一种含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法和装置与流程

本发明涉及电力自动化技术领域，具体涉及一种含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法和装置。

背景技术：

随着社会用电需求和新能源接入的不断扩大，电网源荷双侧压力日益剧增，要求电网控制逐步向精细化方向发展。在电力电子技术迅速发展的背景下，全控型器件和脉宽调制技术日益成熟，为柔性直流提供了非常有利的发展条件。另外，由于柔性直流非常适合弱电系统以及无源负荷，随着柔性直流技术的应用，在局部新能源或者孤岛地区逐步形成直流输电网。

尽管柔性直流能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，运行时能够在一定范围内独立地控制系统输送的有功功率和无功功率，但是目前在整个交直流电网中，柔直直流的无功控制以就地平衡为准，有功控制按负荷处理。通常在直流电网规模较小时这些控制原则还具有可行性，但随着直流电网容量增大和规模扩展，会带来以下问题：

1)柔性直流的输送功率分布的不合理对电网运行安全带来的影响，需要及时避免静态安全问题，否则容易导致电网连锁性的故障；

2)柔性直流接入电网后，可以向系统吸入或输出无功功率，其无功调节能力未充分发挥；

3)大量新能源的接入，新能源近区电压问题容易导致大面积脱网，需要从有功和无功联合协调优化上提高新能源接入能力。

交流电网已经存在成熟的自动电压控制和自动发电控制两大电网控制系统，随着交直流电网中直流电网占比的增大，直流电网设备也有必要纳入到全网控制中，且在交直流电网控制中，换流站还没有纳入大统一的潮流控制中，因此现有技术中的交直流电网控制方法已经不能适应电网精细化控制需求，且不能充分发挥柔直电网的灵活性和调节能力，导致现有技术中的交直流电网安全性低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中不能适应电网精细化控制需求以及不能充分发挥柔直电网的灵活性和调节能力导致的交直流电网安全性低的不足，本发明提供一种含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法和装置，先根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率，然后根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压，最后根据有功功率和无功功率对换流站的极控系统进行有功无功交替调节，或根据有功功率和电压对换流站的极控系统进行有功电压交替调节，本发明通过构建并求解有功优化模型和无功优化模型得到换流站的有功功率以及换流站的无功功率和电压，并通过得到的换流站的有功功率、无功功率和电压实现交直流电网潮流控制，考虑了柔性直流输电，能够适应电网精细化控制需求，且能够充分发挥柔直电网的灵活性和调节能力，从有功和无功联合协调优化上提高新能源接入能力，且提高了交直流电网的安全性。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法，包括：

根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率；

根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压；

根据有功功率和无功功率对换流站的极控系统进行有功无功交替调节，或根据有功功率和电压对换流站的极控系统进行有功电压交替调节；

所述有功优化模型以所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率最大为目标构建；

所述无功优化模型包括以支路网损和节点电压偏移量之和最小为目标构建。

所述有功优化模型包括第一目标函数和边界条件；

所述第一目标函数如下式：

maxs＝pl1+pl2+…+plk+…+plm

其中，s表示所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率，k＝1,2,…,m，m表示联络线断面中的线路总数，plk表示第k条线路的有功功率，且plk＝ak1u1+ak2u2+…+akhuh+…+aknun，h＝1,2,…,n，n表示换流站总数，uh表示第h台换流站的有功功率，akh表示第k条线路有功功率对第h台换流站有功功率的灵敏度；

所述边界条件如下式：

lmtkmin≤plk≤lmtkmax

shmin≤uh≤shmax

其中，lmtkmin表示第k条线路允许的最小热稳限值，lmtkmax表示第k条线路允许的最大热稳限值，shmin表示第h台换流站有功功率最小值，shmax表示第h台换流站有功功率最大值。

所述根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率，，包括：

采用线性规划算法求解有功优化模型，得到换流站的有功功率。

所述无功优化模型包括第二目标函数和约束条件；

所述第二目标函数如下式：

其中，f表示支路网损和节点电压偏移量之和，n表示节点总数，m表示支路集合，gij表示支路ij的电导，δij表示支路ij的功角差，ui表示节点i处换流站的电压，uj表示节点j处换流站的电压，si表示节点i的电压偏移量，ω表示电压偏移量的功率损耗成本兑换值；

所述约束条件如下式：

其中，pg,i和qg,i分别表示节点i处机组的有功功率和无功功率，qgi,min和qgi,max分别表示节点i处机组的无功功率最小值和最大值；pd,i和qd,i分别表示节点i处负荷的有功功率和无功功率；ui,min和ui,max分别表示节点i处换流站的电压最小值和最大值；qc,i表示节点i处换流站的无功功率，qci,min和qci,max分别表示节点i处换流站的无功功率最小值和最大值；tr表示变压器r的抽头位置，tr,min和tr,max分别表示变压器r的抽头位置最小值和最大值；bij表示支路ij的电纳，bi表示节点i处容抗器组的导纳，bi,min和bi,max分别表示节点i处容抗器组的导纳最小值和最大值；sg表示机组节点集合，sc表示换流站节点集合，st表示变压器集合，sb表示容抗器节点集合。

所述根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压，包括：

根据有功功率，并采用原对偶内点法求解无功优化模型，得到换流站的无功功率和电压。

另一方面，本发明提供一种含柔性直流输电的交直流电网潮流控制装置，包括：

第一确定模块，用于根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率；

第二确定模块，用于根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压；

控制模块，用于根据有功功率和无功功率对换流站的极控系统进行有功无功交替调节，或根据有功功率和电压对换流站的极控系统进行有功电压交替调节。

所述装置还包括建模模块，所述建模模块包括：

第一建模单元，用于构建有功优化模型，所述有功优化模型包括以所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率最大为目标构建的第一目标函数和边界条件；

第二建模单元，用于构建无功优化模型，所述无功优化模型包括以支路网损和节点电压偏移量之和最小为目标构建的第二目标函数和约束条件。

所述第一目标函数如下式：

maxs＝pl1+pl2+…+plk+…+plm

其中，s表示所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率，k＝1,2,…,m，m表示联络线断面中的线路总数，plk表示第k条线路的有功功率，且plk＝ak1u1+ak2u2+…+akhuh+…+aknun，h＝1,2,…,n，n表示换流站总数，uh表示第h台换流站的有功功率，akh表示第k条线路有功功率对第h台换流站有功功率的灵敏度；

所述边界条件如下式：

lmtkmin≤plk≤lmtkmax

shmin≤uh≤shmax

其中，lmtkmin表示第k条线路允许的最小热稳限值，lmtkmax表示第k条线路允许的最大热稳限值，shmin表示第h台换流站有功功率最小值，shmax表示第h台换流站有功功率最大值。

所述第一确定模块包括第一求解单元，所述第一求解单元具体用于：

采用线性规划算法求解有功优化模型，得到换流站的有功功率。

所述第二目标函数如下式：

其中，f表示支路网损和节点电压偏移量之和，n表示节点总数，m表示支路集合，gij表示支路ij的电导，δij表示支路ij的功角差，ui表示节点i处换流站的电压，uj表示节点j处换流站的电压，si表示节点i的电压偏移量，ω表示电压偏移量的功率损耗成本兑换值；

所述约束条件如下式：

其中，pg,i和qg,i分别表示节点i处机组的有功功率和无功功率，qgi,min和qgi,max分别表示节点i处机组的无功功率最小值和最大值；pd,i和qd,i分别表示节点i处负荷的有功功率和无功功率；ui,min和ui,max分别表示节点i处换流站的电压最小值和最大值；qc,i表示节点i处换流站的无功功率，qci,min和qci,max分别表示节点i处换流站的无功功率最小值和最大值；tr表示变压器r的抽头位置，tr,min和tr,max分别表示变压器r的抽头位置最小值和最大值；bij表示支路ij的电纳，bi表示节点i处容抗器组的导纳，bi,min和bi,max分别表示节点i处容抗器组的导纳最小值和最大值；sg表示机组节点集合，sc表示换流站节点集合，st表示变压器集合，sb表示容抗器节点集合。

所述第二确定模块包括第二求解单元，所述第二求解单元具体用于：

根据有功功率，并采用原对偶内点法求解无功优化模型，得到换流站的无功功率和电压。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法中，先根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率，然后根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压，最后根据有功功率和无功功率对换流站的极控系统进行有功无功交替调节，或根据有功功率和电压对换流站的极控系统进行有功电压交替调节，本发明通过构建并求解有功优化模型和无功优化模型得到换流站的有功功率以及换流站的无功功率和电压，并通过得到的换流站的有功功率、无功功率和电压实现交直流电网潮流控制，考虑了柔性直流输电，能够适应电网精细化控制需求，且能够充分发挥柔直电网的灵活性和调节能力，从有功和无功联合协调优化上提高新能源接入能力，且提高了交直流电网的安全性；

本发明提供的含柔性直流输电的交直流电网潮流控制装置包括第一确定模块、第二确定模块和控制模块，第一确定模块，用于根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率；第二确定模块，用于根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压；控制模块，用于根据有功功率和无功功率对换流站的极控系统进行有功无功交替调节，或根据有功功率和电压对换流站的极控系统进行有功电压交替调节，本发明通过得到的换流站的有功功率、无功功率和电压实现交直流电网潮流控制，考虑了柔性直流输电，能够适应电网精细化控制需求，且能够充分发挥柔直电网的灵活性和调节能力，从有功和无功联合协调优化上提高新能源接入能力，且提高了交直流电网的安全性；

本发明通过构建并求解有功优化模型和无功优化模型能够快速得到换流站的有功功率以及换流站的无功功率和电压，效率更高；

本发明能够将换流站的无功功率纳入到现有的无功优化中，形成对含柔性直流输电的交直流电网电压的支撑和网损的优化；

本发明基于灵敏度构建有功优化模型，并通过线性规划算法求解有功优化模型，提高了有功优化模型求解的可靠性；

本发明基于电压偏移量构建无功优化模型，并通过原对偶内点法求解无功优化模型，提高了无功优化模型求解的收敛性。

附图说明

图1是本发明实施例中含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法流程图；

图2是本发明实施例中含柔性直流输电的交直流电网结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法，该控制方法的具体流程图如图1所示，含柔性直流输电的交直流电网具体结构图如图2所示，包括交流部分(图2中的ac)、直流部分(图2中的dc)以及中间的转换部分，本发明实施例提供的含柔性直流输电的交直流电网潮流控制方法具体过程如下：

s101：根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率；

s102：根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压；

s103：根据有功功率和无功功率对换流站的极控系统进行有功无功交替调节(换流站向交流电网输出的有功功率和无功功率分别为步骤s101得到的有功功率和步骤s102得到的无功功率)，或根据有功功率和电压对换流站的极控系统进行有功电压交替调节；

有功优化模型以所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率最大为目标构建；

无功优化模型包括以支路网损和节点电压偏移量之和最小为目标构建。

上述s101中的有功优化模型包括第一目标函数和边界条件；

第一目标函数如下式：

maxs＝pl1+pl2+…+plk+…+plm

其中，s表示所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率，k＝1,2,…,m，m表示联络线断面中的线路总数，plk表示第k条线路的有功功率，且plk＝ak1u1+ak2u2+…+akhuh+…+aknun，h＝1,2,…,n，n表示换流站总数，uh表示第h台换流站的有功功率(即s101得到的换流站的有功功率)，akh表示第k条线路有功功率对第h台换流站有功功率的灵敏度，akh通过下述过程确定：

设p0，b0，θ0为t0时刻的状态量，p1，b1，θ1为t1时刻的状态量，当网络结构不变，某一节点注入功率发生变化，使θ列相量发生偏离，由于网络结构不变，则b1＝b0，p1＝p0+δp，θ1＝θ0+δθ，由于t0时刻除平衡节点外的节点注入有功功率列矢量p0＝b0θ0，θ0为t0时刻除平衡节点外的节点电压相角列矢量，b0∈r^(n-1)×(n-1)为t0时刻的直流节点电纳矩阵，且同时t1时刻除平衡节点外的节点注入有功功率列矢量p1＝b1θ1，θ1为t1时刻除平衡节点外的节点电压相角列矢量，于是得p1-p0＝b1θ1-b0θ0，则δp＝b0δθ，进一步得到最后，得到第k条线路有功功率对第h台换流站有功功率的灵敏度其中bk为第k条线路的电纳，δpk为第k条线路的有功功率变化量，δph为第h台换流站有功功率变化量，δθk1为第k条线路首端节点电压相角变化量，δθk2为第k条线路末端节点电压相角变化量。

上述的边界条件如下式：

lmtkmin≤plk≤lmtkmax

shmin≤uh≤shmax

其中，lmtkmin表示第k条线路允许的最小热稳限值，lmtkmax表示第k条线路允许的最大热稳限值，shmin表示第h台换流站有功功率最小值，shmax表示第h台换流站有功功率最大值。

上述s101中，根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率，具体是采用线性规划算法求解有功优化模型，得到换流站的有功功率。

在实际情况中，由于录入的限值不合理、状态估计数值出现偏差或者实际量测出现不合理等情况的发生，容易导致整个优化问题的求解困难。由于在实际运行情况中，电压出现越限并不是强制要求的约束，在此成为软约束，其它类型的约束、如发电机无功出力、换流站子站无功出力、容抗器导纳、以及变压器抽头是硬约束。针对软约束，可以通过增加约束偏移的成本来改善越限，同时也可以保证约束不合理情况下的收敛性。针对实际自动电压控制电力系统中计算条件，通过在模型中增加电压松弛变量就可以大大增加优化算法的收敛性，从而得到可靠的收敛性。于是，上述s102中的无功优化模型包括第二目标函数和约束条件；

其中的第二目标函数如下式：

其中，f表示支路网损和节点电压偏移量之和，n表示节点总数，m表示支路集合，gij表示支路ij的电导，δij表示支路ij的功角差，ui表示节点i处换流站的电压(即s012得到的换流站的电压)，uj表示节点j处换流站的电压，si表示节点i的电压偏移量，ω表示电压偏移量的功率损耗成本兑换值；

其中的约束条件如下式：

其中，pg,i和qg,i分别表示节点i处机组的有功功率和无功功率(这里的pg,i即s102依据的换流站的有功功率)，qgi,min和qgi,max分别表示节点i处机组的无功功率最小值和最大值；pd,i和qd,i分别表示节点i处负荷的有功功率和无功功率；ui,min和ui,max分别表示节点i处换流站的电压最小值和最大值；qc,i表示节点i处换流站的无功功率(即s102得到的换流站的无功功率)，qci,min和qci,max分别表示节点i处换流站的无功功率最小值和最大值；tr表示变压器r的抽头位置，tr,min和tr,max分别表示变压器r的抽头位置最小值和最大值；bij表示支路ij的电纳，bi表示节点i处容抗器组的导纳，bi,min和bi,max分别表示节点i处容抗器组的导纳最小值和最大值；sg表示机组节点集合，sc表示换流站节点集合，st表示变压器集合，sb表示容抗器节点集合。

上述s103中，根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压，具体是根据有功功率，并采用原对偶内点法求解无功优化模型，得到换流站的无功功率和电压。

依据实际控制特性，通过为电压不等式引入大于零的电压偏移量，电压约束的软松弛可以根据计算情况进行放大，由于松弛量在目标函数中以平方的形式，保证松弛量最小。即当电压在正常范围时，由于目标函数的存在电压偏移量为0，当电压超出范围时，通过控制变量的调节，保证电压偏移量尽可能小，即对限值偏移量近可能接近为零。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种含柔性直流输电的交直流电网潮流控制装置，具体包括第一确定模块、第二确定模块和控制模块，下面对三个模块的功能进行详细说明：

其中的第一确定模块，用于根据预先构建的有功优化模型确定换流站的有功功率；

其中的第二确定模块，用于根据换流站的有功功率和预先构建的无功优化模型确定换流站的无功功率和电压；

其中的控制模块，用于根据有功功率和无功功率对换流站的极控系统进行有功无功交替调节，或根据有功功率和电压对换流站的极控系统进行有功电压交替调节。

本发明实施例提供的装置还包括建模模块，建模模块包括：

第一建模单元，用于构建有功优化模型，有功优化模型包括以所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率最大为目标构建的第一目标函数和边界条件；

第二建模单元，用于构建无功优化模型，无功优化模型包括以支路网损和节点电压偏移量之和最小为目标构建的第二目标函数和约束条件。

其中的第一目标函数如下式：

maxs＝pl1+pl2+…+plk+…+plm

其中，s表示所有元件都在安全范围下联络线断面的有功功率，k＝1,2,…,m，m表示联络线断面中的线路总数，plk表示第k条线路的有功功率，且plk＝ak1u1+ak2u2+…+akhuh+…+aknun，h＝1,2,…,n，n表示换流站总数，uh表示第h台换流站的有功功率，akh表示第k条线路有功功率对第h台换流站有功功率的灵敏度；

其中的边界条件如下式：

lmtkmin≤plk≤lmtkmax

shmin≤uh≤shmax

其中，lmtkmin表示第k条线路允许的最小热稳限值，lmtkmax表示第k条线路允许的最大热稳限值，shmin表示第h台换流站有功功率最小值，shmax表示第h台换流站有功功率最大值。

上述的第一确定模块包括第一求解单元，第一求解单元采用线性规划算法求解有功优化模型，得到换流站的有功功率。

其中的第二目标函数如下式：

其中，f表示支路网损和节点电压偏移量之和，n表示节点总数，m表示支路集合，gij表示支路ij的电导，δij表示支路ij的功角差，ui表示节点i处换流站的电压，uj表示节点j处换流站的电压，si表示节点i的电压偏移量，ω表示电压偏移量的功率损耗成本兑换值；

上述的约束条件如下式：

其中，pg,i和qg,i分别表示节点i处机组的有功功率和无功功率，qgi,min和qgi,max分别表示节点i处机组的无功功率最小值和最大值；pd,i和qd,i分别表示节点i处负荷的有功功率和无功功率；ui,min和ui,max分别表示节点i处换流站的电压最小值和最大值；qc,i表示节点i处换流站的无功功率，qci,min和qci,max分别表示节点i处换流站的无功功率最小值和最大值；tr表示变压器r的抽头位置，tr,min和tr,max分别表示变压器r的抽头位置最小值和最大值；bij表示支路ij的电纳，bi表示节点i处容抗器组的导纳，bi,min和bi,max分别表示节点i处容抗器组的导纳最小值和最大值；sg表示机组节点集合，sc表示换流站节点集合，st表示变压器集合，sb表示容抗器节点集合。

上述的第二确定模块包括第二求解模块，第二求解模块根据有功功率，并采用原对偶内点法求解无功优化模型，得到换流站的无功功率和电压。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。