一种基于扩展支路模型的交直流混联网络稳态建模方法与流程

本发明属于电力系统的稳态建模技术领域，具体涉及交直流网络统一求解的扩展支路建模方法，特别是涉及一种基于扩展支路模型的交直流混联网络稳态建模方法。

背景技术：

随着直流网络的不断发展，大功率电力电子器件在电力系统中应用越来越广泛，交直流互联的趋势越来越紧迫，电压源型换流器(vsc)由于能灵活控制所在点的电压幅值、相位，进而控制系统有功和无功，已经成为新一代的柔性直流输电技术，是近年来众多学者研究的热点。随着电压源型换流器(vsc)及基于vsc的并联型直流电网的不断发展,未来电网会形成含vsc的多直流母线、多直流联络线和多直流负荷的交直流网络，系统的结构也将变得越来越复杂。与此同时，交直流网络的求解问题也成为了一个新的难点，在分析交直流网络的稳态及暂态运行、设计相应控制方式和研究配备相关保护装置时，就得同时考虑到交流系统和直流系统，并且要考虑到二者之间的耦合关系。当前，纯交流系统的求解方法和理论已经较为成熟，相比之下,交直流混联电力系统特别是含电压源换流器的交直流混联系统的求解算法却没有发展到相同的高度。当系统中含有直流网络时，在描述全系统的非线性代数方程中就包含了与直流有关的变量，这样，传统的交流网络求解方法就不能直接应用于交直流混联网络。现在大多数文献中在求解含vsc的交直流混联系统时多采用交流网络和直流网络交替求解的方法，将直流系统方程和交流系统方程分别进行求解，该算法一般根据vsc换流站的不同控制方式在交流侧和直流侧解耦等效,先进行直流电网潮流迭代,后进行交流电网潮流迭代,二者交替计算直至直流电网、换流站和交流电网全部收敛。这种交直流网络交替迭代的方法，整个求解过程会比较繁琐，也很容易出错。

综上所述，对于交直流混联网络，目前还缺少一种统一计及电压源换流器(vsc)的交直流建模和求解的方法。

技术实现要素：

针对当前含电压源换流器(vsc)的交直流混合电网不能统一求解问题，本发明提出以下技术方案。

一种基于扩展支路模型的交直流混联网络稳态建模方法，包括以下步骤：

1)建立所述交直流混联网络的等值数学模型，所述模型包括交流网络等值电路、直流网络等值电路和电压源换流器vsc等值电路；

要根据实际运行电网，建立交流网络、直流网络和电压源换流器(vsc)的等值电路模型，并收集电网的运行数据，所述电网的运行数据包括系统元件参数、网络拓扑结构信息和负荷信息；

2)根据所得到的交流网络等值电路图，用支路数据(支路功率、支路电流等)建立交流支路模型。

图2所示是网络中一个基本交流网络支路的模型，交流支路ij流过的电流和该交流支路两端电压需满足欧姆定律，即存在如下关系：

交流支路中流过的功率定义为：

交流网络功率平衡方程为：

式(3)中，si表示节点i的注入功率(负荷功率减去发电机功率)。

3)根据所得到直流网络等值电路图，用支路数据建立直流支路模型，

图3所示是网络中一个基本的直流支路模型，同交流支路模型，网络中直流支路ij流过的电流iij,iji和该直流支路两端电压vi,vj也需满足欧姆定律：

直流支路中流过的功率定义为：

直流网络功率平衡方程为：

4)在所得到的vsc换流器等值电路图中，用支路数据(支路功率、支路电流等)建立vsc支路模型如下：

图4为本发明电压源换流器的等值电路图，其中包括接入交流侧网络的换流电压器、相电抗器、交流滤波器等，直流侧网络等值电压源和连接交直流网络的换流器的等值电路，交流系统接入换流器的端口电压为us∠δs；换流变压器后节点的电压为uf∠δf，vsc换流站的等值交流侧电压为uc∠δc；换流变压器等效阻抗为zt；换流器内部等效阻抗为zc，交流系统注入换流变压器的功率为ps+jqs，换流桥交流侧输出的功率为pc+jqc，换流器注入直流系统的功率为pdc。直流系统中的电流电压分别为udc、idc。

图5为本发明vcs支路模型图，其中，vsc支路连接交流网络中的交流节点a和直流网络中的直流节点b，节点a左侧是交流支路，节点b右侧是直流支路，换流器内部损耗由阻抗等效，则vsc支路模型应满足的功率关系为：

pab＝pba(7)

5)由上述的交流支路、直流支路、vsc支路及相应的参数和公式建立所述的交直流混联网络的扩展支路模型根据vsc等值电路图建立vsc支路模型如图5所示。所述交流支路连接两个交流节点，所述直流支路连接两个直流节点，所述vsc支路连接一个交流节点和一个直流节点，由vsc支路连接交流支路和直流支路，使整个网络成为一个整体。

本发明提出的计及vsc的交直流混联系统扩展支路建模方法中，通过交流支路、直流支路和vsc支路将整个网络中的交流节点、直流节点连接到一起，形成一个整体，其中交流支路连接两个交流节点，直流支路连接两个直流节点，vsc支路连接一个交流节点和一个直流节点。这样整个系统就包含三种支路(交流支路、直流支路、vsc支路)和两种节点(交流节点和直流节点)，各支路均应满足欧姆定律和功率定义式，然后在交流节点和直流节点处满足功率平衡方程，这样一来，即可对整个系统进行统一求解了。

本发明提出了一种基于扩展支路模型的交直流混联网络的稳态建模方法，可用于处理基于vsc换流器的交直流混联网络统一建模、统一求解的问题。

本发明的有益效果，本发明提出的一种基于扩展支路建模的交直流混联网络稳态建模方法，充分考虑了当前电压源换流器vsc在系统中应用越来越广泛的实际情况，具有以下优点：

(1)改变了传统以节点建模时，必需根据电压源换流器(vsc)的不同控制方式对vsc进行节点等效的处理方法，而是把vsc当成支路处理，分别连接交流节点和直流节点，这样对vsc的处理就变得简单了；

(2)由vsc支路连接交流支路和直流支路，整个系统就可以看成是一个整体，可以将交流系统和直流系统进行统一建模、统一求解，而不必再依靠传统的交流网络、直流网络交替求解的方法。

(3)整个求解过程比传统方法要简洁。

本发明通过建立一种vsc支路模型，将交流网络的交流支路和直流网络的直流支路连接到一起，再加上一些需满足的约束关系，电网就可以看成是一个简单的由支路和节点所组成的一个有向图，从而整个网络可以看成一个整体进行求解，而不必再考虑传统的以节点建模方式中根据控制方式的不同vsc节点的不同等效节点类型的问题。交直流网络统一求解也避免了交流网络和直流网络迭代求解时会出现的一些问题，简化了整个求解过程。

附图说明

图1是本发明所提供的基于扩展支路建模的交直流混联网络稳态建模方法流程示意图。

图2为本发明交流支路模型图。

图3为本发明直流支路模型图。

图4为本发明电压源换流器的等值电路图。

图5为本发明vcs支路模型图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1，图1是本发明基于扩展支路建模的交直流混联网络稳态建模方法的流程示意图。

所述的基于扩展支路建模的交直流混联网络稳态建模方法包括以下步骤：

s01建立所述交直流混联网络的等值电路，包括交流网络等值电路、直流网络等值电路和电压源换流器vsc的等值电路；

s02在所得到的交流网络等值电路图中，用支路数据(支路功率、支路电流等)建立交流支路模型；

s03在所得到的直流网络等值电路图中，用支路数据建立直流支路模型；

s04在所得到的vsc换流器等值电路图中，用支路数据建立vsc支路模型

s05由上述的交流支路、直流支路、vsc支路及相应的参数、公式建立所述的交直流混联网络的扩展支路模型。

本发明提出的计及vsc的交直流混联系统扩展支路建模方法中，通过交流支路、直流直流和vsc支路将整个网络中的交流节点、直流节点连接到一起，形成一个整体，其中交流支路连接两个交流节点，直流支路连接两个直流节点，vsc支路连接一个交流节点和一个直流节点。这样整个系统就包含三种支路(交流支路、直流支路、vsc支路)和两种节点(交流节点和直流节点)，各支路均应满足欧姆定律和功率定义式，然后在交流节点和直流节点处满足功率平衡方程，这样一来，即可对整个系统进行统一求解了。

其中，对于步骤s01，首先要根据实际运行电网，建立交流网络、直流网络和电压源换流器(vsc)的等值支路模型，并收集电网的运行数据，包括系统元件参数、网络拓扑结构信息和负荷信息等。

对于步骤s02，根据所得到的交流网络等值电路及收集的系统运行参数建立交流支路模型，所建立的交流支路两端连接的都是交流节点，其中，交流支路ij流过的电流和该交流支路两端电压需满足欧姆定律，即：

支路上流过的功率也应满足功率定义，即应满足：

然后在两端的交流节点上应满足功率平衡方程，即：

对于步骤s03，根据所得到的直流网络等值电路及收集的系统运行参数建立直流支路模型，所建立的直流支路两端连接的都是直流节点，其中直流支路ij流过的电流iij,iji和该直流支路两端电压vi,vj也需满足欧姆定律，即应满足：

支路上流过的功率也应满足功率定义，即：

在支路所连接的直流节点上也应满足功率平衡方程，即：

对于步骤s04，根据所得到的vsc等值电路及收集的系统运行参数建立vsc支路模型，所建立的vsc支路一端连接交流节点，一端连接直流节点，在交流节点和直流节点上应分别满足交流节点和直流节点的功率平衡方程，同时vsc支路还应满足有vsc本身特性带来的功率关系，即还应满足：

pab＝pba(7)

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。