CN113595052B - 一种计及电流潮流控制器的交直流电网多目标潮流优化方法 - Google Patents

一种计及电流潮流控制器的交直流电网多目标潮流优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及电流潮流控制器的交直流电网多目标潮流优化方法，输入电网初始数据；对交直流混合***进行初始潮流计算；求取DC CFC在目标装设线路上的潮流调控域；构建多目标潮流优化模型，并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；利用遗传算法对选取的待优化参数进行多目标寻优，得到全局最优解；用最优解更新***控制参数，进行优化后的含DC CFC交直流电网进行潮流计算。本发明提升了交直流混合电网运行安全性、稳定性及经济性。

Description

一种计及电流潮流控制器的交直流电网多目标潮流优化方法
技术领域
本发明涉及电力输送技术领域，特别涉及一种计及电流潮流控制器的交直流电网潮流优化方法。
背景技术
电流潮流控制器(DC current flow controller，DC CFC)凭借其强大的潮流调控能力，简单的结构和具备拓展多自由度的潜力，为直流电网的进一步发展提供了可能。潮流优化能够改善***潮流分布情况，提高电网运行稳定性，减少***运行损耗，是稳态分析的重要课题。直流电压偏移量和直流线路的负载严重程度是衡量交直流电网运行状态的重要指标，通过调整电网各控制参数来使电网达到最优运行状态，提高***运行安全性和经济性，是提高交直流***输电能力的关键技术。
现有针对交直流电网的潮流优化研究大多针对包含简单直流电网的交直流混合***或在此基础上增加换流站控制，缺乏对包含有潮流控制器的复杂交直流混合***的最优潮流研究。加装DC CFC后，***控制自由度得到了增加，但同时引入了新的控制变量和约束方程，使得原有交直流电网最优潮流分析算法不再完全适用；且由于DC CFC的控制支路间存在耦合关系，不可直接选取DC CFC被控支路上的等效直流变比或输出电压作为优化变量，因此需要研究开发一种新的考虑DC CFC控制作用的交直流电网潮流优化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计及DC CFC的交直流电网多目标潮流优化方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种计及DC CFC的交直流电网多目标潮流优化方法，包括如下步骤：
步骤1、输入电网初始数据；
步骤2、对交直流混合***进行初始潮流计算；
步骤3、在步骤2得出的交直流电网潮流分布情况下，求取DC CFC在目标装设线路上的潮流调控域；
步骤4、构建多目标潮流优化模型，并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；
步骤5、针对步骤4中得到的优化函数，利用遗传算法对选取的待优化参数进行多目标寻优，得到全局最优解；
步骤6、用步骤5所得最优解更新***控制参数，进行优化后的含DC CFC交直流电网进行潮流计算，同时计算***安全性指标和经济性指标的值，验证***运行的安全性、稳定性和经济性。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：提出了DC CFC的潮流调控域概念，用潮流调控域给出DC CFC对装设线路的潮流调节范围，直观地描述DC CFC对被控线路的潮流控制能力；解决了含DC CFC的交直流混合电网的多目标潮流优化问题，使***运行在最优状态下，提升了交直流混合电网运行安全性、稳定性及经济性。
附图说明
图1是VSC型换流站等效电路图。
图2是DC CFC拓扑结构图。
图3是交直流***交替迭代法潮流计算程序框图。
图4是控电压站潮流迭代程序框图。
图5是正弦转换函数图。
图6是含有DC CFC的直流电网潮流计算程序框图。
图7是本发明的实施例中含DC CFC的交直流混合***拓扑图。
图8是本发明的实施例中DC CFC潮流调控域。
图9是本发明的实施例中目标函数值迭代收敛曲线图。
图10是本发明的实施例中不同优化情况下的***性能指标分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
步骤1、输入电网初始数据，包括交直流电网已知的节点电压、节点注入功率、线路阻抗、VSC型换流站内部数据及损耗系数、DC CFC储能电容C两端电压，其中VSC型换流站内部数据种类包括换流变压器阻抗、滤波电容器的导纳及电抗器阻抗。
附图1给出了VSC型换流站等效电路图，其中换流变压器阻抗为Zt＝Rt+jXt；滤波电容器的导纳为jBf；电抗器阻抗为Zc＝Rc+jXc；换流站交流侧视在功率为Ss＝Ps+jQs，节点电压为Us∠δs；换流阀交流出口视在功率为Sc＝Pc+jQc；换流阀交流出口电压为Uc∠δc；换流站输出直流有功功率为Pc,dc，输出直流电流为Ic,dc；换流站交流侧用电压源来模拟，直流侧用电流源来模拟。
附图2给出了DC CFC拓扑结构图，该潮流控制器由两个分别串接于主控线路和辅控线路上的完全相同的全桥DC/DC变换器组成，其储能电容C以并联形式相连，装设于主控线路和辅控线路之间，通过对全桥变换器开关操作的不同组合，可以使电容C工作在旁路、充电、放电三种状态下，使得两变换器在满足功率守恒的前提下，向线路输出与线路始端节点电压串联的电压，等效改变了线路参数，实现潮流在特定线路中的定向、定量输送。规定装设DC CFC的两条支路中，被DC CFC直接控制潮流的线路为主控支路ij，另一条为辅控支路ik。
步骤2、对交直流混合***进行初始潮流计算，图3给出了交直流***交替迭代法潮流计算程序框图。
步骤2.1、读取电网数据，形成AC、DC节点导纳矩阵；
步骤2.2、计算控电压站对换流阀交流出口注入的初始功率Pc (0)、对换流站交流母线注入的初始功率Ps (0)；
步骤2.3、进行交流电网潮流计算，得到控功率站交流母线Us∠δs (k)、Ss (k)；得到控电压站交流母线Us∠δs (k)、Qs (k)；
步骤2.4、计算换流阀交流出口Pc (k)、Uc∠δc (k)、换流站损耗Pc.loss (k)；
步骤2.5、换流站越限检查；
步骤2.6、进行直流电网潮流计算；
步骤2.7、进行内部迭代，计算控电压站对换流站交流母线的注入功率PS (k)，图4给出了控电压站潮流迭代程序框图；
步骤2.8、校验是否达到收敛要求：ΔPs (k)＝Ps (k)-Ps (k-1)＜ε，如未达到收敛要求，利用公式Ps (k+1)＝Ps (k)对Ps的值进行更新；如满足要求，则输出潮流计算结果，程序结束。
步骤3、在步骤2得出的交直流电网潮流分布条件下，求取DC CFC在目标装设线路上的潮流调控域。
步骤3.1、设置DC CFC容量阈值、储能电容C两端电压、DC CFC主控线路上控制SC1的PWM信号占空比dc1的取值范围及其初始值dc1 (0)(一般设置为取值下限)；
步骤3.2、将dc1带入式(1-3)中，求得DC CFC装设线路上各个节点的附加注入功率；
以图2中拓扑结构为例进行分析。式(1)为DC CFC在主控线路上引入的等效电压eij的表达式，其中da为控制CFC中IGBT SA的PWM信号占空比，通常取常数0.5，Uc为储能电容C两端电压；式(2)为两线路DC CFC的输出功率守恒约束，其中Ui、Uj分别为节点i、j的电压，Rij、Rik分别为支路ij、ik的电阻；式(3)为DC CFC向主控支路ij两端节点i和节点j注入的附加注入功率，Pi、Pj为DC CFC介入工作之前节点i、j的注入功率，Pi’、Pj’是DC CFC介入工作之后节点i、j的注入功率，δPi、δPj为节点i、j的附加注入功率；Yij是支路Lij的导纳。
同理，对支路ik分析可推导得出辅控线路两端的注入功率和附加注入功率。
eij＝(da-dc1)·Uc (1)
步骤3.3、求解直流电网潮流，得出DC CFC主控线路/辅控线路的潮流调控值；
步骤3.4、计算此时两线路上全桥变换器的输出功率，校验输出功率是否越限，如越限则舍弃本次计算结果，否则得到一个可行解；
步骤3.5、利用dc1 (new)＝dc1 (old)+Δdc1(Δdc1>0)更新dc1的值并返回步骤3.2；
步骤3.6、重复步骤(3.2-3.5)直到遍历dc1适当精度下的所有取值，得到DC CFC潮流调控域。
步骤4、给出多目标潮流优化模型，并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；
步骤4.1、给出多目标优化模型，将直流线路潮流性能指标最小(即潮流性能指标最优)、换流站直流输出电压性能指标最小(即换流站直流输出电压性能指标最优)、有功网损最小三者同时作为优化目标，建立计及DC CFC的交直流混合电网多目标潮流优化模型：
(1)优化变量
u＝[UG,PG,T,C,Ps,Udc,Iijref] (4)
式(4)中，UG为各发电机节点电压幅值向量，PG为各发电机有功出力向量，T为各变压器可控变比向量，C为各可调电容器容量向量，Ps为各控功率换流站交流侧向交流电网注入的有功功率向量，Udc为控电压换流站直流母线电压向量，Iijref为各DC CFC主控线路电流指令值向量。
(2)目标函数及约束条件
s.t.
Pdci＝IdciUdci (14)
Pdci＝Pc,dci+Pgi-Pdi (15)
式(5)-(20)中，IP是直流线路潮流性能指标；Pij是支路ij上的有功潮流；是支路ij的额定输送容量；n为指数系数且其值为正整数；α为换流站集合；ωij是反映支路重要性的权重因子；IU是换流站直流输出电压性能指标；Ui是换流站i直流出口电压；m为指数系数且其值为正整数；β为换流站集合；ωi是反映换流站重要性的权重因子；/>为换流站i直流出口电压的上、下限；Ploss表示***总网损；Pk.loss表示支路k的网损；Pi.loss表示第i个换流站的网损；PCFC.loss表示直流潮流控制器的损耗；Gk表示支路k的电导，其两端电压幅值为Ui和Uj；Ici为第i个换流站交流侧电流；NB为所有支路集合；NVSC为换流站节点集合；NC为加装DC CFC的换流站所连接的所有支路集合；ekA/ekB为DC CFC向被控支路注入的等效电压值；IkA/IkB为流过DC CFC主控/辅控线路的电流值；PGi和PDi分别为节点i的有功发电功率和负荷功率；QGi分别为节点i的无功发电功率和负荷功率；Gij和Bij分别表示节点导纳矩阵中第i行第j列的实部和虚部；NPQ为PQ节点集合；Ni表示与节点i相连的所有节点的集合(包括自身)；s表示平衡节点；a、b、c为换流站损耗系数；Ic为换流站交流侧电流幅值；Gdcij为节点i、j之间线路电导；Pgi为节点i等效直流源输出功率；Pdi为节点i等效直流负载的吸收功率；ΔI为电流误差项，Iijref为线路ij设定的电流指令值；ΔPbbi为节点i处DC CFC引入的附加注入功率，δPij为DC CFC在线路ij上靠近节点i处引入的附加注入功率，δPik同理；UGi、PGi、QGi、Tki、QCi、Ui分别为交流***第i个发电机节点母线电压、发电机有功出力、发电机无功出力、变压器变比、换流站交流出口静态无功补偿、负荷节点母线电压；Udci、Pdci分别为节点i电压及其注入直流电网的有功功率；dc1为DC CFC主控线路上控制SC1的PWM信号占空比；Iijref、Iikref为DC CFC对主控线路和辅控线路的潮流控制指令值，其上下限为2.2节中潮流调控域所反映出的DC CFC被控支路电流指令值的最大/最小值。
步骤4.2、用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；
上一步兼顾电力***运行安全性与经济性指标，形成多目标优化函数式(21)：
对上述提出的多目标优化函数，可采用NSGA-2算法找到尽可能多的Pareto最优解集，但从中决策出满意解比较困难。因而采用转化加权法，利用附图5中的正弦转换函数将分目标优化函数fp(X)转换为无量纲且等量级的目标函数然后用转换后的分目标函数和加权因子ωp构成一个新的统一目标函数：
式(22)中，ωp为多目标优化权重系数，其中ω1、ω2为安全性指标所占权重，体现了对于直流电网运行安全性要求的重视程度，ω3为经济性指标所占权重，体现了对于电网运行经济性要求的重视程度。注意这里正弦转化函数中fp(X)的上限βp的取值不一定按照物理极限选取，可根据优化目标进一步减小。
步骤5、针对步骤4中得到的优化函数，利用遗传算法对选取的待优化参数进行多目标寻优，得到全局最优解；
步骤6、用步骤5所得最优解更新***控制参数，进行优化后的计及DC CFC交直流混合***潮流计算，同时计算***安全性指标和经济性指标的值，验证***运行的安全性、稳定性和经济性。值得注意的是，此步骤中的直流电网潮流计算中将包含DC CFC，附图6给出了含有DC CFC的直流电网潮流计算程序框图。
本发明以充分考虑潮流优化为前提，对交直流***、换流站和直流潮流控制器的控制参数进行优化，其方法实用性强，科学合理，效果明显。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，在传统IEEE57节点***上新增5端6线直流电网进行最优潮流分析。如附图7所示，将±200kV的5节点VSC直流电网添加到IEEE57节点***中，整个电网基准容量设置为100MVA，直流电网基准电压为200kV。
表1给出了模型中换流站控制策略及损耗系数，其中Udc为换流站直流侧电压，Ps、Qs为换流站交流出口的有功功率和无功功率，Us为换流站交流侧电压。换流站两侧节点类型及直流***参数见表2。
表1换流站控制策略及损耗系数
表2换流站两侧节点类型及直流***参数
由N-1原则可知，原直流电网5个换流站最多只能控制4条直流线路潮流，存在2条不可控支路。考虑各线路负载率及N-1工况下的备用DC CFC配置原则，在线路L14及线路L45靠近节点4处装设主DC CFC，其中线路L14为主控线路，L45为辅控线路；在线路L13及线路L15靠近节点1处装设备用DC CFC，其中线路L15为主控线路，L13为辅控线路。
选定DC CFC安装位置后，对DC CFC潮流调控效果进行验证。设置主/辅控线路电流指令值为I14ref＝-800A，I15ref＝-375A，给出CFC联络电容电压值为Uc＝5kV。设定SA的占空比da为0.5，SC1、SC2的占空比dc1和dc2的迭代初值为0.5，在ε1＝10-3W，ε2＝10-2A的收敛精度下，程序在迭代4次后达到收敛。表3给出了加装DC CFC前后直流电网潮流计算结果。可以看出DC CFC的调控使得直流电网潮流分布更加均衡，提升了线路输电能力和***运行安全裕度。
表3加装DC CFC前后直流电网潮流计算结果
验证DC CFC对直流电网的潮流调控效果后，求取该运行环境下DC CFC的潮流调控域。不失一般的，参照国内外工程实际及FACTS/DCPFC选址定容研究，将DC CFC容量设置为2×80MW。通过对DC CFC主控线路上控制SC1的PWM信号占空比dc1进行调节，可得出如附图8所示的DC CFC潮流调控域，其中附图8(a)为主DC CFC潮流控制域，附图8(b)为备用DC CFC潮流控制域。
潮流调控域的引入给出了DC CFC的调控极限，保证了优化算法所提出的解是切实可行的。当DC CFC装设线路确定后，其潮流调控域的范围一般取决于直流***运行条件及其自身容量大小。
进一步地，在确定DC CFC潮流调控域的基础上，采用遗传算法对含DC CFC的交直流混合***开展以安全性和经济性为目标的潮流优化研究，其中多目标优化过程中对电网运行安全性和经济性优化指标赋以相同权重系数，即ω1＝ω2＝ω3。多目标优化函数迭代曲线见附图9。
表4给出了不同运行条件和优化目标下的***安全性指标和经济性指标对比。以IP最小化为单目标的最优潮流计算搜索到全局最优解为0.771 887；以IU最小化为单目标的最优潮流计算搜索到全局最优解为0.136 499；以Ploss最小化为单目标的最优潮流计算搜索到全局最优解为42.355MW；多目标优化给出的结果为IP＝0.800 541，IU＝0.156 916，Ploss＝49.357MW。表5、表6给出了情况六下的***潮流运算结果和详细控制参数取值。
表4不同优化情况下***安全性指标和经济性指标对比
表5情况六下的直流电网潮流计算结果
表6多目标优化后控制参数取值表
附图10a给出了表4中不同情况下的***性能指标分布图(已经过无量纲处理)，反映了不同运行条件和优化目标下电网的安全性/经济性；附图10b给出了多目标优化函数值，反映了不同运行条件和优化目标下电网的综合性能。从图中可以直观的发现，安全性指标和经济性指标在优化过程中是相互冲突的，针对任一单一指标进行优化对***综合性能的提升都较为有限。本发明采用带转化加权的线性组合优化法形成多目标优化函数，综合考虑安全性因素和经济性因素，对***进行多目标寻优，得到的最优解在各个单项上的取值都较为接近单目标优化时的全局最优解，且***综合性能优于任一单一优化目标时的***综合性能。可见本发明提出的计及DC CFC的交直流电网多目标优化算法对于交直流电网运行经济性、安全性均有较大提高。

Claims (1)

1.计及电流潮流控制器的交直流电网多目标潮流优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、输入电网初始数据；
步骤2、对交直流混合***进行初始潮流计算；
步骤3、在步骤2得出的交直流电网潮流分布情况下，求取DC CFC在目标装设线路上的潮流调控域；
步骤4、构建多目标潮流优化模型，并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；
步骤5、针对步骤4中得到的优化函数，利用遗传算法对选取的待优化参数进行多目标寻优，得到全局最优解；
步骤6、用步骤5所得最优解更新***控制参数，进行优化后的含DC CFC交直流电网进行潮流计算；
步骤3中，DC CFC在目标装设线路上的潮流调控域具体为：
步骤3.1、设置DC CFC容量阈值、储能电容C两端电压、DC CFC主控线路上控制SC1的PWM信号占空比dc1的取值范围及其初始值dc1 (0)，一般设置为取值下限；
步骤3.2、求得DC CFC装设线路上各个节点的附加注入功率；
步骤3.3、求解直流电网潮流，得出DC CFC主控线路/辅控线路的潮流调控值；
步骤3.4、计算此时两线路上全桥变换器的输出功率，校验输出功率是否越限，如越限则舍弃本次计算结果，否则得到一个可行解；
步骤3.5、利用dc1 (new)＝dc1 (old)+Δdc1(Δdc1>0)更新dc1的值并返回步骤3.2；
步骤3.6、重复步骤(3.2-3.5)直到遍历dc1适当精度下的所有取值，得到DC CFC潮流调控域；
步骤4中，优化变量包括：
u＝[UG,PG,T,C,Ps,Udc,Iijref] (1)
式中，UG为各发电机节点电压幅值向量，PG为各发电机有功出力向量，T为各变压器可控变比向量，C为各可调电容器容量向量，Ps为各控功率换流站交流侧向交流电网注入的有功功率向量，Udc为控电压换流站直流母线电压向量，Iijref为各DC CFC主控线路电流指令值向量；
步骤4中，多目标优化的优化目标包括：
(1)直流线路潮流性能指标最小
式中：IP是直流线路潮流性能指标；Pij是支路ij上的有功潮流；是支路ij的额定输送容量；n为指数系数且其值为正整数；α为换流站集合；ωij是反映支路重要性的权重因子；IP直观地把实际潮流与潮流极限相比较，可以反映线路潮流拥塞情况；
(2)换流站直流输出电压性能指标最小
式中：IU是换流站直流输出电压性能指标；Ui是换流站i直流出口电压；m为指数系数且其值为正整数；β为换流站集合；ωi是反映换流站重要性的权重因子；为换流站i直流出口电压的上、下限；其中：
(3)有功网损最小
含DC CFC的交直流混合***网损包括支路k的网损、第i个VSC的网损以及潮流控制器的损耗，式中：Ploss表示***总网损；Pk.loss表示支路k的网损；Pi.loss表示第i个换流站的网损；PCFC.loss表示直流潮流控制器的损耗；Gk表示支路k的电导，其两端电压幅值为Ui和Uj；Ici为第i个换流站交流侧电流；NB为所有支路集合；NVSC为换流站节点集合；NC为加装DC CFC的换流站所连接的所有支路集合；ekA/ekB为DC CFC向被控支路注入的等效电压值；IkA/IkB为流过DC CFC主控/辅控线路的电流值；a、b、c为换流站损耗系数；
步骤4形成多目标优化函数为：
步骤4中，采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化具体方法为：
利用正弦转换函数将分目标优化函数fp(X)转换为无量纲且等量级的目标函数然后用转换后的分目标函数和加权因子ωp构成一个新的统一目标函数：
式中，ωp为多目标优化权重系数，其中ω1、ω2为安全性指标所占权重，体现了对于直流电网运行安全性要求的重视程度，ω3为经济性指标所占权重，体现了对于电网运行经济性要求的重视程度；这里正弦转化函数中fp(X)的上限βp的取值不一定按照物理极限选取，可根据优化目标进一步减小。
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