综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算方法及系统与流程

本发明涉及电网技术领域，具体地，涉及一种综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算方法及系统，尤其涉及一种配电网多能系统换流器外特性等值建模和交直流混合电力系统的综合潮流计算方法及系统。

背景技术：

社会经济的发展使得电力需求日益紧张，而随着风、光等新能源技术和电力电子技术的发展，换流器技术也日益成熟，直流输电以及相应的直流系统已经出现。对于综合能源系统而言，其能源系统中所囊括的水、气、热等能源因在不同温度下所呈现的固、液、气等多种形态，有理由将其归结为流体系统，而流体系统能流随时间变化较小的特性使其能够被等效为频率恒定的直流系统。因此，稳态情况下，将其与现有交流为主的电力系统相结合，决定了未来电网形态为交直流混合系统。掌握含有直流元素的交直流混合电力系统及网络特性，是对其进行运行优化、安全稳定控制的必要条件，而潮流计算则是掌握交直流混合电力系统及网络特性的基本手段之一。

经过对现有技术的文献检索，[1]kundurp.powersystemstabilityandcontrol.newyork:mcgraw-hill,1994.[2]王锡凡.现代电力系统分析[m].科学出版社，2015.[3]王伟亮，王丹，贾红杰，等.能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述[j].中国电机工程学报，2016,36(12)：3292-3305.wangweiliang,wangdan,jiahongjie,edal.reviewofsteady-stateanalysisoftypicalregionalintegratedenergysystemunderthebackgroundofenergyinternet[j].proceedingsofthecsee,2016,36(12):3292-3305.[4]薛振宇,房大中.基于双向迭代的交直流互联电力系统潮流计算[j].电力系统自动化,2013,37(05):61-67，发现现在的交直流混合电力系统的潮流计算分为两种：一是交替计算方法，就是分别进行交流系统和直流系统的潮流计算，换流器两侧的电压、电流和功率值互为边界条件；一是统一计算法，即将所有的交流系统方程和直流系统方程联立求解，与交替计算法相比，并无本质的区别。无论是现有的交替计算法还是统一计算法，都忽略了换流器特性，并没有对换流器进行建模，也没有考虑换流器的控制因素，本质上还是对交流系统和直流系统分割开来进行计算的。这对于统一掌握交直流混合系统的综合特性来说存在困难，这也是目前交直流混合系统潮流计算的明显缺点。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算方法及系统。

根据本发明提供的一种综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算系统，包括：基础数据准备模块、交直流系统变量坐标变换模块、换流器的外特性等值建模模块、交直流混合系统的综合建模模块、交直流混合系统的综合潮流计算模块和交直流系统变量坐标反变换模块；

基础数据准备模块：对潮流计算需要的数据进行准备处理；

交直流系统变量坐标变换模块：将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下；

换流器的外特性等值建模模块：经交直流系统变量坐标变换后，针对整流器和逆变器进行建模，建立相应的“∏”型等值模型或者“t”型等值模型；

交直流混合系统的综合建模模块：经过换流器的外特性等值建模后是建立交直流混合系统的统一网络模型；

交直流混合系统的综合潮流计算模块：对交直流混合系统的统一网络模型进行综合潮流计算；

交直流系统变量坐标反变换模块：是在综合潮流计算之后，将直流或者交流变量变换为原坐标系下。

所述“∏”型等值模型是根据单输入、单输出换流器进行的，对换流器进行支路等值建模；

所述“t”型等值模型是根据针对单输入、单输出换流器进行，也针对多输入、多输出换流器进行，对换流器进行节点等值建模。

优选地，所述基础数据准备模块包括准备线路的阻抗和导纳、变压器的阻抗和导纳、发电机节点有功及无功功率和负荷节点的有功及无功功率。

优选地，所述交直流系统变量坐标变换模块包括：分别采用预设矩阵，将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下。

优选地，所述换流器的外特性等值建模模块包括：根据交直流系统变量坐标变换后的直流电压、直流电流和直流功率变量或者根据交直流系统变量坐标变换后的交流电压、交流电流和交流功率变量，建立换流器的“∏”型等值模型或者“t”型等值模型，计算换流器外特性的等值模型的阻抗和导纳参数，获得换流器的内阻抗，并计及换流器运行方式对换流器的外特性等值模型的影响；

优选地，所述交直流混合系统的综合潮流计算模块包括：是针对换流器等值建模后的交直流混合系统的综合建模模块建立的统一网络模型进行潮流计算，所有的变量包括直流变量或交流变量，交直流混合系统的综合潮流计算包括：交流潮流计算和直流潮流计算。

根据本发明提供的一种综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算方法，包括：基础数据准备步骤、交直流系统变量坐标变换步骤、换流器的外特性等值建模步骤、交直流混合系统的综合建模步骤、交直流混合系统的综合潮流计算步骤和交直流系统变量坐标反变换步骤；

基础数据准备步骤：对潮流计算需要的数据进行准备处理；

交直流系统变量坐标变换步骤：将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下；

换流器的外特性等值建模步骤：经交直流系统变量坐标变换后，针对整流器和逆变器进行建模，建立相应的“∏”型等值模型或者“t”型等值模型；

交直流混合系统的综合建模步骤：经过换流器的外特性等值建模后是建立交直流混合系统的统一网络模型；

交直流混合系统的综合潮流计算步骤：对交直流混合系统的统一网络模型进行综合潮流计算；

交直流系统变量坐标反变换步骤：是在综合潮流计算之后，将直流或者交流变量变换为原坐标系下。

所述“∏”型等值模型是根据单输入、单输出换流器进行的，对换流器进行支路等值建模；

所述“t”型等值模型是根据针对单输入、单输出换流器进行，也针对多输入、多输出换流器进行，对换流器进行节点等值建模。

优选地，所述基础数据准备步骤包括准备线路的阻抗和导纳、变压器的阻抗和导纳、发电机节点有功及无功功率和负荷节点的有功及无功功率。

优选地，所述交直流系统变量坐标变换步骤包括：分别采用预设矩阵，将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下。

优选地，所述换流器的外特性等值建模步骤包括：根据交直流系统变量坐标变换后的直流电压、直流电流和直流功率变量或者根据交直流系统变量坐标变换后的交流电压、交流电流和交流功率变量，建立换流器的“∏”型等值模型或者“t”型等值模型，计算换流器外特性的等值模型的阻抗和导纳参数，获得换流器的内阻抗，并计及换流器运行方式对换流器的外特性等值模型的影响；

优选地，所述交直流混合系统的综合潮流计算步骤包括：是针对换流器等值建模后的交直流混合系统的综合建模步骤建立的统一网络模型进行潮流计算，所有的变量包括直流变量或交流变量，交直流混合系统的综合潮流计算包括：交流潮流计算和直流潮流计算。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、不再对交直流混合电力系统进行分割，对其潮流进行综合计算，有利于掌握交直流混合系统的综合特性，并进而对综合能源系统进行稳态分析；

2、所建立的换流器等值模型充分考虑了其控制方式，即“∏”型或者“t”型模型中的阻抗、导纳参数包括其运行方式下开关触发状态函数。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明交流、直流系统参数转换示意图

图2为本发明计算流程图

图3为本发明换流器的支路等值模型

图4为本发明换流器的节点等值模型

图5为本发明换流器的节点-支路混合等值模型

图5中，阻抗r+jx和导纳g+jb均随触发角变化而变化；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算系统和方法。首先，根据多能系统中的气、冷\热、水等子系统的运行本质，将其定义为直流系统，进而通过将系统中静止的直流变量——诸如能压、能流和能功率进行坐标变换，变换成三相旋转变量，从而将直流系统变换成三相交流系统。而实现上述能量变换的装置可统一称之能流变换器(包括各个不同能源系统能流耦合的换流器，以及电力变换器)，然后将能流变换器根据输入——输出的三相旋转变量进行外特性等值，建立“∏”型或者“t”型等值电路。最后将能流变换器模型与其他电力网络元件模型相结合，建立综合的三相电力统一网络模型，并采用常规的牛顿——拉夫逊方法进行综合潮流计算，并对计算后的结果进行反变换。

根据本发明提供的一种综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算系统，包括：基础数据准备模块、交直流系统变量坐标变换模块、换流器的外特性等值建模模块、交直流混合系统的综合建模模块、交直流混合系统的综合潮流计算模块和交直流系统变量坐标反变换模块；

上述模块体现了实现多能系统能流交换的等效建模及潮流计算的过程。由于定义多能系统运行本质是交流与直流的混合，故首先通过交直流系统变量坐标变换模块将交流参数和直流参数进行相互等值，基于此，多能系统中的各个能源系统就可以在同一个框架下进行物理参数分析；其次，通过换流器的外特性等值建模模块，对换流器进行建模。交直流系统变量坐标变换模块是包含在换流器外特性等值建模模块中的。

基础数据准备模块：对潮流计算需要的数据进行准备处理；

具体地，所述基础数据准备模块包括准备线路的阻抗和导纳、变压器的阻抗和导纳、发电机节点有功及无功功率和负荷节点的有功及无功功率。

交直流系统变量坐标变换模块：将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下，从而使两者相互等值；

具体地，所述交直流系统变量坐标变换模块包括：分别采用1×3维矩阵和3×1维矩阵，将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下。

所述的交流系统变量变化为直流系统变量，是将三相交流系统变量，主要包括电流、电压和功率变换为直流系统变量，因为直流系统不存在“相”的问题。因此，交流——直流变换矩阵是3×1维的；

所述的直流系统变量变化为交流系统变量，是将直流系统变量，主要包括电流、电压和功率变换为三相交流系统变量，同样因为直流系统不存在“相”的问题。因此，直流——交流变换矩阵是1×3维的；

更为具体地，1*3维矩阵或3*1维矩阵只是交直流坐标变换过程中的假设，但是变换后的变量一定是一个3*3维的矩阵，且变换计算是同时进行的。

系统变量是指多能系统的“能压”和“能流”等；将交直流系统变量变换至同一坐标系下是指经过交直流系统变量坐标变换、投影变换后，也即交直流参数等值后，这些量决定了换流器的外特性，从而才可以对其进行等值建模，坐标变换和投影变换只是时交直流系统下参数变量能够等值的手段、机理。

换流器的外特性等值建模模块：经交直流系统变量坐标变换后，针对整流器和逆变器进行建模；类似于其他电力网络元件，换流器的外特性等值建模模块包括“∏”型等值建模和“t”型等值建模两个子模块；类似于常规的电力网络元件——线路、变压器等，对换流器进行外特性等值建模；

具体地，所述换流器的外特性等值建模模块包括：根据交直流系统变量坐标变换后的直流电压、直流电流和直流功率变量或者根据交直流系统变量坐标变换后的交流电压、交流电流和交流功率变量，建立换流器的外特性等值模型，建立换流器的“∏”和“t”型等值模型两个子模块，计算换流器外特性的等值模型的阻抗和导纳参数，获得换流器的内阻抗，并计及换流器运行方式对换流器的外特性等值模型的影响；

如图3所示，所述的“∏”型等值建模子模块是根据单输入、单输出换流器进行的，对换流器进行支路等值建模，即换流器的支路等值模型，公式如下：

其中，下标a,b,c的变量代表三相交流系统变量；下标a，b，c的变量代表直流系统变换为三相交流系统后的变量；g表示换流器的等值导纳；b表示导通角的函数；j代表虚部的符号；δi代表变换后直流侧电流与原交流侧电流之差：δia,b,c＝ia,b,c-ia,b,c；u代表：式中的ua,b,c代表交流侧母线端电压；

如图4所示，所述的“t”型等值建模子模块既可以针对单输入、单输出换流器进行，也可以针对多输入、多输出换流器进行，对换流器进行节点等值建模，即换流器的节点等值模型，公式如下：

其中，r表示换流器的等值阻抗；x表示导通角的函数；δu代表变换后直流侧电压与原交流侧电压之差：δua,b,c＝ua,b,c-ua,b,c；i代表：式中的ia,b,c代表交流侧母线端电流；

但是对电力系统而言很多情况下，变换器的等值是换流器的节点-支路混合等值模型，如图5所示；

阻抗和导纳参数的作用是通过整体考虑获得换流器的内阻；控制策略一般是首端定功率、末端定电压，此处换流器的外特性等值模型也是满足控制策略的。

交直流混合系统的综合建模模块：是建立交直流混合系统的统一网络模型；

具体地，所述交直流混合系统的综合建模模块，是针对整个交直流混合系统建立其统一网络模型，将换流器模型与电力网络中的其他元件--诸如线路、变压器等模型进行综合，建立交直流混合系统的统一网络模型；其中的换流器只是一个元件而已；

交直流混合系统的综合潮流计算模块：对交直流混合系统的统一网络模型进行综合潮流计算；

具体地，所述交直流混合系统的综合潮流计算模块包括：是针对换流器等值建模后的交直流混合系统的综合建模模块建立的统一网络模型进行潮流计算，所有的变量包括直流变量或交流变量，交直流混合系统的综合潮流计算包括：交流潮流计算和直流潮流计算。

所述的交直流混合系统的交流潮流计算子模块采取牛顿——拉夫逊方法进行潮流计算；

所述的交直流混合系统的直流潮流计算采取常规的线性方程组迭代计算方法；

交直流系统变量坐标反变换模块：是在综合潮流计算之后，将直流变量或者交流变量变换为原坐标系下，即根据潮流计算的结果，分别将交流系统和直流系统的变量进行还原。

原坐标指首次交直流系统坐标变换前的坐标系。

根据本发明提供的一种综合能源系统换流器特性建模与交直流潮流计算方法，包括：基础数据准备步骤、交直流系统变量坐标变换步骤、换流器的外特性等值建模步骤、交直流混合系统的综合建模步骤、交直流混合系统的综合潮流计算步骤和交直流系统变量坐标反变换步骤；

上述步骤体现了实现多能系统能流交换的等效建模及潮流计算的过程。由于定义多能系统运行本质是交流与直流的混合，故首先通过交直流系统变量坐标变换步骤将交流参数和直流参数进行相互等值，基于此，多能系统中的各个能源系统就可以在同一个框架下进行物理参数分析；其次，通过换流器的外特性等值建模步骤，对换流器进行建模，因此准确来说，交直流系统变量坐标变换步骤是包含在换流器外特性等值建模步骤中的。

基础数据准备步骤：对潮流计算需要的数据进行准备处理；

具体地，所述基础数据准备步骤包括准备线路的阻抗和导纳、变压器的阻抗和导纳、发电机节点有功及无功功率和负荷节点的有功及无功功率。

交直流系统变量坐标变换步骤：将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下，从而使两者相互等值；

具体地，所述交直流系统变量坐标变换步骤包括：分别采用1×3维矩阵和3×1维矩阵，将交流系统变量变换为直流系统变量，或者将直流系统变量变换为交流系统变量，将交直流系统变量变换至同一坐标系下。

所述的交流系统变量变化为直流系统变量，是将三相交流系统变量，主要包括电流、电压和功率变换为直流系统变量，因为直流系统不存在“相”的问题。因此，交流——直流变换矩阵是3×1维的；

所述的直流系统变量变化为交流系统变量，是将直流系统变量，主要包括电流、电压和功率变换为三相交流系统变量，同样因为直流系统不存在“相”的问题。因此，直流——交流变换矩阵是1×3维的；

更为具体地，1*3维矩阵或3*1维矩阵只是交直流坐标变换过程中的假设，但是变换后的变量一定是一个3*3维的矩阵，且变换计算是同时进行的。

系统变量是指多能系统的“能压”和“能流”等；将交直流系统变量变换至同一坐标系下是指经过交直流系统变量坐标变换、投影变换后，也即交直流参数等值后，这些量决定了换流器的外特性，从而才可以对其进行等值建模，坐标变换和投影变换只是时交直流系统下参数变量能够等值的手段、机理。

换流器的外特性等值建模步骤：经交直流系统变量坐标变换后，针对整流器和逆变器进行建模；类似于其他电力网络元件，换流器的外特性等值建模步骤包括“∏”型等值建模和“t”型等值建模两个子步骤；类似于常规的电力网络元件——线路、变压器等，对换流器进行外特性等值建模；

具体地，所述换流器的外特性等值建模步骤包括：根据交直流系统变量坐标变换后的直流电压、直流电流和直流功率变量或者根据交直流系统变量坐标变换后的交流电压、交流电流和交流功率变量，建立换流器的外特性等值模型，建立换流器的“∏”和“t”型等值模型两个子步骤，计算换流器外特性的等值模型的阻抗和导纳参数，获得换流器的内阻抗，并计及换流器运行方式对换流器的外特性等值模型的影响；

如图3所示，所述的“∏”型等值建模子步骤是根据单输入、单输出换流器进行的，对换流器进行支路等值建模，即换流器的支路等值模型，公式如下：

其中，下标a,b,c的变量代表三相交流系统变量；下标a，b，c的变量代表直流系统变换为三相交流系统后的变量；g表示换流器的等值导纳；b表示导通角的函数；j代表虚部的符号；δi代表变换后直流侧电流与原交流侧电流之差：δia,b,c＝ia,b,c-ia,b,c；u代表：式中的ua,b,c代表交流侧母线端电压；

如图4所示，所述的“t”型等值建模子步骤既可以针对单输入、单输出换流器进行，也可以针对多输入、多输出换流器进行，对换流器进行节点等值建模，即换流器的节点等值模型，公式如下：

其中，r表示换流器的等值阻抗；x表示导通角的函数；δu代表变换后直流侧电压与原交流侧电压之差：δua,b,c＝ua,b,c-ua,b,c；i代表：式中的ia,b,c代表交流侧母线端电流；

但是对电力系统而言很多情况下，变换器的等值是换流器的节点-支路混合等值模型，如图5所示；

阻抗和导纳参数的作用是通过整体考虑获得换流器的内阻；控制策略一般是首端定功率、末端定电压，此处换流器的外特性等值模型也是满足控制策略的。

交直流混合系统的综合建模步骤：是建立交直流混合系统的统一网络模型；

具体地，所述交直流混合系统的综合建模步骤，是针对整个交直流混合系统建立其统一网络模型，将换流器模型与电力网络中的其他元件--诸如线路、变压器等模型进行综合，建立交直流混合系统的统一网络模型；其中的换流器只是一个元件而已；

交直流混合系统的综合潮流计算步骤：对交直流混合系统的统一网络模型进行综合潮流计算；

具体地，所述交直流混合系统的综合潮流计算步骤包括：是针对换流器等值建模后的交直流混合系统的综合建模步骤建立的统一网络模型进行潮流计算，所有的变量包括直流变量或交流变量，交直流混合系统的综合潮流计算包括：交流潮流计算和直流潮流计算。

所述的交直流混合系统的交流潮流计算子步骤采取牛顿——拉夫逊方法进行潮流计算；

所述的交直流混合系统的直流潮流计算采取常规的线性方程组迭代计算方法；

交直流系统变量坐标反变换步骤：是在综合潮流计算之后，将直流或者交流变量变换为原坐标系下。即根据潮流计算的结果，分别将交流系统和直流系统的变量进行还原。

原坐标指首次交直流系统坐标变换前的坐标系。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。