混合高压直流输电系统的统一迭代潮流算法
摘要
混合高压直流输电系统作为一种新颖的拓扑结构,结合了相控换流式(LCC)直流输电和电压源型(VSC)直流输电二者的优点。本文先建立了混合高压直流输电的电力潮流模型,模型包含有相控换流器和电压源换流器的数学模型,考虑到了混合高压直流输电的控制模式和换流变压器变比。基于该模型,提出了混合高压直流输电的交直流输电网络的统一迭代潮流融合计算法。这个算法适用于嵌入在交流网中的混合高压直流输电系统,也适用于连接了多个异步交流网络的混合高压直流输电系统。最终,本文用算例证实了所建立模型的准确性和算法的有效性。
关键字:相控换流器;电压源换流器;混合高压直流输电;交直流混联网络;统一迭代潮流算法
1 前言
伴随着直流输电技术和直流断路器的进步,更多的高压直流输电系统应用于现代电力传输网络将是大势所趋。相控换流式直流输电方式目前已经发展成熟,它可以完成异步输电网络的连接;近年来,电压源型直流输电因为在某些方面具有极大的优势而受到广泛关注,成为了目前的研究主流。混合高压直流输电结合了相控换流式直流输电和电压源型直流输电二者的优势,在不久的将来也必然会被广泛应用。
对于使用了相控换流式直流输电的交直流混联网络,潮流计算模型方面有着丰硕的成果,而对于电压源型直流输电参与的网络模型较少,混合高压直流输电相关的模型基本没有研究成果。电力系统潮流计算是电力系统的调度运行、控制和规划所需要完成的基础计算之一,因此,本文研究了用来潮流分析的带有混合高压直流输电的稳态模型。
通常用于交直流混联网络潮流计算的算法可大体分为两类:交替迭代法和统一迭代法。针对包含电压源型高压直流输电的混合网络的潮流计算,文献【4】提出了一种交替迭代法来处理多端VSC-HVDC输电,该文中仅仅考虑了单一总线电压控制。文献【5】和【6】为多种电压下垂控制下的VSC-HVDC提出了相应的交替迭代算法。这些算法都是基于前提:交流电网足够强健且对参数初始值十分敏感。文献【7】针对背靠背模式的VSC-HVDC输电提出了相应的统一迭代法,但是该算法还不能用在多端HVDC输电方式上。文献【8】【9】提出了相关的统一潮流迭代算法计算包含多端VSC-HVDC输电方式,同时该算法考虑了换流器的损耗和滤波,但是它仅仅考虑了单一总线电压控制。这些统一迭代法都没有考虑多端HVDC的不同电压控制策略,同时,它们也没有涉及VSC换流站的控制策略对潮流模型的影响,也没有形成简洁的方程表达式。前面提及的论文也都没有考虑换流器变比的调整,目前也没有针对混合高压直流输电潮流计算的研究。
本文综合来考虑了混合高压直流输电的控制模式和变压器变比,建立了LCC和VSC换流器的模型和直流输电网络的模型,随后完成混合直流输电系统的潮流计算模型。接着,本文构造了可以处理混联直流输电与同步交流网络或者异步交流网络相连的混联网络的统一迭代潮流计算法。最后,本文用流计算案例验证了该算法的有效性和真确性。
2 混合高压直流输电系统的潮流计算建模
2.1 LCC 换流站建模
图1展现了LCC换流站的结构组成。直流方程式可以表达如下:
式中: 和分别是直流电压和电流;是交流母线电压;是交流电网注入直流换流站电流的基波分量,是换流桥的个数, 是变压器变比;是换流器的换相角(整流器换相角或逆变器熄灭角);是换相电阻;sign用1表示整流侧,-1表示逆变侧,计及换相角的影响,取。
图1 LCC换流站的结构图
通过忽略变压器对电能传输的损耗,LCC换流站的损耗可以按照下式计算:
式中参数: 根据实际情况确定值;
从交流电网注入LCC换流器的视在功率可以被表示如下:
式中 是LCC换流器注入直流输电网络的有功功率。
2.2 VSC换流器建模
图2给出了VSC换流站的基本结构。交流网络通过一个变压器、滤波器和一个电感连接至VSC母线,直流母线连接至VSC的直流侧。等效电路图如图3所示。等效的PI模型是用来表示换流器变压器的;VSC直流和交流侧分别通过等效电流源和等效电压源来表示。变压器的参数涉及到导纳和变比。滤波器和电感分别用参数和表示。表示交流母线电压向量;为变压器二次侧电压向量;为VSC母线电压向量。为交流电网注入换流站的视在功率;为交流电网注入变压器二次侧的功率;为滤波支路注入变压器二次侧的无功功率。为变压器二次侧注入电感的视在功率;为电感注入VSC母线的视在功率。功率之间的关系由公式-表示,且在图3中显示;
图2 VSC换流站的结构图
图3 VSC换流站的等效电路图
VSC换流站的损耗也可以通过公式计算,而注入换流器的基波电流需要表示为
VSC的功率关系由下式给出:
式中为换流站注入直流电网的有功功率。
正弦脉宽调制技术应用在了VSC,调制比在[0,1]范围内,可以由下式表示:
2.3 直流网络建模
直流网络由直流电源、直流负载、输电线路(通过导纳矩阵表示)和和换流站等效模型(见图4)组成。为方便讨论,本文设定直流网络有个节点,包括个连接着LCC换流站的LCC节点,个连接着VSC换流站的VSC节点,以及个没有与外界连接的节点。节点的电流和电压关系用式表达。
图4 直流网络结构图
直流网络的功率关系由式、表示。在式中,对于直流节点而言为0;和分别表示节点注入和吸收的有功功率。
3 高压直流输电系统的控制策略
3.1 LCC换流站的控制策略
对于传统的LCC-HVDC,每个换流器有两个独立的控制变量。不妨假设变压器的抽头可以无缝调节,那么变比可以被线性控制。
在常规的运行情况下,整流器通常采用定功率或者定电流控制方式,通过控制保持换相角不变;对于逆变器而言,当采用定电压控制时,可以通过控制保持熄弧角不变。另外,当采用定电压控制方式时,调节可以维持电压恒定。值得注意的是,使用连续的变比调节控制与实际不符,计算得到变比值后,将变压器变比定为与实际变压器最接近得可调点,然后在恒定变比的条件下计算换流器换相角。对应地,注入直流母线的有功功率、直流电压 和电流定义为D轴控制变量;变压器变比 和换流器控制角定义为E轴控制变量。
为了更好地呈现LCC换流站的不同控制策略,本文用式来表达D轴控制,用式来表示E轴控制。对于每个控制变量,都对应有一个权重系数,当权重系数取1时,换流站就采用对应的控制策略,如表1所示。根据LCC换流站的控制策略,每个控制方程必须有且仅有一个非零的权重系数。
在上式中,上标 * 表示的是对应变量的指定值。 分别是直流有功、直流电流、直流电压,变压器变比和触发延迟角。
表1 LCC控制策略对应的权重系数
3.2 VSC换流站控制策略
独立的有功功率和无功功率可以直接通过VSC换流站控制。有功功率控制变量主要包括有功功率和直流电压;无功功率和交流电压是无功控制的主要变量。
对于混合高压潮流计算网络包含数个VSC换流站,部分或者全部VSC换流站可以被选择电压下垂控制策略,因而直流网络电压会较为稳定。 这些换流站都具有独立的功率—电压或者电流—电压关系,因此直流功率在不同运行情况下可以快速平稳和重新调配。与LCC换流站类似,假设变压器变比是连续可调的,通过调节变压器变比是的变压器二次侧电压维持恒定。当实际变压器抽头确定下来以后,使用定变压器变比控制方式,变压器二次侧电压也就可以计算了。
最终,本文将从交流系统·注入换流站的有功功率,直流电压,直流母线注入有功和直流电流作为D轴控制变量;将从交流系统注入换流站的无功功率和交流母线电压作为Q轴控制变量;变压器变比和二次侧电压作为E轴控制变量。
和LCC换流站类似的处理方法,本文用式-表达不同的D、Q、E轴控制策略。当且仅当对应的控制策略被使用,对应的权重系数才不为零,如表2所示:
表2 VSC控制策略对应的权重系数
在上式中,上标*表示的是对应变量的指定值。 分别代表交流有功功率,直流电压,直流有功下垂、直流电流下垂、交流无功功率,交流电压,变压器变比和触发延迟角。
3.3 混合HVDC的控制策略
对于一个混合HVDC系统而言,无功功率传输不再明确,且换流站的D轴控制变量将会影响到整个系统的功率平衡和电压稳定。根据D轴控制策略,直流节点可以被分为三类:1与LCC对应的恒控制,与VSC对应的恒控制;2 与LCC和VSC对应的恒 控制 3与VSC对应的下垂控制和下垂控制。
在混合HVDC系统中,至少有一种2或者3类型的节点,最多一种2类型节点。举例如下:一个背靠背模式的1混合HVDC系统包含一个2类节点和一个1类节点1;一个多端混合HVDC有着一个2类节点和多个1类节点,或者多个1类节点和至少一个3类节点。
对于LCC换流站而言,一旦D轴控制策略确定后,可以选择任意一个E轴控制策略。对于VSC换流站而言,任意一个Q、E轴控制变量可以被选择来与一个给定的D轴控制策略配合。
4 混合AC/DC网络的统一迭代潮流计算法
4.1 AC/DC网络变量
假定交流网络有个交流节点,包括一个静态节点,个PV节点和个PQ节点。是母线功率角的列向量(静态节点除外),为PQ节点电压幅值的列向量。交流网络的变量构成矩阵:
直流网络变量表示为:
LCC换流站变量表示为:
式中:
VSC换流站变量为
式中,和分别为变压器二次侧功率角和电压幅值的列向量;和分别为VSC母线功率角和电压幅值的列向量。为VSC换流站注入直流网络的有功功率的列向量;为VSC变压器变比的列向量,为VSC调制比组成的的列向量。
最终,交直流混联网络变量表示为
式中, 分别是维的列向量。
4.2 AC/DC网络潮流方程
1) 交流网络方程
交流母线的潮流方程式见式、,式中节点是所有通过交流线路连接至 节点的集合1,包括 节点本身。和是交流导纳矩阵的元素。对于一个节点,发电机功率为,负载功率为。分别是节点的电压,且。
如果一个交流节点没有连接至任何一个换流站,那么该节点的都是零。对于连接着LCC的节点,方程,分别带入方程,; 对于连接VSC的节点,方程,分别代入方程,。
维列向量由PV和PQ节点有功功率构成,且维列向量由PQ节点无功功率构成。交流电网方程式为
2)直流网络方程
直流线性网络方程可以通过式获得,如下:
式中,是一个维列向量。
直流节点平衡方程
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