基于連續(xù)潮流計算的VSC-MTDC異步互聯電網換流站參數優(yōu)化方法
馬任遠1 湯馨延2
（1.國網河南省電力公司經濟技術研究院 河南 鄭州450052
2.華潤雪花集團四川公司重慶中心 重慶市 400042）
摘要：針對于由多端口柔性直流輸電網絡(VSC-MTDC)進行連接的異步互聯電網，本文提出了一種基于連續(xù)潮流計算的換流站整定參數優(yōu)化方法。該方法以全網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大為優(yōu)化目標，以分區(qū)斷面?zhèn)鬏敼β屎愣榈仁郊s束條件，以遺傳算法為計算核心，對各VSC換流站的整定控制參數進行優(yōu)化。本文以IEEE-RTS96仿真系統(tǒng)對所提優(yōu)化方法進行驗證，結果顯示本文所提方法可以在保證分區(qū)間傳輸功率恒定的前提下得到最優(yōu)的換流站整定控制參數方案，有效地提升系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。
關鍵詞：VSC-MTDC，連續(xù)潮流計算，遺傳算法，靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析；
VSC-MTDC Asynchronous Mutual Based on Continuous Power Flow Calculation The Optimization Method of Converter Station Parameters
Renyuan Ma1 Xinyan Tang2
(1.State Grid Henan Electric Power Company Economic and Technological Research Institute, Zhengzhou Henan 450052;
2.China Resources Snow Breweries Corporation Chongqing Division , Jiulongpo, Chongqing, 400042, China )
Abstract: Aiming at the a synchrnonus interconnected power network connected by multi-port flexible direct current transmission network (vsc-mtdc), this paper proposes an optimization method of converter station tuning parameters based on continuous power flow calculation. this method takes the maximum static voltage stability margin of the whole network as the optimization objective, takes the transmission power constant in partition section as the equation constrain condition ,and takes the genetic algorithm as the core of calculation, to optimize the tuning control parameters of each VSC converter station. In this paper, ieee-rts96 simulation system is used to verify the proposed optimization method, and the results show that the proposed method can obtain the optimal converter station tuning control parameter scheme on the premise of ensuring constant transmission power between partition, and effectively improve the voltage stability of the system.
Keywords: VSC-MTDC, continuous power flow calculation, genetic algorithm, static voltage stability analysis:
0 引言
自上世紀七十年代以來，國際上多個電力系統(tǒng)相繼發(fā)生了多起因電壓失穩(wěn)而造成的大規(guī)模停電事故[1-5]。目前電壓不穩(wěn)定風險已經成為電力系統(tǒng)正常運行的最大威脅，因此，對結構日益復雜的現代電力系統(tǒng)，進行快速和精確的電壓穩(wěn)定性評估是非常有必要的，且極具社會經濟價值。連續(xù)潮流方法具有可以追蹤節(jié)點電壓隨負荷功率變化的PV曲線、評估結果客觀、不存在計算困難等優(yōu)點，已經成為國內外電力系統(tǒng)中應用最廣泛的在線靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析工具。
相對于以電流源換流器(Current Sourced Converter, CSC)為代表的傳統(tǒng)晶閘管整流器，電壓源型換流器(Voltage Sourced Converter, VSC)具有以下優(yōu)點[6-8]：1）更容易擴展到多端網絡；2）有功功率和無功功率可以獨立控制；3）相對于CSC換流器，其直流端電壓可以被作為一個控制選項；4）不存在換相失敗的風險；5）不用花費資金和場地去購置諧波濾波器；6）建設和試運行時間比較少；7）相對于CSC，VSC更適合可持續(xù)新能源的接入。在這種情況下，以多端口柔性直流輸電網絡(Voltage Sourced Converter based Multi-Terminal DC，VSC-MTDC)進行區(qū)域連接的異步互聯電網正在世界范圍內迅速發(fā)展。例如，連接西南電網和華中主網的渝鄂背靠背±420kV柔性直流異步互聯系統(tǒng)（2019年6月投運），連接廣東、廣西和云南電網的烏東德多端口超高壓柔直輸電工程等。可以很清晰地預見，以多端柔直作為輸電網絡連接的多區(qū)域交直流異步電網將會成為未來一種非常重要和常見的電網結構。
目前已經有考慮柔性直流輸電網絡的連續(xù)潮流研究，但現有研究重點在于考慮多端柔直網絡的數學建模和交直流解耦計算過程，并沒有考慮VSC-MTDC直流網絡控制參數整定方案對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的影響[9-10]。直流網絡控制參數的整定方案會直接影響負荷增長過程中異步互聯系統(tǒng)內的潮流分布，進而對系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度產生非常大影響。
針對于現有連續(xù)潮流研究的缺陷，本文提出了一種基于連續(xù)潮流計算的換流站整定參數優(yōu)化方法。該方法以全網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大為優(yōu)化目標，以分區(qū)斷面?zhèn)鬏敼β屎愣榈仁郊s束條件，以遺傳算法為計算核心，對各VSC換流站的整定控制參數進行優(yōu)化。本文以IEEE-RTS96仿真系統(tǒng)為基礎進行算例仿真，仿真驗證了本文所提優(yōu)化方法的有效性。結果顯示，本文所提優(yōu)化方法可以在保證分區(qū)間傳輸功率恒定的前提下得到最優(yōu)的換流站控制參數整定方案，有效地提升系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。
1 多端柔性直流輸電網絡的潮流模型
在對多端柔性直流輸電網絡（VSC-MTDC）進行潮流建模時，將采用如下假設：1）VSC換流站交流端電壓為正弦波形，并只考慮其基頻和正序分量；2）換流器所產生的諧波分量不被考慮；3）所有開關被認為是理想開關。電壓源型換流器由換流橋、換流電抗器、交流濾波器、直流電容和直流電纜組成。一般將換流器交流側與之直接相聯的節(jié)點稱為公共耦合節(jié)點，即PCC節(jié)點。
為了更方便地描述建模過程，本章作如下的變量符號定義：記第i個VSC為；對于，其所連PCC節(jié)點電壓的基波向量為，其換流橋輸出線電壓的基波向量為，兩者相角差為，即；和分別表示換流電抗器和交流濾波器的基波電抗；為代表換流橋有功損耗的等效電阻；與為從交流網絡注入到的有功功率和無功功率；表示輸出的直流電壓；為注入到多端直流網絡的直流電流。
文獻[11]給出了VSC-MTDC的潮流模型，具體見（1）式~（3）式所示。
(1)
(2)
(3)
式中為直流電壓利用率，當調制方式為正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWN）時，；當調制方式為空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWN）時，。為電壓調制度，為直流網絡i與j節(jié)點之間的直流電纜電導。為直流網絡的節(jié)點數，亦即為換流器個數。和分別為和所對應的導納和導納角。
式（3）為換流器的控制方程。關聯的四個狀態(tài)量（）需要設定其中的兩個為控制目標，常見的組合方式有四種模式：①和恒定控制；②和恒定控制；③和恒定控制；④和恒定控制。正常情況下，一端選擇直流電壓給定的①或者②，以維持直流電壓恒定。其它端選擇有功給定的③或者④，以控制傳輸有功為指定值。
2 異步互聯電網下連續(xù)潮流模型
以VSC-HVDC進行連接的異步互聯電網的典型結構，兩個區(qū)域電網（子網A和子網B）由一組VSC-HVDC直流輸電網絡進行聯接，和分別為兩個區(qū)域電網所連接的換流站，和分別表示兩個區(qū)域電網內所有交流節(jié)點集合。每個分區(qū)內交流節(jié)點可以被分為四種類型：即①PV節(jié)點（排除掉PCC節(jié)點）；②PQ節(jié)點（排除掉PCC節(jié)點）；③PVθ節(jié)點，亦即為該分區(qū)的相角參考點；④PCC節(jié)點。
對于A分區(qū)交流網絡，以、、和分別表所示A分區(qū)內PQ、PV、PVθ和PCC節(jié)點集合，則A分區(qū)內節(jié)點的參數化潮流約束方程(•)可以表示為下式(4)。
(4)
中和分別為節(jié)點i擾動前的額定電壓幅值和擾動后的電壓幅值，和分別代表了節(jié)點i在擾動前的初始負荷。和分別代表了節(jié)點i處發(fā)電機組擾動前后的有功出力，和分別表示當前從A分區(qū)系統(tǒng)注入到換流站的有功和無功功率，λ為負荷增長因子。類似地，B分區(qū)內的節(jié)點的潮流約束方程(•)可以參考進行列寫。
當采用弧長法時，步長約束方程(•)可以表示如下：
(5)
式中和分別為當前點和上一個運行點的A分區(qū)節(jié)點電壓相角和幅值，和分別為當前點和上一個運行點的B分區(qū)節(jié)點電壓相角和幅值，為控制步長，和分別為當前運行點下分區(qū)A和分區(qū)B的系統(tǒng)頻率，和分別為上一個運行點處分區(qū)A和分區(qū)B的系統(tǒng)頻率，為前一個運行點對應的負荷增長因子。
自此，異步互聯電網下的連續(xù)潮流模型可以表示為
（6）
式中(•)和(•)表示A、B交流分區(qū)內考慮頻率特性的節(jié)點參數化潮流約束方程，即方程(4)；D(•)表示直流系統(tǒng)潮流約束方程和控制方程，由方程(1)-(3)構成；(•)表示步長約束方程，即方程(5)；
3 基于連續(xù)潮流模型的優(yōu)化方法
對于以VSC-MTDC網絡為聯絡線的交直流互聯異步電網，其聯絡線斷面功率總和需要滿足斷面功率交易約束。盡管VSC交流端注入的有功功率和無功功率可以獨立地進行控制，但是在短時間內VSC的整定參數無法快速地隨負荷增長而調整。所以，在模擬負荷增長的過程中，認為VSC的控制方式和整定值保持不變是一種比較合理的假設。
顯然，不同的VSC控制整定值下，整互聯異步電網的負荷裕度是不同，因而尋找能使負荷裕度最大的整定值參數也成為我們的控制目標。在本文所提出連續(xù)潮流模型的基礎上，考慮斷面功率交易約束，我們得到一個外層優(yōu)化問題：
(7)
在式(7)中，目標函數是整個含VSC-MTDC網絡的交直流互聯異步電網的負荷裕度，通過所提異步互聯電網連續(xù)潮流模型，即式(6)。優(yōu)化變量是各個VSC的整定值參數，如。式中為A、B子區(qū)域之間傳輸斷面上的交節(jié)點集合，為多端柔直輸電網絡斷面上的總有功功率整定值。
Matlab的遺傳算法（Genetic Algorithm, GA）工具箱可以很好的求解這個問題。對于每一代種群中的每一個個體，都可以通過第V節(jié)中的步驟A-F來計算其適應度。
4 算例基礎數據與仿真條件
為了證明本文所提出連續(xù)潮流模型的有效性，本文以修改后的兩區(qū)域IEEE-RTS96(MRTS)測試系統(tǒng)[12]來驗證模型的有效性。所有的計算都在MATLAB環(huán)境下編寫。在原有的MRTS測試系統(tǒng)基礎上，三條輸電線被兩個MTDC網絡所替代：在138kV系統(tǒng)中，107-203線路被一個三端口150kV的MTDC網絡所替代，此多端柔直網絡連接兩個異步電網和一個風電場（節(jié)點301和節(jié)點302）。在345kV 系統(tǒng)中，113-215線路、123-217線路被一個四端口300kV多端柔直網絡所替代。
VSC的基本參數和整定值見表格1和表格2。VSC2、6、7構成聯絡線傳輸斷面，通過斷面注入右側分區(qū)電網交易功率設定為120MW。三個子區(qū)域的功率平衡節(jié)點分別為115、201、302。節(jié)點107處一臺輸出功率為80MW的機組(U100)停運，節(jié)點201處一臺輸出功率為76MW的機組(U76)停運，節(jié)點302處增設一臺出力為150MW的風力發(fā)電機。目標狀態(tài)時負荷和發(fā)電機出力為初始狀態(tài)的1.5倍。
表1 三端口直流網絡的換流站控制信息
|
換流站 |
1 |
2 |
3 |
|
模式 |
, |
, |
, |
|
(p.u.) |
0.1121 |
0.1121 |
0.1121 |
|
(p.u.) |
0.0015 |
0.0015 |
0.0015 |
|
(p.u.) |
2.0 |
- |
- |
|
(p.u.) |
- |
- |
- |
|
- |
優(yōu)化變量 |
150 |
|
|
(MVar) |
11.87 |
-15.87 |
0 |
表2 四端口直流網絡的換流站控制信息
|
換流站 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
模式 |
, |
, |
, |
, |
|
(p.u.) |
0.1121 |
0.1121 |
0.1121 |
0.1121 |
|
(p.u.) |
0.0015 |
0.0015 |
0.0015 |
0.0015 |
|
(p.u.) |
2.0 |
- |
- |
- |
|
(p.u.) |
- |
- |
- |
- |
|
(MW) |
- |
-5.32 |
優(yōu)化變量 |
優(yōu)化變量 |
|
(MVar) |
18.62 |
6.19 |
-26.21 |
-22.96 |
下表3為遺傳算法的參數設置與優(yōu)化結果，下表4為不同換流站控制參數整定方案下的計算結果對比。表4中，仿真方案4為本文優(yōu)化方法所得到的最優(yōu)控制參數整定方案。比較方案1-7仿真結果，可以發(fā)現優(yōu)化后的整定值方案可以使全網負荷裕度最大，算例仿真證明了外層優(yōu)化方法的有效性。
表3 遺傳算法參數及優(yōu)化結果
|
遺傳算法設置參數 |
|
|
種群規(guī)模 |
100 |
|
生成方法 |
隨機均勻生成 |
|
最大代數 |
100 |
|
交叉系數 |
0.8 |
|
遷移系數 |
0.2 |
|
優(yōu)化結果 |
|
|
收斂代數 |
31 |
|
最大負荷裕度 |
0.5916 |
|
整體計算時間 |
1.3762 |
|
VSC2優(yōu)化有功注入 |
-1.4 |
|
VSC6優(yōu)化有功注入 |
-45.4 |
|
VSC7優(yōu)化有功注入 |
-73.1 |
表4 不同控制方案下計算結果比較
|
方案 |
(MW) |
(MW) |
(MW) |
負荷裕度 |
|
1 |
-61.4 |
-45.4 |
-13.1 |
0.5912 |
|
2 |
-41.4 |
-45.4 |
-33.1 |
0.6079 |
|
3 |
-31.4 |
-45.4 |
-43.1 |
0.6252 |
|
4 |
-1.4 |
-45.4 |
-73.1 |
0.6402 |
|
5 |
-31.4 |
-15.4 |
-73.1 |
0.6257 |
|
6 |
-41.4 |
-5.4 |
-73.1 |
0.6085 |
|
7 |
-60 |
-10 |
-50 |
0.5916 |
5 結論
針對于由多端口柔性直流輸電網絡(VSC-MTDC)進行連接的異步互聯電網，本文提出了一種基于連續(xù)潮流計算的換流站整定參數優(yōu)化方法。仿真結果顯示，本文所提方法可以在保證分區(qū)間傳輸功率恒定的前提下得到最優(yōu)的換流站整定控制參數方案，有效地提升系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。
參考文獻
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