CN113839405B - 新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性直流输电***领域，提供了一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法及***。其中，该方法包括获取柔直电网送出***拓扑结构及直流网内各换流站容量之比，得到柔直电网送出***故障穿越的暂态约束条件；以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，以用于指导柔直电网送出***的设计。

Description

新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法及***
技术领域
本发明属于柔性直流输电***领域，尤其涉及一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
柔性直流输电可以为新能源孤岛功率的传输和消纳提供电压支撑及无功补偿，是大规模、远距离新能源并网的优选方案之一。柔直电网可以实现多能互补并提高供电可靠性，但是目前柔直电网仍处于研究探索与工程试验阶段，柔直换流站故障后的穿越能力是制约其稳定运行的重要因素。柔直换流站故障引起的盈网内余功率将在几十毫秒导致整个直流***过压值达到保护动作水平，而新能源发电功率的控制过程至少为百毫秒级。柔直换流站与新能源机组保护控制之间时间尺度上的不匹配，将导致***中产生大量暂态盈余功率，进而引起直流电压上升，最终导致整个***停运，***无法实现可靠的故障穿越。
因此，由新能源功率控制响应时间与直流***电压变化时间尺度不匹配带来的盈余功率问题亟待解决，以提升***的安全运行及故障穿越能力。研究发现，***故障穿越能力差主要受限于器件参数能力，***运行功率、直流电压等级与主电路器件耐压、耐流水平不匹配，难以保证故障后***的安全。现有柔性直流输电***参数设计方法中，设计前提均为送端有交流***支撑场景。，新能源孤岛接入柔直电网场景下，一旦网内出现暂态盈余功率，若不附加耗能装置***无法实现可靠的故障穿越，最终将造成设备损坏甚至***大面积瘫痪，已有柔性直流输电***参数设计方法无法克服此问题。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法及***，其以器件参数能力为关键指标，在常规设计运行约束的基础上保证***的故障穿越能力，能够保证新能源孤岛经柔直电网送出***的稳定运行及故障穿越能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法，其包括：
获取柔直电网送出***拓扑结构及直流网内各换流站容量之比，得到柔直电网送出***故障穿越的暂态约束条件；
以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，以用于指导柔直电网送出***的设计。
本发明的第二个方面提供一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化***，其包括：
暂态约束条件计算模块，其用于获取柔直电网送出***拓扑结构及直流网内各换流站容量之比，得到柔直电网送出***故障穿越的暂态约束条件；
***参数优化模块，其用于以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，以用于指导柔直电网送出***的设计。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，在保证新能源孤岛经柔直电网送出***安全运行的前提下，保证了***器件参数与故障穿越能力相匹配，而且该按照本发明的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法所设计的***参数能够保证***稳定运行及受端换流站闭锁故障穿越，，对新能源孤岛经柔直电网送出***的规划设计具有借鉴意义。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中新能源孤岛经柔直电网送出***拓扑示意图；
图2为本发明实施例中新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法流程图；
图3为本发明实施例中NSGA-Ⅱ算法流程图；
图4为本发明实施例中新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化设计流程图；
图5(a)为本发明实施例中换流站1功率图；
图5(b)为本发明实施例中换流站2功率图；
图5(c)为本发明实施例中换流站3功率图；
图5(d)为本发明实施例中新能源孤岛经柔直电网送出***直流电压图；
图5(e)为本发明实施例中新能源孤岛经柔直电网送出***环流图；
图5(f)为本发明实施例中新能源孤岛经柔直电网送出***子模块电容电压平均值图；
图6为本发明实施例中新能源孤岛经柔直电网送出***受端换流站闭锁故障穿越图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图2，本实施例的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法，其具体包括如下步骤：
步骤S101：获取柔直电网送出***拓扑结构及直流网内各换流站容量之比，得到柔直电网送出***故障穿越的暂态约束条件。
假设柔直电网中共有n个换流站，其中各换流站容量之比已知，则换流站1的功率P1至换流站n的功率Pn的额定运行功率之比P1:P2:…:Pn已知，换流站1至换流站n的等效电容之比C1:C2:…:Cn已知，最大允许过压倍数K已知。
为保证***实现网内存在大量暂态盈余功率下的故障穿越，考虑受端最大容量的换流站i发生闭锁故障，一旦此故障发生，网内盈余功率最多，为最严重的故障情况。根据暂态盈余功率与换流站等效电容值之间的关系，换流站子模块电容与换流站i的功率配合实现故障穿越的暂态约束条件为
C0j为第j个换流站的子模块电容容值，N为换流器相单元子模块个数，K为直流电网允许的过压倍数，KUdc0为过压保护限值，Udc0为正常运行额定直流电压，tmax是新能源机组的最快切机响应时间。
步骤S102：以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，以用于指导柔直电网送出***的设计。
其中，器件参数能力包括：现有器件制造水平下，换流器的主要器件如IGBT及子模块电容的额定电压、电流及耐压、耐流水平等参数。
等式约束条件包括：换流站运行功率与直流电压及桥臂电流之间的关系、直流电压与子模块电容稳态平均电压及个数之间的关系；稳态约束条件包括：电容电压波动约束、环流约束、谐振约束等，具体可根据工程需求进行约束条件的选择；如式(2)所示。
S为换流站视在功率，C0为换流站子模块电容值，m为调制比，ε为电容电压波动允许范围，U0为换流站子模块稳态平均电压，ω为角频率，L为换流站桥臂电感，γ为环流允许占额定电流百分比，UN为额定交流电压，Udc为直流电压，Idc为直流电流，α为经验系数。
结合***安全运行的稳态约束条件及(1)提出的暂态约束条件，以直流电压等级最低、换流站运行功率最高为设计目标f1及f2，如式(3)所示，得到现有器件制造水平下合理的***换流站主电路参数取值范围。
在具体实施中，根据多目标优化遗传算法，以柔直电网送出***换流站主电路参数作为遗传算法种群中的个体，优化柔直电网送出***换流站主电路参数。
其中，当多目标优化遗传算法满足迭代次数要求后，选择种群第一前沿面中指定拥挤距离的个体，即换流站主电路参数取值；所述指定拥挤距离的个体对应的优化目标函数值即为***直流电压等级及运行功率。
在具体的实施方式中，新能源孤岛经柔直电网送出***示意图如图1所示。换流站1为连接新能源电场的送端换流站，换流站2连接交流***，为采用定直流电压控制的平衡站，换流站3为连接交流***的受端换流站，采用定有功功率控制。若要求换流站1与换流站2、3的容量之比为2:1:1，计算如图1所示***直流电压等级、运行功率及换流站主电路参数的具体方法如图4所示，包括以下步骤：
根据规划提出的***拓扑及直流网内各换流站容量之比，得到***实现故障穿越的暂态约束条件；
规划三端柔直电网，换流站1的功率P1至换流站3的功率P3的额定运行功率之比为2:1:1，换流站1至换流站3的等效电容之比为2:1:1。
为保证***实现网内存在大量暂态盈余功率下的故障穿越，考虑换流站3发生闭锁故障，一旦此故障发生，网内盈余功率最多，为最严重的故障情况。式(1)可以转换为式(4)所示。
根据多目标优化遗传算法，考虑器件参数能力，以***各参数作为遗传算法种群中的个体；
其中，器件参数能力包括：现有器件制造水平下，换流器的主要器件如IGBT及子模块电容的额定电压、电流及直流电网耐压水平、换流器相单元子模块电容个数及容值等参数。
其中，最大允许过压倍数K按照经验值取1.3，新能源机组的最快切机响应时间tmax按照经验值取160ms，***参数子模块电容容值C0j、相单元子模块个数N及桥臂电感L未知，设计目标直流电压等级Udc0及换流站输送功率水平P3未知。根据目前的柔性直流输电领域子模块电容器制造水平，给定C0j的取值范围为0-20mF，子模块电容额定电压Uc0的取值范围为0-5kV；根据换流器阀控制器复杂程度，给定换流器相单元子模块个数N的取值范围为0-250；根据电感制造水平及工程经验，给定桥臂电感的取值范围为0-200mH，根据以上***参数取值范围内随机生成种群初始个体；根据IGBT的制造水平，指定换流站3采用5.2kV/1.5kA规格的IGBT，而在进行IGBT选择时要考虑预留1.5-2倍的电流裕度，因此桥臂电流的取值范围为0.75-1kA。
结合***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件作为多目标优化遗传算法的约束条件，以直流电压等级、运行功率作为设计目标，最终得到***运行参数及换流站主电路参数。
其中，等式约束条件包括：换流站运行功率与直流电压及桥臂电流之间的关系、直流电压与子模块电容稳态平均电压及个数之间的关系；稳态约束条件包括：电容电压波动约束、环流约束、谐振约束；如式(2)所示。其流程如下：
1)根据规划设计，首先设计换流站3的相关***参数，式(2)可以转换为式(5)所示；
2)给定约束条件中各系数取值：电容电压波动约束中ε为10％，环流约束中γ为20％，功率等式约束条件中α为1.17；
3)利用多目标优化算法NSGA-II不断迭代，如图3所示，求解换流站3的各参数的最优解集，本例中取拥挤距离排前5的个体及对应的目标作为优化结果。
NSGA-II算法的基本参数设置如表1所示：
表1 NSGA-Ⅱ算法基本参数
表2换流站3运行参数
4)根据得到的换流站3的各参数及约束条件，可以得到整个***的运行参数。
以表2第一列参数为例，近似选择受端换流站直流输送容量为1050MW。为便于输电设备的标准化设计生产，直流电压等级序列应标准化，因此本节对应选择直流电压为±500kV，由此可得新能源孤岛经三端柔直电网送出***的参数如表3所示：
表3新能源孤岛经三端柔直电网送出***设计参数
以表3所示设计参数搭建新能源孤岛经三端柔直电网送出***仿真模型，图5(a)-图5(f)表明根据本实施例的该方法所设计的***可以稳定运行，图6表明***受端换流站闭锁后，在新能源机组切机时，直流过压程度远低于直流电网过压保护动作值，因此可以实现受端换流站闭锁故障穿越。
实施例二
本实施例提供了一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化***，其具体包括如下模块：
暂态约束条件计算模块，其用于获取柔直电网送出***拓扑结构及直流网内各换流站容量之比，得到柔直电网送出***故障穿越的暂态约束条件；
***参数优化模块，其用于以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，以用于指导柔直电网送出***的设计。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法，其特征在于，包括：
获取柔直电网送出***拓扑结构及直流网内各换流站容量之比，得到柔直电网送出***故障穿越的暂态约束条件；
假设柔直电网中共有n个换流站，其中各换流站容量之比已知，则换流站1的功率P1至换流站n的功率Pn的额定运行功率之比P1:P2:…:Pn已知，换流站1至换流站n的等效电容之比C1:C2:…:Cn已知，最大允许过压倍数K已知；
根据暂态盈余功率与换流站等效电容值之间的关系，换流站子模块电容与换流站i的功率配合实现故障穿越的暂态约束条件为：
C0j为第j个换流站的子模块电容容值，N为换流器相单元子模块个数，K为直流电网允许的过压倍数，KUdc0为过压保护限值，Udc0为正常运行额定直流电压，tmax是新能源机组的最快切机响应时间；
以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，以用于指导柔直电网送出***的设计；
所述器件参数能力包括换流器的内部器件的额定电压、电流及直流电网耐压水平、换流器相单元子模块电容个数及容值；
根据多目标优化遗传算法，以柔直电网送出***换流站主电路参数作为遗传算法种群中的个体，优化柔直电网送出***换流站主电路参数；
当多目标优化遗传算法满足迭代次数要求后，选择种群第一前沿面中指定拥挤距离的个体，即换流站主电路参数取值；所述指定拥挤距离的个体对应的优化目标函数值即为***直流电压等级及运行功率。
2.如权利要求1所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法，其特征在于，等式约束条件包括换流站运行功率与直流电压及桥臂电流之间的关系、直流电压与子模块电容稳态平均电压及个数之间的关系。
3.如权利要求1所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法，其特征在于，稳态约束条件包括电容电压波动约束、环流约束和谐振约束。
4.一种新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化***，其特征在于，包括：
暂态约束条件计算模块，其用于获取柔直电网送出***拓扑结构及直流网内各换流站容量之比，得到柔直电网送出***故障穿越的暂态约束条件；
假设柔直电网中共有n个换流站，其中各换流站容量之比已知，则换流站1的功率P1至换流站n的功率Pn的额定运行功率之比P1:P2:…:Pn已知，换流站1至换流站n的等效电容之比C1:C2:…:Cn已知，最大允许过压倍数K已知；
根据暂态盈余功率与换流站等效电容值之间的关系，换流站子模块电容与换流站i的功率配合实现故障穿越的暂态约束条件为：
C0j为第j个换流站的子模块电容容值，N为换流器相单元子模块个数，K为直流电网允许的过压倍数，KUdc0为过压保护限值，Udc0为正常运行额定直流电压，tmax是新能源机组的最快切机响应时间；
***参数优化模块，其用于以直流电压等级最低及运行功率最高作为设计目标，在考虑器件参数能力、***安全稳定运行的等式约束条件、稳态约束条件及暂态约束条件下，得到柔直电网送出***换流站主电路参数取值范围，得到柔直电网送出***优化后的参数，以用于指导柔直电网送出***的设计；
所述器件参数能力包括换流器的内部器件的额定电压、电流及直流电网耐压水平、换流器相单元子模块电容个数及容值；
根据多目标优化遗传算法，以柔直电网送出***换流站主电路参数作为遗传算法种群中的个体，优化柔直电网送出***换流站主电路参数；
当多目标优化遗传算法满足迭代次数要求后，选择种群第一前沿面中指定拥挤距离的个体，即换流站主电路参数取值；所述指定拥挤距离的个体对应的优化目标函数值即为***直流电压等级及运行功率。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法中的步骤。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的新能源孤岛经柔直电网送出***参数优化方法中的步骤。
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