本发明属于电网潮流计算领域，尤其涉及一种含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法。
背景技术：
多端柔性直流输电系统(voltagesourceconverter-multi-terminalhvdc，vsc-mtdc)作为一种更为灵活、便捷、安全的新能源输电方式，近年来受到广泛关注。vsc-mtdc可实现多电源供电、多落点受电、孤岛供电等，在风电等新能源并网、构筑城市直流配电网等领域具有广阔的应用前景。对于含vsc-mtdc交直流混联系统，潮流计算是稳态运行特性分析的重要内容，也是进行暂态特性和保护控制研究的基础。交直流混联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；但是，其存在以下缺陷：(a)无法和现有的商用软件结合，编程难度大；(b)每次迭代后需要重新计算雅克比矩阵，这样使得计算量增大。(2)交替迭代法易与现有的商用软件接口，编程简单，其计算速度快，直流部分及交流部分可以使用不同的算法；但是，也存在以下问题：(a)对交直流系统初值给定要求高，收敛性较差，易造成潮流求解的振荡和不收敛；(b)在潮流计算时，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，这导致了迭代次数的增加。此外，《基于交直流解耦的超大规模交直流混合电网潮流计算可行解获取方法的研究》对含传统直流的交直流混联电网解耦潮流算法进行了研究，将直流系统等效为恒功率注入交流系统，交流电网收敛后再求解与直流相关的量。《powerflowalgorithmsformulti-terminalvsc-hvdcwithdroopcontrol》中将直流潮流、交流潮流分开计算，且考虑了多种下斜控制策略。上述两篇文献虽然均将直流电网潮流计算与交流电网和换流站潮流计算之间解耦，解决了交替迭代法的缺陷，但是上述两篇文献均存在交流电网潮流计算与换流站潮流计算之间仍需要通过交替迭代实现的问题。综上所述，现有交直流混联电网解耦潮流计算方法中均存在需要交替迭代实现，而且迭代次数多，影响整个解耦潮流计算的速度和效率的问题。技术实现要素：为了解决现有含柔性直流电网的交直流混联电网潮流计算方法中存在的问题，本发明提供了一种含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法，其实现了交直流电网潮流计算之间的完全解耦，交流电网和直流电网之间的潮流计算不用交替迭代即可获得潮流结果，收敛性好，计算速度快。本发明的一种含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法的技术方案为：一种含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法，包括：步骤(1)：以换流站的直流侧母线为边界来划分交流电网和直流电网，所述交流电网包含换流站；步骤(2)：将所述交流电网与直流电网的潮流计算完全解耦，并依次求解完全解耦后的直流电网潮流和交流电网潮流；其中，在求解直流电网潮流的过程中，雅克比矩阵恒定不变。为了实现交流和直流电网潮流解耦，本发明将交流电网和直流电网的界限定在换流站直流侧，将换流站考虑为交流电网的一部分。此时，交流电网中增加一个滤波器节点f和一个换流器节点c。母线c注入换流站的有功功率率等于换流器损耗和直流节点i注入功率之和。pci＝pdci+plossi其中：plossi为换流器的损耗；pdci为换流器直流侧功率；pci为母线c注入换流站的有功功率率。本发明以换流站的直流侧母线为边界来划分交流电网和直流电网，所述交流电网包含换流站，使得交直流电网的潮流计算之间完全解耦，交流电网和直流电网之间的潮流计算不用来回迭代即可获得潮流结果，算法收敛性好。进一步的，在所述步骤(2)中，求解完全解耦后的直流电网潮流的计算过程包括：步骤(2.1.1)：获取直流电网的导纳矩阵，构建出直流电网的雅克比矩阵，所述雅克比矩阵恒定不变；步骤(2.1.2)：根据雅克比矩阵，计算直流电网潮流方程的不平衡量；步骤(2.1.3)：求解直流电网潮流修正方程，并修正各节点变量；步骤(2.1.4)：判断直流电网潮流是否收敛，若是，则求解完全解耦后的交流电网潮流；否则，返回步骤(2.1.2)。本发明将对直流电网潮流计算过程中的雅克比矩阵进行常数化处理，使计算速度更快。进一步的，在所述步骤(2)中，求解完全解耦后的直流电网潮流的计算过程中考虑换流站的多种控制方式和换流站的损耗。进一步的，换流站的控制方式包括定直流电压控制、定直流功率控制和直流电压下斜控制。进一步的，直流电压下斜控制包括电压-电流下斜控制和电压-功率下斜控制这两种策略。进一步的，在所述步骤(2)中，求解完全解耦后的交流电网潮流的计算过程包括：步骤(2.2.1)：计算注入换流站节点的功率；步骤(2.2.2)：根据交流电网潮流模型，迭代一次，得到交流电网潮流；步骤(2.2.3)：判断步骤(2.2.2)得到的交流电网潮流是否收敛，若是，则结束计算；否则，返回步骤(2.2.1)。进一步的，在所述步骤(2.2.1)中，注入换流站节点的功率包括有功功率和无功功率，其中，注入换流站节点的有功功率等于换流器损耗功率和直流节点注入功率之和。进一步的，换流器的损耗功率近似为换流器电流的二次函数。进一步的，在所述步骤(2.2.2)中的交流电网潮流模型，包括：交流电网中不与换流器直接相连母线的功率方程；以及交流电网中与换流器直接相连母线的功率方程。进一步的，在所述步骤(2.2.2)中，根据快速分解法，求解交流电网潮流。需要说明的是，在得到直流电网潮流计算结果后，可采用与纯交流电网的潮流计算相同的方法，除了快速分解法之外，还可以采用其他现有的方法来求解含柔性直流电网的交直流混联系统中的交流潮流。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明以换流站的直流侧母线为边界来划分交流电网和直流电网，所述交流电网包含换流站，使得交直流电网的潮流计算之间完全解耦，交流电网和直流电网之间的潮流计算不用来回迭代即可获得潮流结果，算法收敛性好。(2)本发明将在直流电网潮流计算过程中的雅克比矩阵的常数化处理，使计算速度更快。(3)本发明在交流电网潮流计算的过程中，考虑了多种电压控制方式，使得其应用范围更加广泛。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为vsc换流站结构图；图2为本发明的含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法流程图；图3为含9节点vsc-mtdc的10机39节点系统示意图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
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申请的示例性实施方式。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。本发明为了解决现有交直流混联电网解耦潮流计算方法中存在的问题，提供一种含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法，其实现了交直流电网潮流计算之间的完全解耦，交流电网和直流电网之间的潮流计算不用交替迭代即可获得潮流结果，收敛性好，计算速度快。本发明为一种含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法，包括：步骤(1)：以换流站的直流侧母线为边界来划分交流电网和直流电网，所述交流电网包含换流站；步骤(2)：将所述交流电网与直流电网的潮流计算完全解耦，并依次求解完全解耦后的直流电网潮流和交流电网潮流；其中，在求解直流电网潮流的过程中，雅克比矩阵恒定不变。在本发明中，通过重新划分交直流电网的边界实现交、直流电网的潮流计算完全解耦。该发明的潮流模型中详细考虑了换流站的损耗模型和换流站的多种控制策略。在直流电网潮流计算时，对其雅克比矩阵进行了常数化处理。这使得本发明的该计算方法更具一般性。下面详细分析vsc换流站的稳态模型和交直流电网潮流模型：(1)vsc换流站的稳态模型图1给出了vsc换流站的结构。交流电网通过变压器和电抗器与换流器相连。为了实现交流和直流网络潮流解耦，本发明将交流网络和直流网络的界限定在换流站直流侧，将换流站考虑为交流系统的一部分。此时，交流网络中增加一个滤波器节点f和一个换流器节点c。下面从换流站的控制方式和换流站的损耗两方面来介绍换流站的模型。1)换流站的控制方式换流站有功控制方式主要有：定直流电压udc控制、定直流功率pdc控制和直流电压下斜控制。其中，直流电压下斜控制包括电压-电流(v-i)下斜控制和电压-功率(v-p)下斜控制两种策略，其控制方程为：(udci-udcrefi)+kii(idci-idcrefi)＝0(1)与(udci-udcrefi)+kpi(pdci-pdcrefi)＝0(2)式中：udcrefi、idcref和pdcrefii分别表示运行参考点的电压、电流和功率；kii和kpi分别表示v-i和v-p下斜特性的系数；udci、idci和pdci表示换流站注入功率和电流。2)vsc损耗模型换流器的损耗plossi近似为换流器电流ici的二次函数：plossi＝aiici2+biici+ci(3)式中：ai、bi、ci为损耗系数，可由实测后曲线拟合得到。并通过下式可以换算到不同的容量基值下：式中：下标1代表的是原来系统换流器的参数，不带下标1的量为新系统换流站的参数；下标r和i分别代表的是整流侧(rectifier)和逆变侧(inverter)：sn是换流站的额定容量，sb是系统的基准容量；vn是换流站交流侧的额定电压，vb是交流侧的基准电压，其中的vn表示的是线电压。由图1可知，母线c注入换流站的有功功率率pci等于换流器损耗plossi和直流节点注入功率pdci之和，即：pci＝pdci+plossi(5)(2)交直流电网潮流模型采用图1所示的换流站模型后，本发明将换流站考虑进交流电网中，故将交直流电网的潮流模型分为交流电网潮流模型和直流电网潮流模型。1)交流电网潮流模型交流电网中不与换流器直接相连母线的功率方程为：式中：sb为非换流器母线集合；pgk和qgk分别为母线k发电机发出的有功功率和无功功率；plk和qlk分别为母线k的有功负荷和无功负荷；uk,θk分别为母线k电压和相角；uq,θq分别为母线q的电压和相角；母线k和母线q的相角差表示为θkq＝θk-θq；gkq和bkq分别是线路k-q的电导和电纳。交流电网中与换流器直接相连母线的功率方程为：式中：sc为换流器母线的集合；pci和qci分别为换流器母线注入到换流器有功功率和无功功率。值得注意的是，在每次迭代计算过程中，都需要更新换流器母线i(如图1中母线c)的注入换流器的有功功率。2)直流电网潮流模型直流电网的节点有功功率方程为：式中：pdci为直流节点i的注入有功功率；udci和udcj分别为节点i和j的直流电压；gij为线路i-j的电导；n为直流网络节点总数。直流网络的潮流方程个数为n，变量个数为2n，因此需要补充n个关于换流站的控制方程以使得直流电网潮流可解。设直流电网中有1个定udc换流站，l个v-i下斜控制换流站，m个v-p下斜控制换流站，其余为定pdc换流站。按照上述四类节点分类，可将直流电网的节点电压和导纳矩阵分别写成分块向量/矩阵形式将g中v-p下斜控制换流站和定pdc控制换流站对应的行分别表示为gvp和gp。gvp＝[gvp-vgvp-vigvp-vpgvp-p]m×n(13)将v-i和v-p下斜控制换流站的下斜系数表示为对角矩阵形式：下面分别列写四类直流节点的控制方程。定udc控制换流站(i＝1)：udc1-udcref1＝0(17)v-i下斜控制换流站(i＝，...，l+1)：(udci-udcrefi)+kii(idci-idcrefi)＝0(18)v-p下斜控制换流站(i＝l+2，...，l+m+1)：(udci-udcrefi)+kpi(pdci-pdcrefi)＝0(19)定pdc控制换流站(i＝l+m+2，...，n)：pdci＝pdcrefi(20)联立(9)和(16)-(20)求解，即可获得直流电网的潮流分布。3.交直流电网解耦潮流算法图2所示的是交直流混联电网解耦潮流计算方法的流程图。其主要包含两个部分：直流电网潮流计算和交流电网潮流计算。1)直流电网潮流求解直流电网的潮流方程组为非线性方程，通常采用牛顿法迭代求解。在每次迭代过程中，都需重新形成雅克比矩阵。为了提高计算速度，本发明提出了一种恒定雅克比矩阵的直流电网潮流求解方法。其中，最为关键的步骤是形成恒定的雅克比矩阵，详细分析如下。首先，将控制方程式代入式潮流方程，消去udc1和pdci(i＝2,…,n)。相应地，2n维潮流方程组变为下列n维方程组：定udc控制换流站的功率方程，定udc换流站的待求量为pdc1。采用v-i下斜控制换流站的电流方程，v-p下斜控制换流站的功率方程，定pdc控制换流站的功率方程。这三类换流站对应的待求量为udci(i＝2,…,n)。将直流电网的潮流方程和待求变量，写成如下分块向量形式：于是，直流电网的修正方程可表示为：f＝jdc·δx(27)式中雅克比矩阵jdc可以表示为：式中，0m×1和分别表示维数为m×1和的零矩阵：雅克比矩阵的对角线元素可表示为：非对角线元素可表示为：然后，将定udc、定pdc和v-p下斜控制换流站潮流方程对应的不平衡量和雅克比矩阵元素同时除以udci，得到新的不平衡量：式中：相应地，修正方程可表示为：f′＝j′dc·δx(33)式中：此时，雅克比矩阵j′dc非对角线元素为常数：然而，j′dc的对角线元素中，定pdc换流站和v-p下斜控制换流站对应行的对角线元素j′vp-vp和j′p-p中仍含有节点电压：考虑到直流电网中所有节点的电压都在额定电压附近，故将直流电压udci近似为1，将电压之比udcj/udci也近似为1，得到简化后的恒定雅可比矩阵jconst如式(37)所示。其中，对角线元素如下所示：雅克比矩阵在潮流计算中只形成一次，不随直流电网潮流迭代而变化。2)交流电网潮流求解在得到直流电网潮流计算结果后，可采用与纯交流电网的潮流计算相同的方法，如快速分解法，求解含柔性直流电网的交直流混联系统中的交流潮流。本发明的含柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法验证如下：如图3所示，利用一个含9节点柔直电网的ieee39节点系统，来验证本发明所提的韩柔性直流电网的交直流混联电网解耦潮流计算方法的有效性。换流站的控制参数如下表所示：表i换流站控制参数母线名udcrefpdcrefidcrefqsrefusrefkpkidc4—10.0—————dc5—-5.0——1.036——dc61.0——0.5———dc71.0-3.0——1.0350.08—dc81.0—-4.00.5——0.1dc1—1.5—————dc2—2.4—————将原交流系统中节点30的发电机有功调整为0；节点33的发电机有功出力调整为332mw；节点37的发电机有功出力调整为270mw；节点39的有功出力调整为500mw。潮流计算后，直流电网潮流结果如下表所示。表ii直流电网潮流结果(p.u.)母线名直流电压注入直流功率母线名直流电压注入直流功率dc11.00261.500dc61.000-1.491dc21.00282.400dc70.998-2.975dc31.0000-3.889dc80.9978-3.969dc41.002310.00dc90.9983.584dc50.9981-6.271由潮流结果可知，dc7和dc8换流站满足其自身的下斜特性，如下式所示：在ram为4gb的intelcorei5-4590cpu@3.30ghz(4cpus)电脑上用两种方法分别进行30次潮流计算，然后取其平均值。仿真的时间及其提速因子如下表所示。表iii计算时间比较方法解耦潮流法交替迭代法提速因子时间(ms)15.7402349.759633.1613表明本发明所提解耦潮流算法计算速度是交替迭代法的3.1613倍，本发明所提算法更加高效。当需要连续多次进行潮流计算或进行大型交直流混联电力系统的潮流计算时，本发明所提算法的优势更加明显。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页12