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毕设模版河南理工大学新校区
河南理工大学
毕业设计（论文）任务书
专业班级电气0905学生姓名叶明
一、题目含VSC-HVDC的交直流改进潮流算法
二、起止日期年月日至年月日
三、主要任务与要求
对含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流算法进行讨论。
算法主要有两种，一种为统一迭代法，一种为交替迭代法。
统一迭代法收敛性较好，但是难以利用原有的交流程序。
交替迭代法虽然容易利用原有的交流程序，但是交替迭代法收敛性不好。
对于这两种方法的不足，本文提出VSC-HVDC交直流系统潮流计算的改进算法，该算法能够利用原有的交流潮流计算程序，并且有统一迭代法的良好的收敛性和精度。
给出了改进法的具体流程，对于修改后的IEEE14节点系统进行两种控制方式的仿真计算。
指导教师职称
学院领导签字（盖章）
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评阅人评语
题目
评阅人职称
工作单位
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评定书
题目
指导教师职称
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩许可证
答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：
1、设计（论文）说明共页
2、图纸共张
3、指导教师意见共页
4、评阅人意见共页
经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。
指导教师签字（盖章）
年月日
根据审查，准予参加答辩。
答辩委员会主席（组长）签字（盖章）
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议
学院专业班
同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。
一、毕业设计（论文）的总评语
二、毕业设计（论文）的总评成绩：
三、答辩组组长签名：
答辩组成员签名：
答辩委员会主席：
签字（盖章）
年月日
摘要
随着电网建设和发展，不论是在远距离、大容量输电方面，还是在分布式发电接入系统方面，大力发展直流输电符合我国能源传输和供给的基本需求。
归功于新型电力电子器件的研发，特别是全控型器件的出现，基于电压源换流器（VSC）的高压直流输电技术（HVDC）为直流输电的发展提供了新的方向。
本文首先对HVDC的发展及其应用的工程方面进行说明，对VSC-HVDC的稳态模型和四种控制方式进行描述。
便于进行该系统的潮流分析。
在对大量文献的分析理解的基础上，本文对含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流算法进行了讨论。
算法主要有两种，一种为统一迭代法，一种为交替迭代法。
统一迭代法收敛性较好，但是难以利用原有的交流程序。
交替迭代法虽然容易利用原有的交流程序，但是交替迭代法收敛性不好。
对于这两种方法的不足，本文提出一种交直流系统潮流计算的改进算法，该算法能够利用原有的交流潮流计算程序，并且有统一迭代法的良好的收敛性和精度。
讨论了改进法的求解过程，得出了算法具体的流程图。
最后以修改的IEEE14节点系统对于两种算法--改进法和统一迭代法进行了仿真。
潮流计算结果证实了改进算法的可行性和有效性。
该算法对于进一步研究含电压源换流器的高压输电系统的暂态和稳态特性提供了基础。
关键词：
VSC-HVDC；电压源换流器；潮流计算；改进算法
ImprovedpowerflowalgorithmofVSC-HVDC
Withthedevelopmentofconstructionofpowergrid,whetherinthelong-distance,high-capacitytransmission,orinthedistributedgenerationsystem,thebasicneedsofdevelopingHVDCtransmissioninlinewithChina'snationalenergytransmissionandsupply.Duetotheresearchanddevelopmentofthenewpowerelectronicdevices,especiallythefullcontrolleddevices,basedonvoltagesourceconverter（VSC）highvoltagedirectcurrenttransmissiontechnology（HVDC）providesanewdirectionforthedevelopmentofDCtransmission.
Firstly,inthispaperdevelopmentandapplicationofHVDCinengineeringareintroducedsimply,thendescribethesteady-statemodelofVSC-HVDCandfourkindsofcontrolmethods.Inordertofacilitatethesystem’sloadflowanalysis.
ThispaperdiscussesthepowerflowalgorithmofHVDCsystemsbasedontheVSC.Thealgorithmmainlyhastwokinds,oneisthesimultaneousmethod,theotheristhesequentialmethod.Theconvergenceofthesimultaneousmethodisbetter,butitisdifficulttousetheoriginalACpowerflowprogram.ThesequentialmethodiseasytousetheoriginalACpowerflowprogram,buttheconvergenceofthesequentialmethodisworse.
Forthedisadvantageoftwomethods,thispaperpresentsanimprovedAC-DCsystempowerflowalgorithm,whosecalculateprogramusestheoriginalACpowerflow,andatthesametimewiththebetterconvergenceandprecisionofthesimultaneousmethod.Discussestheprocessofimprovedalgorithm,andtheflowchartofimprovedalgorithm.Finally,withtheIEEE14nodesystemmodificationfortwokindsofalgorithm:
improvedalgorithmandthesimultaneousmethodforsimulation.Powerflowcalculationresultsdemonstratethefeasibilityandeffectivenessoftheimprovedalgorithm.Thealgorithmprovidesthefoundationofthetransientandsteadystateofthehighvoltagetransmissionsystembasedonvoltagesourceconverterfurtherresearch.
Keywords:
VSC-HVDC;VSC;powerflowcalculation;improvedalgorithm
目录
1绪论1
1.1课题的研究背景与意义1
1.2HVDC的发展概况1
1.2.1目前已采用的高压直流输电的类型2
1.2.2我国HVDC的发展概况3
1.3课题的研究现状4
1.4本文的主要工作5
2VSC-HVDC概述6
2.1VSC-HVDC的基本原理6
2.1.1VSC的运行原理6
2.1.2直流系统的构成7
2.2VSC-HVDC的数学模型7
2.3VSC-HVDC的优点9
2.4VSC-HVDC的应用前景9
2.5本章小结11
3牛顿-拉夫逊法纯交流系统潮流计算12
3.1节点导纳矩阵12
3.2潮流计算节点的类型14
3.3节点功率方程15
3.4牛顿－拉夫逊法潮流计算基本原理17
3.4.1牛顿-拉夫逊法的基本原理17
3.4.2牛顿-拉夫逊法潮流计算的修正方程18
3.4.3纯交流系统的迭代过程20
3.5本章小节22
4含VSC-HVDC的交直流系统的潮流计算23
4.1VSC-HVDC对于潮流计算的数学模型23
4.2VSC-HVDC直流系统网络数学模型25
4.3电压源换流器的主要控制方式25
4.4交直流系统潮流计算的数学方程26
4.4.1交直流潮流计算的潮流方程26
4.4.2直流子系统控制方程27
4.5统一迭代法的雅可比矩阵28
4.6统一迭代法的流程32
4.7本章小结33
5含VSC-HVDC的交直流系统改进算法34
5.1改进算法和其他算法的比较34
5.2改进算法的描述34
5.3改进算法的流程36
5.4算例计算37
5.4.1IEEE14节点系统的修改37
5.4.2改进法潮流计算39
5.5本章小结42
6结论与展望43
6.1结论43
6.2展望44
参考文献45
附录48
致谢60
1绪论
1.1课题的研究背景与意义
传统的高压直流输电系统的换流器的换相是电网换相的方式。
近10年投入使用的一种新型高压直流输电的高压直流输电换流逆变直流输电系统只有全控型电力电子器件，如GTO晶闸管，IGBT，IGCT[1]。
传统的HVDC使用基于晶闸管开关的电网换相电流源换流器（CSC）[2-3]。
由于缺乏可商用的全控型器件（如GTO、IGBT等），一直到20世纪90年代初期为止，其对偶器件电压源换流器（VSC）一直没有用于高压直流输电。
但大功率GTO器件和随后的大功率IGBT器件的商业化应用，改变了这种局面。
在过去的10年里，开始使用VSC电压源换流器并不断有新的应用被发布。
采用电压源换流器的直流输电技术解决了很多以前无法解决的问题[4-6]。
方案的优势在于，由于电压源换流器采用器件换流，可以实时对有功功率和无功功率进行独立控制，又由于换流器的模块化和标准化结构容许对整个换流设备进行工厂内进行各种试验，这使得换流设备就可以直接运往现场进行安装调试。
我国的高压直流输电也发展迅猛，多条直流输电线路已投入运行，可以预计，直流输电线路在我国的输电电网中占的比重越来越大。
探讨和研究含VSC-HVDC的交直流系统的潮流计算，对研究该系统暂态和稳态特性，提高整个电力系统的稳定性，有效克服重大灾难性事件的发生，无疑具有极大的意义。
1.2HVDC的发展概况
根据IEEE输配电委员会编撰的HVDC工程表，摘抄出一
1.2.1目前已采用的高压直流输电的类型
目前已采用的高压直流输电的类型有：
1.2.2我国HVDC的发展概况
我国从20世纪50年代就已开始从事高压直流输电技术的。
下面以建成顺序来列举部分高压直流输电工程，如表1-1所示。
表1-1我国已建HVDC工程
工程名
投运年份
额定电压/kV
额定电流/A
额定容量/MW
输送距离/km
舟山工程
1989
100
500
50
54
葛南工程
1989
±500
1200
1200
1045
贵广Ⅱ回工程
2008
±500
3000
3000
1225
1.3课题的研究现状
VSC-HVDC的系统模型是在CSC-HVDC直流输电的基础上发展起来的
1.4本文的主要工作
本论文主要对含电压源换流器的高压直流输电系统的交直流潮流算法进行探讨，对于原来VSC-HVDC的潮流计算方法，给出一种改进的交直流潮流算法。
为进一步研究VSC-HVDC系统起了一个开头。
主要研究内容概述如下：
（1）在分析了VSC-HVDC直流系统的结构、工作原理和控制方式的基础上，概括说明了VSC-HVDC的应用前景，以及目前的实际运行工程。
（2）在第二章VSC的数学模型的基础上，深入地探讨VSC-HVDC对于潮流计算的数学模型，对于电压源的四种主要控制方式进行解释。
在这个基础上对交直流潮流计算的统一迭代算法进行描述，并且给出统一迭代法中的雅克比矩阵各具体计算公式。
（3）给出含VSC-HVDC的交直流系统潮流计算的改进算法，对这个算法进行详细的描述。
（4）编写和调试了相应的计算程序，并分别用统一迭代法和改进法对一个带2个VSC的IEEE14节点系统进行仿真计算和分析，证明了本文潮流数学模型的正确性，和改进算法的有效性。
（5）本文最后对全文研究内容进行了总结，对下一步工作进行了展望。
2VSC-HVDC概述
2.1VSC-HVDC的基本原理
电压源换流器（VSC）由一个6脉波换流桥[15]构成，其中的全控型器件（GTO或IGBT）与二极管反向并联，如图2-1所示。
为了获得更大的容量，有时需要将多个器件串联链接以构成一个阀。
GTO阀允许较大的电流，但其直流耐压比相当的IGBT阀要小。
图2-16脉波换流桥
事实上，采用电压源换流器的第一个工程是1997年3月在瑞典Hellsjon的试验输电工程。
该工程采用直流电缆输电，输电距离为10km，输电电压为±10kV，输送功率为3MW。
2.1.1VSC的运行原理
2.1.2直流系统的构成
2.2VSC-HVDC的数学模型
图2-3为含电压源换流器的直流输电稳态数学模型[16-17]。
图中的VSC元件可以视为理想的放大器，它的耗损已由电阻
等效。
还有，换流电抗器的等效电抗为
；
、
分别为交流系统传送给整个直流系统的有功功率和无功功率；
、
分别为电压源换流器吸收的有功功率和无功功率。
略去换流器电阻和假设VSC的交流滤波器滤去所有的谐波分量时，可得：
式中，交流母线的电压基波分量为
，其相角为
；换流器交流侧母线电压的基波分量为
，其相角为
；
为交流侧系统电压相位超前VSC交流侧电压基波相位的角度，
的值由交流系统电压与PMW调制波间的相位差决定，即等于PMW调制波的相角。
若
，
为线电压，则
、
、
、
都为三相功率。
2.3VSC-HVDC的优点
与以前的HVDC输电相比，VSC-HVDC的特点主要表现在以下几个方面[4-6]：
2.4VSC-HVDC的应用前景
适合VSC应用的一些场合为[18]：
2.5本章小结
本章为后面的纯交流潮流分析，交直流潮流分析起了一个开头。
主要对VSC-HVDC系统进行了一个描述，对VSC的运行原理进行了讨论，VSC主要是由全控型元件GTO或者IGBT构成换流桥，将交流电整流成直流电或将直流电逆变成交流电。
后面给出了VSC-HVDC的数学模型，用方程来描述VSC-HVDC这个系统。
还对VSC-HVDC的应用前景和在运行的工程进行了一个总结。
3牛顿-拉夫逊法纯交流系统潮流计算
3.1节点导纳矩阵
3.2潮流计算节点的类型
3.3节点功率方程
3.4牛顿－拉夫逊法潮流计算基本原理
3.5本章小节
本章内容主要是对纯交流系统的牛拉法潮流计算进行了一个说明。
给出的形式主要是极坐标的形式。
首先对复杂电力系统潮流计算的基础，节点导纳矩阵和潮流计算的节点类型进行逐一说明，然后给出了偏差方程中所要使用的节点功率方程，最后对牛拉法的潮流计算进行了一个概述。
4含VSC-HVDC的交直流系统的潮流计算
含VSC-HVDC的交直流混合系统的潮流计算，对于以后研究VSC-HVDC系统的暂态和稳态特性具有很重要的意义，也对分析它的控制运行方式和相应的保护技术的必要条件，是研究VSC-HVDC及其交直流系统各方面稳定性的基础。
4.1VSC-HVDC对于潮流计算的数学模型
4.2VSC-HVDC直流系统网络数学模型
4.3电压源换流器的主要控制方式
4.4交直流系统潮流计算的数学方程
4.5统一迭代法的雅可比矩阵
4.6统一迭代法的流程
4.7本章小结
本章主要是给出含VSC-HVDC和交流系统的雅可比矩阵的元素，为后面的改进算法的矩阵分块做一个铺垫。
本章首先给出了VSC-HVDC系统的潮流计算数学模型，然后对于交流系统的偏差方程，直流系统的功率偏差方程进行了描述，接下来给出了直流子系统的4条控制偏差方程，按照未知数和方程数目相等的原则，得出方程组是可解的。
最后给出了统一迭代法中的雅可比矩阵中各个元素的具体计算方程，以及给出了统一迭代法的流程。
5含VSC-HVDC的交直流系统改进算法
5.1改进算法和其他算法的比较
5.2改进算法的描述
5.3改进算法的流程
5.5本章小结
本章首先从统一迭代法和交替迭代法的缺点入手，引出了改进法的优点。
接下来对于改进法具体实现方式以及内容做了一个详细的描述。
最后是算例分析。
在算例分析小节，首先对IEEE14节点系统的修改进行了说明，是将一条交流线路换成含VSC的直流线路，然后给出了IEEE14节点的具体参数，最后用统一迭代法和改进法对该系统进行了仿真计算。
计算结果表明，改进法具有理论上的优点，并且是可行的、有效的。
6结论与展望
6.1结论
在对大量文献的分析理解的基础上，对采用VSC（电压源换流器）的HVDC（高压直流输电）系统的工作原理、控制方式、运行特性和混联潮流计算等内容进行了综合的讨论和研究，可以得到下列结论：
（1）含VSC-HVDC的交直流混合系统的潮流计算主要有两种方法，一种是统一迭代法，另一种是交替迭代法。
统一迭代法是以牛顿-拉夫逊法为基础，将交流系统中所要求解的节点电压的幅值和相位和直流系统中的直流电流、电压以及直流控制变量在同一个潮流方程中进行统一迭代求解。
但若是系统中换流器数目很多，求解修正方程将会十分困难，并且也无法使用现有的交流系统潮流计算程序。
交替迭代法是通过等效，对于交流系统，将直流系统等效为注入或吸收功率，变成负荷；对于直流系统，将交流系统等效为一个电压节点。
等效后对于交流方程和直流方程分开求解，交替进行迭代，到两个系统都收敛为止。
因为直流系统和交流系统分开了，所以可以利用原有的交流程序，但是收敛性较差，精度也不高。
（2）针对含VSC-HVDC的交直流混合系统的潮流计算，本文提出了一种新的改进算法。
这种算法可以说是基于统一迭代法，但是又从交替迭代法中获取了一些优点。
在提出该算法之前，本文先建立了VSC-HVDC的数学模型，然后对于统一迭代法进行了说明，并给出了统一迭代法中雅克比矩阵的所有元素，而改进法就是在这个基础上，根据交流系统和直流系统，对雅克比矩阵中的元素进行一个分块，然后将修正方程在变成之前就直接求解了出来。
分块使得交流系统和直流系统分离，能够利用原来纯交流潮流计算的程序；另外和交替求解法不同的是，解除交流和直流系统之间的耦合并不是采用假设的方式，而是采用矩阵分块，进行数学的解耦，所以从理论上来说，改进法具有统一迭代法良好的收敛性和精度。
（3）分别使用统一迭代法和改进算法对修改后的IEEE14节点系统进行一个仿真计算。
从结果看出，统一迭代法和改进算法得出的结果几乎上可以说是相同的，所以可以得出结论：
改进算法是可行的并且有效的，继承了统一迭代法的收敛性和精度。
6.2展望
至此为止，本文的讨论可以说是结束了。
虽然本文对于交直流系统的潮流计算方法有了一个很好的促进作用，但是将改进算法完全地使用在实际的交直流潮流计算中，这是一个全新的研究，可以说还有很多尚待解决的问题。
相对于统一迭代法和交替迭代法，如何提高计算速度；在各种控制条件下，如何改进计算可靠性；改进算法对于实际中的各种网络及运行条件下的可靠性等问题，都需要日后再进行深入研究。
参考文献
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