1. 研究目的与意义
电力系统交直流潮流计算是电力系统分析与调度的重要组成部分。随着电力系统规模的不断扩大，特别是可再生能源的广泛应用，交直流混合输电系统已成为全球电力系统的重要发展趋势。因此，研究电力系统交直流潮流计算对于优化电力系统运行和提高电力系统安全性具有重要意义。课题背景： 电力系统规模的扩大：随着电力系统规模的不断扩大，潮流计算的复杂性也在不断增加。交直流混合输电系统中，交流潮流与直流潮流相互影响，使得潮流计算更加困难。 由于可再生能源的不稳定性，电力系统的潮流分布变得更加复杂。交直流混合输电系统可以有效地平衡可再生能源的波动，提高电力系统的稳定性。 电力系统调度需要实时进行，而交直流潮流计算的准确性和计算速度直接影响到调度的实时性。因此，高效准确的交直流潮流计算方法对于电力系统调度具有重要意义。研究意义： 通过研究交直流潮流计算方法，可以为电力系统调度提供准确的潮流分布数据，从而实现电力系统运行的优化。 交直流潮流计算可以帮助分析和评估电力系统在各种工况下的运行状态，为电力系统的安全运行提供决策支持。 研究交直流潮流计算有助于推动交直流混合输电技术的发展，为解决电力系统中的能源输送问题提供新思路。 总之，研究电力系统交直流潮流计算对于优化电力系统运行、提高电力系统安全性以及推动交直流混合输电技术的发展具有重要的理论和实践价值。
2. 课题关键问题和重难点
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在交直流混合输电系统中，交流和直流系统是相互耦合的。为了准确计算潮流分布，需要建立一个合适的数学模型，充分考虑交流和直流系统之间的相互作用。如何建立简洁、高效且易于求解的交直流耦合模型是一个关键难点。
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交直流潮流计算涉及到非线性方程组的求解。传统的牛顿拉夫逊法等迭代方法在一定程度上可以解决问题，但在某些特殊情况下可能会遇到收敛困难。因此，研究更为稳定、鲁棒的非线性方程求解方法以提高计算效率和稳定性是一个重要问题。
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随着可再生能源的迅速发展，相应地带来了将具有波动性且地理、电气距离较远的可再生能源并入主体电网的问题。目前，直流系统较交流系统在输电经济性、稳定性方面的优势日益凸显，其中，又以基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）优势最为显著。因此，越来越多的可再生能源借助VSC-HVDC接入到主体交流电网中，随后又发展出了具有更高灵活性与系统可靠性的多端VSC-HVDC系统（VSC-MTDC）[1] 。研究交直流混联电网的概率潮流对于电网的运行、控制均有帮助，且具备实用价值。此综述从解决可再生能源的不确定性与相关性、交直流混联电网的潮流计算出发，力图寻找有助于设计AC/VSC-MTDC混联概率潮流计算软件的方法。
VSC换流器是随着电力电子技术的发展而产生的，与传统换流器在物理模型和工作原理上均有本质区别，VSC换流器采用全控型开关器件，可以避免原有换流器依赖交流电网运行、无法提供无功支撑、产生谐波较大的缺点，能够分别控制有功、无功功率[2] 。其控制方式主要有四种：（1）定直流电压、交流无功功率控制；（2）定直流电压、交流母线电压控制；（3）定交流有功功率、交流无功功率控制；（4）定交流有功功率、交流母线电压控制[3] 。考虑到系统往往有风电场接入，而风电场的有功功率输出是随风速的随机变化而迅速变化的，因此文献[4]提出的双模控制也时常被应用于风电场侧的VSC换流器，这种控制方式可使VSC通过有功功率调节适应风电出力变化，保持交流侧母线电压恒定。
对于交直流混联系统而言，由于系统中含有了直流输电系统，较传统的纯交流潮流计算增加了描述直流系统的方程式。每个VSC换流器的待求变量包括两个运行变量（电流、电压）和两个控制变量（相位角差和脉宽调制度），可由直流系统的四个方程式求得[5] 。
目前交直流混联系统的潮流计算往往在已相当成熟的牛顿拉夫逊法、P-Q解耦法基础上形成，主要分为统一迭代法和交替迭代法两类[6] 。统一迭代法是以极坐标下的牛顿拉夫逊法为基础，将交流系统的状态变量与直流系统的状态变量和控制变量统一建立模型，生成统一雅克比矩阵进行迭代求解。这种方法的缺点是会使雅克比矩阵阶数增加，求解难度上升。交替迭代法是将交流系统与直流系统分开建模求解，在求解交流系统方程时，将直流系统用接在相应节点上的已知有功和无功功率的负荷来等值；在求解直流系统方程时，将交流系统模拟成加在换流器交流母线上的一个恒定电压。这种做法可使交、直流系统解耦，易于求解，也是大规模电网普遍采用的求解方法[7] 。由于可再生能源的概率特性，确定性的交直流混联系统潮流计算已无法满足，由此引入了概率潮流问题。概率潮流计算通常有三种解决方法：蒙特卡洛模拟法、解析法和近似法[8] 。蒙特卡洛模拟法是最为传统的算法，基于简单随机采样，每次模拟过程使用确定性潮流进行计算，操作简便易于实现，且计算结果具有较高精度，常作为比较不同方法时的参考标准。但其缺点也较为明显，即需要较大规模的抽样，只有经过大量的抽样与模拟才能得到可接受的计算精度，这导致其计算速度与效率较低。解析法相较蒙特卡洛模拟法来说计算速度大为提高，但由于其在输入变量相关性方面缺失的固有缺陷，导致计算结果精度无法保证。
经阅读文献发现，近似法可以兼顾概率潮流计算的准确性和速度，其中有一种较新且效果杰出的代表——无迹变换技术（UT）[9] 。UT法是由英国学者Julier于2000年首次提出的，主要用于解决非线性估计问题[10]，目前已在自动控制、导航、跟踪、制导和故障检测、序列分析、虚拟现实、人工智能等领域有了相应的应用[11]，未来还将应用于解决更多工程问题，因此将其运用于电力系统分析是切实可行的。该方法通过提取输入变量中较能代表其概率特性的少数几点，使这组点能够表征输入变量的重要概率信息（如均值与协方差），再对这组采样点进行确定性潮流计算，即可得到能够表征输出变量概率特性的计算结果[12]。
UT法的关键在于采样策略，不同的采样策略，其采样点的获取方式不同，从而得到的采样点的位置和所占权重不同，因此根据不同采样点得到的概率统计量的值和计算效率均有所差别，所以如何准确确定Sigma样本点的个数、位置和权重信息是使用UT法的重点[13]。UT法处理潮流问题的优势在于计算精度高，且效率高、耗时短，还可处理输入随机变量间的相关性问题[14]。
目前为止，少见有将以上各方面问题综合考虑的文献。参考结合以上理论，研究出能够将符合任意概率密度函数分布的可再生能源经VSC-MTDC系统接入交流电网的概率潮流计算程序[15]，且保证较高的计算效率，是本次毕业设计的目标。
参考文献：
[1] 杜萍静. 交直流系统快速潮流算法研究[D]. 济南：山东大学，2020.
[2] Gomez-Exposito, A., Conejo, A. J., amp; Canizares, C. (2016). Electric energy systems: analysis and operation. Boca Raton, FL: CRC Press.
[3] 姜涛，张勇，李雪，等. 电力系统交直流潮流的全纯嵌入计算[J]. 电工技术学报，2021，36（21）：4429-4443 4481.
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[5] Huang, S., amp; Guo, Q. (2014). A fast decoupled power flow method for integrated AC/DC power systems. IEEE Transactions on Power Systems, 29(1), 60-68.
[6] 李乾坤. 含VSC-HVDC的交直流系统改进潮流算法[D]. 焦作：河南理工大学，2020.
[7] Abur, A., amp; Gmez Expsito, A. (2004). Power system state estimation: theory and implementation. New York, NY: Marcel Dekker.
[8] 王宗. 含分布式电源的交直流混合配电网潮流算法研究[D]. 锦州：辽宁工业大学，2020.
[9] 汪涌泉，毕征程，杨军，等. 交直流混合配电网稳态建模与潮流计算方法[J]. 电子质量，2020，（02）：1-5.
[10] Hang Yin，Qiang Li，Youbo Liu，et al. Power flow calculation for a distribution system with multi-port PETs:an improved AC-DC decoupling iterative method[J]. Global Energy Interconnection. 2020,3(04)：313-323.
[11] Jia Cao，Zheng Yan，Xiaoyuan Xu，et al. Optimal power flow calculation in AC/DC hybrid power system based on adaptive simplified human learning optimization algorithm[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2016,4(04)：690-701.
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4. 研究方案
设计一套电力系统交直流潮流计算方案需要考虑以下几个方面：交直流耦合建模、非线性方程求解方法、计算方法优化与加速、可再生能源的潮流计算等。以下是一个电力系统交直流潮流计算方案的设计及论证：交直流耦合建模：在交直流混合输电系统中，选择一种合适的交直流耦合模型是至关重要的。本方案采用节点伏安法进行建模，将交流系统和直流系统统一为一个节点电压方程组。为了提高计算准确性，本方案还引入了变压器和直流侧阻抗等详细模型。论证：节点伏安法可以充分考虑交流与直流系统间的相互作用，且易于实现。引入更精细的模型有助于提高计算结果的准确性，符合电力系统分析和调度的需求。非线性方程求解方法：本方案采用改进的牛顿拉夫逊法求解非线性方程组。通过引入局部线性化技术，提高牛顿拉夫逊法在特殊情况下的收敛性。论证：改进的牛顿拉夫逊法在保持原始方法计算速度的基础上，通过局部线性化技术提高了收敛性，使得潮流计算更加稳定可靠。计算方法优化与加速：为了提高潮流计算的效率和实时性，本方案采用预条件技术和并行计算方法进行优化。通过预处理技术降低非线性方程组的条件数，同时利用并行计算技术加速计算过程。论证：预条件技术和并行计算方法在一定程度上提高了潮流计算的效率和实时性，有助于满足电力系统调度的实时需求。可再生能源的潮流计算：由于可再生能源的不确定性和波动性，本方案采用蒙特卡洛模拟法对可再生能源进行概率建模，并将模拟结果纳入潮流计算中。论证：蒙特卡洛模拟法能够有效地处理可再生能源的不确定性和波动性，提高潮流计算结果的准确性和可靠性。
5. 工作计划
第一周 阅读文献
第二周 翻译外文文献
第三周 撰写开题报告
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