一种确定直流电网电压补偿装置安装位置及容量的方法与流程

本发明属于直流电网
技术领域：
，具体涉及一种确定直流电网电压补偿装置安装位置及容量的方法。
背景技术：
：直流电网是解决远距离大容量输电、可再生能源并网等问题的有效技术手段，受到了国内外学者的广泛关注。与交流电网中有功功率与电压可以分开调节不同，直流电网的潮流分布取决于节点电压之差。线路电阻的存在导致了长线路、重负荷时网络中某些节点的电压显著低于额定值。直流电网这一运行特性将带来一系列问题，例如：1)不利于直流电网电压运行标准的制定；2)低电压保护可能无法区分故障状态与电网正常重负荷运行状态，降低保护定值则可能导致灵敏度不足；3)当换流站采用带电压裕度的控制器(如电压偏差控制)时，为避免运行于电压限值，将不得不增大电压裕度。由于优先级越低的后备定电压站电压裕度越大，但电压裕度也存在最大值，故控制器设计难度增大，后备定电压站数量受限。解决上述问题的一种方法是增大直流导线截面或增加回路数，以减小线路等值电阻，从而减小线路的电压降落。但直流线路建设成本非常高，故采用该方法经济性差。另一种方法是在线路中引入电压补偿装置[一种补偿直流电网电压损失的方法，CN105305404A，宋国兵等]，该方法通过提高装置安装处的电压，从而补偿节点电压之差。事实上，电压补偿装置属于DC/DC变换器，具有灵活的可控性。若其端电压与线路电流之比被控制为一负常数，则能部分抵偿线路电阻，进而达到补偿电压降落的目的。采用该方法所需投资比前一种方法大大减少。但文献[一种补偿直流电网电压损失的方法，CN105305404A，宋国兵等]仅提出补偿电压降落的方法，未涉及电压补偿装置的配置问题。电压补偿装置安装在网络不同位置，装置容量不同。由于装置造价与其容量大致成正比，故有必要寻找装置的最佳安装位置并确定其容量。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种确定直流电网电压补偿装置安装位置及容量的方法，以求合理确定直流电网电压补偿装置的安装位置，实现装置容量最小化和投资最小化。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种确定直流电网电压补偿装置安装位置及容量的方法，所述直流电网含有n个节点和b条支路，所述电压补偿装置为三端结构，其中端子1与端子2与线路相接，端子3接地或与对极装置端子3相接，电压补偿装置的控制特性为ΔU＝-KI，其中，K＞0，ΔU为端子1和2之间的电压，I为端子1或2的电流，ΔU与I方向相同，其比值为-K，电压补偿装置容量与K和I2成正比；包括以下步骤：步骤一，在预想的网络节点电压最低的工况下，建立潮流方程进行潮流计算，确定电压值低于运行下限Umin且最低的节点；步骤二，求解电压补偿装置安装于不同支路时，电压最低节点的电压值对电压补偿装置控制参数的灵敏度；步骤三，依据灵敏度和线路额定电流确定各支路安装补偿装置的优先顺序；步骤四，以电压补偿装置容量最小为目标，节点电压和电压补偿装置参数满足限值为约束，构造优化问题并求解；步骤五，在步骤四解对应的每条支路上对称布置补偿装置，一条支路上的各装置容量相等。进一步的，步骤二所述灵敏度和使电压满足运行限值的各支路电阻减小量成反比；求解各支路电阻减小量的做法为：在步骤一的潮流方程中，将最低的节点电压改为常数Umin，将第i条支路的电阻Ri改为Ri-Ki，Ki为待求的支路电阻减小量，即补偿装置的控制参数，对i＝1,2,…,b分别求解潮流方程，得到K1,K2,…,Kb。进一步的，步骤三的做法为：将由小到大进行排序即为各支路安装电压补偿装置的优先顺序，其中IiN为各支路额定电流，i＝1,2,…b。进一步的，步骤四先考虑在1条支路上布置电压补偿装置；若优化问题无解，再考虑在2条支路上布置电压补偿装置；若无解，再考虑继续增加一条支路上布置电压补偿装置，直到优化问题有解，找到所有需要布置电压补偿装置的支路。进一步的，步骤四的做法为：取m初始值为1，m为进行电压补偿的支路数；在排序后的前m条支路上进行电压补偿，构造状态变量U和控制变量K，向量U的元素为步骤一工况中除定电压节点之外的全部节点电压，向量K有m个元素，分别为排序后前m条支路对应的补偿装置参数Ki；构造优化问题：obj.min.f(K)st.h(U,K)=0g(U,K)≤0]]>其中，目标函数f(K)为电压补偿装置容量，等式约束h(U,K)＝0为潮流方程，不等式约束g(U,K)≤0包括对控制参数K取值的限制，对节点电压U运行值的限制；若该优化问题有解，执行步骤五，否则置m＝m+1，重新构造并求解；直到优化问题有解，找到所有需要布置电压补偿装置的支路。进一步的，步骤五的做法为：在解得的K每个元素Ki对应的支路上对称安装j个电压补偿装置，每个装置控制参数Kij满足以下关系式：Ki1=Ki2=...=Kij=KijKij≤Kijmax]]>其中Kijmax为每个装置参数的限值，上式有无穷多组解，按装置数量最少考虑，取j最小的一组解，得实施补偿的支路i上应安装的装置数j和每个装置参数Kij。进一步的，电压补偿装置内部有两个换流器和一个隔离变压器，其中换流器1接于端子1和端子3之间，换流器2接于端子1和端子2之间，隔离变压器连接两个换流器的交流侧，换流器1从直流电网取能，能量经由隔离变压器，由换流器2送回直流电网。相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明首先在预想的网络节点电压最低的工况下，建立潮流方程进行潮流计算，确定电压值低于运行下限Umin且最低的节点；然后，求解电压补偿装置安装于不同支路时，电压最低节点的电压值对电压补偿装置控制参数的灵敏度；然后，依据灵敏度和线路额定电流确定各支路安装补偿装置的优先顺序；然后，以电压补偿装置容量最小为目标，节点电压和电压补偿装置参数满足限值为约束，构造优化问题并求解；最后，在解对应的每条支路上对称布置补偿装置。本发明方法能合理确定直流电网中电压补偿装置的安装位置和容量，实现装置容量最小化，相比常规增大导线截面或增加回路数的方法，该方法所需投资大大减小。附图说明图1为五端直流电网示意图；图2为电压补偿装置结构示意图；图3为电压补偿装置安装位置示意图；母线上标注:补偿前电压/补偿后电压(kV)；图4为本方法的流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。图1所示为五端直流电网示意图，它包含5个节点和6条支路。电网的主要参数如表1和表2所示。表1直流电网换流站的主要参数表2直流电网线路的主要参数图2所示为电压补偿装置结构的一种示例，为三端结构，其中端子1与端子2与线路相接，端子3接地或与对极装置端子3相接，电压补偿装置内部有两个换流器和一个隔离变压器，其中换流器1接于端子1和端子3之间，换流器2接于端子1和端子2之间，隔离变压器连接两个换流器的交流侧，换流器1从直流电网取能，能量经由隔离变压器，由换流器2送回直流电网。电压补偿装置的换流器1为全控型器件构成的三相桥式逆变电路，换流器2采用晶闸管，其中换流桥为晶闸管构成的三相桥式整流电路，换向器保证了电流能够双向流通。该装置控制特性为ΔU＝-KI(K>0)，其中ΔU为端子1和2之间的电压，I为端子1的电流，ΔU与I方向相同，其比值为-K。换流器1、换流器2的总容量为隔离变压器的额定有功功率为其中IN为线路额定电流。正常运行时端子3的电流小到可以忽略，可近似认为装置与输电线路串联。本发明一种确定直流电网电压补偿装置安装位置及容量的方法，包括以下步骤：步骤一，在预想的网络节点电压最低的工况下，进行潮流计算：预想工况为网络负荷最大的情况，此时各换流站参数为P1＝2000MW，U2＝495kV，P3＝1600MW，P4＝-1600MW，P5＝-2400MW，功率为正表示工作于整流状态，反之为逆变状态。潮流方程为：P1-2U1U1-U2R1=0P3-2U3(U3-U2R3+U3-U4R4+U3-U5R6)=0P4-2U4(U4-U2R2+U4-U3R4+U4-U5R5)=0P5-2U5(U5-U3R6+U5-U4R5)=0]]>求解得到电压最低的节点为U5，U5＝468.5kV，假设电压运行下限为0.95UN，其中UN为电网额定电压，考虑裕度，取Umin＝480kV。步骤二，求解电压补偿装置安装于不同支路时，电压最低节点的电压值对装置控制参数的灵敏度。由于所述灵敏度和使电压满足运行限值的各支路电阻减小量成反比，故求解各支路电阻减小量即可：例如，要求解支路2的电阻减小量，只需在步骤一的潮流方程中，将U5改为常数Umin，将第2条支路的电阻R2改为R2-K2，解得K2＝8.9548Ω。采用类似方法解得K3＝13.2020Ω，K5＝15.2877Ω和K6＝8.2855Ω。值得说明的是，支路1和支路4特殊，改变R1无法改变U5，减小R4反而导致U5降低。因此能够进行电压补偿的支路仅为支路2、3、5和6。步骤三，依据灵敏度和线路额定电流确定各支路安装补偿装置的优先顺序：各支路额定电流相等，故安装电压补偿装置的优先顺序为支路6，2，3，5。步骤四，以装置容量最小为目标，节点电压和装置参数满足限值为约束，构造优化问题并求解：取m初始值为1，m为进行电压补偿的支路数；仅在支路6上进行电压补偿，构造状态变量U和控制变量K，向量U＝[U1,U3,U4,U5]T，向量K仅含K6，故此处K实为标量，但考虑一般性，仍视为向量。求解优化问题：obj.min.f(K)st.h(U,K)=0g(U,K)≤0]]>其中，目标函数f(K)＝K6；等式约束不等式约束其中Kimax对K中每个元素的取值上限，在本实施例中取Kimax＝6Ω，Umax为节点电压运行上限值，取Umax＝1.05UN＝525kV。求解该优化问题，无解。置m＝2；仅在支路6和2上进行电压补偿，向量U＝[U1,U3,U4,U5]T，向量K＝[K2,K6]T。目标函数f(K)＝K2+K6；等式约束不等式约束求解优化问题，得K2＝4.6851Ω，K6＝6Ω。步骤五，在步骤四解对应的每条支路上对称布置补偿装置，一条支路上的各装置容量相等：分别在支路2和6上对称安装补偿装置，每个装置控制参数限值取Kijmax＝5Ω。则对于支路2，仅安装一个电压补偿装置，K21＝4.6851Ω；对于支路6，安装两个电压补偿装置，每个装置控制参数为K61＝K62＝3Ω。至此，确定了直流电网电压补偿装置的安装位置和容量。图3给出了装置安装位置示意图。图3同时标出了进行电压补偿前后步骤一预想工况中各节点电压，各节点电压高于0.95UN，满足运行限值要求。支路2(单极)上的装置容量为：换流器容量隔离变压器额定有功功率支路6(单极)上每个装置容量为：换流器容量隔离变压器额定有功功率本发明方法流程图如图4所示。本发明方法确定的电压补偿装置容量具有明显的经济性。支路2和支路6的导线截面典型值为2880mm2。若采用增大导线截面的方法减小支路电阻，按工程经验，直流线路截面每增加1000mm2，本体造价增加31.62万元/km。若采用安装电压补偿装置的方法，换流器造价0.1万元/kW，隔离变压器为中高频变压器，单位容量造价低于工频变压器，此处按工频变压器15万元/MW考虑。因此，若采用增大导线截面的方法，将支路2和6阻值分别减小至R2-K2和R6-K6，单极线路分别需要投资80274.6万元和136598.4万元；若采用安装电压补偿装置的方法，单极线路分别需要投资13282.26万元和17010万元。可见本发明所确定的补偿装置容量所需投资大大减小。当前第1页1 2 3