曲线进行分步处理，且算法收敛性有待加强。
针对与柔性直流互联的交流配电网的最优潮流计算方法，已有研究成果：一种分段线性化的OLTC精确线性化建模方法，基于二阶锥松弛法和支路潮流模型构建了含OLTC的主动配电网最优潮流模型，将主动配电网中各重要参与元素进行了相应的线性化建模，建立基于二阶锥规划的动态最优潮流模型；综合多种可控设备对配电网中的电压、容量问题进行多源协调控制策略，其中包括了中压柔性直流互联，建立半正定松弛最优潮流模型；但其仅考虑将直流线路作为联络线来使用，未涉及VSC换流站控制与建模。
现有的研究成果并没有针对柔直互联的交流配电网最优潮流内VSC换流站进行有效精确的控制建模，一般仅将直流互联部分进行简化。交直流配电网优化运行本质上是一个包含连续、离散决策变量的最优潮流问题，且配电网线路电阻不可忽略，最优潮流必须同时满***流和直流潮流约束才能将***电压、无功功率等因素考虑进去。因此，交直流配电网最优潮流是一个求解困难的混合整数非凸、非线性优化的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，考虑VSC控制参数优化，交直流网损得到有效削减，具备良好的实用性和较好的收敛性。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，包括步骤：
(1)建立VSC换流站稳态模型，计算VSC换流站的有功损耗；
(2)建立交直流配电网最优潮流模型，目标函数为包含VSC换流站有功损耗的交直流配电网的有功网络损耗，决策变量为交流配电网的主动管理元素和VSC换流站特定控制方式下的控制变量；
(3)基于交直流交替迭代潮流算法和双重粒子群算法对模型进行求解。
进一步地，所述步骤1中，VSC换流站稳态模型为：
Pc,dci＝-Pci-Pc,lossi
其中，Pc,lossi为VSC功率损耗，Pci为VSC交流侧节点的有功功率，Pc,dci为VSC流向直流节点的直流注入功率。
VSC换流站的有功损耗为：
其中，ai、bi和ci为损耗特性参数；Ici为VSC流过的交流电流标幺值，系数ai模拟与Ici平方成正比的损耗，系数bi模拟与Ici成正比的损耗，系数ci模拟固定损耗。
进一步地，所述步骤2中，目标函数为：
其中，为直流有功网络损耗，为交流有功网络损耗，为VSC换流站的有功损耗。
交流配电网的主动管理元素包括有载调压变压器、无功补偿装置、有功调节装置。
VSC换流站控制方式包括有功分量控制和无功分量控制，有功分量控制包括定直流电控制、定有功功率控制和有功-电压下垂控制，无功分量控制包括定无功功率控制和定交流电压控制。
满足主动管理元素和VSC换流站特定控制方式的约束条件包括：
等式约束条件包括：
交流***的潮流平衡方程和直流电网的有功平衡方程：
其中，ΔPi、ΔQi分别为交流节点i的有功功率偏差、无功功率偏差；Pgi、Qgi分别为第i台发电机的有功出力、无功出力；Pdi、Qdi分别为换流站注入交流节点i的有功功率、无功功率；θij为节点i和j之间的相角差；Gij+jBij为节点i和j之间的导纳；
不等式约束条件包括：
交流***不等式约束：
其中，PGimax、PGimin为发电机有功出力上下限；QGimax、QGimin为发电机无功出力上下限；Uimax、Uimin为节点电压上下限；Pijmax为支路ij潮流上限；
直流电网运行不等式约束：
其中，Udcimax、Udcimin分别为直流节点i所允许的电压上下限；Idcimax为直流线路ij可承载的最大电流；
VSC换流站运行不等式约束：
其中，Icimax为换流元件可承载的最大电流；Ucimax为换流器所能生成的最大交流端口电压；Ucimin为换流器交流端口电压下限；Svsci为第i个换流站的最大容量。
进一步地，所述步骤3中，采用双重粒子群算法对交直流配电网最优潮流模型进行建立与求解，包括步骤：
(1)初始化连续部分和离散部分的粒子位置和速度，初始化过程中通过交直流潮流计算进行筛选，使其满足运行约束条件；
(2)对所有粒子对应的运行状态进行交直流潮流计算并求其目标函数值，对不满足约束的对其目标函数值施加惩罚项；
(3)求取个体极值和全局极值，计算所有粒子下一次迭代的速度，更新粒子的位置；
(4)返回步骤(2)进行迭代计算直至最大迭代次数；
(5)返回全局极值对应的所有运行参数及相关结果。
进一步地，交直流潮流计算采用交直流交替迭代潮流算法，具体包括：将VSC换流站的不同控制方式在交直流侧分别进行解耦等效，先进行直流电网潮流迭代，后进行交流电网潮流迭代，两者通过全局迭代变量，交替迭代计算直至直流电网、换流站和交流电网全部收敛。
有益效果：本发明计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，有效削减了交直流配电网***的网损，改善了***电压水平，适用于不同的交直流配电网的网络拓扑结构、不同的换流站控制方式以及不同的换流站电压控制方式，可为含多端柔直互联的交直流配电网优化运行分析提供借鉴。本发明基于交直流交替迭代潮流算法和双重粒子群算法对该模型进行建立以及求解，有效加快计算结果的收敛速度。
附图说明
图1是计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法流程图；
图2是VSC换流站结构图；
图3是VSC换流站等效电路图；
图4是VSC换流站控制方式分类图
图5是交直流交替迭代算法流程图；
图6是修订后的IEEE33节点***网架拓扑结构图；
图7是直流网络拓扑结构图；
图8是不同场景多端柔直互联的修订后的IEEE33***计算结果图；
图9是不同场景最优潮流收敛情况图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，考虑计及精确损耗的VSC换流站稳态模型，建立含多端柔性直流互联的交直流配电网最优潮流模型，考虑交流配电网内主动管理设备以及换流站控制方式，并采用交直流交替迭代潮流计算方法和双重粒子群智能算法对所构建最优潮流模型进行建立求解。
具体步骤包括：
(1)建立VSC换流站稳态模型，计算VSC换流站的有功损耗；
如图2所示，VSC换流站稳态模型结构，交流电网采用交流母线公共连接点(PCC)电压源代替，经过变压器、滤波器和换相电抗器，连接到VSC换流站。VSC换流站采用两电平、三电平中点钳位或模块化多电平换流器(MMC)结构。VSC换流站直流侧采用双极接线，并连接到直流母线。
稳态运行时，第i个VSC换流站在交流***侧可等效为受控电压源Uci∠δci，在直流侧可等效为可控电流源Ic,dci。稳态运行忽略电压电流中谐波分量，仅考虑基波分量，可以得到第i个换流站考虑换流器损耗的等效电路图，如图3所示。
其中，变压器阻抗为Zti＝Rti+jXti；滤波器导纳为jBfi；换相电抗器阻抗为Zci＝Rci+jXci。PCC节点的视在功率Ssi＝Psi+jQsi，变压器节点的视在功率Sfsi＝Pfsi+jQfsi，滤波器节点的视在功率Sfi＝jQfi，换相电抗器节点的视在功率Scfi＝Pcfi+jQcfi，VSC交流侧节点的视在功率Sci＝Pci+jQci。
取功率方向为正向，可得VSC直流侧与交流侧的有功功率平衡方程，即，VSC换流站稳态模型为：
Pc,dci＝-Pci-Pc,lossi
其中，Pc,lossi为VSC功率损耗，由于电力电子器件通态损耗、开关损耗等造成，Pci为VSC交流侧节点的有功功率，Pc,dci为VSC流向直流节点的直流注入功率。
IEC62751标准建议利用电磁暂态仿真来进行计算，再由曲线拟合得到精确模型。换流器电流的二次函数，即，VSC换流站的有功损耗如下式所示：
其中，ai、bi和ci为损耗特性参数；Ici为VSC流过的交流电流标幺值，系数ai模拟与Ici平方成正比的损耗，系数bi模拟与Ici成正比的损耗，系数ci模拟固定损耗，Ici可按下式求得。
其中，Uci为VSC交流侧节点电压；Ufi为滤波器节点电压；Pci和Qci分别表示VSC交流侧节点的有功功率和无功功率；Pcfi和Qcfi分别表示滤波器节点的有功功率和无功功率。
(2)建立交直流配电网最优潮流模型，目标函数为包含VSC换流站有功损耗的交直流配电网的有功网络损耗，决策变量为交流配电网的主动管理元素和VSC换流站特定控制方式下的控制变量；
目标函数为：
其中，为直流网络损耗，为交流网络损耗，为所有VSC换流站的损耗。
在交直流配电网最优潮流框架下，交流***部分的主动管理元素包括：有载调压变压器(on-load tap changer，OLTC)；无功补偿装置，包括离散无功补偿(shuntcapacitor，SCP)和连续无功补偿(static var generator，SVG)；有功调节装置，包括可控发电机组(controlled generator，CG)和柔性负荷(flexible load，FL)。最优潮流目标函数一般为线性的，因此对于交流配电网部分主要考虑的是在满足以上主动管理元素的运行约束条件下，对其参数进行最优决策。
VSC换流站的控制方式灵活多变，可实现多种控制目标，保持所连交流节点电压恒定，通过合理调控换流器端口电压Uci∠δci，能够实现对有功变量和无功变量的解耦控制。如图4所示，主要运行控制方式包括3种有功分量控制和2种无功分量控制，有功分量控制包括定直流电控制、定有功功率控制和有功-电压下垂控制，无功分量控制包括定无功功率控制和定交流电压控制。
在交直流潮流计算时，每个VSC需选定两个控制目标，一般常见的有以下几个组合：1)定Udc、定Qs控制；2)定Udc、定Us控制；3)定Ps、定Qs控制；4)定Ps、定Us控制；5)电压下垂、定Qs控制；6)电压下垂、定Us控制。不同控制方式对于潮流计算过程中的等效方式和处理方法有所区别。在交直流***运行过程中，VSC换流站的控制方式以及控制变量的选取都将直接影响交直流稳态潮流。
对于直流电网优化部分，考虑特定控制方式下的VSC换流站的控制变量的调节。对于交流配电网部分部分，考虑主动管理元素的参数进行调节。
单点电压控制:[Udc Ps Qs Us MAC]
电压下垂控制：[kp Udcref Pdcref Ps Qs Us MAC]
式中：Udc为换流站对应直流母线的直流电压，Ps、Qs、Us分别为PCC节点流入交流电网的有功功率、无功功率、PCC节点的交流电压，MAC为交流配电网内主动管理元素参数矩阵，kp为换流站电压下垂系数，Pdcref、Udcref分别为原始参考运行点的有功设定值和电压设定值。
需要注意的是，电压下垂控制根据换流站的设计容量、运行工况等条件预先设定下垂系数，使得整个网络的功率变化能够按照一定的比例来分摊至多个换流站，因此实际运行中不能对kp进行频繁调整，选取原始有功设定值Pdcref和原始电压设定值Udcref来作为控制变量。
满足主动管理元素和VSC换流站特定控制方式的约束条件包括：
等式约束，主要包括交流***的潮流平衡方程和直流电网的有功平衡方程。
其中，ΔPi和ΔQi为交流节点i的功率偏差；Pgi、Qgi分别为第i台发电机的有功、无功出力；Pdi和Qdi为换流站注入交流节点i的功率；θij为节点i和j之间的相角差；Gij+jBij为节点i和j之间的导纳。
不等式约束，主要包括交流***不等式约束，直流电网运行不等式约束和VSC换流站运行不等式约束。
交流***不等式约束，包括电源有功和无功出力的边界限制、节点电压幅值的上下限，以及线路载流容量约束。
其中，PGimax、PGimin为发电机有功出力上下限；QGimax、QGimin为发电机无功出力上下限；Uimax、Uimin为节点电压上下限；Pijmax为支路ij潮流上限。
直流电网运行不等式约束，同样需要满足节点电压和线路电流的约束。
其中，Udcimax、Udcimin分别为直流节点i所允许的电压上、下限；Idcimax为直流线路ij可承载的最大电流。
VSC换流站运行不等式约束，为保障换流站安全运行，VSC的稳态运行点必须在其PQ容量限制范围内，区域大小主要受限于换流元件可承载电流和VSC交流侧端口电压的限制。
其中，Icimax为换流元件可承载的最大电流，对应于换流器视在功率的容量限制；Ucimax表示为避免出现过调制，换流器所能生成的最大交流端口电压；Ucimin为换流器交流端口电压下限，对应于最小无功输出限制，MMC及没有无功输出限制的VSC可忽略该约束，Svsci为第i个换流站的最大容量。
(3)基于交直流交替迭代潮流算法和双重粒子群算法对模型进行求解。
本发明采用计及换流站精确损耗的含电压源型换流器直流电网的交直流网络潮流交替迭代方法对交直流配电网内的潮流进行计算，潮流计算结果用于求取最优潮流的目标函数值。
交直流交替迭代潮流算法将VSC换流站的不同控制方式在交直流侧分别进行解耦等效，先进行直流电网潮流迭代，后进行交流电网潮流迭代，两者通过全局迭代变量Ps、Qs、Us、δs，实现交互影响，交替迭代计算直至直流电网、换流站和交流电网全部收敛，具体流程如图5所示。
交直流交替迭代潮流计算方法将VSC换流站控制方式及控制参量在潮流计算过程中解耦出来进行独立控制和调整，用于最优潮流模型框架内，便于实现VSC控制参数调整后的潮流求解和目标函数值的计算。
本发明采用双重粒子群(dualparticle swarm optimization，DPSO)算法对含多种可控变量的配电网最优潮流模型进行建立与求解。
粒子群前进的速度包括大小和方向，是以粒子当前速度、个体极值和全局极值共同加权决定的。粒子群位置更新公式：
其中，i为粒子编号，t为迭代次数，为第i个粒子在第t次迭代中的个体极值，为第t次迭代中所有粒子的全局极值，分别为第i个粒子在第t次迭代中的速度和位置，ω、c1、和c2为速度更新时的权重系数，rand1()、rand2()产生0到1之间的随机数。
粒子位置的每一维xid限制为0或1，对于速度vid则无这种限制，速度值代表了粒子位置接近1的概率。离散粒子群状态更新公式：
其中，表示在第t+1次迭代后第i个粒子的第d维相量，为Sigmoid函数，用于保证的每个分量均为0或1，xid为预定阈值，常用随机数表示。离散粒子群的其余内容与连续粒子群一致。
最优潮流算法的具体步骤：
(1)初始化连续部分和离散部分的粒子位置和速度，初始化过程中通过交直流潮流计算进行筛选，使其满足运行约束条件；
(2)对所有粒子对应的运行状态进行潮流计算并求其目标函数值，对不满足约束的对其目标函数值施加惩罚项；
(3)求取个体极值和全局极值，计算所有粒子下一次迭代的速度，更新粒子的位置；
(4)返回步骤(2)进行迭代计算直至最大迭代次数；
(5)返回全局极值对应的所有运行参数及相关结果。
本发明基于Matlab2015a进行了模型建立及验证。下面通过一个算例对本发明做进一步的说明。
以修订后的与直流电网互联的IEEE33节点***对提出的交直流配电网最优潮流模型进行建模分析。如图6所示，修订后的IEEE33节点***的网架拓扑结构，其节点电压上下限分别为1.05和0.95(标幺值)。在交流网络部分，添加了有载调压变压器(OLTC)、并联无功补偿器(SCP)、静止无功发生器(SVG)、可调机组(CG)和柔性负荷(FL)，具体参数见表1与表2。另外，在交流网络中包含二个风电机组和一个光伏，分别位于节点5、26和17，预测有功出力分别为350kW，400kW和250kW，其中风电功率因数取为0.9。
表1
表2
在IEEE33节点***内增加了一个电压等级为±7.5kV的3端VSC直流网络，其具体拓扑结构如图7所示。交直流配电网络基准容量统一为10MVA，直流网络部分的基准电压为7.5kV。其中换流站节点1、2、3分别与交流配电网节点1、12、30节点相连，直流节点4、5和6为纯直流节点，换流站交流侧参数及直流电网节点见表3，直流电网线路参数见表4。直流节点4接有电动汽车负荷，节点5接有直流光伏电源和直流负荷，节点6接有储能装置、风电电源和直流负荷，在表中直接将其等效为直流电源和直流负荷。
表3
表4
本发明基于提出的交直流配电网最优潮流模型，针对与三端VSC直流网络互联的修订后的IEEE33配电网***进行算例仿真。分别对单点电压控制和电压下垂控制两种电压控制方式进行模型验证，单点电压控制选取VSC1为电压站、定Qs控制，电压下垂控制选取VSC1与VSC2为电压站，下垂系数ρ为0.04、定Qs控制，其余VSC换流站均为定Ps、定Qs控制方式。将算例中不同场景描述如下，case1：IEEE33原始场景，case2：IEEE33(无直流互联)纯交流控制，case3：单点电压控制下纯直流控制，case4：电压下垂控制下纯直流控制，case5：单点电压控制下交直流控制，case6：电压下垂控制下交直流控制，表5为不同场景下换流站控制方式及其运行参数。粒子群算法初始生成100个粒子，最大迭代次数设置为40，c1＝1；c2＝2；w＝0.5。
表5
图8给出了在不同场景下，多端柔直互联的修订后的IEEE33节点***最优潮流计算结果。显然，在仅考虑交流***无功调节设备及柔性负荷调节作用时，case2的网损削减了132.9kW。在仅考虑直流换流站的调节作用时，***网损同样得到了明显的削减(case3、case4分别减小约136.5kW和138.5kW)。可见通过优化VSC换流站的运行参数，可以改善***整体运行工况，达到甚至超越交流配电网内多种可控设备的潮流调节效果。在进一步考虑交流***内的无功调节设备及柔性负荷后，case5与case6相对于case3和case4的***网损进一步减少了16kW、15.4kW。在减少***无功流动和降低网损的同时，交流节点电压水平整体得到了提高。通过对比可以发现，单点电压控制时交流节点电压和直流节点电压比电压下垂控制时的整体改善情况更好。
图9给出了本发明算例最优潮流结果的收敛情况，不同场景下的最优潮流结果均在5-10次迭代后趋向于收敛值，具备良好的收敛性能。表6和表7则给出了不同场景下，多端柔直互联的修订后的IEEE33节点***最优潮流结果对应的决策变量值。
表6
表7

Claims (6)

1.一种计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，其特征在于，包括步骤：
(1)建立VSC换流站稳态模型，计算VSC换流站的有功损耗；
(2)建立交直流配电网最优潮流模型，目标函数为包含VSC换流站有功损耗的交直流配电网的有功网络损耗，决策变量为交流配电网的主动管理元素和VSC换流站特定控制方式下的控制变量；
(3)基于交直流交替迭代潮流算法和双重粒子群算法对模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，其特征在于，所述步骤1中，VSC换流站稳态模型为：
Pc,dci＝-Pci-Pc,lossi
其中，Pc,lossi为VSC功率损耗，Pci为VSC交流侧节点的有功功率，Pc,dci为VSC流向直流节点的直流注入功率；
VSC换流站的有功损耗为：
其中，ai、bi和ci为损耗特性参数；Ici为VSC流过的交流电流标幺值，系数ai模拟与Ici平方成正比的损耗，系数bi模拟与Ici成正比的损耗，系数ci模拟固定损耗。
3.根据权利要求1所述的计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，其特征在于，所述步骤2中，目标函数为：
其中，为直流有功网络损耗，为交流有功网络损耗，为VSC换流站的有功损耗；
交流配电网的主动管理元素包括有载调压变压器、无功补偿装置、有功调节装置；
VSC换流站控制方式包括有功分量控制和无功分量控制，有功分量控制包括定直流电控制、定有功功率控制和有功-电压下垂控制，无功分量控制包括定无功功率控制和定交流电压控制。
4.根据权利要求3所述的计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，其特征在于，满足主动管理元素和VSC换流站特定控制方式的约束条件包括：
等式约束条件包括：
交流***的潮流平衡方程和直流电网的有功平衡方程：
其中，ΔPi、ΔQi分别为交流节点i的有功功率偏差、无功功率偏差；Pgi、Qgi分别为第i台发电机的有功出力、无功出力；Pdi、Qdi分别为换流站注入交流节点i的有功功率、无功功率；θij为节点i和j之间的相角差；Gij+jBij为节点i和j之间的导纳；
不等式约束条件包括：
交流***不等式约束：
其中，PGimax、PGimin为发电机有功出力上下限；QGimax、QGimin为发电机无功出力上下限；Uimax、Uimin为节点电压上下限；Pijmax为支路ij潮流上限；
直流电网运行不等式约束：
其中，Udcimax、Udcimin分别为直流节点i所允许的电压上下限；Idcimax为直流线路ij可承载的最大电流；
VSC换流站运行不等式约束：
其中，Icimax为换流元件可承载的最大电流；Ucimax为换流器所能生成的最大交流端口电压；Ucimin为换流器交流端口电压下限；Svsci为第i个换流站的最大容量。
5.根据权利要求1所述的计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，其特征在于，所述步骤3中，采用双重粒子群算法对交直流配电网最优潮流模型进行建立与求解，包括步骤：
(1)初始化连续部分和离散部分的粒子位置和速度，初始化过程中通过交直流潮流计算进行筛选，使其满足运行约束条件；
(2)对所有粒子对应的运行状态进行交直流潮流计算并求其目标函数值，对不满足约束的对其目标函数值施加惩罚项；
(3)求取个体极值和全局极值，计算所有粒子下一次迭代的速度，更新粒子的位置；
(4)返回步骤(2)进行迭代计算直至最大迭代次数；
(5)返回全局极值对应的所有运行参数及相关结果。
6.根据权利要求5所述的计及VSC控制方式的交直流配电网最优潮流计算方法，其特征在于，交直流潮流计算采用交直流交替迭代潮流算法，具体包括：将VSC换流站的不同控制方式在交直流侧分别进行解耦等效，先进行直流电网潮流迭代，后进行交流电网潮流迭代，两者通过全局迭代变量，交替迭代计算直至直流电网、换流站和交流电网全部收敛。
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