本發明屬于直流電網
技術領域：
，具體涉及一種確定直流電網電壓補償裝置安裝位置及容量的方法。
背景技術：
：直流電網是解決遠距離大容量輸電、可再生能源并網等問題的有效技術手段，受到了國內外學者的廣泛關注。與交流電網中有功功率與電壓可以分開調節不同，直流電網的潮流分布取決于節點電壓之差。線路電阻的存在導致了長線路、重負荷時網絡中某些節點的電壓顯著低于額定值。直流電網這一運行特性將帶來一系列問題，例如：1)不利于直流電網電壓運行標準的制定；2)低電壓保護可能無法區分故障狀態與電網正常重負荷運行狀態，降低保護定值則可能導致靈敏度不足；3)當換流站采用帶電壓裕度的控制器(如電壓偏差控制)時，為避免運行于電壓限值，將不得不增大電壓裕度。由于優先級越低的后備定電壓站電壓裕度越大，但電壓裕度也存在最大值，故控制器設計難度增大，后備定電壓站數量受限。解決上述問題的一種方法是增大直流導線截面或增加回路數，以減小線路等值電阻，從而減小線路的電壓降落。但直流線路建設成本非常高，故采用該方法經濟性差。另一種方法是在線路中引入電壓補償裝置[一種補償直流電網電壓損失的方法，CN105305404A，宋國兵等]，該方法通過提高裝置安裝處的電壓，從而補償節點電壓之差。事實上，電壓補償裝置屬于DC/DC變換器，具有靈活的可控性。若其端電壓與線路電流之比被控制為一負常數，則能部分抵償線路電阻，進而達到補償電壓降落的目的。采用該方法所需投資比前一種方法大大減少。但文獻[一種補償直流電網電壓損失的方法，CN105305404A，宋國兵等]僅提出補償電壓降落的方法，未涉及電壓補償裝置的配置問題。電壓補償裝置安裝在網絡不同位置，裝置容量不同。由于裝置造價與其容量大致成正比，故有必要尋找裝置的最佳安裝位置并確定其容量。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種確定直流電網電壓補償裝置安裝位置及容量的方法，以求合理確定直流電網電壓補償裝置的安裝位置，實現裝置容量最小化和投資最小化。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種確定直流電網電壓補償裝置安裝位置及容量的方法，所述直流電網含有n個節點和b條支路，所述電壓補償裝置為三端結構，其中端子1與端子2與線路相接，端子3接地或與對極裝置端子3相接，電壓補償裝置的控制特性為ΔU＝-KI，其中，K＞0，ΔU為端子1和2之間的電壓，I為端子1或2的電流，ΔU與I方向相同，其比值為-K，電壓補償裝置容量與K和I2成正比；包括以下步驟：步驟一，在預想的網絡節點電壓最低的工況下，建立潮流方程進行潮流計算，確定電壓值低于運行下限Umin且最低的節點；步驟二，求解電壓補償裝置安裝于不同支路時，電壓最低節點的電壓值對電壓補償裝置控制參數的靈敏度；步驟三，依據靈敏度和線路額定電流確定各支路安裝補償裝置的優先順序；步驟四，以電壓補償裝置容量最小為目標，節點電壓和電壓補償裝置參數滿足限值為約束，構造優化問題并求解；步驟五，在步驟四解對應的每條支路上對稱布置補償裝置，一條支路上的各裝置容量相等。進一步的，步驟二所述靈敏度和使電壓滿足運行限值的各支路電阻減小量成反比；求解各支路電阻減小量的做法為：在步驟一的潮流方程中，將最低的節點電壓改為常數Umin，將第i條支路的電阻Ri改為Ri-Ki，Ki為待求的支路電阻減小量，即補償裝置的控制參數，對i＝1,2,…,b分別求解潮流方程，得到K1,K2,…,Kb。進一步的，步驟三的做法為：將由小到大進行排序即為各支路安裝電壓補償裝置的優先順序，其中IiN為各支路額定電流，i＝1,2,…b。進一步的，步驟四先考慮在1條支路上布置電壓補償裝置；若優化問題無解，再考慮在2條支路上布置電壓補償裝置；若無解，再考慮繼續增加一條支路上布置電壓補償裝置，直到優化問題有解，找到所有需要布置電壓補償裝置的支路。進一步的，步驟四的做法為：取m初始值為1，m為進行電壓補償的支路數；在排序后的前m條支路上進行電壓補償，構造狀態變量U和控制變量K，向量U的元素為步驟一工況中除定電壓節點之外的全部節點電壓，向量K有m個元素，分別為排序后前m條支路對應的補償裝置參數Ki；構造優化問題：obj.min.f(K)st.h(U,K)=0g(U,K)≤0]]>其中，目標函數f(K)為電壓補償裝置容量，等式約束h(U,K)＝0為潮流方程，不等式約束g(U,K)≤0包括對控制參數K取值的限制，對節點電壓U運行值的限制；若該優化問題有解，執行步驟五，否則置m＝m+1，重新構造并求解；直到優化問題有解，找到所有需要布置電壓補償裝置的支路。進一步的，步驟五的做法為：在解得的K每個元素Ki對應的支路上對稱安裝j個電壓補償裝置，每個裝置控制參數Kij滿足以下關系式：Ki1=Ki2=...=Kij=KijKij≤Kijmax]]>其中Kijmax為每個裝置參數的限值，上式有無窮多組解，按裝置數量最少考慮，取j最小的一組解，得實施補償的支路i上應安裝的裝置數j和每個裝置參數Kij。進一步的，電壓補償裝置內部有兩個換流器和一個隔離變壓器，其中換流器1接于端子1和端子3之間，換流器2接于端子1和端子2之間，隔離變壓器連接兩個換流器的交流側，換流器1從直流電網取能，能量經由隔離變壓器，由換流器2送回直流電網。相對于現有技術，本發明的有益效果在于：本發明首先在預想的網絡節點電壓最低的工況下，建立潮流方程進行潮流計算，確定電壓值低于運行下限Umin且最低的節點；然后，求解電壓補償裝置安裝于不同支路時，電壓最低節點的電壓值對電壓補償裝置控制參數的靈敏度；然后，依據靈敏度和線路額定電流確定各支路安裝補償裝置的優先順序；然后，以電壓補償裝置容量最小為目標，節點電壓和電壓補償裝置參數滿足限值為約束，構造優化問題并求解；最后，在解對應的每條支路上對稱布置補償裝置。本發明方法能合理確定直流電網中電壓補償裝置的安裝位置和容量，實現裝置容量最小化，相比常規增大導線截面或增加回路數的方法，該方法所需投資大大減小。附圖說明圖1為五端直流電網示意圖；圖2為電壓補償裝置結構示意圖；圖3為電壓補償裝置安裝位置示意圖；母線上標注:補償前電壓/補償后電壓(kV)；圖4為本方法的流程圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。圖1所示為五端直流電網示意圖，它包含5個節點和6條支路。電網的主要參數如表1和表2所示。表1直流電網換流站的主要參數表2直流電網線路的主要參數圖2所示為電壓補償裝置結構的一種示例，為三端結構，其中端子1與端子2與線路相接，端子3接地或與對極裝置端子3相接，電壓補償裝置內部有兩個換流器和一個隔離變壓器，其中換流器1接于端子1和端子3之間，換流器2接于端子1和端子2之間，隔離變壓器連接兩個換流器的交流側，換流器1從直流電網取能，能量經由隔離變壓器，由換流器2送回直流電網。電壓補償裝置的換流器1為全控型器件構成的三相橋式逆變電路，換流器2采用晶閘管，其中換流橋為晶閘管構成的三相橋式整流電路，換向器保證了電流能夠雙向流通。該裝置控制特性為ΔU＝-KI(K>0)，其中ΔU為端子1和2之間的電壓，I為端子1的電流，ΔU與I方向相同，其比值為-K。換流器1、換流器2的總容量為隔離變壓器的額定有功功率為其中IN為線路額定電流。正常運行時端子3的電流小到可以忽略，可近似認為裝置與輸電線路串聯。本發明一種確定直流電網電壓補償裝置安裝位置及容量的方法，包括以下步驟：步驟一，在預想的網絡節點電壓最低的工況下，進行潮流計算：預想工況為網絡負荷最大的情況，此時各換流站參數為P1＝2000MW，U2＝495kV，P3＝1600MW，P4＝-1600MW，P5＝-2400MW，功率為正表示工作于整流狀態，反之為逆變狀態。潮流方程為：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]]>求解得到電壓最低的節點為U5，U5＝468.5kV，假設電壓運行下限為0.95UN，其中UN為電網額定電壓，考慮裕度，取Umin＝480kV。步驟二，求解電壓補償裝置安裝于不同支路時，電壓最低節點的電壓值對裝置控制參數的靈敏度。由于所述靈敏度和使電壓滿足運行限值的各支路電阻減小量成反比，故求解各支路電阻減小量即可：例如，要求解支路2的電阻減小量，只需在步驟一的潮流方程中，將U5改為常數Umin，將第2條支路的電阻R2改為R2-K2，解得K2＝8.9548Ω。采用類似方法解得K3＝13.2020Ω，K5＝15.2877Ω和K6＝8.2855Ω。值得說明的是，支路1和支路4特殊，改變R1無法改變U5，減小R4反而導致U5降低。因此能夠進行電壓補償的支路僅為支路2、3、5和6。步驟三，依據靈敏度和線路額定電流確定各支路安裝補償裝置的優先順序：各支路額定電流相等，故安裝電壓補償裝置的優先順序為支路6，2，3，5。步驟四，以裝置容量最小為目標，節點電壓和裝置參數滿足限值為約束，構造優化問題并求解：取m初始值為1，m為進行電壓補償的支路數；僅在支路6上進行電壓補償，構造狀態變量U和控制變量K，向量U＝[U1,U3,U4,U5]T，向量K僅含K6，故此處K實為標量，但考慮一般性，仍視為向量。求解優化問題：obj.min.f(K)st.h(U,K)=0g(U,K)≤0]]>其中，目標函數f(K)＝K6；等式約束不等式約束其中Kimax對K中每個元素的取值上限，在本實施例中取Kimax＝6Ω，Umax為節點電壓運行上限值，取Umax＝1.05UN＝525kV。求解該優化問題，無解。置m＝2；僅在支路6和2上進行電壓補償，向量U＝[U1,U3,U4,U5]T，向量K＝[K2,K6]T。目標函數f(K)＝K2+K6；等式約束不等式約束求解優化問題，得K2＝4.6851Ω，K6＝6Ω。步驟五，在步驟四解對應的每條支路上對稱布置補償裝置，一條支路上的各裝置容量相等：分別在支路2和6上對稱安裝補償裝置，每個裝置控制參數限值取Kijmax＝5Ω。則對于支路2，僅安裝一個電壓補償裝置，K21＝4.6851Ω；對于支路6，安裝兩個電壓補償裝置，每個裝置控制參數為K61＝K62＝3Ω。至此，確定了直流電網電壓補償裝置的安裝位置和容量。圖3給出了裝置安裝位置示意圖。圖3同時標出了進行電壓補償前后步驟一預想工況中各節點電壓，各節點電壓高于0.95UN，滿足運行限值要求。支路2(單極)上的裝置容量為：換流器容量隔離變壓器額定有功功率支路6(單極)上每個裝置容量為：換流器容量隔離變壓器額定有功功率本發明方法流程圖如圖4所示。本發明方法確定的電壓補償裝置容量具有明顯的經濟性。支路2和支路6的導線截面典型值為2880mm2。若采用增大導線截面的方法減小支路電阻，按工程經驗，直流線路截面每增加1000mm2，本體造價增加31.62萬元/km。若采用安裝電壓補償裝置的方法，換流器造價0.1萬元/kW，隔離變壓器為中高頻變壓器，單位容量造價低于工頻變壓器，此處按工頻變壓器15萬元/MW考慮。因此，若采用增大導線截面的方法，將支路2和6阻值分別減小至R2-K2和R6-K6，單極線路分別需要投資80274.6萬元和136598.4萬元；若采用安裝電壓補償裝置的方法，單極線路分別需要投資13282.26萬元和17010萬元。可見本發明所確定的補償裝置容量所需投資大大減小。當前第1頁1 2 3