交直流混合電網(wǎng)仿真初始化方法

鄂志君，李振斌，楊幫宇，劉偉，姚維平

(國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300143)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的進步，交直流混合電網(wǎng)得到了快速發(fā)展，其對交直流混合電網(wǎng)電磁暫態(tài)（electromagnetic transient，EMT）特性提出了新的要求。EMT仿真的本質(zhì)是解決一系列微分和代數(shù)方程[1-2]，例如能夠通過均衡分割、集群并行[3-5]、快速模塊化模型[6]等手段解決大規(guī)模EMT仿真計算效率低的問題[7-8]。典型的EMT仿真通常沒有輔助信息耦合的系統(tǒng)[9]。由于仿真步長較小，以零狀態(tài)啟動初始化仿真具有一定的難度，但有效的潮流初始化能夠提高電磁暫態(tài)仿真的效率和數(shù)值計算的穩(wěn)定性[10-11]。

非對稱線路結(jié)構(gòu)和負載造成電網(wǎng)的不平衡運行狀態(tài)，也會影響EMT仿真的初始化。文獻[12]通過牛頓方法獲取非線性網(wǎng)絡(luò)的初始值，但迭代收斂條件較苛刻。文獻[13]提出了系統(tǒng)的初始化方法，但所提方法不可以預(yù)測穩(wěn)態(tài)解。通常交直流混合系統(tǒng)的規(guī)模大，且很難獲得所有設(shè)備的諧波，進一步加大了EMT仿真的難度[14-15]。

適用于電網(wǎng)的潮流計算方法主要包括牛頓拉夫遜法[16]和不動點迭代方法[17-18]。新能源場站序分量模型廣泛用于電網(wǎng)三相潮流計算中[19]。除了三相基波潮流初始化，三相諧波潮流也常用于電磁暫態(tài)仿真初始化[20]，但其計算過程復(fù)雜，從工程上來說，初始化效果與三相基波潮流差別不大[21]。

為了提高大規(guī)模電網(wǎng)的EMT仿真初始化速度，需要采用并行化求解技術(shù)[22]?，F(xiàn)有并行化求解技術(shù)主要針對時域仿真過程，并沒有考慮對初始化進行并行化處理[23]，隨著交直流混合電網(wǎng)的大規(guī)模接入，初始化并行處理過程變得有必要[24]。

為了解決含新能源場站中三相不平衡電網(wǎng)的阻抗、諧波、控制特性難以實現(xiàn)工程應(yīng)用的問題，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法擬合其阻抗、諧波、控制特性，在基于改進節(jié)點法的三相基波潮流中進行迭代，對新能源場站的功率初始特性進行修正，并提出基于多端口等值的并行計算方法，以提高大規(guī)模電網(wǎng)三相基波潮流的計算效率。

1 嵌套人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型初始化

分布式能源的阻抗、諧波、控制特性解析表達復(fù)雜，難以用于實際的EMT仿真初始化。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合其伏安特性，嵌入改進節(jié)點電網(wǎng)模型的潮流代過程中。根據(jù)新的節(jié)點電壓不斷更新出并聯(lián)新能源場站的注入電流和功率，最終確定EMT過程初始化狀態(tài)。

本文建立了含新能源場站的單機無窮大EMT仿真系統(tǒng)，測量注入電網(wǎng)的三相基波電流的實部、虛部。然后將新能源場站的并網(wǎng)點電壓及系統(tǒng)總的有功和無功作為BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，將三相基波電流的實部、虛部作為輸出層，如圖1所示。

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 1 BP neutral network configuration

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程包括正向和反向傳播。外部輸入的并網(wǎng)測量信息經(jīng)輸入層、隱層逐層處理向前傳播到輸出層給出結(jié)果，然后分別將輸出電流實部、虛部誤差轉(zhuǎn)入逆向傳播，修改神經(jīng)元權(quán)重，反復(fù)迭代，直到誤差小于給定值。為提高收斂速度，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)迭代算法[25]。

2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始化驗證

本文以在IEEE 33節(jié)點拓撲為基礎(chǔ)，并接入了光伏、儲能和直流電網(wǎng)電站。系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。將無窮大節(jié)點接到系統(tǒng)中，電源網(wǎng)絡(luò)首端的基準電壓為220 kV，三相功率基準值為900 MV·A，網(wǎng)絡(luò)總負荷為50 MV·A，直流電網(wǎng)電壓為100 kV。從圖2可以看出，本文所提的拓撲結(jié)構(gòu)內(nèi)含3個交流并網(wǎng)光伏發(fā)電節(jié)點PV1-PV3、1個直流并網(wǎng)光伏節(jié)點PV4；3個儲能節(jié)點、1個直流負荷以及1個交流負荷。本文以PV3為變化進行研究，設(shè)定其功率為0.3～2.4 MW。

圖2 拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 2 Topological structure

在系統(tǒng)中，由于交直流混合電網(wǎng)元件的加入，使得電網(wǎng)的電磁暫態(tài)特性明顯，尤其在小功率和功率階躍變化對，其諧波特性非線性變化劇烈，造成了電磁暫態(tài)特性導(dǎo)納矩陣解耦困難。在1 s時長及50μs仿真步長的情況下，不含交直流電網(wǎng)元件的IEEE 33節(jié)點暫態(tài)模型潮流運算時間僅為0.8 s，而含上述配置的IEEE節(jié)點模型潮流運算時間為50 s。

光伏電站PV3的暫態(tài)仿真過程功率輸出曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，功率越小，波形毛刺越明顯。在初始階段，波動最為劇烈，要經(jīng)過約1～2個周波才能夠收斂。與此同時，基于上述情況，光伏PV3的等效阻抗如圖4所示。

圖3 PV3在5種設(shè)定功率下的出力Fig. 3 Output curves of PV3 under 5 different powers

圖4 PV3在5種功率輸出下的等效阻抗Fig. 4 Equivalent impedance of PV3 under 5 different powers

從圖4中可以看出，在小功率時，等效阻抗曲線波動最為劇烈。在功率突變時，等效阻抗曲線需要至少2個周波才能夠收斂下來。

綜上，本文基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合復(fù)雜的阻抗、諧波、控制特性，具體步驟如下。

（1）以1 MW為步長更改光伏電源的出力，將每一種出力參數(shù)下的電壓、電流、相位關(guān)系作為輸入向量。通過處理，輸出適合于穩(wěn)定計算并快速收斂的光伏發(fā)電初始值參數(shù)配置，主要包含電壓、電流、相位等參數(shù)。

（2）在諧波方面，提取光伏出口電壓、電流諧波，尤其是電力電子逆變器常見的5、7、11、13次諧波。經(jīng)過不同出力、波動等情況下的諧波分析對比，將諧波計算量較大的環(huán)節(jié)作為初始值。

（3）將初始值嵌套進基于改進節(jié)點法的三相基波潮流計算框架中，在迭代過程中直接對交直流混合電網(wǎng)的節(jié)點功率進行修正。

（4）經(jīng)過上述等值過程，得到光伏發(fā)電的部分初始值。將光伏出力依次改為0.3 MW、0.6 MW、1.2 MW、1.8 MW、2.4 MW，從而得到光伏波形及光伏等效阻抗，如圖5～6所示。

圖5 經(jīng)過初始化修正后PV3在5種設(shè)定功率下的出力Fig. 5 Output curves of PV3 under 5 different powers after initial modification

圖6 經(jīng)過初始化修正后PV3在5種功率下的等效阻抗Fig. 6 Equivalent impedance of PV3 under 5 different powers after initial modification

結(jié)合圖5和圖6可以看出，經(jīng)過初始化修正的光伏模型收斂速度更快、更穩(wěn)定，其將圖3和圖4中出現(xiàn)的波動與毛刺消除掉一大部分，且暫態(tài)仿真計算時間減少到修正后的30 s左右。

（5）在5種功率連續(xù)變化的情況下，對上述過程進行仿真，得到了各個曲線，如圖7～10所示。

圖7 PV3的出力Fig. 7 Output curves of PV3

圖8 經(jīng)過初始化修正后PV3的出力Fig. 8 Output curves of PV3 after initialization modification

圖9 PV3的等效阻抗Fig. 9 Equivalent impedance curve of PV3

圖10 經(jīng)修正的PV3等效阻抗Fig. 10 Modified equivalent impedance curve of PV3

結(jié)合圖7～10可以看出，經(jīng)過初始化后的光伏模型計算曲線更加平滑，運算過程不受波動諧波的影響，速度更快，效率更高。

3 并行過程仿真驗證

為了驗證所提方法的效果，在圖2的拓撲基礎(chǔ)上，構(gòu)造了包含10個IEEE 33節(jié)點的系統(tǒng)。該系統(tǒng)共計330個節(jié)點，包含了交直流混合電網(wǎng)的電網(wǎng)拓撲模型。本文將系統(tǒng)進行分塊及初始化，所分模塊數(shù)量為2～10，分別對基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始化方法和常規(guī)初始化方法進行仿真，觀測初始化過程中CPU運算時間，時間記錄如表1所示，初始化運算時間對比曲線如圖11所示。結(jié)合表1及圖11可以看出，仿真系統(tǒng)經(jīng)過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)初始化之后，初始化效率得到明顯提升。

表1 分區(qū)初始化時間Table 1 Partition initialization time

圖11 初始化運算時間對比Fig. 11 Comparison of initialization time

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的電網(wǎng)仿真方法往往未考慮交直流混合電網(wǎng)中電力電子元件的初始化問題，而使得仿真數(shù)值計算時間過長、收斂速度慢，甚至數(shù)值易受干擾而無法收斂。三相基波潮流可有效提高電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真速度。本文結(jié)合三相基波潮流的優(yōu)點，將含交直流混合工況的電磁特性初始值加入，提高了仿真的效率和速度。

本文采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合阻抗、諧波、控制特性，得到包含初始值信息的中間隱層參數(shù)。將其嵌套進基于改進節(jié)點法的三相基波潮流計算框架中，在迭代過程中對交直流混合電網(wǎng)中光伏的功率出力進行初始化修正。為了適用于大規(guī)模電網(wǎng)的初始化，提出了基于多端口等值的并行計算方法，分別采用IEEE 33節(jié)點和330節(jié)點三相不平衡的含交直流混合電網(wǎng)算例驗證了所提方法的有效性。

本文方法能夠有效提高大規(guī)模交直流混合電網(wǎng)的初始化速度，將來可在復(fù)雜場景的交直流混合電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真方面發(fā)揮作用。