一种交直流混合配电网潮流计算方法与流程

本发明属于电网运行调度领域，尤其涉及一种用于交直流混合配电网的潮流计算方法。

背景技术：

近年来，为了缓解能源危机，减小工业排放的污染，大量的分布式新能源装置并入电网，但这些新能源电源具有地理分散性、间歇性、随机性等特点，因此为了减小电网的配电压力，同时增加可再生能源的利用率，大量储能设备加入电网提供能量缓冲，同时以往的发电模式也正在转变为集中式和分布式并存的形式。电动汽车等新能源直流负载的加入，使得电能管理变得更加困难，传统的电力系统配电系统已经不再能够胜任这样的要求。

随着以电力电子技术为基础的柔性互联项目在配电系统中各电压等级的试点示范广泛应用，配电系统正逐步从传统的单一交流配电系统向交直流混合的智能柔性配电系统演化。

采用柔性配电网，可以满足各类型分布式电源、储能、柔性负荷的接入和高效运行。同时，柔性互联技术也更好地使直流配电网与交流配电网混合运行。目前各国能源互联网的基本形态均包含交、直流两类母线，交流母线网络主要用来满足各类传统的交流负荷用电设备需求，而直流母线网络则用于接入分布式电源、直流负荷、储能装置、各类变频类负荷等。因此，对交直流混合配电网的潮流计算则成为人们当下研究的一项重要内容。

在多层级交直流配电网中，分布式电源采用直流形式接入低压直流配电网，可以省去大量的直流转交流环节，节约很多电能，同时不需要进行相位和频率的跟踪，可控型和可靠性极大提升。直流是分布式电源的理想接入形式，近年来越来越受到人们的重视，然而交流配电网还是当下的配电网络的主要形式，交流接入也是分布式电源并网的一个重要部分，所以交直流混合的配电网将会是未来一段时间里重要的配电网存在形式。大量分布式新能源电源并入电网，导致低压交流配电网和低压直流配电网扮演在配电网中的角色越来越多样和重要，而中压直流配电网可以用于中远距离输电。目前各国能源互联网的基本形态均包含交、直流两类母线，交流母线网络主要用来满足各类传统的交流负荷用电设备需求，而直流母线网络则用于接入分布式电源、直流负荷、储能装置、各类变频类负荷等。

交直流混合配电网潮流计算方法主要有统一迭代法和交替迭代法。其中：

(1)统一迭代法具有良好的收敛性，迭代次数少，易于实现，且直流部分和交流部分使用相同算法，但存在以下缺陷：(a)不能够与现有的商业软件结合，编写难度大；(b)每次迭代后需要重新计算雅可比矩阵，使得计算量相对较大。

(2)交替迭代法具有容易与现有的商业软件接口，编程简单，并且计算速度快，直流部分及交流部分可以使用不同的算法；但存在以下问题：(a)在潮流计算过程中，换流器的损耗和平衡换流站的注入功率无法在单次潮流计算中准确得知，导致了迭代次数的增加；(b)对交直流系统初值给定要求高，收敛性相对较差，容易造成潮流求解的振荡和不收敛。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种交直流混合配电网潮流计算方法。其先对低压配电网进行潮流计算，获得电能注入数据后，再对中压配电网分别进行潮流计算，最后获得整个区域配电网的潮流计算结果。能够有效解决传统的潮流计算方法不能应用于包含新能源发电设备接入的新型交直流混合配电网的问题；针对不同电压等级交直流配电网换流环节采用了新型的区域内电能路由器进行电能路由，实时信息流控制功率流，可以一定程度应用于智能配电网场景。

本发明的技术方案是：提供一种交直流混合配电网潮流计算方法，其特征是所述的潮流计算方法包括下列步骤：

1)确定整个配电网拓扑结构，确定配电网节点类型；

2)构建一个以多端口电能路由器为核心的交直流混合配电网模型，为该模型设定一系列参数；

3)设置电能路由器的损耗参数；

4)以牛顿法为基础，进行潮流计算；

5)计算得到整个含多端口电能路由器的交直流配电网的潮流，同时得到每个节点的电压；

6)进而可以求得线路损耗和多端口电能路由器损耗。

具体的，所述的潮流计算方法应用的场景为包含中压交流配电网、中压直流配电网、低压交流配电网和低压直流配电网的区域内配电网；中低压交直流配电网通过多端口电能路由器进行电能路由。

具体的，所述的潮流计算方法以牛顿法为基础，先对低压配电网进行潮流计算，得到端口输出或注入的电能后再对中压配电网进行潮流计算。

具体的，所述的该潮流计算方法包含了对给定的多端口电能路由器损耗进行计算。

进一步的，所述的对给定的多端口电能路由器损耗进行计算，至少包括vsc损耗和dab损耗。

具体的，所述的潮流计算按照下列步骤进行：

1)输入整个配电网的参数；

2)进行低压交流网络潮流计算，得到流入vsc1的有功功率p1和无功功率值q1；

3)计算该功率值流经vsc1和dab1注入中压直流母线的有功功率值p2；

4)进行低压交流配电网潮流计算，得到注入dab2的有功功率值p3；

5)计算经过dab2，注入中压直流母线的有功功率值p4；

6)进行中压直流配电网潮流计算，得到内部直流母线需要的功率值p5；

7)经中压交流端口注入直流母线的有功功率p6＝p5-p4-p2；通过p6，计算流过vsc2的有功功率和无功功率；

8)进行中压交流配电网潮流计算。

具体的，所述的整个配电网的参数，至少包含新能源发电参数，节点参数和约束限制。

进一步的，所述的潮流计算方法以牛顿法为基础，先对低压配电网进行潮流计算，将对低压交流端口连接的节点采用定交流电压幅值和相角控制。

更进一步的，所述的潮流计算方法以牛顿法为基础，先对低压配电网进行潮流计算，将对低压直流端口连接的节点采用定直流电压控制。

更进一步的，所述的流计算方法在得到端口输出或注入的电能后，再对中压配电网进行潮流计算，将对中压交流端口连接的节点采用定无功功率，定直流电压控制。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.本发明的技术方案主要应用于针对于包含新能源发电装置的区域内交直流混合配电网潮流计算，能够有效解决传统的潮流计算方法不能应用于包含新能源发电设备接入的新型交直流混合配电网的问题；

2、本发明的技术方案针对不同电压等级交直流配电网换流环节采用了新型的区域内电能路由器进行电能路由，实时信息流控制功率流，因此可以一定程度应用于智能配电网场景。

附图说明

图1为本发明的潮流计算流程方框图；

图2为本发明应用的含电能路由器的区域配电网模型示意图；

图3为本发明的交流配电网潮流计算流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的潮流计算流程方框图如图1所示。

随着传统电网向智能电网发展，对配电网的可控性需求逐渐提高。

交直流混合配电网相对于传统的配电网，利用其包含的柔性直流换流器更容易调节有功和无功功率，因为其可控性对比与传统的交流配电网，有了极大的提升。

而可控性的基础就是要首先获得交直流混合配电网的潮流计算结果，根据该结果，进行配电网潮流控制。

因此本发明的技术方案所述交直流混合配电网潮流计算方法设计的目的主要适应用于包含新能源发电装置接入的智能区域配电网。

本发明的主要应用场景设定为以多端口电能路由器为核心的区域内交直流混合配电网，该类型配电网主要包含中压交流配电网、中压直流配电网、低压交流配电网和低压直流配电网。其中低压交流配电网与低压直流配电网主要负责新能源发电装置的接入，例如光伏、风电等。中压直流配电网主要负责与其他区域的配电网进行互联，进行电能传输。该类型交直流混合配电网模型如图2所示。

1、本发明首先需要确定配电网节点类型。

在交流配电网潮流计算中，节点可以分为三类，分别是pq节点、pv节点和平衡节点。在直流配电网中，节点可以分为定p节点、定i节点和定v节点。在含多端口电能路由器的交直流混合配电网中，中压交流电网被视为主网，由其主要负责平衡其他子网的功率波动。在直流配电网的潮流计算中，负载按照以下情况进行分类，定p节点主要为直接接入直流配电网的负载；定v节点主要为需要电力电子装置维持电压恒定的节点；定i节点主要为需要通过逆变器接入直流配电网的交流负载。dc/dc变换器的节点类型取决于其控制方式，如果采用定电压控制，出口侧节点即为定v节点；若采用不调压控制，可以视为定p节点。对于将交流电网和直流电网与分布式能源相连的电力电子换流器，如果采用定功率控制的节点，则规定该节点为定p节点，如果采用定电压控制的节点，则规定该节点为定v节点，如果采用定电流控制的节点，则规定该节点为定i节点。

2、确定节点类型以后，给出潮流计算的基本原理流程，以及约束条件设定。

(1)节点功率平衡方程：

电力系统节点电压方程：

节点功率平衡方程：

联立方程(1)和方程(2)可得电力系统潮流方程的一般形式：

代入可得直角坐标功率平衡方程：

(2)约束条件：

对于n节点系统，可以列写2n个节点方程，每个节点有4个变量，分别为有功功率p、无功功率q、节点电压幅值v和节点电压相角δ。pgi,qgi分别为电源节点的有功功率和无功功率值。其中四个变量的约束条件如下：

vmin,i≤vi≤vmax,ii＝1,2,…,n(6)

|δi-δj|≤|δi-δj|maxi,j＝1,2,…,n(7)

pmin,gi≤pgi≤pmax,gii＝1,2,…,n(8)

qmin,gi≤qgi≤qmax,gii＝1,2,…,n(9)

(3)牛顿法计算潮流：

本发明的技术方案采用牛顿法(牛顿-拉夫逊法)进行潮流计算，牛顿法是解线性方程的有效方法，也是潮流计算中最为基础的计算方法。例如目前应用较多的pq分解法，也是从牛顿法基础上进行简化得到的。下面以直角坐标为例，简单介绍牛顿法的理论基础。

对于非线性方程f(x)＝0,给定初值x⁽⁰⁾,用泰勒级数展开，有如下表达式：

忽略高次项，有：

f(x⁽⁰⁾)+f′(x⁽⁰⁾)δx⁽⁰⁾＝0(11)

牛顿法计算潮流流程如下：

1)计算函数值f(x^(k)),并判断是否收敛||f(x^(k))||≤ε；

2)计算jacobian矩阵

3)计算修正量

4)对变量进行修正x^(k+1)＝x^(k)+δx^(k),k＝k+1。返回步骤1)；如果收敛，输出计算结果。

(4)端口控制模式设置：

由于含多端口电能路由器的新型交直流混合配电网与传统的配电网有较大区别，存在端口的多样性以及控制模式的多样性，本发明针对其中最为常用的场景的控制模式进行研究。即：针对vsc1(位于中压交流端口)采用定直流电压，定无功功率控制，因为其vsc1连接的中压直流节点为内部直流母线，其电压支撑主要靠中压交流网络，所以vsc1需要采用定直流电压控制。针对vsc2(位于低压交流端口)采用定交流电压幅值和相角控制，因为其连接的交流节点在低压交流网络中充当平衡节点。针对dab1(位于低压交流端口)采用定直流电压控制，因为其与vsc2直流侧相连，其直流电压由vsc2决定。针对dab2(位于低压直流端口)采用定直流电压控制，因为其负责维持低压直流配电网的电压，所以与dab2连接的直流节点电压应恒定。

(5)针对以多端口电能路由器为核心的区域内交直流混合配电网潮流计算，考虑电能路由器的损耗，主要为vsc损耗与dab损耗。

首先根据电力电子变压器的综合损耗模型，得到vsc的损耗模型：

ploss,vsc,i＝a2,ii²i+a1,iii+a0,i(13)

公式中ploss,vsc,i指编号为i的vsc器件损耗。系数a0,i，a1,i，a2,i为编号为i的vsc器件的损耗系数，且满足a0,i，a1,i，a2,i≥0。其中a0,i为固定损耗，主要是高频变压器的铁芯损耗，与流经其的电流无关。a1,i为线性损耗，主要是多端口电能路由器中的开关器件(例如igbt)的开关损耗。a2,i表示平方损耗，主要为高频变压器的线圈损耗和多端口电能路由器的中开关器件(igbt)的导通损耗。不同型号的vsc损耗系数不同，但大多可以用此公式表示。

针对dab损耗，因为dab发展很快，损耗也随着发展越降越低，不同型号dab损耗相差较大，因此本文近似取流经其功率的2％作为dab损耗。因此其损耗可用如下公式表示：

ploss,dab,i＝0.02×pport,i(14)

实施例：

(1)如图2所示，构建一个以多端口电能路由器为核心的交直流混合配电网模型：

为该模型设定一系列参数。

(2)确定该模型所包含的节点类型：

在中压交流配电网中，与大功率交流电源相连的节点取为平衡节点，与多端口电能路由器中压交流端口相连的节点定为pq节点。在低压交流配电网中，与新能源相连的节点根据连接的新能源的类型不同，分为pq节点和pv节点，与多端口电能路由器低压交流端口相连的节点定为平衡节点。在低压直流配电网中，与新能源相连的节点根据连接的新能源的类型不同，分为定p节点和定v节点，与多端口电能路由器低压直流端口相连的节点定为平衡节点。在中压直流配电网中，取内部直流电压母线为平衡节点，进行潮流计算。

(3)设置电能路由器的损耗参数：

根据前述提到的两个公式，可以得到多端口电能路由器每个端口的损耗情况。首先是中压交流端口，因为其只包含vsc，不包含dab，所以a0,1＝0，且a2,i中不包含高频变压器的铜耗，其损耗ploss,1＝ploss,vsc,1；其次是低压交流端口，因为其包含vsc和dab模块，因此其损耗为ploss,2＝ploss,vsc,2+ploss.dab,1。最后是低压直流端口，低压直流端口仅包含dab模块，所以其损耗为ploss,4＝ploss.dba,2。因为多端口电能路由器的中压直流端口不包含任何器件，没有经历任何变换环节，所以可认为没有损耗。

(4)利用牛顿法，按以下步骤进行潮流计算(参见图3中所示)。

1)输入整个配电网的参数，包含新能源发电参数，节点参数，约束限制等。

2)进行低压交流网络潮流计算，得到流入vsc1的有功功率p1和无功功率值q1

3)计算该功率值流经vsc1和dab1注入中压直流母线的有功功率值p2

4)进行低压交流配电网潮流计算，得到注入dab2的有功功率值p3

5)计算经过dab2，注入中压直流母线的有功功率值p4

6)进行中压直流配电网潮流计算，得到内部直流母线需要的功率值p5

7)经中压交流端口注入直流母线的有功功率p6＝p5-p4-p2。通过p6，计算流过vsc2的有功功率和无功功率。

8)进行中压交流配电网潮流计算。

经过上述流程步骤，可以计算得到整个含多端口电能路由器的交直流配电网的潮流，同时得到每个节点的电压。进而可以求得线路损耗和多端口电能路由器损耗。配电网节点电压和线路以及电能路由器损耗将在后续章节作为电网状况重要评价标准进行应用。

综上可知，本发明的技术方案主要分为以下几个步骤，分别是确定整个配电网拓扑结构，主要针对中低压交直流配电网潮流计算，对配电网进行节点划分，并确定节点类型，然后对每个节点的四个变量：即有功功率、无功功率、节点电压幅值和节点电压相角确定约束条件，最后以牛顿法为基础，按照统一迭代法，先对低压配电网进行潮流计算，获得电能注入数据后，再对中压配电网分别进行潮流计算，最后获得整个区域配电网的潮流计算结果。

本发明的创新之处包含两点：

1、本发明主要应用于针对于包含新能源发电装置的区域内交直流混合配电网潮流计算，能够有效解决传统的潮流计算方法不能应用于包含新能源发电设备接入的新型交直流混合配电网的问题；

2、本发明针对不同电压等级交直流配电网换流环节采用了新型的区域内电能路由器进行电能路由，实时信息流控制功率流，因此可以一定程度应用于智能配电网场景。

本发明的技术方案，应用于包含新能源发电装置接入的交直流混联配电网的潮流计算，该区域配电网为以多端口电能路由器连接的多电压等级交直流混合配电网。该发明主要分为以下几个步骤，分别是确定整个配电网拓扑结构，主要针对中低压交直流配电网潮流计算，对配电网进行节点划分，并确定节点类型，然后对每个节点的四个变量：即有功功率、无功功率、节点电压幅值和节点电压相角确定约束条件，最后以牛顿法为基础，按照统一迭代法，先对低压配电网进行潮流计算，获得电能注入数据后，再对中压配电网分别进行潮流计算，最后获得整个区域配电网的潮流计算结果。

本发明可广泛用于电网运行调度和交直流混合配电网的潮流计算领域。