一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法及终端与流程

1.本发明涉及柔性直流输电系统技术领域，尤其是涉及一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法及终端。


背景技术：

2.近年来，柔性直流输电技术已被广泛应用于异步联网、海上风电送出等场景。我国已先后建成上海南汇、汕头南澳、浙江舟山、福建厦门、江苏如东等多个柔性直流输电系统的示范工程，对推动柔性直流输电技术的发展具有重要意义。
3.柔性直流输电系统具备输出功率四象限运行的能力，其输出有功功率及无功功率可根据系统送受需求灵活调节，但其输出上下边界受到电压稳定、电流限额等多方面因素限制。
4.目前针对柔性直流输电系统输出功率控制的研究大多针对某一给定的运行工况，并通过逐步迭代校核的方法确定当前工况下系统的输出极限能力，计算开销极大，且无法直观全面的确定当前系统运行状态裕度。因此，本技术研究一种柔性直流输电系统运行边界的搜索方法，通过求解系统输出功率上下限值进而确定系统运行边界，有效提升计算效率，为系统规划及运行调度提供参考。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法及终端，可以直接确定柔性直流输电系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，可有效节省计算开销，为系统规划及运行调度提供参考。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法，包括步骤：
8.s1、初始化柔性直流输电系统的稳态模型，构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程及运行约束；
9.s2、构建柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题；
10.s3、构建柔性直流输电系统的运行工况集合，并采用所述运行边界搜索模型计算所述运行工况集合中不同工况下的输出功率上下限值，得到柔性直流输电系统的运行边界。
11.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案为：
12.一种柔性直流输电系统运行边界搜索终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：
13.s1、初始化柔性直流输电系统的稳态模型，构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程及运行约束；
14.s2、构建柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题；
15.s3、构建柔性直流输电系统的运行工况集合，并采用所述运行边界搜索模型计算所述运行工况集合中不同工况下的输出功率上下限值，得到柔性直流输电系统的运行边界。
16.本发明的有益效果在于：本发明提供一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法及终端，通过构建柔性直流输电系统的稳态模型，并基于稳态模型构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程和运行约束，结合柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将系统的运行域的确定问题转化为输出功率的上下限优化问题，然后构建柔性直流系统的运行工况集合，并采用运行边界搜索模型计算不同运行工况下的输出功率上下限值，进而直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域，为系统规划及运行调度提供参考。
附图说明
17.图1为本发明实施例的一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法的整体流程图；
18.图2是柔性直流输电系统的系统结构图；
19.图3是柔性直流输电系统在基波频率下的等效电路图；
20.图4是本发明实施例的一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法的具体流程框图；
21.图5是本发明中柔性直流输电系统输出侧运行边界；
22.图6是本发明实施例的一种柔性直流输电系统运行边界搜索终端的结构示意图。
23.标号说明：
24.1、一种柔性直流输电系统运行边界搜索终端；2、存储器；3、处理器。
具体实施方式
25.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
26.请参照图1至图5，一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法，包括步骤：
27.s1、初始化柔性直流输电系统的稳态模型，构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程及运行约束；
28.s2、构建柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题；
29.s3、构建柔性直流输电系统的运行工况集合，并采用所述运行边界搜索模型计算所述运行工况集合中不同工况下的输出功率上下限值，得到柔性直流输电系统的运行边界。
30.由上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过构建柔性直流输电系统的稳态模型，并基于稳态模型构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程和运行约束，结合柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将系统的运行域的确定问题转化为输出功率的上下限优化问题，然后构建柔性直流系统的运行工况集合，并采用运行边界搜索模型计算不同运行
工况下的输出功率上下限值，进而直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域，为系统规划及运行调度提供参考。
31.进一步地，所述s1中构建各节点的电压方程及运行约束具体为：
32.分别构建柔性直流输电系统中上下桥臂虚拟连接点、输出点、公共连接点、馈入端系统等效节点间的电压方程组，并构建所述电压方程组的电压约束和电流约束。
33.由上述描述可知，构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程组及其运行约束，以便后续根据电压方程组和运行约束对边界搜索模型进行优化和约束，确保后续得到稳定且准确的系统运行边界。
34.进一步地，所述s1中构建各节点的电压方程及运行约束，具体包括以下步骤：
35.s11、构建所述电压方程组，得到公式(1)：
[0036][0037]
其中，diff为基波频率下柔性直流输电系统的上下桥臂虚拟连接点，v为柔性直流输电系统的输出点，pcc为柔性直流输电系统与馈入端系统的公共连接点，sys为柔性直流输电系统的馈入端系统等效节点，arm为柔性直流输电系统的桥臂，t为柔性直流输电系统的换流变，u为节点电压，p为有功功率，q为无功功率，z为阻抗，j为虚数单位，字母上方有点表示为相量，字母上方无点表示为常规变量；
[0038]
s12、将公式(1)中的相量按照实部、虚部分别计算，得到公式(2)、(3)和(4)：
[0039][0040][0041][0042]
其中，d为柔性直流输电系统的输出点电压d轴分量，q为柔性直流输电系统的输出点电压q轴分量，r为电阻，x为电抗；
[0043]
s13、构建柔性直流输电系统的上下桥臂电压虚拟连接点的电压约束，如下公式(5)：
[0044]
[0045]
其中，u
dc
为柔性直流输电系统的直流侧电容电压；
[0046]
s14、构建柔性直流输电系统的输出点的电压约束，如下公式(6)：
[0047]umin
≤uv≤u
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0048]
其中，u
min
为柔性直流输电系统的输出点的电压下限，u
max
为柔性直流输电系统的输出点的电压上限；
[0049]
s15、构建柔性直流输电系统的输出点的电流约束，如下公式(7)：
[0050][0051]
其中，i
max
为柔性直流输电系统的输出点的电流上限。
[0052]
由上述描述可知，构建柔性直流输电系统各个节点的电压方程组以及输出点的电压和电流约束条件，以便后续代入边界搜索模型求得各工况下的上下边界。
[0053]
进一步地，所述柔性直流输电系统的运行边界搜索模型包括输出上限优化模型和输出下限优化模型，所述s2中将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题，具体为：
[0054]
s21、构建所述输出上限优化模型，得到公式(8)：
[0055][0056]
其中，q
v，max
为柔性直流输电系统的输出无功上限，s.t.为subject to的缩写，s.t.(2)-(7)表示所述输出上限优化模型要满足前述公式(2)-(7)；
[0057]
s22、构建所述输出下限优化模型，得到公式(9)：
[0058][0059]
其中，q
v，min
为柔性直流输电系统的输出无功下限。
[0060]
由上述描述可知，将柔性直流输电系统的运行域问题转化为输出有功功率及无功功率的上、下限的优化问题，构建输出上限优化模型和输出下限优化模型，两个模型均满足前述公式(2)-(7)，并取p＝pv作为已知量代入优化模型进行优化求解，且该已知量由步骤s3的运行工况集合所确定，确保求得解的精确。
[0061]
进一步地，所述s3具体包括以下步骤：
[0062]
s31、构建所述运行工况集合，得到公式(10)：
[0063]
set1＝{pv|p
min
≤pv≤p
max
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)；
[0064]
其中，set1为所述运行工况集合，p
max
为柔性直流输电系统的输出有功功率上限，p
min
为柔性直流输电系统的输出有功功率下限；
[0065]
s32、将所述运行工况集合的运行工况逐一代入所述输出上限优化模型和所述输出下限优化模型，分别得到柔性直流输电系统的输出无功功率的上下限，并根据上下限得到柔性直流输电系统的运行边界，如下公式(11)：
[0066][0067]
其中，set2为柔性直流输电系统的运行上边界集合，set3为柔性直流输电系统的运行下边界集合。
[0068]
由上述描述可知，将所有工况代入优化模型，以解得所有工况的上下限边界，即可直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域。
[0069]
请参照图6，一种柔性直流输电系统运行边界搜索终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：
[0070]
s1、初始化柔性直流输电系统的稳态模型，构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程及运行约束；
[0071]
s2、构建柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题；
[0072]
s3、构建柔性直流输电系统的运行工况集合，并采用所述运行边界搜索模型计算所述运行工况集合中不同工况下的输出功率上下限值，得到柔性直流输电系统的运行边界。
[0073]
由上述描述可知，本发明的有益效果在于：基于同一技术构思，配合上述的一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法，提供一种柔性直流输电系统运行边界搜索终端，通过构建柔性直流输电系统的稳态模型，并基于稳态模型构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程和运行约束，结合柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将系统的运行域的确定问题转化为输出功率的上下限优化问题，然后构建柔性直流系统的运行工况集合，并采用运行边界搜索模型计算不同运行工况下的输出功率上下限值，进而直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域，为系统规划及运行调度提供参考。
[0074]
进一步地，所述s1中构建各节点的电压方程及运行约束具体为：
[0075]
分别构建柔性直流输电系统中上下桥臂虚拟连接点、输出点、公共连接点、馈入端系统等效节点间的电压方程组，并构建所述电压方程组的电压约束和电流约束。
[0076]
由上述描述可知，构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程组及其运行约束，以便后续根据电压方程组和运行约束对边界搜索模型进行优化和约束，确保后续得到稳定且准确的系统运行边界。
[0077]
进一步地，所述s1中构建各节点的电压方程及运行约束，具体包括以下步骤：
[0078]
s11、构建所述电压方程组，得到公式(1)：
[0079][0080]
其中，diff为基波频率下柔性直流输电系统的上下桥臂虚拟连接点，v为柔性直流输电系统的输出点，pcc为柔性直流输电系统与馈入端系统的公共连接点，sys为柔性直流输电系统的馈入端系统等效节点，arm为柔性直流输电系统的桥臂，t为柔性直流输电系统的换流变，u为节点电压，p为有功功率，q为无功功率，z为阻抗，j为虚数单位，字母上方有点表示为相量，字母上方无点表示为常规变量；
[0081]
s12、将公式(1)中的相量按照实部、虚部分别计算，得到公式(2)、(3)和(4)：
[0082][0083][0084][0085]
其中，d为柔性直流输电系统的输出点电压d轴分量，q为柔性直流输电系统的输出点电压q轴分量，r为电阻，x为电抗；
[0086]
s13、柔性直流输电系统的上下桥臂电压虚拟连接点的电压约束，如下公式(5)：
[0087][0088]
其中，u
dc
为柔性直流输电系统的直流侧电容电压；
[0089]
s14、构建柔性直流输电系统的输出点的电压约束，如下公式(6)：
[0090]umin
≤uv≤u
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0091]
其中，u
min
为柔性直流输电系统的输出点的电压下限，u
max
为柔性直流输电系统的输出点的电压上限；
[0092]
s15、构建柔性直流输电系统的输出点的电流约束，如下公式(7)：
[0093][0094]
其中，i
max
为柔性直流输电系统的输出点的电流上限。
[0095]
由上述描述可知，构建柔性直流输电系统各个节点的电压方程组以及输出点的电
压和电流约束条件，以便后续代入边界搜索模型求得各工况下的上下边界。
[0096]
进一步地，所述柔性直流输电系统的运行边界搜索模型包括输出上限优化模型和输出下限优化模型，所述s2中将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题，具体为：
[0097]
s21、构建所述输出上限优化模型，得到公式(8)：
[0098][0099]
其中，q
v，max
为柔性直流输电系统的输出无功上限，s.t.为subject to的缩写，s.t.(2)-(7)表示所述输出上限优化模型要满足前述公式(2)-(7)；
[0100]
s22、构建所述输出下限优化模型，得到公式(9)：
[0101][0102]
其中，q
v，min
为柔性直流输电系统的输出无功下限。
[0103]
由上述描述可知，将柔性直流输电系统的运行域问题转化为输出有功功率及无功功率的上、下限的优化问题，构建输出上限优化模型和输出下限优化模型，两个模型均满足前述公式(2)-(7)，并取p＝pv作为已知量代入优化模型进行优化求解，且该已知量由步骤s3的运行工况集合所确定，确保求得解的精确。
[0104]
进一步地，所述s3具体包括以下步骤：
[0105]
s31、构建所述运行工况集合，得到公式(10)：
[0106]
set1＝{pv|p
min
≤pv≤p
max
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)；
[0107]
其中，set1为所述运行工况集合，p
max
为柔性直流输电系统的输出有功功率上限，p
min
为柔性直流输电系统的输出有功功率下限；
[0108]
s32、将所述运行工况集合的运行工况逐一代入所述输出上限优化模型和所述输出下限优化模型，分别得到柔性直流输电系统的输出无功功率的上下限，并根据上下限得到柔性直流输电系统的运行边界，如下公式(11)：
[0109][0110]
其中，set2为柔性直流输电系统的运行上边界集合，set3为柔性直流输电系统的运行下边界集合。
[0111]
由上述描述可知，将所有工况代入优化模型，以解得所有工况的上下限边界，即可直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域。
[0112]
本发明提供的一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法及终端，适用于确定柔性直流输电系统的运行边界的场景，并可直观给出系统的运行域，为系统规划及运行调度提供参考。以下结合实施例具体说明。
[0113]
请参照图1，本发明的实施例一为：
[0114]
一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法，如图1所示，包括步骤：
[0115]
s1、初始化柔性直流输电系统的稳态模型，构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程及运行约束；
[0116]
s2、构建柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题；
[0117]
s3、构建柔性直流输电系统的运行工况集合，并采用运行边界搜索模型计算运行工况集合中不同工况下的输出功率上下限值，得到柔性直流输电系统的运行边界。
[0118]
即在本实施例中，通过构建柔性直流输电系统的稳态模型，并基于稳态模型构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程和运行约束，结合柔性直流输电系统的运行边界搜索模型，将系统的运行域的确定问题转化为输出功率的上下限优化问题，然后构建柔性直流系统的运行工况集合，并采用运行边界搜索模型计算不同运行工况下的输出功率上下限值，进而直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域，为系统规划及运行调度提供参考。
[0119]
本发明的实施例二为：
[0120]
一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法，在上述实施例一的基础上，在本实施例中，步骤s1中构建各节点的电压方程及运行约束具体为：
[0121]
分别构建柔性直流输电系统中上下桥臂虚拟连接点、输出点、公共连接点、馈入端系统等效节点间的电压方程组，并构建电压方程组的电压约束和输出电流约束。即通过构建柔性直流输电系统中各节点的电压方程组及其运行约束，以便后续根据电压方程组和运行约束对边界搜索模型进行优化和约束，确保后续得到稳定且准确的系统运行边界，在本实施例中，可具体细化为以下步骤：
[0122]
s11、构建电压方程组，得到公式(1)：
[0123][0124]
其中，diff为基波频率下柔性直流输电系统的上下桥臂虚拟连接点，v为柔性直流输电系统的输出点，pcc为柔性直流输电系统与馈入端系统的公共连接点，sys为柔性直流输电系统的馈入端系统等效节点，arm为柔性直流输电系统的桥臂，t为柔性直流输电系统的换流变，u为节点电压，p为有功功率，q为无功功率，z为阻抗，j为虚数单位，字母上方有点表示为相量，字母上方无点表示为常规变量。
[0125]
s12、将公式(1)中的相量按照实部、虚部分别计算，得到公式(2)、(3)和(4)：
[0126][0127][0128][0129]
其中，d为柔性直流输电系统的输出点电压d轴分量，q为柔性直流输电系统的输出点电压q轴分量，r为电阻，x为电抗。
[0130]
s13、构建柔性直流输电系统的上下桥臂电压虚拟连接点的电压约束，如下公式(5)：
[0131][0132]
s14、构建柔性直流输电系统的输出点的电压约束，如下公式(6)：
[0133]umin
≤uv≤u
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0134]
其中，u
min
为柔性直流输电系统的输出点的电压下限，u
max
为柔性直流输电系统的输出点的电压上限；
[0135]
s15、构建柔性直流输电系统的输出点的电流约束，如下公式(7)：
[0136][0137]
其中，i
max
为柔性直流输电系统的输出点的电流上限。
[0138]
即步骤s1整体通过构建柔性直流输电系统各个节点的电压方程组以及输出点的电压和电流约束条件，以便后续代入边界搜索模型求得各工况下的上下边界。
[0139]
其中，在本实施例中，柔性直流输电系统的运行边界搜索模型包括输出上限优化模型和输出下限优化模型，则步骤s2中将柔性直流输电系统的运行域确定问题转化为输出有功功率及无功功率的上下限优化问题，具体为：
[0140]
s21、构建输出上限优化模型，得到公式(8)：
[0141][0142]
其中，q
v，max
为柔性直流输电系统的输出无功上限，s.t.为subject to的缩写，s.t.(2)-(7)表示输出上限优化模型要满足前述公式(2)-(7)。
[0143]
s22、构建输出下限优化模型，得到公式(9)：
[0144][0145]
其中，q
v，min
为柔性直流输电系统的输出无功下限。
[0146]
即步骤s2通过将柔性直流输电系统的运行域问题转化为输出有功功率及无功功率的上、下限的优化问题，构建输出上限优化模型和输出下限优化模型，两个模型均满足前述公式(2)-(7)，并取p＝pv作为已知量代入优化模型进行优化求解，且该已知量由步骤s3的运行工况集合set1所确定，确保求得解的精确。
[0147]
由此，步骤s3具体为：
[0148]
根据运行工况集合，并将所有运行工况逐一代入输出上限优化模型和输出下限优化模型，得到所有运行工况下的柔性直流输电系统的输出功率的上下限值，具体包括以下步骤：
[0149]
s31、构建运行工况集合，得到公式(10)：
[0150]
set1＝{pv|p
min
≤pv≤p
max
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)；
[0151]
其中，set1为运行工况集合，p
max
为柔性直流输电系统的输出有功功率上限，p
min
为柔性直流输电系统的输出有功功率下限。
[0152]
s32、将运行工况集合的运行工况逐一代入输出上限优化模型和输出下限优化模型，分别得到柔性直流输电系统的输出无功功率的上下限，并根据上下限得到柔性直流输电系统的运行边界，如下公式(11)：
[0153][0154]
其中，set2为柔性直流输电系统的运行上边界集合，set3为柔性直流输电系统的运行下边界集合。
[0155]
即在步骤s3中，通过将所有工况代入优化模型，以解得所有工况的上下限边界，即可直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域。
[0156]
请参照图2至图5，本发明的实施例三为：
[0157]
一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法，在上述实施例二的基础上，在本实施例中，图2为本发明的柔性直流输电系统的系统结构图，图2中u
p
为柔性直流输电系统的上桥臂电压、un为柔性直流输电系统的下桥臂电压、sm1～smn为柔性直流输电系统的子模块(由n个子模块构成)、u
sm
为每个子模块的输出电压、k
t
为柔性直流输电系统的换流变变比；图3为柔性直流输电系统在基波频率下的等效电路图，根据等效电路图的电路原理，按照图4所示的运行边界确定的具体流程框图，首先，构建柔性直流输电系统模型，初始化系统内各节点间的电压方程，根据公式(1)-(4)分别构建柔性直流输电系统中上下桥臂虚拟连接点、输出点、公共连接点、馈入端系统等效节点间的电压方程，并分别进行实部、虚部计算；然后，根据公式(5)-(7)构建柔性直流输电系统的输出点的电压约束和电流约束。
[0158]
其次，根据公式(8)-(9)分别构建柔性直流输电系统的输出上限优化模型和输出下限优化模型。
[0159]
然后，根据公式(10)构建柔性直流输电系统的有功运行工况集合，并采用上述构建的输出上限优化模型和输出下限优化模型计算不同运行工况下的无功输出功率的上下限值，在遍历了所有运行工况集合后，即得到柔性直流输电系统的运行边界。
[0160]
在本实施例中，采用本发明所提出的一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法最终得到的柔性直流输电系统的输出侧运行域如图5所示，即采用本发明所提方法不仅能直接确定系统的运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，还能直观给出系统运行区域，为系统规划及运行调度提供参考。
[0161]
请参照图6，本发明的实施例四为：
[0162]
一种柔性直流输电系统运行边界搜索终端1，包括存储器2、处理器3以及存储在存储器2是上并可在处理器3上执行的计算机程序，在本实施例中，处理器3执行计算机程序时实现上述实施例一至实施例三中任一实施例的步骤。
[0163]
综上所述，本发明提供的一种柔性直流输电系统运行边界搜索方法及终端，通过优化计算得到柔性直流输电系统输出功率的上下限值，进而直接确定系统运行边界，避免通过逐点校核确定运行范围，有效节省计算开销，并直观给出系统运行区域，为系统规划及运行调度提供参考。
[0164]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。