直流电网潮流分析与控制的发展趋势和关键问题

电压源型换流器（VSC）的概念首先由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi首次提出,其具有不需无功补偿、提高交流电网功角稳定性、有功和无功能够快速独立控制等优点,适用于解决新能源发电功率的随机性和波动性问题[1-3]。该技术的发展经历了“双端”—“多端”—“直流电网”的演进过程,电压源型换流器构建的直流电网可以充分利用各种能源资源的互补特性及现有的交直流输配电设备,实现广域大范围内能源资源的优化配置、大规模新能源电力的可靠接入,是解决新能源发电并网问题的最佳技术方案之一[4-5]。

构建未来直流电网面临着一些关键技术挑战。一方面,包括高压直流断路器及DC/DC变换器在内的关键设备研制是直流电网必须解决的关键核心问题。另一方面,由于直流电网的响应时间常数较小,对直流电网系统仿真、直流电网运行控制和保护技术、直流电网快速故障检测技术提出了新的更高的要求。众所周知,潮流问题是电力系统分析中最基本的问题,对直流电网潮流分析与控制技术的研究也是上述问题研究的重要基础。近年来,直流电网潮流问题引起了大量学者的关注[6-7]。目前,直流电网的潮流问题的研究还处于起步阶段,其中的科学问题和内在规律尚未得到完全揭示,因此对其进行分析和总结具有重要的理论和现实意义[8]。

在关于直流电网的潮流研究中,最基本的问题是直流电网潮流分析与控制技术,本文分别对直流电网潮流分析与直流电网潮流控制进行了论述。需要说明的是本文主要对直流输电网络进行分析总结,未考虑直流配电网络。本文首先归纳了直流电网潮流计算方法,同时考虑到VSC 具有高度可控性,进而对含VSC的最优潮流问题进行了总结,并先后分析了二者的收敛性与计算效率;然后在此基础上,概述了控制直流电网潮流的方法—系统级控制和直流潮流控制器技术,其可用来实现最优潮流的分布,并且对潮流控制能力和经济性做出了分析;最终对直流电网潮流分析与控制的发展趋势和关键问题进行了总结与展望,为未来直流电网潮流问题的相关研究提供了技术参考。

1、直流电网潮流分析

世界范围内对直流电网的建设都依托于现有的交流电网,并不是从零开始、与交流电网相互独立,所以一般对直流电网潮流和最优潮流的分析都是以直流电网和与其连接的交流电网构成的交直流混合系统为研究对象。因此,本文以交直流混合系统为基础,且主要对交直流混合电网中的直流电网潮流分析进行归纳和总结。

本节系统的分类总结了直流电网潮流计算方法,同时,为了更好的利用VSC的控制性能,对直流电网最优潮流问题进行了归纳分析。

1.1 直流电网潮流计算

随着大量的直流电网连接于现有的交流电网,对系统的设备运行、继电保护以及安全稳定造成了一定的影响。因此,有必要对交直流电网潮流计算展开研究以防止过负荷、电压越限等问题。交流系统潮流计算只是求解节点的4个状态量：有功功率、无功功率、电压幅值和相角,而交直流混合系统还需要求解直流电压/电流、换流器的功率因数以及调制比。在进行交直流电网潮流计算时,需要在现有的交流系统计算模型中引入直流系统变量以建立交直流混合系统的非线性方程组,如图1所示。

图1中：Pi、Pj为不同换流站与交流系统之间流动的有功功率;Qi、Qj为不同换流站与交流

系统之间流动无功功率;vi、vj为交流系统与不同换流站连接点的交流电压幅值;θi、θj为交流系统与不同换流站连接点的交流电压相角;Udc为直流电网电压;Idc为直流电网电流。

自直流输电技术面世以来,许多的学者与研究人员投身于直流电网潮流计算的研究。传统的电流源型换流器（CSC）直流电网的潮流计算方法已比较成熟,但CSC型直流电网多采用准稳态法构建潮流数学模型,而基于VSC的直流电网一般利用外部功率特性法进行等效分析,此外,2者的调控策略、状态变量以及控制变量均存有差异,使CSC型的潮流计算方法无法直接应用在VSC型直流电网中。

交直流混合电网潮流计算不但需要考虑交流电网潮流模型、直流网络潮流模型,还需要考虑连接交、直流电网的换流器潮流模型,在原有的交流系统潮流算法中进行适当的改进与补充则能应用于交直流潮流计算中。交直流潮流计算方法主要分为：统一迭代法和交替迭代法。统一迭代法收敛快,迭代次数少;交替迭代法将交流电网潮流和直流电网潮流分别迭代求解,易于扩展。

1.1.1统一迭代法

统一迭代法是以极坐标下的牛顿法为基础,将交流节点的状态变量与直流系统的状态变量和控制变量统一进行迭代求解,其也被称为联合求解法,计算框图如图2所示。

图1 交直流系统潮流计算示意图

图2 统一迭代法潮流计算框图

这种方法具有良好的收敛性,对于不同的网络结构和不同的直流系统控制方式的算例,都能可靠的求得收敛解。但是基于牛顿法的统一迭代法计算时增加了雅克比矩阵的阶数,并且每次迭代后需要重新计算雅克比矩阵,这样使得计算量增大。

文献[9]给出了含VSC交直流网络的统一模型,针对VSC的控制方式不同对模型进行了适当调整。面对雅克比矩阵非结构堆成问题,引入了附加非零元素;面对零对角元素问题,在节点编号优化中引入了限制条件,使潮流雅克比矩阵三角分解时不遇到零元素。但该文献未详细考虑VSC的有功损耗。文献[10]提出了利用统一方程维数、切换方程类型解决潮流越限问题的方法,避免了求解雅克比矩阵时的奇异问题。文献[11]提出了以一种基于节点电流关系的潮流算法,该算法考虑的直流电网的控制方式,并给出了相应的模型。与传统的基于功率关系的潮流算法相比,其计算速度快、误差较小。文献[12]将换流器视为由PWM控制的升压/降压变压器,且考虑了开关损耗和线路损耗。以此为基础提出了适用于VSC-HVDC基频运行的潮流求解模型。文献[13]提出的统一模型具有详细的交流系统模型以区别交流系统的差异,并简化了直流系统模型以减小计算量。该文献在提高计算速度的同时保留了期望的交流系统求解类型。

此外,已有文献针对直流电网控制方式的改变做出相关研究。文献[14]所提出的AC、DC、VSC 表达式仅需改变式中的系数即可进行控制方式的转换,具有高效性。同时,在迭代收敛后,若VSC或直流电网越限,采用切换控制方式或修正指令值的办法使其输出可行的潮流结果,具有一定的应用前景。文献[15]根据CSC型直流系统不同的运行方式之间的相通性,将多种运行方式等效为整流侧定电流、逆变侧定电压的运行方式,仅需在交流输电网络修正方程上追加直流系统的该种运行方式,无需改变修正方程的计算格式,便于优化和控制交直流电网,同时也为VSC型直流系统提供了参考。

1.1.2交替迭代法