基于模块化多电平直流输电技术的电磁环网潮流优化控制
2017-10-24，
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(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)
基于模块化多电平直流输电技术的电磁环网潮流优化控制
刘博文，于雷
(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)
随着城市电网的快速发展，区域负荷的不断增加，原有220kV主干网架已经无法满足大型城市的供电需求。而新建的500kV主干输电网其网架结构仍较为薄弱，无法保证供电的安全性和可靠性，因而500/220kV网架合环运行情况不断涌现。但电磁环网合环运行极大的增加了系统的短路电流，而且由于无功环流的存在降低了电网运行的经济性与安全性。针对这些问题，本文采用柔性直流输电技术通过其对功率的灵活控制特性来达到对电磁环网的潮流优化控制目的。其中，基于柔性直流系统的外部功率特性，建立了双端换流站功率注入模型；而后，把电磁环网的潮流优化控制问题转化为计及交流系统和直流系统的等式及不等式约束，并以最小有功功率损耗为目标函数的最优潮流模型求解；最后，采用遗传灾变算法对模型进行求解。算例表明，柔性直流系统能够良好的改善电磁环网系统的潮流分布，有效的降低了系统的有功功率损耗，使系统满足运行的安全性及经济性要求。
电磁环网；高压直流输电；最优潮流计算；遗传算法；潮流优化控制
1 引言
随着电力系统的发展，城市电网传输的功率迅速增长，城市电网必须增建更高电压等级的送电线路。在此过程中，我国电网有三个典型特点：(1)电网发展速度较快，500kV主干输电网架正在逐渐形成、完善和加强，短路电流超标问题突出；(2)全国电网逐步互联，并弱联系统动态稳定性问题突出；(3)存在大量电磁环网，送电能力受限， 需靠大量自动化装置提高输电的稳定性[1-2]。
近年来，随着500kV主干输电网的不断加强，传输负荷的不断增大，电磁环网逐渐成为电力系统的严重隐患，给电网运行带来了诸多困难。其中，电磁环网合环运行后系统中潮流分布不合理，极大的增加了系统的有功功率损耗，严重影响系统的经济性和可靠性。国外解决电磁环网合环运行经济性差问题主要从装设FACTS类潮流控制设备入手，其中以统一潮流控制器(UPFC)应用最为广泛[3]，但此类设备进口成本高、国产化较低、设备维护费用高，因而在国内较少有应用工程实例[4]。文献[5]通过建立UPFC功率注入模型，研究了计及UPFC稳态约束条件的最优潮流模型，通过改进的基因进化算法实现了对模型的求解，证明其对系统潮流的良好控制能力。文献[6]分别以设备有功出力和视在功率最小为目标函数对配电网系统潮流进行优化，取得良好效果。
随着我国模块化多电平高压直流输电技术(MMC-HVDC)的日益成熟和其工程实例的不断增多，其对系统潮流的灵活控制能力得到了广泛的认可。模块化多电平换流器(MMC)具有较低开关频率，损耗较小，节省滤波设备，模块化设计提升换流站可靠性等优点，因而在城市电磁环网的潮流优化控制中有较为广阔的应用前景。文献[7]建立了MMC的仿真模型，并讨论了其外部功率特性及控制方法。文献[8]计及换流器桥臂二倍频环流对MMC系统的功率特性影响，使计算结果更为准确。
本文基于功率注入法，推导了MMC-HVDC系统的外部功率特性模型。而后，以最小有功损耗为目标函数，在交流系统最优潮流计算中添加直流系统等式及不等式约束，建立了含MMC-HVDC的电磁环网最优潮流计算。以IEEE14节点系统为算例，对比分析了引入直流系统前后的电磁环网潮流分布。算例表明，通过合理给定MMC-HVDC两换流站的有功类及无功类参考值能够优化电磁环网的潮流分布，减小其有功功率损耗。
2 MMC稳态功率注入模型
2.1 MMC外部功率特性
如图1所示为MMC-HVDC接入交流系统的基本结构。在稳态工况条件下换流变压器和桥臂电抗器可以被等效替代为连接电抗Xeq。
图1 MMC-HVDC的基本结构
在假设换流站电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率PS及无功功率QS分别为：
(1)
(2)
有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于UC。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制UC就可以控制柔性环网控制器吸收或发出无功功率。从系统的角度看柔性环网控制器可视为一无转动惯量的发电机或电动机，可实现有功功率和无功功率瞬时独立调节，进行四象限运行，如图2所示。
图2 MMC的外部功率特性
2.2 MMC的稳态功率注入模型
在稳态工况运行条件下，MMC-HVDC与交流系统的电气连接可以等效为图3。
图3 MMC与交流系统的电气连接图
如图3可分别得到向换流阀注入的电流向量和交流系统流出的视在功率为：
(3)
(4)
(5)
(6)
则注入换流站的有功功率和无功功率可表示为:
(7)
(8)
考虑到换流阀内部损耗和直流输电线路损耗已经由等效损耗电阻Ri代替，因而注入换流站的有功功率Pci同直流电缆传输有功功率Pdci相同为:
(9)
根据不同MMC阀级控制策略，换流阀出口侧交流电压uci与直流电压udci有如下关系:
uci=miudci
(10)
综上，我们可以得到换流站i侧的有功功率损耗为:
(11)
其中，直流线路损耗已有等效电阻Ri替代。
在实际应用中，MMC换流站的控制目标一般为以下变量：交流系统端口电压us、直流网络电压udc、注入换流站的功率Ps和Qs。实际运行中，针对每个换流器需在以上四个控制变量中选择两个，常用的四种组合为：(1)定Ps、定Qs控制；(2)定ud、定Qs控制；(3)定Ps、定us控制；(4)定us、定ud控制。对于常见的柔性环网控制器控制方式来说，常见的控制方式组合为(2)(1)、(1)(4)、(2)(3)、(3)(4)。
3 基于MMC-HVDC的电磁环网潮流优化控制
3.1 计及有功损耗最小的目标函数及控制变量
引入MMC-HVDC的电磁环网系统中，交流系统的有功损耗ΔPac主要指交流输电设备的损耗，包括交流线路和交流变压器等的损耗等；MMC换流站的损耗ΔPdc主要包括：换流器及其辅助设备的损耗、直流输电线路损耗、换流变压器损耗、直流电抗器损耗等。因此，以上交直流混联系统总有功损耗最小的目标函数为：
(12)
式中：NB、NC分别表示所有交流支路集合和柔性环网控制换流站集合；gk表示k支路的电导。
交流系统最优潮流计算考虑的控制变量主要有PV节点的发电机端电压upv、变压器抽头调节档数Tk、无功补偿点补偿容量Qc。因MMC-HVDC对两侧换流器向交流系统注入功率有良好的控制作用，故MMC-HVDC采用定有功功率控制和定交流电压控制时又引入了四个控制变量，即换流器注入有功功率PSref、换流站出口侧电压uSiref、uSjref和直流电压udcref。其中，一侧换流站采用定有功功率控制，为了维持直流电压的稳定和换流站间直流功率的平衡，另一侧换流站必须采用定直流电压控制。
3.2 等式及不等式约束条件
交直流混联系统的最优潮流约束条件首先应该满足交流系统与直流系统的功率平衡方程。其中交流系统的功率平衡方程为：
i∈NA,i≠s
(13)
i∈NPQ
(14)
式中：NA、NPQ分别为所有节点集合和PQ节点集合；s表示平衡节点；PDi、QDi为发电机节点所带负荷。
换流器所在节点的等式约束方程为：
i∈NC
(15)
i∈NC
(16)
变量约束包括状态变量约束和控制变量约束。含有柔性环网控制器的交直流系统中，交流系统变量约束为：
(17)
考虑直流系统的变量约束时，由于MMC-HVDC能够对有功功率和无功功率实现独立解耦控制，但仍需要满足以下约束条件：
(18)
式中：i指交流节点；下标min表示对应变量的下限值；下标max表示对应变量的上限值。
4 算例分析
本算例采用标准IEEE14节点数据，系统如图 4所示。IEEE14节点为复杂的电磁环网系统，其中共形成了3个主要的电磁环网。在母线4与母线5间加装MMC-HVDC，以有功损耗最小为目标函数，采用Matlab优化工具箱对最优模型求解。如表1所示为MMC-HVDC两换流站控制参数，4节点换流器采用(1)控制方式，5节点换流器采用(2)控制方式。
表1 MMC-HVDC系统参数
图4 含MMC-HVDC的IEEE14节点网架结构
表2 优化前后发电机出力比较
由表2可见，各发电机按经济指标进行分配，系统的总发出有功由277.3(MW)降为258.32(MW)，有功网损由18.3(MW)降为22.98(MW)。表3列出了优化前后各柔性环网控制器控制和状态变量值。
表3 柔性环网控制器状态变量及控制变量
进一步对其他的IEEE节点系统进行修改并进行测试，结果如表 4所示。通过最优潮流计算后给节点系统有功网损明显减少，从而能够验证了算法的有效性。通过最优潮流计算后能够合理的给出MMC-HVDC的系统级指令，从而实现了MMC-HVDC对电磁环网潮流的优化控制作用。
表4 引入柔性环网控制器后IEEE其他系统优化结果
[1] 侯春青,郑惠萍.2005年山西中南部500kV及220kV电网的电磁环网运行方式研究[J].电网技术,2005(10):80-84.
[2] 孔涛,王洪涛,刘玉田,等.500kV-220kV电磁环网开环研究[J].电力自动化设备,2003(12):13-16.
[3] HAO J,SHI L B,CHEN C.Optimising location of unified power flow controllers by means of improved evolutionary programming[J].IEE Proc-Gener Transm Distrib,2004,151(6):705-712.
[4] 窦飞.统一潮流控制器在南京220kV西环网的应用研究[D].华北电力大学,2015.
[5] 仉志华,徐丙垠,陈青.基于统一潮流控制器的配电环网潮流优化控制策略[J].电网技术,2012(6):122-126.
[6] 董良英,房大中,林旭军.含统一潮流控制器的电力系统新型潮流算法[J].电力系统及其自动化学报,2001(2):8-10.
[7] 胡静.基于MMC的多端直流输电系统控制方法研究[D].华北电力大学,2013.
[8] 管敏渊,徐政.模块化多电平换流器型直流输电的建模与控制[J].电力系统自动化,2010(19):64-68.
OptimalPowerFlowforElectromagneticLoopNetworkBasedonModularMultilevelConverterHVDCSystem
LIUBo-wen,YULei
(Institute of Electrical Engineering,Northeast Dianli University，Jilin 132012,China)
With the rapid development of the city power grid,increasing the load area,the original 220kV main grid has been unable to meet the power needs of large cities.The new 500kV transmission network backbone grid structure which is still relatively weak,can not guarantee the safety and reliability of the power supply,thus 500/220kV grid network loop operating conditions are emerging.But electromagnetic Closing the Loop operation greatly increases the short circuit current of the system,but also due to the presence of reactive circulation reduces the economy and security of grid operation.To solve these problems,we use flexible HVDC technology through its flexible power control features to achieve electromagnetic loop network optimization flow control purposes.Wherein,based on the external characteristics of a flexible DC power system,the establishment of a double-ended converter station power injection model;then,the trend of the electromagnetic loop network optimization control problem into account the AC system and DC system equations and inequality constraints,and OPF to minimize active power loss as the objective function to solve;and finally,catastrophic genetic algorithm to solve the model.The example shows that the flexible DC system can be well improved electromagnetic loop network flow distribution AC system,effectively reducing the active power loss of the system,the system meet the operational safety and economic requirements.
electromagnetic loop network;MMC-HVDC;optimal power flow;GA;optimization of flow control
1004-289X(2017)02-0070-05
TM711
B
2016-03-06
