电压源换流器潮流计算模型及有源配电网潮流计算方法

摘要

本发明针对现有配电网交直流系统混连的潮流计算过程中，收敛性不佳的问题，提供一种电压源换流器潮流计算模型及潮流计算方法。该模型，将换流桥简化为理想的比例放大器；将电压源换流器交流侧出口调制电压Uac作为第一中间量，通过换流器交流侧出口调制电压Uac和直流侧电压Udc相互进行计算，再结合电压源换流器的其他参数实现电压源换流器潮流计算。本发明实现了交流系统与直流系统潮流计算的解耦，对传统潮流模型进行改进，针对电压源换流器不同的控制策略，仅需一次交替迭代收敛，即可实现整个混连系统的潮流计算，大大降低计算量，显著地提高了混合潮流计算的收敛性。

说明书

技术领域

本发明涉及配电网设备、网架结构和运行方式相关技术领域，具体地说，涉及一种电压源换流器潮流计算模型及有源配电网潮流计算方法。

背景技术

随着分布式发电和先进电力电子技术的不断发展和推广，用户侧对电能质量及供电可靠性等要求不断提高，传统的交流配电网将面临传统交流配电网将面临分布式电源接入、源荷协调、以及电网运行稳定性、经济性、电能质量等方面的巨大挑战。一方面，主要的分布式电源基本上都是直流电(或采用直流电技术)，必须通过DC/AC换流器才能并入交流配电网；另一方面，越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率。因此，未来的配电网将很可能发展为交直流系统混连的主动配电网。

针对配电网交直流系统混连的潮流计算模型，很多人进行了相应的研究。例如，在VSC-HVDC稳态模型的基础上，导出了其适用于牛顿法潮流计算的数学模型，并以此提出了一种交直流混连系统交替求解的潮流计算方法。考虑到配网三相潮流的不对称性，也有人提出根据交直流系统并网换流器控制策略的不同，在进行交直流混连三相潮流计算模型中提出不同的处理方法。还有人提出，针对有源配电网内多种直流环节进行细化建模，并提出了基于Zbus高斯算法的有源配电网混合潮流求解方法。基于实际高压直流输电中换流器的非线性电压下垂控制策略，也有人提出，对不同类型的下垂控制进行分析并提出一种交直流混连的潮流计算方法。

上述现有技术虽然能够有效地解决交直流系统互联的潮流计算问题，但是都是并网换流器作为分界点，分别对交直流系统交替重复进行潮流计算，直至交直流混连系统满足收敛条件。每一次迭代都需要分别对各交直流系统进行潮流计算，计算量大，收敛性较差，对于多片交直流系统互联时，当其中一片系统的收敛性较差时，会导致整个系统全局收敛性差，甚至不收敛。

发明内容

本发明针对现有配电网交直流系统混连的潮流计算过程中，需要分别对各交直流系统进行潮流计算，存在计算量大，收敛性较差，对于多片交直流系统互联时，当其中一片系统的收敛性较差时，会导致整个系统全局收敛性差，甚至不收敛的问题，提供一种电压源换流器潮流计算模型及有源配电网潮流计算方法。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种电压源换流器潮流计算模型，包括等效阻抗和换流桥，所述等效阻抗连接在换流桥的交流侧，换流桥的直流侧为电压源换流器的直流侧，换流桥的交流侧为电源源换流器的交流侧，其特征在于：

所述等效阻抗由R+jX等效，所述换流桥简化为理想的比例放大器；

将电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac作为第一中间量，通过将换流桥简化为理想的比例放大器使得直流侧电压U_dc与交流侧出口调制电压U_ac形成确定的计算关系；

通过确定的计算关系，使得交流侧出口调制电压U_ac和直流侧电压U_dc可相互进行计算，再结合电压源换流器的其他参数实现电压源换流器潮流计算。

本发明中，将配电网在电压源换流器交流侧注入电压源换流器的有功功率P_ac作为第二中间量，换流桥简化为理想的比例放大器，使得有功功率P_ac与电压源换流器直流侧有功功率P_dc相等。

本发明中，所述直流侧电压U_dc与交流侧出口调制电压U_ac满足以下确定关系：

其中，μ为直流电压利用率，M为调制比。

本发明中，电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S，满足：

其中，Q_ac为配电网在电压源换流器交流侧注入电压源换流器的无功功率。

本发明中，电压源换流器交流侧并网点的交流无功功率Q_S，满足：

其中，Q_ac为配电网在电压源换流器交流侧注入电压源换流器的无功功率。

本发明中，

本发明中，电压源换流器交流侧并网节点电压E_S，满足：

其中，P_S为电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率，Q_S为电压源换流器交流侧并网点的交流无功功率。

一种有源配电网潮流计算方法，所述有源配电网中具有定U_dc-Q_S控制类型的电压源换流器，所述电压源换流器采用前述潮流计算模型，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据电压源换流器，将有源配电网划分为直流系统和交流系统；

2)根据电压源换流器直流侧电压U_dc，进行直流侧潮流计算，满足收敛条件后得到直流系统潮流计算结果，并得到电压源换流器直流侧有功功率P_dc；

3)根据电压源换流器直流侧有功功率P_dc和已知电压源换流器直流侧电压U_dc、电压源换流器交流侧并网点的交流无功功率Q_S，求得配电网在电压源换流器交流侧注入电压源换流器的无功功率Q_ac；

4)根据无功功率Q_ac，结合已知电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac、直流侧有功功率P_dc，求得电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S；

5)根据交流有功功率P_S，并根据已知的交流无功功率Q_S，进行交流系统潮流计算，满足收敛条件后得到求得电压源变流器交流侧的电压幅值与相角，从而获得有源配电网的潮流计算结果。

一种有源配电网潮流计算方法，所述有源配电网中具有定P_S-Q_S控制类型的电压源换流器，电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S和交流侧并网点的交流无功功率Q_S已知，对定P_S-Q_S控制类型的电压源换流器进行潮流计算，等效成一个PQ节点，所述电压源换流器采用前述潮流计算模型，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据电压源换流器，将有源配电网划分为直流系统和交流系统；

2)电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S和无功功率Q_S，进行交流侧潮流计算，满足收敛条件后得到交流系统潮流计算结果，并得到电压源换流器交流侧并网节点电压E_s；

3)根据交流侧并网节点电压E_s，和已知交流有功功率P_S、交流无功功率Q_S，求得电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac；

4)根据调制电压U_ac，并根据已知的控制参数量直流电压利用率μ、调制比M，求得电压源换流器直流侧电压U_dc；

5)根据直流侧电压U_dc，进行直流侧潮流计算，满足收敛条件后得到直流系统的潮流结果，从而获得有源配电网的潮流计算结果。

一种有源配电网潮流计算方法，所述有源配电网中具有定P_S-E_S控制类型的电压源换流器，电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S和交流侧并网节点电压E_s已知，对定P_S-E_S控制类型的电压源换流器进行潮流计算，等效成一个PV节点，所述电压源换流器采用前述潮流计算模型，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据电压源换流器，将有源配电网划分为直流系统和交流系统；

2)根据电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S和交流侧并网节点电压E_s，进行交流侧潮流计算，满足收敛条件后得到交流系统潮流计算结果，并得到电压源换流器交流侧并网点的交流无功功率Q_S；

3)根据交流侧并网节点电压E_s，和已知交流有功功率P_S、交流无功功率Q_S，求得电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac；

4)根据换流器出口调制电压U_ac，并根据已知的控制参数量直流电压利用率μ、调制比M，求得电压源换流器直流侧电压U_dc；

5)根据直流侧电压U_dc，进行直流侧潮流计算，满足收敛条件后得到直流系统的潮流结果，从而获得有源配电网的潮流计算结果。

本发明的电压源换流器潮流计算模型及潮流计算方法，换流器潮流模型实现了交流系统与直流系统潮流计算的解耦，在进行潮流计算时，电压源换流器交流侧可等效成PQ或PV节点，其参数量可由控制设定值和直流侧的潮流计算结果确定。因此，交直流混合系统的潮流计算可采用已有的交直流潮流计算交替求解实现。

本发明基于传统的混合潮流算法，对传统潮流模型进行改进，针对电压源换流器不同的控制策略，对换流器潮流模型的计算参数选取和交直流潮流计算的顺序进行对应调整，仅需一次交替迭代收敛，即可实现整个混连系统的潮流计算，大大降低计算量，显著地提高了混合潮流计算的收敛性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为电压源换流器的模型结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于，通过对现有配电网交直流系统混连的潮流计算过程的分析，发现现有配电网交直流系统混连的潮流计算过程中，需要分别对各交直流系统进行潮流计算，存在计算量大，收敛性较差，对于多片交直流系统互联时，当其中一片系统的收敛性较差时，会导致整个系统全局收敛性差，甚至不收敛的问题，通过本发明提供一种电压源换流器潮流计算模型及有源配电网潮流计算方法以解决上述问题。

电压源换流器作为实现交直流混连的关键设备，也是混合潮流计算的基础，在本发明中电压源换流器模型结构如图1所示，其包括等效阻抗和换流桥，等效阻抗连接在换流桥的交流侧，换流桥的直流侧为电压源换流器的直流侧，换流桥的交流侧为电源源换流器的交流侧。其中，U_dc为电压源换流器直流侧电压；U_ac和E_S分别为电压源换流器交流侧出口调制电压和交流侧并网节点电压；P_ac和Q_ac分别为配电网在电压源换流器交流侧注入电压源换流器的有功功率和无功功率；P_dc为电压源换流器直流侧有功功率；R和X为前述等效阻抗的等效电阻和等效电抗，P_S和Q_S分别为电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率和交流无功功率。由此可以得到各参数之间关系：

P_s＝E_s[E_scosα-U_accos(δ+α)]|Y|(1)

Q_s＝E_s[E_ssinα-U_acsin(δ+α)]|Y|(2)

其中：

带入(1)、(2)可以得到：

式中：δ为Us和Uc之间的相角差；α为阻抗角；

从上图可以看出，本发明的电压源换流器模型中，等效阻抗由R+jX等效，换流桥被简化为理想的比例放大器，将电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac作为第一中间量，通过将换流桥简化为理想的比例放大器使得直流侧电压U_dc与交流侧出口调制电压U_ac形成确定的计算关系；将配电网在电压源换流器交流侧注入电压源换流器的有功功率P_ac作为第二中间量，换流桥简化为理想的比例放大器，使得有功功率P_ac与电压源换流器直流侧有功功率P_dc相等故：

P_ac＝P_dc＝I_dc·U_dc(7)

式中：μ为直流电压利用率，M为调制比。由式(4)-(6)可知，调节δ与μ、M可以对公共连接点处的交流有功、无功功率进行独立控制。在已计算得到E_s和U_dc后，便可得到电压源换流器的实际控制参量δ和μM。

并且由公式(7)可以推出：

反之，可以推出：

在潮流计算中，电压源换流器可以选择的控制方式有以下3种：

(1)定直流电压U_dc、交流无功功率Q_S控制；

(2)定交流有功功率P_S、交流无功功率Q_S控制；

(3)定交流有功功率P_S、交流侧并网节点电压E_S控制。

可以看出，电压源换流器潮流模型实现了交流系统与直流系统潮流计算的解耦。在进行潮流计算时，电压源换流器交流侧可等效成PQ或PV节点，其参数量可由控制设定值和直流侧的潮流计算结果确定。因此，交直流混合系统的潮流计算可采用已有的交直流潮流计算交替求解实现。

然而，由于电压源换流器的等效损耗无法提前准确获得，所以需要分别进行多次交流潮流和直流潮流计算，反复迭代直到满足精度上的收敛条件。

进行交流系统潮流计算时如果存在PV节点，首先给PV节点设定无功功率初值，按PQ节点进行潮流计算，计算出节点的电压幅值和电压相角，得出电压偏差量△U，在标幺值计算下，由基本潮流方程可得PV节点修正的电压偏差量如下所示：

△U＝△P·R+△Q·X(12)

其中，R与X分别为PV节点与平衡节点之间的电阻与电抗；△P和△Q如有功功率与无功功率修正量。

由于PV节点的有功功率修正量△P＝0则上式可以改写为：

△U＝△Q·X(13)

通过上式即可完成PV节点的电压偏差的修正，值得注意的是，若无功修正量超过PV节点无功容量，则此时PV节点转变成PQ节点，Q即为无功容量。

根据电压源换流器，将有源配电网划分为直流系统和交流系统，直流系统的划分是以电压源换流器的直流侧和交流侧进行划分的，具体而言，电压源换流器的直流侧属于直流系统，其交流侧则属于交流系统。以下将结合上述电压源换流器不同的控制方式，对如何进行有源配电网潮流计算进行说明。

本发明中，对于定U_dc-Q_S控制类型，电压源换流器交流侧并网点的交流无功功率Q_S以及直流侧电压U_dc已知。此时，电压源换流器的直流侧注入功率不再是由电压源换流器自身决定，而是由直流侧的系统潮流所决定，其具体过程如下：

1.已知电压源换流器直流侧电压幅值U_dc，进行直流侧潮流计算，满足收敛条件后得到直流系统潮流计算结果，并得到电压源换流器直流侧有功功率P_dc；

2.根据电压源换流器直流侧有功功率P_dc和已知参数U_dc、Q_S代入公式(9)，求得交流系统注入交流换流器的无功功率Q_ac；

3.根据上一步求得的Q_ac，结合已知参数电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac、P_dc带入公式(8)，求得电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S；

4.求得电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S，并根据已知的控制参数Q_S，进行交流系统潮流计算，满足收敛条件后得到求得电压源换流器交流侧的电压幅值与相角。从而获得整个混连系统的潮流计算结果。

本发明中，电压源换流器可以是定P_S-Q_S控制类型的电压源换流器，对于定P_S-Q_S控制类型的电压源换流器，电压源换流器交流侧注入侧并网点的交流有功功率P_S和交流无功功率Q_S已知，所以在进行交流潮流计算过程中，可以等效成一个PQ节点，具体过程如下：

1.已知电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S和交流无功功率Q_S，进行交流侧潮流计算，满足收敛条件后得到交流系统潮流计算结果，并得到电压源换流器交流侧并网节点电压E_s；

2.求得电压源换流器交流侧并网节点电压E_s，将已知参数P_S、Q_S、E_s带入公式(4)、(5)，求得电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac；

3.求得电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac，并根据已知的控制参数量直流电压利用率μ、调制比M，带入公式(6)求得电压源换流器直流侧电压幅值U_dc；

4.已知电压源换流器直流侧电压幅值U_dc，进行直流侧潮流计算，满足收敛条件后得到直流侧系统的潮流结果。从而获得整个混连系统的潮流计算结果。

本发明中，电压源换流器也可以是定P_S-E_S控制类型的电压源换流器，对于定P_S-E_S控制类型的电压源换流器，电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S和交流侧并网节点电压E_S已知，所以在进行交流潮流计算过程中，可以等效成一个PV节点，具体计算过程同定P_S-Q_S控制类型计算类似：

1.已知电压源换流器交流侧并网点的交流有功功率P_S和交流侧并网节点电压E_S，进行交流侧潮流计算，满足收敛条件后得到交流系统潮流计算结果，并得到电压源换流器交流侧并网点的交流无功功率Q_S；

2.求得电压源换流器交流侧并网点的交流无功功率Q_S，将已知参数P_S、Q_S、E_s带入公式(4)、(5)，求得电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac，

3.求得电压源换流器交流侧出口调制电压U_ac，并根据已知的控制参数量直流电压利用率μ、调制比M，带入公式(6)求得电压源换流器直流侧电压幅值U_dc；

4.已知电压源换流器直流侧电压幅值U_dc，进行直流侧潮流计算，满足收敛条件后得到直流侧系统的潮流结果。从而获得整个混连系统的潮流计算结果。

对于前述提到收敛条件，本发明仅需进行一次交流潮流计算和直流潮流计算即可实现混合潮流的求解过程，从而减少了混合潮流的计算量，减少计算时间，并且保证收敛的精度要求。

由于配电网节点数目众多，呈放射状的拓扑结构支路繁杂，传统的牛顿法等方法在配电网潮流计算中应用较少。本发明选取前推回带法作为交流系统和直流系统的潮流计算方法，该算法的计算速度和收敛性等方面在配电网潮流计算应用中均取得较好的效果。首先，对前推回带法的主要迭代公式介绍如下：

I_N＝(S_N/U_N)^*(12)

I_L＝A^-1I_N(13)

U_end＝U_head-Z_LI_L(14)

式中：I_N、U_N、S_N分别表示节点电流、电压、功率矩阵；I_L、Z_L分别表支路电流矩阵；U_end、U_head分别表示支路首端节点、末端节点电压矩阵。

以配电网电压基准值作为节点电压初始值，并结合各节点的注入功率信息，利用式(12)、(13)、(14)得到更新后的节点电压相角与幅值。如此循环进行，直到相邻两次迭代之间的各节点电压幅值变化量都小于允许的误差时，循环结束。最后一次迭代得到的电压为最终的节点电压计算值。

由上可以看出，前推回带法不仅可应用在交流系统潮流计算中，也可以应用于直流系统潮流计算中。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。