直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法及系统，包括：步骤S1：根据不同控制方式确定直流微电网中各直流节点类型；步骤S2：根据各节点类型，构建直流微电网稳态潮流模型；步骤S3：对直流微电网稳态潮流模型进行求解，将得到的潮流解作为对直流微电网进行规划及运行研究的基础；步骤S4：对直流微电网稳态潮流模型的求解方法进行收敛性分析，并求取可靠收敛域，所述收敛域所对应的参数将指导直流微电网在实际运行中的参数选择与调试。本发明专利技术能够适用于包括主从控制、下垂控制等多种控制模式下的直流微电网，保证潮流计算迭代收敛的前提下求取各节点相关参数参考范围，其结果对直流微电网实际规划、运行具有指导意义。导意义。导意义。

【技术实现步骤摘要】
直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法及系统


[0001]本专利技术涉及电力
，具体地，涉及一种直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法及系统。

技术介绍

[0002]在新时期“双碳”发展目标下，能源利用从传统化石能源向绿色可再生能源的转变势在必行。我国已建成并网较大规模的光伏、风电等清洁能源发电设施，发电容量居世界前列。然而，受制于传统电力设备、网络结构和运行技术，以及有限的消纳能力与可再生能源的间歇性、随机性，相当一部分可再生能源未得到有效利用甚至导致“弃风”、“弃光”现象。直流微电网由于其较高的可控性、可靠性、能量传输效率以及良好的直流设备接入能力而成为解决这一问题的有效技术手段之一。
[0003]直流微电网的潮流计算是研究直流微电网机理的理论基础。相较于交流系统，直流微电网具备以下技术特征：首先，由于没有无功分量的参与，直流微电网的潮流方程解一定是实数域解而非交流系统中的复数域解；其次，直流微电网有多种控制模式包括系统级的控制模式包括主从控制模式、下垂控制模式以及复合控制模式，采用不同控制方式的节点将导致不同的潮流分布特性；此外，直流微电网的网络潮流方程呈以电压解为变量的多元二次非线性方程，其求解方法与解的性质与交流情况下有本质区别。
[0004]公开号为CN112531715A的专利技术专利，公开了一种基于虚拟电阻的下垂控制多端直流微电网潮流计算方法，包括如下步骤：获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；得到直流微电网潮流计算的雅可比矩阵；采用牛顿
‑
拉夫逊迭代法计算节点电压，当前后两次迭代计算的节点电压差满足收敛条件时，计算完成，输出潮流计算结果。
[0005]直流微电网潮流方程的求解方法目前包括：配方法，牛顿
‑
拉夫逊法及其改进算法，高斯
‑
赛德尔方法等。而现有直流微电网潮流计算方法中主要存在以下不足：
[0006]1)现有的各类方法均未考虑直流微电网不同控制模式下，控制参数对潮流的影响，导致算法结果不精确且不具备实际应用价值。2)一些方法如牛顿
‑
拉夫逊法在迭代初值选取不当的情况下将导致算法不收敛的情况。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法及系统。
[0008]根据本专利技术提供的一种直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法及系统，所述方案如下：
[0009]第一方面，提供了一种直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法，所述方法包括：
[0010]步骤S1：根据不同控制方式确定直流微电网中各直流节点类型；
[0011]步骤S2：根据各节点类型，构建直流微电网稳态潮流模型；
[0012]步骤S3：对直流微电网稳态潮流模型进行求解，将求解得到的潮流解作为后续对直流微电网进行规划及运行研究的基础；
[0013]步骤S4：最后对直流微电网稳态潮流模型的求解方法进行收敛性分析，并求取可靠收敛域，所述收敛域所对应的参数将指导直流微电网在实际运行中的参数选择与调试。
[0014]优选的，所述步骤S1根据不同控制方式确定直流微电网中各直流节点类型包括：
[0015]当直流微电网采用主从控制时，对各个恒功率节点，其换流器所在节点注入电流I
inj,i
通过换流器所在节点直流电压U
i
与换流器所在节点有功功率P
i
之间关系推导得到：
[0016][0017]当直流微电网采用下垂控制时：各换流器、变换器节点根据直流电压值按照下垂特性调整有功功率，直流电压与有功功率关系为：
[0018]P
i
＝P
ref
+K(U
ref
‑
U
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0019]进一步推导出下垂控制节点注入电流与有功功率关系：
[0020][0021]其中，P
i
为换流器所在节点的有功功率；
[0022]U
i
为换流器所在节点直流电压；
[0023]I
inj,i
为换流器所在节点注入电流；
[0024]P
ref
、U
ref
为预先设置好的换流器参考有功功率、参考直流电压；
[0025]K为下垂系数。
[0026]优选的，所述步骤S2根据确定直流微电网各节点类型得到直流微电网潮流方程包括：
[0027]对具有n个节点b条支路的直流微电网，其网络拓扑和参数用节点导纳矩阵Y，节点电压向量U和节点注入电流向量I进行描述，根据基尔霍夫回路电流定律得：
[0028]I＝GU
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0029]若系统拥有一个平衡节点和多个其它类型节点，式(4)展开为：
[0030][0031]I
s
为平衡节点注入电流；
[0032]U
s
为平衡节点直流电压；
[0033]I
l
＝[I1,I2,...I
N
‑1]T
为其余节点注入电流向量；
[0034]U
l
＝[U1,U2,...U
N
‑1]T
为各节点直流电压；
[0035]G＝[G
ij
]为系统导纳矩阵，在直流系统中其元素仅包含各节点自电导与节点间的互电导；
[0036]在式(5)中，对于任意支路i
‑
j，根据欧姆定律有如下节点电压与支路电流关系：
[0037]I
ij
＝G
ij
(U
i
‑
U
j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0038]I
ij
为支路i
‑
j流过的电流；
[0039]G
ij
为支路电导对应导纳矩阵Y中元素；
[0040]U
i
、U
j
分别为节点i、节点j的直流电压；
[0041]对于节点i，根据基尔霍夫电流定律有注入电流与支路电流关系：
[0042][0043]I
ik
为节点i与节点k所形成支路的支路电流；
[0044]式(7)右侧对应所有与节点i直接关联支路的支路电流，借助节点支路关联矩阵得到如式(7)的紧凑形式：
[0045][I
inj,i
]n
×1＝B
·
[I
ij
]b
×1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据不同控制方式确定直流微电网中各直流节点类型；步骤S2：根据各节点类型，构建直流微电网稳态潮流模型；步骤S3：对直流微电网稳态潮流模型进行求解，将求解得到的潮流解作为后续对直流微电网进行规划及运行研究的基础；步骤S4：最后对直流微电网稳态潮流模型的求解方法进行收敛性分析，并求取可靠收敛域，所述收敛域所对应的参数将指导直流微电网在实际运行中的参数选择与调试。2.根据权利要求1所述的直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法，其特征在于，所述步骤S1根据不同控制方式确定直流微电网中各直流节点类型包括：当直流微电网采用主从控制时，对各个恒功率节点，其换流器所在节点注入电流I
inj,i
通过换流器所在节点直流电压U
i
与换流器所在节点有功功率P
i
之间关系推导得到：当直流微电网采用下垂控制时：各换流器、变换器节点根据直流电压值按照下垂特性调整有功功率，直流电压与有功功率关系为：P
i
＝P
ref
+K(U
ref
‑
U
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)进一步推导出下垂控制节点注入电流与有功功率关系：其中，P
i
为换流器所在节点的有功功率；U
i
为换流器所在节点直流电压；I
inj,i
为换流器所在节点注入电流；P
ref
、U
ref
为预先设置好的换流器参考有功功率、参考直流电压；K为下垂系数。3.根据权利要求1所述的直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法，其特征在于，所述步骤S2根据确定直流微电网各节点类型得到直流微电网潮流方程包括：对具有n个节点b条支路的直流微电网，其网络拓扑和参数用节点导纳矩阵Y，节点电压向量U和节点注入电流向量I进行描述，根据基尔霍夫回路电流定律得：I＝GU
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)若系统拥有一个平衡节点和多个其它类型节点，式(4)展开为：I
s
为平衡节点注入电流；U
s
为平衡节点直流电压；I
l
＝[I1,I2,...I
N
‑1]
T
为其余节点注入电流向量；U
l
＝[U1,U2,...U
N
‑1]
T
为各节点直流电压；G＝[G
ij
]为系统导纳矩阵，在直流系统中其元素仅包含各节点自电导与节点间的互电导；在式(5)中，对于任意支路i
‑
j，根据欧姆定律有如下节点电压与支路电流关系：
I
ij
＝G
ij
(U
i
‑
U
j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)I
ij
为支路i
‑
j流过的电流；G
ij
为支路电导对应导纳矩阵Y中元素；U
i
、U
j
分别为节点i、节点j的直流电压；对于节点i，根据基尔霍夫电流定律有注入电流与支路电流关系：I
ik
为节点i与节点k所形成支路的支路电流；式(7)右侧对应所有与节点i直接关联支路的支路电流，借助节点支路关联矩阵得到如式(7)的紧凑形式：[I
inj,i
]
n
×1＝B
·
[I
ij
]
b
×1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)B为一个n
×
b阶矩阵，对应系统的n个节点与b条支路，其中元素为0或1；[I
inj,i
]
n
×1为各节点注入电流形成的n维列向量；[I
ij
]
b
×1为各支路电流形成的b维列向量；推导节点注入电流与节点电压关系，根据式(6)和式(7)并引入矩阵N
br
和矩阵C，矩阵N
br
表示为：其中元素为各支路的首末节点编号；矩阵C为b
×
n阶矩阵，部分元素由Ν
br
中元素与支路电导G
ij
组成由式(10)对应得到，其余元素皆为0：节点注入电流通过矩阵A
a
与直流节点电压建立联系：[I
inj,i
]
n
×1＝A
a
[U
i
]
n
×1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)A
a
＝B
·
C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)[U
i
]
n
×1为由节点电压形成的n维列向量。4.根据权利要求3所述的直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法，其特征在于，所述步骤S3对直流微电网稳态潮流模型进行求解包括：1)当直流微电网采用主从控制时，定义与交流电网相连的AC
‑
DC换流器所在节点为平衡节点，该节点电压保持不变，其余节点均为恒功率节点，则(12)简化变形为：[U
2 U
3 ... U
n
]
T
＝A1‑1[I
inj,2 I
inj,3 ... I
inj,n
]
T
‑
A1‑1α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)其中，A1是A
a
的子矩阵，α是由平衡节点直流电压U
s
和A
a
的元素组成的常数向量；由式(1)和式(13)生成下列迭代函数：其中，U
(k)
与U
(k+1)
分别表示第k与第k+1次迭代中的节点电压向量；定义：
2)当直流微电网采用下垂控制时，由于下垂节点能够等效为恒功率节点与恒电流节点，根据式(12)和式(3)生成针对下垂控制迭代函数如下：定义：其中，P
ref,n
、U
ref,n
分别表示第n各下垂控制节点的参考有功功率和直流参考电压；K
n
表为第n个下垂控制节点的下垂系数；3)若直流电网同时存在电压控制节点、恒功率节点以及下垂控制节点即：U＝[U
s
,U
ml
,U
dr
]
T
，此时，综合式(1)、式(3)和式(13)得到：A2是A
a
的子矩阵，β是由恒电压节点直流电压U
s
和A
a
的元素组成的常数向量；U
ml(k)
表示第k次迭代中的主从控制节点电压；U
dr(k)
表示第k次迭代中的下垂控制节点电压；至此形成直流微电网在多种控制模式下的迭代函数即式(14)、式(16)和式(18)。5.根据权利要求4所述的直流微电网潮流计算及其可靠收敛域求取方法，其特征在于，所述步骤S3还包括对直流微电网稳态潮流模型进行编程求解，如下列步骤：步骤S3.1：根据直流微电网控制方式确定各节点类型；步骤S3.2：根据网络参数形成网络电导矩阵G，根据式(9)至式(12)形成矩阵Α1‑1,A
a
或A2；步骤S3.3：由具体直流微网控制方式在式(14)、式(16)和式(18)中选择迭代函数；步骤S3.4：选择迭代初值U0，确定容许误差error，初始化迭代次数t＝0；步骤S3.5：根据步骤S3.3选择的迭代函数计算第k+1次迭代的直流电压向量U
k+1
，并计算误差||U
k+1
‑
U
k
||，U
k
表示为第k次迭代直流电压向量；||
·
||为矩阵极大范数；步骤S3.6：若||U
k+1
‑
U

【专利技术属性】
技术研发人员：田沛川，黄淳驿，王承民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：