基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法
【专利摘要】一种基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法，属于电力系统分析、运行与控制【技术领域】。本发明的目的是对于高低压电磁环网系统，利用柔性输电技术及最忧潮流计算方法来优化控制电磁环网中无功功率分布的基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法。本发明步骤是：①确定环网控制器的拓扑结构及阀级控制策略。②推导出柔性环网控制器的无功环流优化目标函数及约束条件。③采用灾变遗传算法对目标函数进行寻优。④在原有换流器级控制策略上添加了计及电流控制的调控策略。本发明旨在于抑制电磁环网无功功率环流，使电磁环网能够更加经济、稳定的运行。
【专利说明】基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统分析、运行与控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在高一级电压电网发展的初期，高低压电磁环网所通过的潮流不大，它的存在可 提高电网供电可靠性、灵活性。一般而言，只要不影响电网安全稳定运行和不受短路容量限 制，可以维持电磁环网运行。但随着高一级电压电网的发展，传输负荷不断增大，电磁环网 成为电力系统严重的事故隐患，给电网运行带来很多问题。其中，高低压电磁环网的形成对 电网的经济性运行造成了极大的影响。在电磁环网实际运行中，由于变压器、线路等电气元 件参数匹配不合理，会在电磁环网内产生功率环流，并以无功环流最为普遍，这种功率环流 会使电网的有功损耗明显增加，影响电网经济运行。同时，国外对电磁环网的研究重点也更 多集中在抑制电磁环网内可能产生的功率环流这一主题上。这些国家的主要研究重点在于 将柔性控制（FACTS)技术应用于电磁环网中，以消除环流或对功率分布进行控制，提高系 统运行的经济性；主要通过采取统一潮流控制器（UPFC)、移相器（phase-shifter)、相间功 率控制器（IPC)、可控串补（TCSC)等柔性控制手段来控制功率环流和潮流分布。但是由于 我国对上述装置的研究和研制还不够成熟，设备制造工艺及水平还达不到要求，因此很难 立即解决电磁环网运行所面临的困难。所以本发明提出在电磁环网中加入现阶段较为成熟 的柔性直流输电技术，来解决电磁环网的无功优化问题。
[0003] 目前，从现有投运的柔性直流输电工程及其技术特点来看，柔性直流输电技术主 要应用于风电并网、城市供电、电网互联、海上平台供电等领域，在交流电网解环方面尚无 应用。已投运柔性直流输电工程的最大容量达到400MW，最高电压等级达到±200kV;在建 柔性直流输电工程的最大容量达到1000MW，最高电压等级达到了 500kV。在我国，国家电网 公司通过自主研发于2011年7月投运了我国首个柔性直流输电工程，即上海南汇风电并 网柔性直流输电示范工程，工程容量达到了 20丽，电压等级达到了 ±30kV，标志着我国在 柔性直流输电【技术领域】实现了从无到有的突破。目前，世界范围内柔性直流输电技术程正 迅速朝着高电压、大容量方向发展，工程数量越来越多，应用领域也越来越广泛，从两端向 多端领域发展，成为促进新能源的大规模开放利用和智能电网建设的重要手段。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是对于高低压电磁环网系统，利用柔性输电技术及最忧潮流计算方 法来优化控制电磁环网中无功功率分布的基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优 化控制方法。
[0005] 本发明的步骤是： (1)确定环网控制器的拓扑结构及阀级控制策略：在电磁环网的低压侧加入柔性环网 控制器，即在原来需要开环运行的电磁环网两端采用背靠背柔性直流换流站相连接，由此 构成软环网运行，其中柔性环网控制器采用模块化多电平换流器拓扑结构；柔性环网控制 器的控制策略分为系统级控制与换流器级控制，系统级控制指令包括有功类指令和无功类 指令：有功类指令为换流站I采用定有功功率控制策略，换流站II采用定直流电压控制策 略，无功类指令为两换流站均采用定无功功率控制策略；换流器级调制策略采用：矢量控 制，又称为直接电流控制； (2)无功功率环流优化目标函数及约束条件：柔性直流输电稳态运行的基本原理，三相 电网平衡条件下存在如下方程组：
【权利要求】
1. 一种基于柔性环网控制器电磁环网无功功率环流优化控制方法，其特征在于： (1) 确定环网控制器的拓扑结构及阀级控制策略：在电磁环网的低压侧加入柔性环网 控制器，即在原来需要开环运行的电磁环网两端采用背靠背柔性直流换流站相连接，由此 构成软环网运行，其中柔性环网控制器采用模块化多电平换流器拓扑结构；柔性环网控制 器的控制策略分为系统级控制与换流器级控制，系统级控制指令包括有功类指令和无功类 指令：有功类指令为换流站I采用定有功功率控制策略，换流站II采用定直流电压控制策 略，无功类指令为两换流站均采用定无功功率控制策略；换流器级调制策略采用：矢量控 制，又称为直接电流控制； (2) 无功功率环流优化目标函数及约束条件：柔性直流输电稳态运行的基本原理，三相 电网平衡条件下存在如下方程组：
式中，i表示换流器编号；Uaei为换流器交流侧电压；μ为直流电压利用系数;M为调制 比；Udcd为i节点处的换流器直流电压；δ为移相角；PiMf、QiMf分别为换流器处的输入有功 功率和无功功率参考指令；Iacd为换流器交流母线侧交流电流；Idi_Mf、Iqi_Mf分别为交流电 流的dq轴分量，这里取交流电压Uacd矢量方向为d轴方向； 蠱
无功功率环流最小的优化目标函数可以表示为：
式中，Unh为电磁环网高压侧的额定电压；Ii1,k2为变压器Tl与T2的变比；Uei，Ue2代表 柔性环网控制器的交流母线电压；i?￡、Σ为电磁环网的总阻抗值； 潮流方程如下： I
式中：η是系统节点数；Pei、Qei为系统发电机节点的有功和无功出力；Paei、Qacd为节点 的负荷有功功率和无功功率；PiMf、Qiref为直流系统接入节点有功功率和无功功率，当换流 器从节点吸收无功时，Qiref取正值，当换流器向交流系统输入无功时，QiMf取负值；Qcd为节 点的无功补偿容量；GfBu为节点导纳矩阵行列元素的电导和电纳；UpΘu为节点i、j之 间的电压幅值和相角； 变量约束包括状态变量约束和控制变量约束，控制变量包括发电机机端电压Ue、无功 补偿点补偿容量Q。、变压器抽头档位T、换流器有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref; 状态变量主要考虑各节点电压U和柔性换网控制器两侧注入电流Iac; 交流系统时变量约束为：
式中：i指交流节点；min下标表示对应变量的下限值；max下标表示对应变量的上限 值； 直流系统的变量约束时：
式中的i指直流节点； (3) 含有柔性环网控制器的电磁环网最优潮流求解实现过程，步骤如下： 1) 给定灾变次数Ca，灾变发生时的代数N。，最大进化代数Nmax ; 2) 根据基本遗传算法寻优； 3) 当遗传代数Ngen达到N。时进行灾变处理，保留最优个体，其他个体初始化生成新群 体，返回步骤2)，直至达到最大灾变次数Ca ; 4) 反复执行上述步骤2)和3)，直至达到最大进化代数Nmax ; (4) 计及电流限制的调控策略： 由式1、2可知，有功功率和无功功率参考值间接用Iac;i(i=l，2)的d轴和q轴分量表示； 功率参考值制定策略为： 有功电流优先时，要保证需要输送的有功功率量，因此Id可直接作为参考值Id_Mf输入 到控制器；结合电流约束Iaejiax，得无功电流分量的允许上限值，其与优化值Iq_〇pt比较， 选择较小者作为参考值Iq 输入到控制器； 无功电流优先时，优化计算得到的Iq_〇pt可直接作为参考值Igef输入到控制器；结合 电流约束Iacurax，得Iupt情况下对应的有功电流分量，将其作为参考值Id_Mf输入到控制器。
【文档编号】H02J3/18GK104269861SQ201410536088
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】高凯, 李国庆, 刘博文, 张艳军, 王振浩, 韩子娇, 何晓洋, 王朝斌 申请人:国家电网公司, 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院, 东北电力大学