Model Predictive Control Strategy of Multi-Port Interline DC Power Flow Controller

There are issues with flexible DC transmission system such as a lack of control freedom over power flow.In order to tackle these issues,a DC power flow controller(DCPFC)is incorporated into a multi-terminal,flexible DC power grid.In recent years,a multi-port DC power flow controller based on a modular multi-level converter has become a focal point of research due to its simple structure and robust scalability.This work proposes a model predictive control(MPC)strategy for multi-port interline DC power flow controllers in order to improve their steady-state dynamic performance.Initially,the mathematical model of a multi-terminal DC power grid with a multi-port interline DC power flow controller is developed,and the relationship between each regulated variable and control variable is determined;The power flow controller is then discretized,and the cost function and weight factor are built with numerous control objectives.Sub module sorting method and nearest level approximation modulation regulate the power flow controller;Lastly,theMATLAB/Simulink simulation platformis used to verify the correctness of the establishedmathematicalmodel and the control performance of the suggestedMPC strategy.Finally,it is demonstrated that the control strategy possesses the benefits of robust dynamic performance,multiobjective control,and a simple structure.

Analysis and Control of Modular Multi-terminal DC Power Flow Controller with Fault Current Limiting Function

In order to overcome the problems of power flow control and fault current limiting in multi-terminal high voltage direct current(MTDC)grids,this paper proposes a modular multi-terminal DC power flow controller(MM-DCPFC)with fault current limiting function.The topology structure,operation principle,and equivalent circuit of MM-DCPFC are introduced,and such a structure has the advantages of modularity and scalability.The power balance mechanism is studied and a hierarchical power balance control strategy is proposed.The results show that MM-DCPFC can achieve internal power exchange,which avoids the use of external power supply.The fault characteristics of MM-DCPFC are analyzed,fault current limiting and self-protection methods are proposed,and the factors affecting the current limiting capability are studied.The simulation models are established in PLECS,and the simulation results verify the effectiveness of MM-DCPFC in power flow control,fault current limiting,and scalability.In addition,a prototype is developed to validate the function and control method of MM-DCPFC.

An Extended DC Power Flow Model Considering Voltage Magnitude

A quasi-linear relationship between voltage angles and voltage magnitudes in power flow calculation is presented.An accurate estimation of voltage magnitudes can be provided by the quasi-linear relationship when voltage angles are derived by classical DC power flow.Based on the quasi-linear relationship,a novel extended DC power flow(EDCPF)model is proposed considering voltage magnitudes.It is simple,reliable and accurate for both distribution network and transmission network in normal system operation states.The accuracy of EDCPF model is verified through a series of standard test systems.

Automated Two-stage Conversion of Hourly Optimal DC Flow Solution to AC Power Flow

Conversion of hourly dispatch cases derived using DC optimal power flow(DCOPF)to AC power flow(ACPF)case is often challenging and requires arduous human analysis and intervention.This paper proposes an automated two-stage approach to solve ACPF formulated from DCOPF dispatch cases.The first stage involved the use of the conventional Newton Raphson method to solve the ACPF from flat start,then ACPF cases that are unsolvable in the first stage are subjected to a hotstarting incremental method,based on homotopy continuation,in the second stage.Critical tasks such as the addition of reactive power compensation and tuning of voltage setpoints that typically require human intervention were automated using a criteriabased selection method and optimal power flow respectively.Two datasets with hourly dispatches for the 243-bus reduced WECC system were used to test the proposed method.The algorithm was able to convert 100%of the first set of dispatch cases to solved ACPF cases.In the second dataset with suspect dispatch cases to represent an extreme conversion scenario,the algorithm created solved ACPF cases that satisfied a defined success criterion for 77.8%of the dispatch cases.The average run time for the hotstarting algorithm to create a solved ACPF case for a dispatch was less than 1 minute for the reduced WECC system.

含VSC-MTDC的交直流系统潮流算法

多端柔性直流输电系统(voltage source converter based multi-terminal direct current system,VSC-MTDC)是在两端直流输电基础上发展而来的直流输电系统,可靠性高、适用于海上风电并网等场景,相应的控制策略更加多样,其潮流模型也更加复杂。该文分析VSC换流站和MTDC的稳态模型,研究可适用于VSC-MTDC的不同拓扑和连接方式的潮流模型;研究多端直流各种控制策略潮流计算模型的不同点并推导出其方程。在此基础上,提出一种兼具统一迭代法和交替迭代法优点的含VSC-MTDC交直流系统潮流算法,给出初值和边界条件求解方法,对于不同直流拓扑和交流系统都能够进行求解。最后通过2个实际算例验证该文潮流模型的有效性和收敛性,对于不同控制方式、不同运行场景和直流拓扑都能够迅速、稳定收敛。

基于连续潮流法的含双端VSC-HVDC交直流系统负荷裕度分析

为了分析含双端VSC-HVDC交直流系统的静态电压稳态特性,结合交替求解法和连续潮流法给出一种交直流连续潮流法。根据初始输入得到初始解确定负荷增长方向,引入负荷裕度参数。通过调节VSC-HVDC的控制策略,最终得到系统不同情况下的负荷裕度,采用左特征向量乘子法对系统进行负荷裕度灵敏度计算。对含双端VSC-HVDC的IEEE39节点系统和IEEE118节点系统进行建模仿真,得出了系统负荷裕度以及负荷裕度灵敏度近似线性的变化规律。直流线路功率流向对系统负荷裕度的影响相反,验证了方法的有效性。

AC/DC系统潮流计算的部分直流变量消除法

为克服AC/DC系统的潮流计算方法中的变量消除法的不足,提出了部分直流变量消除法.该方法的模型中将换流器等效为依赖于换流器端交流电压和控制角的PQ负荷.计算时,只需规定换流器直流侧的无功功率,而且当直流系统控制方式发生变化后不需重新推导Jacobian矩阵中的偏导公式.数值算例表明该方法具有较高的灵活性,与变量消除法相比计算效率可提高5%左右.

新型多端口直流潮流控制器及其控制策略研究

直流潮流控制器是实现多端直流电网稳态潮流调节的关键装备,针对现有直流潮流控制器的局限性,通过在环形支路中串入输出直流电压可调节的级联子模块的方式,设计了一种新型多端口直流潮流控制器。首先,对所提控制器的拓扑结构和工作原理进行了阐述;然后,介绍了其控制策略和参数选择方法;最后,通过一个具有八条直流线路的五端直流电网的电磁暂态仿真案例对直流潮流控制器的性能进行验证。结果表明:所提控制器能够同时调节同一直流母线所连接的多条直流线路上的潮流,具有模块化和易扩展的优势。

求解大规模AC/DC最优潮流的连续递推内点算法

提出连续递推的内点算法框架,以期解决原始–对偶内点法求解大规模交直流系统最优潮流收敛难的问题。基于牛顿法的连续递推思想,将一阶KKT(Karush-Kuhn-Tucker)非线性方程组转化为自治常微分方程组,可采用多种数值积分方法求解,进而获得不同于传统牛顿法的新方向,改善了原始–对偶内点法的收敛性。多达11585条线路的5个大规模实际系统的计算表明,该算法步长大、收敛性好、鲁棒性强,特别适合求解大规模交直流系统在苛刻运行条件下的最优潮流问题,具有广阔的应用前景。

考虑运行损耗和功率裕度的VSC-MTDC系统改进优化下垂控制策略

不当的直流电压下垂系数易造成多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统运行损耗增加或部分换流站满载,为此提出了1种考虑网络损耗和功率裕度的改进优化下垂控制策略。分析了影响直流网络潮流的因素,在考虑直流线路电压降的情况下,推导出了换流站间功率分配与下垂系数的关系式。提出了直流网络潮流优化计算方法,并得出了各换流站最优下垂系数。以换流站优化下垂特性为基础,设置直流电压拐点,综合考虑直流系统运行损耗和换流站功率裕度,提出了改进的优化下垂控制策略。在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建6端柔性直流输电系统仿真模型,对3种下垂控制策略下系统的运行特性进行了仿真分析,结果表明:常规下垂控制按换流站额定容量分配功率,优化下垂控制考虑直流网络损耗,改进优化下垂控制兼顾系统运行损耗和换流站设备使用率。仿真结果与理论分析一致,验证了所提改进控制策略的有效性和可行性。

基于Matlab和Matpower的孤岛判别与处理

孤岛的判别与处理对电力系统可靠性评估具有重要意义,为了提高孤岛判别与处理的速度和精度,提出一种基于Matlab和Matpower的孤岛处理与判别方法,该方法根据孤岛的性质利用Matlab建立孤岛判别矩阵,并对Matpower中参数进行修改,使Matpower能够对孤岛系统直接进行直流潮流计算。相较于之前的人工计算,该方法不仅在速率上得到较大的提升,而且具有较高的准确性和可操作性。适用于电力系统的可靠性评估过程中的孤岛判别与处理。

基于自适应加权预测-校正内点法的含VSC-HVDC电力系统最优潮流

加权预测-校正内点法(WPC-IPM)求解含电压源型高压直流输电(VSC-HVDC)的电力系统最优潮流时,迭代中后期校正环节加权会减慢收敛速度。提出一种自适应加权预测-校正内点法(AWPC-IPM),该方法以对偶间隙的变化趋势作为加权与否的判据,对偶间隙增大时加权,以抑制校正方向错误导致的收敛性变差,对偶间隙减小时不加权,以加快收敛。算例仿真结果表明,所提方法既有效抑制了校正方向错误对预测-校正内点法(PC-IPM)的影响,又加快了迭代后期的收敛速度。

舰船电力系统自组织临界特性分析

基于自组织临界理论,以直流潮流为基础,建立了舰船电力系统连锁停电的OPA模型。通过OPA模型模拟了舰船电力系统发生连锁故障的过程并揭示出舰船电力系统发生大停电事故的本质;研究了线路可靠性和线路容量对系统停电分布的影响,结果表明,增强线路可靠性和提高线路容量有利于系统抵御连锁故障。此外,对比环形舰船电网结构和辐射型舰船电网结构的停电规模分布,从系统自组织临界特性的角度验证环形舰船电网结构可靠性更高。

考虑经济性和环境因素的含VSC-HVDC交直流系统多目标最优潮流

提出一种基于带精英策略的快速非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm-II,NSGA-II)和逼近理想解排序(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)的含VSC-HVDC交直流系统多目标最优潮流算法,统一协调系统运行的经济性及环保要求等目标。首先,基于含VSC-HVDC交直流系统的稳态模型,建立了综合考虑网络损耗和环境因素的多目标最优潮流模型;然后,采用混合编码方式,通过NSGA-II得到帕累托最优解集;最后,采用TOPSIS法评估各决策方案的相对优劣,以帮助运行人员选取有效的折中解。基于IEEE 14节点系统和IEEE 118节点系统的算例结果验证了所提方法的有效性。

双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器及其功率回流特性分析

为了减小双向全桥DC-DC变换器的功率环流,分析传统移相控制中存在的功率回流现象,并分析回流功率对提高功率环流和电流应力所起的作用。在此基础上,提出一种双重移相控制方法。相比传统移相控制,该方法不仅具有更小的功率环流和电流应力,同时扩大了传输功率的调节范围,增强了功率调节的灵活性。详细介绍和分析双重移相控制的工作原理,给出变换器的工作模态分析,建立传输功率及回流功率的数学模型,并对比双重移相控制和传统移相控制的控制性能。最后,通过实验结果验证了双重移相控制的优越性。

含VSC-HVDC并网风电场的电力系统最优潮流计算

由于风电场出力的实际值通常在预测值附近随机波动,所以在潮流计算时还应考虑风电场出力的随机性。针对风电场通过VSC-HVDC并网的情形,为了使电网既能安全运行,又能实现经济调度,提出了一种基于场景分析的最优潮流计算模型。模型以火电机组的总成本最小为目标函数,并考虑火电机组在预测场景和误差场景有功出力的调节范围约束,采用内点法进行求解。算例结果表明,引入误差场景后,虽然火电机组的总成本增加了,但是风电场出力的随机性对火电机组快速调节出力能力的要求得到了满足,从而保障了电网的安全运行。

基于ADMM的含风电场系统分布式DC-OPF计算

电网中的不同电力公司所管辖子系统具有相互独立且互联的特点,各子系统之间的互联给电网的分布式计算带来一定挑战,如何实现大系统的分布式计算备受关注。提出基于交替方向乘子法(alternating directionmethod of multipliers,ADMM)的含风电场系统分布式直流最优潮流(direct current optimal power flow,DC-OPF)计算模型,该模型考虑风电并网对系统分布式DC-OPF的影响,采用分解协调法实现系统的分区过程,通过引入全局变量处理边界节点问题,在信息传递过程中无需中心处理系统,只在相邻子区域之间进行复制边界节点的信息传递以减少信息通信量,实现系统的全分布式DC-OPF计算。以6节点系统、IEEE-39节点系统分析全局变量的个数对迭代收敛的影响,并讨论风电并网对优化收敛的影响,最后通过仿真验证该文所提模型的准确性和有效性。

含多类型直流的交直流混联电网潮流计算方法适用性分析

作为电网发展的新阶段,交直流混联电网呈现多类型直流参与、大规模交直流互联的特点,而关于统一迭代和交替迭代2种潮流计算方法的适用性尚未得到深入分析。为此基于含多类型直流的交直流混联电网对2种潮流计算方法的运算性能进行对比研究。推导了含常规直流、柔性直流、混合直流的交直流混联电网潮流模型,进而提出了相应的统一迭代法和交替迭代法。通过3个交直流混联电网测试系统和南方电网实际系统数据验证了潮流模型的有效性和潮流算法的准确性,结合系统负荷水平、系统强度、直流嵌入规模等因素对2种潮流计算方法的收敛性能和计算速度进行对比分析。研究结果表明,在含多类型直流的交直流混联电网中进行潮流计算时,统一迭代法的计算效率比交替迭代法高。

基于交替迭代法的MMC-MTDC交直流混合系统的潮流分析

为解决大规模新型可再生能源的并网和消纳问题,多端柔性交、直流混合输电系统成为近年来研究的热点,且潮流计算分析又是研究其稳定控制及故障分析的基础.对此,建立了基于模块化多电平换流器的多端直流输电系统(MMC-MTDC)的稳态潮流计算数学模型,提出了MMC-MTDC交直流混合系统潮流计算的交替迭代求解法,对交流子系统采用传统的牛顿-拉夫逊计算方法,对直流子系统则采用节点阻抗矩阵形式的Gauss-Seidel方法.最后,在MATLAB软件平台编写交替迭代算法程序,以改进的IEEE 9和IEEE 22节点且包含三端MMC-MTDC的交直流混合系统为例进行仿真计算,结果表明所提出的交替迭代求解法具有收敛速度快、准确性高的优点.

计及VSC-HVDC的交直流系统最优潮流统一混合算法

进化类算法和内点法交替迭代的混合算法在求解含电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter basedhigh voltage direct current,VSC-HVDC)的交直流系统最优潮流(optimal power flow,OPF)问题时由于截断误差的影响和VSC-HVDC控制方式的限制,容易发生振荡,因此提出一种基于差分进化(differential evolution,DE)和原—对偶内点法(primal-dual interior point method,PDIPM)的统一混合迭代算法。算法的主要思想是以DE算法为框架,对离散变量进行优化,在DE算法的每一次迭代过程中,采用PDIPM对每个DE个体进行连续变量的优化和适应度评估。由于采用PDIPM进行DE种群适应度评估,无需设定VSC-HVDC的控制方式,因此提高了算法的全局寻优能力。多个算例结果表明,该混合算法数值稳定性高,寻优能力强,能很好地解决含两端、多端、多馈入VSC-HVDC的交直流系统最优潮流问题。