CN102593856B - 一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，属于电力系统规划与运行领域。针对火电构成的送端孤岛直流送电系统，基于机组作用系数法，提出了一种利用短路比评估次同步振荡问题的等效方法。所述评估方法可以为直流孤岛送电系统规划设计和安全运行提供评估指标和技术依据，方法简单、可靠直观，实用性强。

Description

一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法

技术领域

本发明属于电力系统规划与运行领域，具体涉及一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法。

背景技术

在大容量、远距离输电方面，超/特高压直流输电比交流输电方式更具优势，直流输电系统能够高度灵活地控制输电功率，线路损耗更小，所以利用直流输电技术解决大规模电力远距离外送具有广阔的前景。由于许多电源基地处于偏远地区，若干个巨型电站通过交流线路与直流换流站联结构成送端系统，与大容量的交流主网连接薄弱，甚至无电气连接，就形成了直流孤岛送电的输电方式。

工程运行经验和理论分析表明，直流系统附近存在汽轮发电机组供给时，易引发次同步振荡问题，特别当直流系统与附近的汽轮发电机组具有相近的额定容量、距离较近时，情况就比较严重。对于直流孤岛送电系统，当送端电源主要由火电机组构成时，次同步振荡问题突出，是影响孤岛系统运行的重要问题；为抑制直流孤岛送电系统次同步振荡发生，孤岛送电系统通常在设计上选取具有不同轴系参数的发电机，使发电机具有不同的固有扭振频率。IEC60919-3标准推荐采用定量机组作用系数(UIF)法对交直流系统次同步振荡问题进行初步筛选，如下所示：

$\mathrm{UIF}=\frac{P_d}{S_G\left(i\right)}{(1-\frac{S_{\mathrm{SC}}\left(i\right)}{S_{\mathrm{SC}}})}^2$

式中，S_G(i)为第i台发电机额定容量，S_SC(i)为不包括第i台发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量，S_SC为包含所有发电机时的直流整流侧换流母线三相短路容量，P_d为直流系统输电功率。

在交直流系统理论研究和工程应用中，通常采用短路比(SCR)的概念来评估交流系统与直流系统之间的相对强弱关系，直流系统短路比定义为：

$\mathrm{SCR}=\frac{S_{\mathrm{SC}}}{P_d}$

式中，S_SC为直流换流母线处的系统三相短路容量，P_d为直流系统输电功率。

发明内容

为了实现上述发明目的，本发明提供一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，为直流孤岛送电系统规划设计与安全运行提供依据。

本发明提供如下技术方案：

一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，所述评估方法包括以下步骤：

(1)确定直流孤岛送电系统中不含第i台发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC(i)与包含所有发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC之间的比值方程式；

(2)确定所述包含所有发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC和直流孤岛送电系统的短路比SCR之间的方程式；

(3)计算不含第i台发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC(i)；

(4)确定短路比限制方程，求解直流孤岛送电系统发生次同步振荡的临界短路比SCR_critical；

(5)计算所述短路比SCR；

(6)比较所述SCR与SCR_critical，判断直流孤岛送电系统发生次同步振荡的风险程度。

所述步骤(1)中，根据机组作用系数(UIF)法判据，即UIF≤0.1，可得：

$\frac{S_{\mathrm{SC}}\left(i\right)}{S_{\mathrm{SC}}}\≥1-\sqrt{\frac{S_G\left(i\right)}{10P_d}}[---\left(1\right)$

式(1)中，S_G(i)为第i台发电机的额定容量，P_d为直流系统输电功率。

在所述步骤(2)中，根据短路比定义，可得采用所述短路比SCR和直流系统输电功率P_d描述的S_SC的方程式，即

S_SC＝SCR*P_d  (2)

在所述步骤(3)中，所述S_SC(i)表示为：

$S_{\mathrm{SC}}\left(i\right)=\frac{U_1^2}{(\frac{x_L}{m}+\frac{x_T+x_d^{\′\′}}{n-1})*\frac{U_B^2}{S_B}}---\left(3\right)$

式(3)中，U₁为直流整流侧换流母线电压，U_B为交直流系统基准电压；x_L为系统基准容量下的交流线路等值电抗标么值；x_T为系统基准容量下的升压变压器等值电抗标么值；x″_d为系统基准容量下的发电机直轴次暂态电抗标么值；m为并联线路回路数；n为发电机和变压器台数；S_B为系统基准容量。

所述系统基准容量下的升压变压器等值电抗标么值 $x_T=\frac{X_T{S}_B}{S_T}---\left(4\right)$

系统基准容量下的交流线路等值电抗标么值x_L＝LX_L    (5)

系统基准容量下的发电机直轴次暂态电抗标么值 $x_d^{\′\′}=\frac{X_d^{\′\′}{S}_B}{S_G}---\left(6\right)$

式(4)中，X_T为升压变压器额定容量下的升压变压器等值电抗标么值；S_T为单台升压变压器容量；式(5)中，X_L为系统基准容量下的单位长度线路电抗标么值；L为线路长度；式(6)中，X″_d为发电机额定容量下的直轴次暂态电抗标么值；S_G为单台发电机额定容量。

所述步骤(4)中，根据公式(1)-(6)得到短路比限制方程如下：

$\mathrm{SCR}\≤\frac{U_1^2{S}_B}{U_B^2{P}_d(\frac{{\mathrm{LX}}_L}{m}+\frac{\frac{X_T{S}_B}{S_T}+\frac{X_d^{\′\′}{S}_B}{S_G}}{n-1})(1-\sqrt{\frac{S_G\left(i\right)}{10P_d}})}---\left(7\right)$

定义直流孤岛送电系统发生次同步振荡的临界短路比SCR_critical，即：

${\mathrm{SCR}}_{\mathrm{critical}}=\frac{U_1^2{S}_B}{U_B^2{P}_d(\frac{{\mathrm{LX}}_L}{m}+\frac{\frac{X_T{S}_B}{S_T}+\frac{X_d^{\′\′}{S}_B}{S_G}}{n-1})(1-\sqrt{\frac{S_G\left(i\right)}{10P_d}})}---\left(8\right)$

所述步骤(5)中，利用PSD-SCCPC或BPA或PSASP程序计算直流孤岛送电系统的短路比SCR。

所述步骤(6)中，比较SCR与SCR_critical大小，判断直流孤岛送电系统发生次同步振荡的风险程度；

若SCR＞SCR_critical，则所述直流孤岛送电系统发生次同步振荡风险较大；

若SCR＜SCR_critical，则所述直流孤岛送电系统发生次同步振荡风险较小。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：所述评估方法针对火电构成的送端孤岛通过直流送电系统，基于机组作用系数法，提出了一种利用短路比评估次同步振荡问题的等效方法。所述评估方法可以为直流孤岛送电系统规划设计和安全运行提供评估指标和技术依据。

附图说明

图1是本发明实施例的评估方法流程图。

图2是本发明实施例的直流孤岛送电系统示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1，一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，所述评估方法包括以下步骤：

(1)确定直流孤岛送电系统中不含第i台发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC(i)与包含所有发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC之间的比值方程式；

(2)确定所述包含所有发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC和直流孤岛送电系统的短路比SCR之间的方程式；

(3)计算不含第i台发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC(i)；

(4)确定短路比限制方程，求解直流孤岛送电系统发生次同步振荡的临界短路比SCR_critical；

(5)计算所述短路比SCR；

(6)比较所述SCR与SCR_critical，判断直流孤岛送电系统发生次同步振荡的风险程度。

所述步骤(1)中，根据机组作用系数(UIF)法判据，即UIF≤0.1，可得：

$\frac{S_{\mathrm{SC}}\left(i\right)}{S_{\mathrm{SC}}}\≥1-\sqrt{\frac{S_G\left(i\right)}{10P_d}}[---\left(1\right)$

式(1)中，S_G(i)为第i台发电机的额定容量，P_d为直流系统输电功率。

在所述步骤(2)中，根据短路比定义，可得采用所述短路比SCR和直流系统输电功率P_d描述的S_SC的方程式，即

S_SC＝SCR*P_d  (2)

在所述步骤(3)中，所述S_SC(i)表示为：

$S_{\mathrm{SC}}\left(i\right)=\frac{U_1^2}{(\frac{x_L}{m}+\frac{x_T+x_d^{\′\′}}{n-1})*\frac{U_B^2}{S_B}}---\left(3\right)$

式(3)中，U₁为直流整流侧换流母线电压，U_B为交直流系统基准电压；x_L为系统基准容量下的交流线路等值电抗标么值；x_T为系统基准容量下的升压变压器等值电抗标么值；x″_d为系统基准容量下的发电机直轴次暂态电抗标么值；m为并联线路回路数；n为发电机和变压器台数；S_B为系统基准容量。

所述系统基准容量下的升压变压器等值电抗标么值 $x_T=\frac{X_T{S}_B}{S_T}---\left(4\right)$

系统基准容量下的交流线路等值电抗标么值x_L＝LX_L    (5)

系统基准容量下的发电机直轴次暂态电抗标么值 $x_d^{\′\′}=\frac{X_d^{\′\′}{S}_B}{S_G}---\left(6\right)$

式(4)中，X_T为升压变压器额定容量下的升压变压器等值电抗标么值；S_T为单台升压变压器容量；式(5)中，X_L为系统基准容量下的单位长度线路电抗标么值；L为线路长度；式(6)中，X″_d为发电机额定容量下的直轴次暂态电抗标么值；S_G为单台发电机额定容量。

所述步骤(4)中，根据公式(1)-(6)得到短路比限制方程如下：

$\mathrm{SCR}\≤\frac{U_1^2{S}_B}{U_B^2{P}_d(\frac{{\mathrm{LX}}_L}{m}+\frac{\frac{X_T{S}_B}{S_T}+\frac{X_d^{\′\′}{S}_B}{S_G}}{n-1})(1-\sqrt{\frac{S_G\left(i\right)}{10P_d}})}---\left(7\right)$

定义直流孤岛送电系统发生次同步振荡的临界短路比SCR_critical，即：

${\mathrm{SCR}}_{\mathrm{critical}}=\frac{U_1^2{S}_B}{U_B^2{P}_d(\frac{{\mathrm{LX}}_L}{m}+\frac{\frac{X_T{S}_B}{S_T}+\frac{X_d^{\′\′}{S}_B}{S_G}}{n-1})(1-\sqrt{\frac{S_G\left(i\right)}{10P_d}})}---\left(8\right)$

所述步骤(5)中，利用PSD-SCCPC或BPA或PSASP程序(电网技术，第35卷第8期，2011年8月，负荷模型对电力系统短路电流计算的影响，刘楠、唐晓骏、马世英、吴丽华、胡玉生、姚淑玲、田华；电力系统自动化，第35卷第14期，2011年7月25日，姚淑玲、田华，基于BPA和PSASP程序的短路电流计算比对)计算直流孤岛送电系统的短路比SCR。

所述步骤(6)中，比较SCR与SCR_critical大小，判断直流孤岛送电系统发生次同步振荡的风险程度；

若SCR＞SCR_critical，则所述直流孤岛送电系统发生次同步振荡风险较大；

若SCR＜SCR_critical，则所述直流孤岛送电系统发生次同步振荡风险较小。

如图2所示为直流孤岛送电系统，以此为对象量化说明直流孤岛送电系统对交流线路的要求，表1给出了直流孤岛送电系统的参数。

表1直流孤岛送电系统的参数

根据表1所示参数可计算出：SCR_critical＝2.6。

利用基于BPA、PSD-SCCPC和PSASP程序的电力系统短路比计算方法对图1所示直流孤岛送电系统全开机方式进行计算，可得交直流系统短路比SCR＝2.63。

比较可知：SCR＞SCR_critical。

因此可判定直流孤岛送电系统存在较大的次同步振荡风险。

示例给出了利用本发明所提方法对直流孤岛送电系统进行次同步振荡风险评估的过程。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于：所述评估方法包括以下步骤： 

（1）确定直流孤岛送电系统中不含第i台发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC(i)与包含所有发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC之间的比值方程式； 

（2）确定所述包含所有发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC和直流孤岛送电系统的短路比SCR之间的方程式； 

（3）计算不含第i台发电机贡献时的直流整流侧换流母线三相短路容量S_SC(i)； 

（4）确定短路比限制方程，求解直流孤岛送电系统发生次同步振荡的临界短路比SCR_critical； 

（5）计算所述短路比SCR； 

（6）比较所述SCR与SCR_critical，判断直流孤岛送电系统发生次同步振荡的风险程度。 

2.根据权利要求1所述的基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于：所述步骤（1）中，根据机组作用系数法判据，即机组作用系数≤0.1，可得： 

式（1）中，S_G(i)为第i台发电机的额定容量，P_d为直流系统输电功率。 

3.根据权利要求1所述的基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，根据短路比定义，可得采用所述短路比SCR和直流系统输电功率P_d描述的S_SC的方程式，即： 

S_SC=SCR*P_d    （2） 。

4.根据权利要求1所述的基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，所述S_SC(i)表示为： 

式（3）中，U₁为直流整流侧换流母线电压，U_B为交直流系统基准电压；x_L为系统基准容量下的交流线路等值电抗标么值；x_T为系统基准容量下的升压变压器等值电抗标么值；x''_d为系统基准容量下的发电机直轴次暂态电抗标么值；m为并联线路回路数；n为发电机和变压器台数；S_B为系统基准容量。 

5.根据权利要求4所述的基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于： 

所述系统基准容量下的升压变压器等值电抗标么值

系统基准容量下的交流线路等值电抗标么值x_L=LX_L    (5)； 

系统基准容量下的发电机直轴次暂态电抗标么值

式（4）中，X_T为升压变压器额定容量下的升压变压器等值电抗标么值；S_T为单台升压变压器容量；式（5）中，X_L为系统基准容量下的单位长度线路电抗标么值；L为线路长度；式（6）中，X''_d为发电机额定容量下的直轴次暂态电抗标么值；S_G为单台发电机额定容量。 

6.根据权利要求1所述的基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于：所述步骤（4）中，根据公式（1）-（6）得到短路比限制方程如下： 

定义直流孤岛送电系统发生次同步振荡的临界短路比SCR_critical，即： 

7.根据权利要求1所述的基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于：所述步骤（5）中，利用PSD-SCCPC或BPA或PSASP程序计算直流孤岛送电系统的短路比SCR。 

8.根据权利要求1所述的基于短路比的直流孤岛送电系统次同步振荡评估方法，其特征在于：所述步骤（6）中，比较SCR与SCR_critical大小，判断直流孤岛送电系统发生次同步振荡的风险程度； 

若SCR＞SCR_critical，则所述直流孤岛送电系统发生次同步振荡风险较大； 

若SCR＜SCR_critical，则所述直流孤岛送电系统发生次同步振荡风险较小。 

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