一种基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代方法

摘要

本发明公开了一种基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代方法，包括以下步骤：根据多端口电力电子变压器拓扑约束、功率平衡约束、综合损耗以及控制特性，建立多端口电力电子变压器的潮流计算模型；将多端口电力电子变压器的综合损耗等效为交流端口损耗与直流端口损耗之和，并建立多端口电力电子变压器的损耗模型；对交替迭代法和统一迭代法进行融合，得到基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代算法，通过得到的基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代算法解算上述两个步骤建立的电力电子变压器潮流计算模型，实现交直流解耦。本发明适应了PET控制模式的切换和多端口PET端口功率平衡之间的耦合，能够实现交直流解耦。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统自动化技术领域，具体是一种基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代方法。

背景技术

电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)能够实现对其各端口传输功率与电压的独立、快速、准确控制，集成控制系统与信息系统后可作为IEM装置。与常规的电压/电流源转换器和低频变压器(Low frequency transformer,LFT)相比，PET具有多个优点，例如：无功补偿，即插即用的储能、直流负载即分布式发电直流接口、动态电压控制以及故障电流的主动限制。目前的研究主要集中在PET的内部结构设计，组件级仿真和控制器设计等方面。

潮流分析为核心的系统运行模拟是优化规划的基础。模型方面，由于规划阶段考虑的时间尺度较大可以忽略暂态过程，因此适应于规划的交直流混合潮流计算模型通常采用稳态分析模型，即满足基尔霍夫定律并遵循交/直流系统相应物理特性的代数方程，与传统交流系统的潮流计算模型不同，由于交直流混合系统的潮流可控，因此需要在系统稳态模型方程基础上附加控制方程构成非线性的潮流计算方程组。算法方面，主要分为两类：统一迭代法与交替迭代法，交替迭代法较统一迭代法计算速度更快，而且由于直流系统与交流系统解耦迭代，交流潮流与直流潮流可以使用不同的算法求解，具有很好的扩展性与移植性，因而得到了更多地关注。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代方法，包括以下步骤：

S1：根据多端口电力电子变压器拓扑约束、功率平衡约束、综合损耗以及控制特性，建立多端口电力电子变压器的潮流计算模型；

S2：将多端口电力电子变压器的综合损耗等效为交流端口损耗与直流端口损耗之和，并建立多端口电力电子变压器的损耗模型；

S3：对交替迭代法和统一迭代法进行融合，得到基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代算法，通过得到的基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代算法解算上述两个步骤建立的电力电子变压器潮流计算模型，实现交直流解耦。

进一步的，所示S1中的多端口电力电子变压器的潮流计算模型解耦等效为由AC-DC转换器、DC-DC转换器和功率平衡节点构成的简化模型，模型由下式表示：

在交流端口：P

在直流端口:U

进一步的，所述S2中的将多端口电力电子变压器的综合损耗等效为交流端口损耗与直流端口损耗之和，并建立多端口电力电子变压器的损耗模型，具体包括如下过程：多端口电力电子变压器的综合损耗等效为交流端口损耗与直流端口损耗之和，两类端口的损耗方程采用如下公式所示：

其中，ΔP

进一步的，所述对交替迭代法和统一迭代法进行融合，得到基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代算法，通过得到的基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代算法解算上述两个步骤建立的电力电子变压器潮流计算模型，实现交直流解耦，包括如下过程：

首先将潮流计算公式改写为修正方程的形式：

Δf(x

其中J表示该交直流混合潮流方程组的雅克比矩阵，潮流方程组矩阵形式如下：

将雅克比矩阵表示为如下所示：

其中，J

交直流混合潮流修正方程的统一迭代公式如下：

其中，状态变量修正值包括直流分量以及交流分量，上标p表示当前迭代次数，表示所有高次项之和，在直流系统中：

引入迭代步长修正因子，则迭代方程为：

引入修正因子后，得到交流系统迭代方程高阶项近似满足：

在直流系统中，引入修正因子的迭代方程高阶项表达式为：

由此实现了交流潮流迭代公式和直流潮流迭代公式的对称。因此，交直流混合潮流迭代公式的高次项表达式可统一写成：

对于修正因子

目标函数为：

令

本发明的有益效果是：本方案提很好的适应了PET控制模式的切换和多端口PET端口功率平衡之间的耦合，能够实现交直流解耦，有效提高了收敛性，同时改进了迭代方式，克服了传统迭代算法的过修正和初值敏感问题。

附图说明

图1为一种基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代方法的流程示意图；

图2为含PET的潮流计算算法流程图；

图3为多端口PET结构示意图；

图4为多端口PET的广义稳态等效模型。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：计及多端口电力电子变压器拓扑约束、功率平衡约束、损耗以及控制特性，建立了多端口电力电子变压器的稳态模型，并将所建立的稳态模型运用到含PET的交直流混合系统潮流计算中。为了解决由于PET的端口方程以及控制方程的引入而带来的新问题，提出了一种基于步长优化的交直流潮流解耦迭代方法，能有效提高收敛性。

所提出的一种基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代方法，包括以下步骤：

S1：首先计及功率平衡、损耗等约束，建立多端口电力电子变压器的潮流计算模型。

S2：将多端口电力电子变压器的综合损耗等效为交流端口损耗与直流端口损耗之和，并建立多端口电力电子变压器的损耗模型。

S3：根据上述两个步骤建立的电力电子变压器模型，并对传统交替迭代法和统一迭代法进行融合，提出基于步长优化的交直流混合潮流解耦迭代算法。

理想的多端口电力电子变压器可以集成多个不同电压等级的交流端口和直流端口，每个端口的功率均可以双向流动，如图1所示：

由于潮流计算模型中不需要考虑电力电子变压器复杂的内部拓扑约束，仅关注端口的功率-电压控制特性，所以多端口PET的潮流计算模型可以解耦等效为由AC-DC转换器、DC-DC转换器和功率平衡节点构成的简化模型如图二所示。其模型可由式(1)-式(8)表述。

在交流端口：P

在直流端口:U

多端口电力电子变压器的综合损耗同样可以等效为交流端口损耗与直流端口损耗之和，而两类端口的损耗方程均可用二次型方程的形式表示，如式(9)到(13)：

其中，ΔP

传统的交直流混合潮流一般采用交替迭代法或统一迭代法，然而由于多端口电力电子变压器的引入大大增加了交直流混合潮流方程组的复杂度，这两种方法均无法很好的求解含多端口PET的交直流混合潮流：因为节点等效后忽略了多端口PET内部每个端口的功率分配，所以交替迭代法无法处理端口等效功率在迭代过程中的回带问题，而基于牛顿法的统一迭代法则由于PET控制方程的加入，存在初值选取不当造成的收敛性问题。

因此，本文针对上述问题，对两种潮流计算方法进行了融合改进，实现交直流解耦迭代的同时加强了算法的收敛性，为了推导该算法，首先将潮流计算公式改写为修正方程的形式：

Δf(x

其中J表示该交直流混合潮流方程组的雅克比矩阵，潮流方程组矩阵形式如下：

将雅克比矩阵表示为(16)形式：

其中，J

交直流混合潮流修正方程的统一迭代公式如下：

其中，状态变量修正值包括直流分量以及交流分量，上标p表示当前迭代次数，表示所有高此项之和，在直流系统中：

而在交流系统中

引入修正因子后，对(19)的交流分量泰勒展开可得交流系统迭代方程高阶项近似满足：

在直流系统中，引入修正因子的迭代方程高阶项表达式为：

由此实现了交流潮流迭代公式和直流潮流迭代公式的对称。因此，交直流混合潮流迭代公式的高次项表达式可统一写成：

对于修正因子

目标函数为：

令

这些步骤中，需要说明的是，为提高统一迭代的收敛性，可根据交直流混合潮流方程雅克比矩阵(16)的分块和对偶特性，将该交直流混合潮流方程组通过联络节点实现交直流解耦，分别按(23)到(25)求取交流潮流和直流潮流的修正因子和，并将交流潮流与直流潮流按(19)分别独立迭代求解，同时交流潮流与直流潮流的耦合功率则通过电力电子变压器和其他换流器的内部功率平衡方程和控制方程表示，因此，交流潮流和直流潮流分别独立同时计算得到的结果可直接通过多端口耦合方程回带，不需要再交替迭代，可有效提高求解效率。同时，为了降低引入步长修正因子对迭代修正量的影响，需要将求得的第p+1次迭代交流节点最大功率差和直流节点最大功率差进行对比得到系统最大功率差，再与引入迭代步长修正因子后所求得的系统最大功率差值进行对比，取两组数据中的较小组作为下一次迭代的状态量。即应满足：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。