電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法
【專利摘要】一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法，包括：構(gòu)建直流網(wǎng)絡(luò)方程；求解各換流站的直流電壓-電流特性方程；假設(shè)各換流站均運行于正常狀態(tài)，根據(jù)各換流站的直流電壓-電流特性方程以及直流網(wǎng)絡(luò)方程，得到系統(tǒng)正常運行時的特性方程組；利用牛頓-拉夫遜迭代法求解系統(tǒng)特性方程組；分別判斷上述特性方程組的所有解Idci和Udci是否在正常范圍內(nèi)。本發(fā)明推導(dǎo)的VSC-MTDC輸電系統(tǒng)換流站的直流電壓-電流運行特性方程組能夠反應(yīng)各換流站的直流側(cè)穩(wěn)態(tài)運行特性；同時，基于優(yōu)先級的控制模式修正方法能夠在不同工況下準(zhǔn)確地選擇換流站控制模式。
【專利說明】電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直流輸電系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電壓源換流器型高壓直流（voltage source converter based high voltage dc，VSC-HVDC)輸電技術(shù)因采用全控型開關(guān)器件和脈寬調(diào)制技術(shù)使其具有多種傳統(tǒng)直流無 法媲美的優(yōu)點，隨著可再生能源發(fā)電的飛速發(fā)展和輸電走廊的日益緊張，VSC-HVDC輸電技 術(shù)已經(jīng)成為保障輸電安全性與可靠性的最優(yōu)選擇之一，并已在全球范圍內(nèi)應(yīng)用到可再生能 源發(fā)電并網(wǎng)、城市供電、交流系統(tǒng)的非同步互聯(lián)與電力市場交易以及多端直流輸電等領(lǐng)域。
[0003] 其中，大規(guī)模海上風(fēng)電場因遠(yuǎn)離海岸且與岸陸電網(wǎng)聯(lián)系較弱，風(fēng)電場難以通過 交流和傳統(tǒng)直流方式并網(wǎng)，因此，電壓源換流器型多端直流輸電的并網(wǎng)方式成為了大規(guī) 模海上風(fēng)電并網(wǎng)的最佳選擇，其相關(guān)研究和工程實踐受到了廣泛的關(guān)注 [6_11]。同時，隨著 VSC-HVDC輸電工程的增多，不同輸電工程的換流站間可通過直流線路互聯(lián)以增強直流輸電 系統(tǒng)的靈活性和可靠性，相當(dāng)于形成一個節(jié)點數(shù)較多的VSC-MTDC輸電系統(tǒng)。
[0004] 實際運行中，由于直流輸電系統(tǒng)的換流站數(shù)目與運行狀態(tài)、換流站控制模式及其 指令值、交流側(cè)電網(wǎng)和直流網(wǎng)絡(luò)條件等的不同，VSC-MTDC輸電系統(tǒng)具有多變的運行方式。隨 著換流站的啟停，交流側(cè)交流電網(wǎng)電壓的變化等，換流站控制模式會發(fā)生相應(yīng)的改變以適 應(yīng)新的運行條件，直流輸電系統(tǒng)隨之改變其運行方式。為了實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的快速調(diào)度 和安全運行，必須快速、準(zhǔn)確、實時地計算出在不同運行條件下VSC-MTDC輸電系統(tǒng)的運行 控制模式與系統(tǒng)狀態(tài)量，這對直流輸電系統(tǒng)的安全快速調(diào)控具有重要意義。
[0005] 本專利以典型的五端直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行分析，如圖1所示；為研究簡便，假設(shè)各換 流站采用相同的主電路結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)包括5個換流站：換流站1作為主導(dǎo)換流站，主要負(fù)責(zé) 直流網(wǎng)絡(luò)的直流電壓控制與功率平衡；換流站2為輔助換流站，輔助實現(xiàn)直流電壓控制；換 流站3為定有功功率控制（active power control，APC)換流站，用于向其交流側(cè)電網(wǎng)傳輸 恒定的有功功率，同時，換流站3作為直流電壓控制的備用站；換流站4和5為風(fēng)電場換流 站，分別用于收集風(fēng)電場4和風(fēng)電場5的有功功率并饋入直流網(wǎng)絡(luò)。風(fēng)電場4和5具備快 速降出力控制，能夠在直流網(wǎng)絡(luò)電壓過高時快速降低風(fēng)電場輸出功率。
[0006] 各換流站均采用基于前饋解耦的雙環(huán)矢量控制模型，內(nèi)環(huán)控制采用dq電流快速 跟蹤控制，外環(huán)控制采用有功與無功相互獨立的功率控制策略，并在有功功率控制環(huán)中引 入相應(yīng)的高級控制策略。由于系統(tǒng)直流側(cè)電壓與有功功率為強耦合關(guān)系，換流站的無功功 率控制策略基本不影響系統(tǒng)直流側(cè)電壓分布，故在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化分析方法中，僅考慮換流站的 上層有功功率控制策略即可快速計算出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點。本專利假設(shè)各控制環(huán)節(jié)均為無 差控制，且忽略換流站的內(nèi)部損耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種電壓源換流器型多端直流輸 電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法，該方法通過推導(dǎo)各換流站不同控制模式下的特性方程，為快 速優(yōu)化計算VSC-MTDC輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點提供了一種新的途徑，能夠為多端直流輸電 系統(tǒng)的快速調(diào)度和安全評估等提供一種簡單可靠的分析方法。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0010] ⑴取換流器流向直流網(wǎng)絡(luò)為正方向，定義直流母線電壓向量為：u = [11，仏。2，仏。3，仏。4，仏。 5]'直流母線電流向量為：1=[1(1。1，1(1。 2，1(1。3，1(1。4，1 (1。5]'構(gòu)建直流網(wǎng)絡(luò) 方程為：
[0011] I = [Y]U
[0012] 其中，[Υ]為導(dǎo)納矩陣；
[0013] (2)根據(jù)交流電網(wǎng)條件和直流網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，初始化各換流站的控制模式和指令值； 求解各換流站的直流電壓-電流特性方程；所述換流站包括：主導(dǎo)換流站、輔助換流站、定 有功功率控制換流站和風(fēng)電場換流站；
[0014] (3)假設(shè)各換流站均運行于正常狀態(tài)，根據(jù)各換流站的直流電壓-電流特性方程 以及直流網(wǎng)絡(luò)方程，得到系統(tǒng)正常運行時的特性方程組；
[0015] (4)利用牛頓-拉夫遜迭代法求解系統(tǒng)特性方程組；
[0016] (5)分別判斷上述特性方程組的所有解Idc;i和Udc;i是否在正常范圍內(nèi)，其中，i = 1、2、3、4、5 ;如果是，則所得解即為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點；如果存在不在正常范圍內(nèi)的解，則 修正相應(yīng)的電壓源型換流器的控制模式，重新求得系統(tǒng)特性方程組，返回步驟（4)。
[0017] 所述步驟⑴中[Y]為5X5導(dǎo)納矩陣，具體為：
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法，其特征是，包括以下 步驟： (1) 取換流器流向直流網(wǎng)絡(luò)為正方向，定義直流母線電壓向量為：u = [11，仏。2，仏。3，仏。4，仏。 5]'直流母線電流向量為：1=[1(1。1，1(1。 2，1(1。3，1(1。4，1 (1。5]'構(gòu)建直流網(wǎng)絡(luò) 方程為： I = [Y]U 其中，[Υ]為導(dǎo)納矩陣； (2) 根據(jù)交流電網(wǎng)條件和直流網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，初始化各換流站的控制模式和指令值；求解 各換流站的直流電壓-電流特性方程；所述換流站包括：主導(dǎo)換流站、輔助換流站、定有功 功率控制換流站和風(fēng)電場換流站； (3) 假設(shè)各換流站均運行于正常狀態(tài)，根據(jù)各換流站的直流電壓-電流特性方程以及 直流網(wǎng)絡(luò)方程，得到系統(tǒng)正常運行時的特性方程組； (4) 利用牛頓-拉夫遜迭代法求解系統(tǒng)特性方程組； (5) 分別判斷上述特性方程組的所有解Idc;i和Udc;i是否在正常范圍內(nèi)，其中，i = 1、2、 3、4、5 ;如果是，則所得解即為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點；如果存在不在正常范圍內(nèi)的解，則修正 相應(yīng)的電壓源型換流器的控制模式，重新求得系統(tǒng)特性方程組，返回步驟（4)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（1)中[Y]為5X5導(dǎo)納矩陣，具體為：
其中，Rij表示換流站i和換流站j之間直流線路的等效電阻值。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中，主導(dǎo)換流站的直流電壓-電流特性方程為：
其中，Idc;1和Udc;1分別是主導(dǎo)換流站直流側(cè)的電流值和電壓值，λ i為故障情況下主導(dǎo)換 流站交流側(cè)電網(wǎng)電壓的跌落程度，β為交流電流的過載率，P1N為主導(dǎo)換流站的額定功率， Udc;lMf為直流電壓指令值，Idc;1H、Idc^分別為主導(dǎo)換流站由正常運行模式切入到整流限流模 式、逆變限流模式時的直流電流閾值； 上式中，當(dāng)Idd< Idc；1 < Idc；1H時，主導(dǎo)換流站處于正常運行狀態(tài)，為直流電壓控制模式； 當(dāng)Idc；1 > Idc；1H和Idea < Idi時，主導(dǎo)換流站處于非正常運行狀態(tài)，分別運行于整流限流模式 和逆變限流模式。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中，輔助換流站的直流電壓-電流特性方程為：
其中，Udc;2、Udc;2Mf、Idc;2分別為輔助換流站的直流電壓、直流電壓參考值和直流電流， kdra)p2為輔助站電壓下降控制的斜率參數(shù)，β為交流電流的過載率，λ 2為輔助換流站交流 電網(wǎng)電壓跌落程度，Ρ2Ν為輔助換流站的額定功率，Idc;2H、I d。％分別為輔助換流站由正常運行 模式切入到整流限流模式、逆變限流模式時的直流電流閾值； 當(dāng)Idi < U 時，輔助換流站處于正常運行狀態(tài)，為電壓下降控制模式；當(dāng) Idc；2 > 1<!。211和Idc；2 < Idi時，輔助換流站運行于非正常運行狀態(tài)，分別為整流限流模式和逆 變限流模式。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中，定有功功率控制換流站的直流電壓-電流特性方程為 ：
其中，P3Mf、Idc；3、Udc;3分別為定有功功率控制換流站的有功功率指令值、直流電流、直流 電壓，kd_p3S電壓下降控制的斜率參數(shù)，β為交流電流的過載率，λ 3為定有功功率控制換 流站交流電網(wǎng)電壓跌落程度，Ρ3Ν為定有功功率控制換流站的額定功率，U dc;3H、Udc^分別為定 有功功率控制換流站的有功功率控制與逆變下降控制、整流下降控制相互切換時的直流電 壓閾值，I dc；3H、Id。％分別為定有功功率控制換流站由正常運行模式切入到整流限流模式、逆 變限流模式時的直流電流閾值； 當(dāng)Ud。％ < Udc;3 < Udc;3H時，定有功功率控制換流站運行于正常運行狀態(tài)，為有功功率控制 模式；當(dāng)Udc;3 > Udc;3H和Udc;3 < Ud。％時，定有功功率控制換流站分別為逆變下降控制模式和整 流下降控制模式；當(dāng)Idc;3 > Idc;3H和Idc;3 < Idi時，定有功功率控制換流站為整流限流模式和 逆變限流模式。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中，風(fēng)電場換流站的直流電壓-電流特性方程為：
其中，Idc;4、Udc;4、P4N分別為風(fēng)電場換流站的直流電流、直流電壓和額定功率值，假定有功 電流限流值為限流器閾值的α倍，β為交流電流的過載率，&和€_分別為風(fēng)電場換流站 交流電網(wǎng)的實時頻率和額定頻率，k f4為風(fēng)電場換流站有功頻率控制器的斜率參數(shù)，Pwf4NS 風(fēng)電場換流站的額定有功功率值，kd_p4為風(fēng)電場換流站電壓下降控制器的斜率參數(shù)，λ 4 為風(fēng)電場換流站交流電網(wǎng)電壓跌落程度，Idc;4H為正常運行模式切入到整流限流模式的直流 電流閾值，I dc;4h為正常控制模式下直流電壓為Udc;4H時對應(yīng)的直流電流值； 當(dāng)Ude4 < Ude4H，Ide4h彡Ide4 < Ide4H時，風(fēng)電場換流站處于正常運行狀態(tài)，為有功頻率控 制模式；當(dāng)U > Idc;4H時，風(fēng)電場換流站為整流限流模式；當(dāng)Udc;4 > Udc;4H時，風(fēng)電場換流站 為電壓下降控制模式。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（5)中判斷特性方程組的所有解I dc;i和Udc;i是否在正常范圍內(nèi)的具體過 程為： 1) 判斷特性方程組的所有解Idc;i是否在正常范圍內(nèi)，如果是，轉(zhuǎn)至步驟3);如果否轉(zhuǎn)至 轉(zhuǎn)至步驟2); 2) 令i = 1，判斷Idc;i是否在正常范圍內(nèi)，如果否，修正相應(yīng)換流站的控制模式；如果 是，令i = i+Ι，判斷Idc;i是否在正常范圍內(nèi)，重復(fù)上述過程，直至特性方程組的所有解Idc;i 均判斷完畢，進(jìn)入步驟3); 3) 判斷特性方程組的所有解Udc;i是否在正常范圍內(nèi)，如果是，轉(zhuǎn)至步驟5);如果否，轉(zhuǎn) 至步驟4); 4) 令i = 3,判斷Udc;i是否在正常范圍內(nèi)，如果否，修正相應(yīng)換流站的控制模式；如果 是，令i = i+Ι，判斷Udc;i是否在正常范圍內(nèi)，重復(fù)上述過程，直至特性方程組的所有解Udc;i 均判斷完畢； 5) 判斷結(jié)束。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（5)中修正相應(yīng)的電壓源型換流器的控制模式的具體方法為 ： 根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前控制模式和上一次求解系統(tǒng)方程的換流站直流電壓值和直流電流值，修 正狀態(tài)量越限換流站的控制模式，進(jìn)而確定下一次系統(tǒng)方程計算時換流站的控制模式； 主導(dǎo)換流站和輔助換流站的控制模式基于換流站的直流電流值進(jìn)行修正；定有功功率 控制換流站和風(fēng)電場換流站的控制模式基于換流站的直流電流值進(jìn)行修正。
9. 如權(quán)利要求8所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方法， 其特征是，當(dāng)多個換流站的直流電流值和直流電壓值同時超出相應(yīng)控制模式的運行范圍 時，按照基于直流電流值的修正、基于直流電壓值的修正以及主導(dǎo)站、輔助站、定有功功率 控制換流站、風(fēng)電場換流站的順序優(yōu)先級，按照優(yōu)先級順序的高低依次修正換流站控制模 式。
10.如權(quán)利要求1所述的一種電壓源換流器型多端直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點優(yōu)化方 法，其特征是，若某換流站處于停運狀態(tài)時，則初始計算時將該換流站的控制模式設(shè)為定有 功功率控制，并將有功功率指令值設(shè)為0,進(jìn)而求解系統(tǒng)方程。
【文檔編號】H02J3/36GK104104102SQ201410369205
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】孫林升 申請人:濟(jì)南希恩軟件科技有限公司