发明内容
本发明的目的在于,提供一套能够反映电气基本特征和系统运行动态特征的交直流耦合度评估指标,包括交直流并/混联系统静态耦合度和动态耦合度指标两方面内容,该评估指标的定义能够直接、综合反映交直流并/混联系统相互影响本质特征,应用方法的提出能够指导交直流并/混联系统安全稳定控制研究与工程实施。
本发明的一种判断交直流并/混联系统相互影响的耦合度评估方法,包括以下步骤:
(1)根据交直流并/混联系统电气特征及相关定义,确定构成该系统的各组成部分,包括:直流系统、并联交流线路或断面、中间联络电网或交流支撑电网、送端交流系统和受端交流系统,根据并联交流线路之间的电气关系,交直流并/混联系统存在以下三种连接形式:
形式一:多条并联交流线路中间某处不存在中间联络电网或交流支撑电网,各并联交流线路相互独立,由直流系统和多条并联交流线路并联连接在送端交流系统和受端交流系统之间构成交直流并联系统;
形式二:多条并联交流线路中间某处存在一个联系各并联交流线路的小规模的中间联络电网,且中间联络电网的入口端口数与出口端口数相同,由直流系统、多条并联交流线路和中间联络电网连接在送端交流系统和受端交流系统之间构成交直流并/混联系统;
形式三:多条并联交流线路中间某处接入一个规模较大的交流支撑电网,由直流系统、多条并联交流线路和交流支撑电网连接在送端交流系统和受端交流系统之间构成交直流并/混联系统,交流支撑电网具有较大容量的装机和负荷,系统转动惯量大,并联交流线路被交流支撑电网分割为前后两部分;
(2)确定直流送端换流站与并联交流线路在受端落点间的联系阻抗
若交直流并/混联系统符合形式一所述特征,则第i回直流系统的直流送端换流站与第k条并联交流线路之间的联系阻抗Zik为该换流站与该并联交流线路起始点之间等值互阻抗Zi以及该并联交流线路阻抗Zk之和,其中i,k为自然数,即有:
Zik=Zi+Zk
若交直流并/混联系统符合形式二所述特征,则第i回直流系统的直流送端换流站与第k条并联交流线路之间的联系阻抗Zik为该换流站与该并联交流线路起始点之间等值互阻抗Zi、该并联交流线路起始点到中间联络电网入口端之间的阻抗Zk1、以及从中间联络电网的入口端到直流逆变侧的并联交流线路尾端之间的等效并联交流线路阻抗Zk2三者之和,即有:
Zik=Zi+Zk1+Zk2
若交直流并/混联系统符合形式三所述特征,由于交流支撑电网转动惯量很大,从而可以认为并联交流线路被交流支撑电网割裂为前后两部分,一部分为连接送端交流系统与交流支撑电网的并联交流线路,另一部分为连接交流支撑电网与受端交流系统的并联交流线路,因而第i回直流系统的直流送端换流站与第k条并联交流线路之间的联系阻抗Zik为该换流站与该并联交流线路起始点之间等值互阻抗Zi、该并联交流线路起始点到交流支撑电网入口端之间的阻抗Zk1二者之和,即有:
Zik=Zi+Zk1
直流系统换流母线与并联交流线路起始点距离很近,即直流送端换流站与并联交流线路起始点之间的等值互阻抗Zi远小于并联交流线路阻抗,可以忽略此等值互阻抗Zi,前述三种形式对应的联系阻抗表达式可以简写为:
(3)计算直流系统与并联交流线路或断面的静态耦合度指标
由于构成交直流并/混联电网的直流系统可能不唯一,即电网出现多回直流系统呈并联状态接入送、受端交流电网的情况时,可根据交直流并/混联系统电气关系,明确不同直流系统与不同并联交流线路之间电气关系的差异,定义第i回直流系统与第k条并联交流线路之间静态耦合度指标λik为:
定义第i回直流系统与由并联的所有并联交流线路构成的并联交流断面之间静态耦合度指标ρi为:
式中,n为组成并联交流断面的并联交流线路个数;
(4)计算直流系统与并联交流线路或断面的动态耦合度指标
直流系统与并联交流线路或断面的动态耦合度指标包含四个系数指标:直流系统与并联交流线路的暂态潮流冲击耦合系数指标,用“LD”表示;直流系统与并联交流线路的稳态潮流转移耦合系数指标,用“LS”表示;直流系统与并联交流断面的暂态潮流冲击耦合系数指标,用“SD”表示;直流系统与并联交流断面的稳态潮流转移耦合系数指标,用“SS”表示,
具体表示形式为:
式中,LDik为第i回直流系统与第k条并联交流线路之间的暂态潮流冲击耦合系数,计算结果相对较大的表示第k条并联交流线路与第i回直流系统之间在暂态耦合程度较为紧密,即该并联交流线路在暂态过程中承担较多的直流功率变化冲击;LSik为第i回直流系统与第k条并联交流线路之间的稳态潮流转移耦合系数,计算结果相对较大的表示第k条交流线路与第i回直流系统之间在系统进入稳态过程后耦合程度较为紧密,即该并联交流线路在系统进入新的稳定状态后承担较多的直流功率变化转移;SDi为第i回直流系统与并联交流断面之间的暂态潮流冲击耦合系数,计算结果较大的表示该直流系统与并联交流断面之间的暂态耦合程度较为紧密;SSi为第i回直流与并联交流断面之间的稳态潮流转移耦合系数,计算结果相对较大的表示该直流系统与交流断面路之间在系统进入稳态过程后耦合程度较为紧密;其中,ΔPdi为第i回直流系统输电功率阶越变化幅度;ΔPd ack为暂态过程中第k条并联交流线路有功功率最大波动幅值,用于表征第k条并联交流线路受直流功率波动冲击的严重程度;ΔPs ack为交直流并/混联系统进入稳态过程后,第k条并联交流线路有功功率稳态变化幅值,用于表征第k条并联交流线路分担直流功率变化量的大小;
(5)根据直流系统与并联交流线路或断面的静态耦合度指标和动态耦合度指标的计算结果,综合评估各并联交流线路或断面与各直流系统之间的相对耦合紧密程度。
1、交直流并/混联系统静态耦合度定义及计算方法
交直流并/混联系统静态耦合度的定义与提出主要依据不随电网运行方式改变而出现较大变化的交直流并/混联系统基本电气关系。对于大型电力系统,本发明提出将交直流并/混联系统进行电网静态等值化简,求解获得直流系统整流站或逆变站接入点与并联交流线路或断面之间的电气关系。
交直流并/混联系统静态耦合度评价指标主要依据是:大区域互联电网电气结构是决定系统静态和动态基本特征的主要因素。在此基础上,通过计算直流系统与被关注交流线路之间的电气关系,进而明确交直流并/混联系统之间的耦合关系。区域电网交直流并列外送或受电系统中,直流换流站与交流联络线区域外侧落点间的电气距离主要取决于电网的拓扑结构,即换流站与各交流联络线外侧落点间的联系阻抗。联系阻抗可反映直流线路与交流联络线间的静态耦合程度。
(1)直流与交流线路之间的静态耦合度定义及计算方法
在交直流并/混联输电系统中,直流与交流联络线间耦合程度的联系阻抗大小直接影响交直流并/混联系统基本特征,联系阻抗越小,交直流送电通道间耦合程度越紧密;联系阻抗越大,则为二者耦合程度越低。因此定义直流线路i与某一并联交流联络线k之间耦合程度的指标λik如下式所示。
式(1)中Zik为第i条直流换流站与第k条交流线路远端母线间的等值互阻抗。
根据交直流并/混联系统电气特征及相关定义,确定构成该系统各组成部分,包括:直流系统、并联交流线路或断面、中间联络电网或支撑电网、送端交流系统、受端交流系统等。根据电气关系,交直流并/混联系统一般存在三种连接形式:形式一为多条并联交流线路中间某处不存在联络线或支撑电网,各并联交流线路相互独立;形式二为多条并联交流线路中间某处存在一个联系各交流线路的小规模电网,且该小型网络的入口端口数与出口端口数相同;形式三为多条并联交流线路中间某处接入一个规模较大的交流支撑电网,该支撑电网具有较大容量的装机和负荷,系统转动惯量大,并联交流线路被支撑电网分割为前后两部分。
若交直流并/混联系统符合形式一所述特征,如附图1(a)所示,则换流站与第i条并联交流线路之间的联系阻抗Zik为直流换流站与并联交流线路起始Sk点之间等值互阻抗Zi以及并联交流线路Sk与Rk点之间阻抗Zk之和,即有:
Zik=Zi+Zk (2)
若交直流并/混联系统符合形式二所述特征,如附图1(b)所示,则直流换流站与第i条并联交流线路之间的联系阻抗Zik为直流换流站与并联交流线路起始Sk点之间等值互阻抗Zi、并联交流线路起始Sk点到联络电网入口端Mk点之间的阻抗Zk1、以及从联络电网Mk点到直流逆变侧并联交流线路尾端Rk点之间的等效并联交流线路阻抗Zk2三者之和,即有:
Zik=Zi+Zk1+Zk2 (3)
若交直流并/混联系统符合形式三所述特征,如附图1(c)所示,由于该支撑电网转动惯量很大,因此可以认为并联交流线路被系统割裂为两部分,一部分为连接送端系统与中间支撑电网的并联交流线路,另一部分为中间支撑电网与受端系统的并联交流线路,因而直流换流站与第i条并联交流线路之间的联系阻抗Zik为直流换流站与并联交流线路起始Sk点之间等值互阻抗Zi、并联交流线路起始Sk点到交流支撑电网入口端Mk点之间的阻抗Zk1二者之和,即有:
Zik=Zi+Zk1 (4)
一般的,直流系统换流母线与并联交流线路起点距离很近,即直流换流站与并联交流线路起点之间的等值互阻抗远小于并联交流线路阻抗,可以忽略直流换流站与并联交流线路起点之间互阻抗。前述三种形式对应的联系阻抗表达式(2)~(4)可以简写为:
(2)直流与交流断面之间的静态耦合度定义及计算方法
由于构成交直流并/混联电网的直流系统不一定唯一,当电网出现多回直流系统呈并联状态接入送受端电网的情况时,需要明确不同直流系统与并联交流线路之间关系的差异,因此定义直流与交流断面静态耦合度指标来评估,如式(6)所示。
式(6)中,ρi为第i条直流与交流断面静态耦合系数,n为并联交流断面中交流线路数。
(3)静态耦合度指标的应用场合
直流与交流线路之间的静态耦合度λ用于分析某一条直流与任一并联交流线路之间的关系,以此可以确定该直流与该交流通道联系的紧密程度。直流与交流断面之间的静态耦合度ρ主要用于多回直流与多回交流线路并联形成的交直流并/混联系统中,该指标能够评估某条直流系统与多条并联交流线路构成的断面之间的整体关系。直流与交流线路之间的静态耦合度λ适用性相对广泛,既可以应用于只含一回直流输电系统的交直流并/混联系统,也可以应用于含有多回直流输电系统的交直流并/混联系统。从耦合系数λ和ρ定义式可以看出,该指标实质是评价换流站与并联交流线路或断面落点间电气距离的量化指标。
2、交直流并/混联系统动态耦合度定义及计算方法
在交直流并/混联系统中,交流通道与直流系统的送受电方向通常一致,此时交直流并/混联系统相互作用与影响最大。由于电力系统运行方式具有多样性的特征,因而交直流并/混联系统送电功率水平因运行方式的不同存在较大差异。由负荷水平和发电机开机出力等因素决定的运行方式的变化,将在一定程度上影响交直流并/混联系统之间相互的作用关系,而运行方式的变化具有很大的不确定性,因此在不同运行方式具有各自的特性。在定义交直流并/混联系统静态耦合度评价交直流并/混联系统一般性特征基础上,为合理评价动态过程中交直流并/混联系统的相互影响,本发明进一步提出交直流并/混联系统动态耦合度,包括四个具体系数指标:
■直流与交流线路的暂态潮流冲击耦合系数指标,用“LD”表示。
■直流与交流线路的稳态潮流转移耦合系数指标,用“LS”表示。
■直流与交流断面的暂态潮流冲击耦合系数指标,用“SD”表示。
■直流与交流断面的稳态潮流转移耦合系数指标,用“SS”表示。
(1)直流与交流线路之间的动态耦合度定义及计算方法
为正确评价直流功率扰动后交流系统响应特征,合理评估交直流动态耦合程度,取直流功率扰动幅值为规格化因子,定义交直流动态耦合度评价指标如式(7)所示。
其中,LDik为第i回直流系统与第k条交流线路之间的暂态潮流冲击耦合系数,计算结果较大的表示该交流线路与直流系统之间在暂态耦合程度较为紧密,即该线路在暂态过程中承担较多的直流功率变化冲击;LSik为第i回直流与第k条交流线路之间的稳态潮流转移耦合系数,计算结果较大的表示该交流线路与直流系统之间在系统进入稳态过程后耦合程度较为紧密,即该线路在系统进入新的稳定状态后承担较多的直流功率变化冲击。式中ΔPdi、ΔPd ack、ΔPs ack定义可参见附图2和附图说明定义。
(2)直流与交流断面之间的动态耦合度定义及计算方法
在直流与交流线路之间的动态耦合度定义基础上,为进一步区分多直流条件下的交直流并/混联系统中不同直流系统与交流系统相互影响的差异,定义了第i回直流系统与并联交流断面之间的动态耦合度。评价指标如式(8)所示。
式(8)中,SDi为第i回直流系统与并联交流断面之间的暂态潮流冲击耦合系数,计算结果较大的表示该直流系统与并联交流断面之间的暂态耦合程度较为紧密;SSi为第i回直流与并联交流断面之间的稳态潮流转移耦合系数,计算结果较大的表示该直流系统与交流断面路之间在系统进入稳态过程后耦合程度较为紧密。
(3)动态耦合度指标的应用场合及区别
对于一般的多直流条件下的交直流并/混联系统来说,不同直流系统对应的SS指标区别较小,这是由于直流系统输电功率变化基本都会转移至与之并联的交流断面上。而前文描述的LS指标则用于反映某一直流输电系统与任一并联交流线路之间的关系,因此对于不同交流线路的LSik结果差异较大,因而可以与前文所述的直流与交流线路之间的静态耦合度λ指标相结合使用。
3、交直流耦合度综合评估方法
需要指出的是,利用交直流静态耦合度指标评价交直流送电线路间耦合程度时,阻抗大小与耦合程度之间并非具有数值上的一一对应关系,而应针对实际系统,根据各回直流耦合系数的相对大小,综合评价耦合程度。
具体流程如附图3所示。具体说明如下:
(1)在交直流电网中,根据电气联系和交直流并/混联系统相关定义,确定系统是否存在该种电气连接形式,并进一步明确构成该系统的直流系统、并联交流线路与断面。
(2)进一步根据并联交流线路构成情况,判断系统并联交流线路中间某处是否存在中间联络电网或支撑电网,区分交直流并/混联系统连接形式,以此确定选择交直流静态耦合度计算方法的依据。
(3)保留相关节点,对交直流电网进行静态等值,获得直流系统与并联交流线路或断面的互阻抗;计算直流系统与并联交流线路或断面的静态耦合度指标。
(4)改变直流输电功率ΔPdi,测量并联线路或断面的潮流波动过程中ΔPd ack、ΔPs ack参数;计算交直流动态耦合度指标。
(5)根据并联交流线路或断面的静态耦合度指标和动态耦合度指标计算结果,综合评估各并联交流线路、断面与各直流系统之间的耦合关系,为交直流并/混联电网安全稳定运行与控制提供有力的依据。
本发明的优点:
本发明提供了一套能够反映电气基本特征和系统运行动态特征的交直流耦合度评估指标,包括交直流并/混联系统静态耦合度和动态耦合度指标两方面内容。本发明适用于对含有多回直流的复杂大区域交直流混联系统或网架结构相对简单的交直流并联系统中交流系统与直流系统相互作用关系及安全稳定评估,可用于交直流电网规划和运行控制,为交直流协调控制或多回直流系统协调控制信号选取提供直接的依据。解决了现有研究方法在交直流并/混联输电系统安全稳定分析及控制等方面的应用存在分析目标不明确、控制对象选择困难的关键技术问题。