CN104319760B - 多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统，其中，所述方法将多直流馈入受端交流系统的电压支撑能力反映为交流系统支撑多回直流输电线路有功功率同时提升的能力。通过设定多回直流输电线路电流定值提升的关联矩阵，计算直流功率提升的最大值相对额定值的裕度，形成评价含多直流馈入的交流系统电压支撑能力的定量指标。其物理概念清晰、适应性强，具有很好的推广应用前景。

Description

多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统。

背景技术

受负荷用电水平持续攀升、大容量特高压直流接入等因素影响，电网的电性问题日渐突出，并成为互联网安全稳定运行的重要威胁。举例来说，500kV及以上电压等级的跨区域输电网已经形成了交直流混合输电的格局。主要负荷中心区域直流落点不断增加，各逆变站电气距离较为接近。多回直流集中馈入的送电容量巨大。这种多直流馈入交流电网中，多个直流系统之间的强耦合性、强非线性相互影响更加显著，暂态电压稳定问题日益突出。。

现有评价含多直流馈入的交流电网电压支撑能力的主要方法是多馈入短路比指标法。但是由于该指标的值随着直流馈入回数的增加不断下降，尚没有公认的评价阈值，能否有效评估电压支撑能力还存在很多质疑，也不能提供对整个多直流馈入受端交流系统的电压支撑能力的综合评价。

有鉴于此，现有技术有待改进和提高。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统。旨在解决现有技术中多直流馈入受端交流系统的电压支撑能力的评估方法中存在的适应性较弱、没有公认的评估阈值的问题。

本发明的技术方案如下：

一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其中，所述方法依次包括以下步骤：

A、建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型，其中，直流整流侧采用定电流控制方式；

B、根据各直流逆变站换流母线间的转移阻抗计算多回直流电流定值提升的关联矩阵 $R_{n\×n}=\left[\begin{array}{c}{R}_1\\ R_2\\ .\\ .\\ .\\ R_n\end{array}\right],$ 其中，n为直流馈入回数；

C、对关联矩阵的每个行向量，计算对应于n回直流的一组电流定值提升序列值；

D、对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统i的稳态输出有功功率；

E、计算每回直流逆变站的电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估换流母线电压支撑能力；

F、计算交流电网系统的整体电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估其电压支撑能力。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其中，所述步骤B中关联矩阵的取值采用：

关联矩阵所有元素均为1；

或对每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]中的每个元素，采用以下计算公式计算元素值：

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{Z_{\mathrm{ij}}}{Z_{\mathrm{ii}}};$

其中，Z_ii和Z_ij分别为直流i的逆变站换流母线的自阻抗和直流i、j的逆变站换流母线之间的转移阻抗。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其中，所述步骤A中建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型中计算自阻抗和转移阻抗采用多端口戴维南等值的方法。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其中，所述步骤C具体包括：

对关联矩阵的每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]，可得出对应于n回直流的一组电流定值提升序列 $I_{K_i\×n}=\left[\begin{array}{cccc}{I}_1& I_2& ...& I_n\end{array}\right];$

其中，I_dNi表示第i回直流的额定电流，ΔI为电流增量步长；列向量I_j表示第j回直流的电流定值序列，其第k个元素I_jk按下式计算：

$I_{\mathrm{jk}}=\left\{\begin{array}{ccc}{I}_{j0}+k*\mathrm{\ΔI}*r_{\mathrm{ij}},& \mathrm{if}& k\≤\mathrm{Int}\left(\frac{1.5I_{\mathrm{dNj}}-I_{j0}}{\mathrm{\ΔI}\·r_{\mathrm{ij}}}\right)\\ 1.5I_{\mathrm{dNj}},& \mathrm{if}& k>\mathrm{Int}\left(\frac{1.5I_{\mathrm{dNj}}-I_{j0}}{\mathrm{\ΔI}\·r_{\mathrm{ij}}}\right)\end{array}\right..$

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其中，所述ΔI的取值为1％—5％的直流额定电流。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其中，所述步骤E中预先设定的评价阀值包括：

其中，VS_i电压支撑强度指标。

一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其中，所述系统包括：

建模单元，用于建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型，其中，直流整流侧采用定电流控制方式；

矩阵获取单元，用于根据各直流逆变站换流母线间的转移阻抗计算多回直流电流定值提升的关联矩阵 $R_{n\×n}=\left[\begin{array}{c}{R}_1\\ R_2\\ .\\ .\\ .\\ R_n\end{array}\right],$ 其中，n为直流馈入回数；

序列值获取单元，用于对关联矩阵的每个行向量，计算对应于n回直流的一组电流定值提升序列值；

功率获取单元，用于对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统i的稳态输出有功功率；

母线评价单元，用于计算每回直流逆变站的电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估换流母线电压支撑能力；

整体评价单元，用于计算交流电网系统的整体电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估其电压支撑能力。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其中，所述建模单元中建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型中计算自阻抗和转移阻抗采用多端口戴维南等值的方法。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其中，所述矩阵获取单元中关联矩阵的取值采用：

关联矩阵所有元素均为1；

或对每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]中的每个元素，采用以下计算公式计算元素值：

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{Z_{\mathrm{ij}}}{Z_{\mathrm{ii}}};$

其中，Z_ii和Z_ij分别为直流i的逆变站换流母线的自阻抗和直流i、j的逆变站换流母线之间的转移阻抗。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其中，所述母线评价单元中预先设定的评价阀值包括：

其中，VS_i电压支撑强度指标。

所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其中，所述整体评价单元中整体电压支撑强度指标

有益效果：

本发明的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统，将多直流馈入受端交流系统的电压支撑能力反映为交流系统支撑多回直流输电线路有功功率同时提升的能力。通过设定多回直流输电线路电流定值提升的关联矩阵，计算直流功率提升的最大值相对额定值的裕度，形成评价含多直流馈入的交流系统电压支撑能力的定量指标。其物理概念清晰、适应性强，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法的流程图。

图2为本发明的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法的实施例中仿真模型的示意图。

图3为本发明的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法的流程图。如图所示，所述方法依次包括以下步骤：

S1、建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型，其中，直流整流侧采用定电流控制方式；

S2、根据各直流逆变站换流母线间的转移阻抗计算多回直流电流定值提升的关联矩阵 $R_{n\×n}=\left[\begin{array}{c}{R}_1\\ R_2\\ .\\ .\\ .\\ R_n\end{array}\right],$ 其中，n为直流馈入回数；

S3、对关联矩阵的每个行向量，计算对应于n回直流的一组电流定值提升序列值；

S4、对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统i的稳态输出有功功率；

S5、计算每回直流逆变站的电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估换流母线电压支撑能力；

S6、计算交流电网系统的整体电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估其电压支撑能力。

下面分别针对上述步骤进行详细描述：

所述步骤S1为建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型，其中，直流整流侧采用定电流控制方式。具体来说，在电力系统时域仿真平台上搭建这个算例的模型，并输入系统参数，各个直流系统整流侧均采用定电流控制方式。在本实施例中，计算自阻抗和转移阻抗采用的方法是多端口戴维南等值。其为现有技术，这里就不多做赘述。

所述步骤S2为根据各直流逆变站换流母线间的转移阻抗计算多回直流电流定值提升的关联矩阵 $R_{n\×n}=\left[\begin{array}{c}{R}_1\\ R_2\\ .\\ .\\ .\\ R_n\end{array}\right],$ 其中，n为直流馈入回数。具体来说，对关联矩阵的取值推荐在以下两种方式中选取一种：

(1)比较保守的评估方式，可取关联矩阵所有元素均为1；

(2)比较乐观的评估方式，对每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]中的每个元素，可采用以下计算公式计算元素值：

其中Z_ii和Z_ij分别为直流i的逆变站换流母线的自阻抗和直流i、j的逆变站换流母线之间的转移阻抗。

所述步骤S3为对关联矩阵的每个行向量，计算对应于n回直流的一组电流定值提升序列值。在本实施例中，对关联矩阵的每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]，可得出对应于n回直流的一组电流定值提升序列 $I_{K_i\×n}=\left[\begin{array}{cccc}{I}_1& I_2& ...& I_n\end{array}\right],$ 其中 $K_i=\frac{I_{\mathrm{dNi}}}{2\mathrm{\ΔI}}+1,$ I_dNi表示第i回直流的额定电流，ΔI为电流增量步长，一般可取1％—5％的直流额定电流。列向量I_j表示第j回直流的电流定值序列，其第k个元素I_jk按下式计算：

$I_{\mathrm{jk}}=\left\{\begin{array}{ccc}{I}_{j0}+k*\mathrm{\ΔI}*r_{\mathrm{ij}},& \mathrm{if}& k\≤\mathrm{Int}\left(\frac{1.5I_{\mathrm{dNj}}-I_{j0}}{\mathrm{\ΔI}\·r_{\mathrm{ij}}}\right)\\ 1.5I_{\mathrm{dNj}},& \mathrm{if}& k>\mathrm{Int}\left(\frac{1.5I_{\mathrm{dNj}}-I_{j0}}{\mathrm{\ΔI}\·r_{\mathrm{ij}}}\right)\end{array}\right..$

所述步骤S4为对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统i的稳态输出有功功率。具体来说，对关联矩阵的每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]，以的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流输电线路i的稳态输出有功功率P_i,k,k＝1,...,K_i。

所述步骤S5为计算每回直流逆变站的电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估换流母线电压支撑能力。其中，电压支撑强度指标 ${\mathrm{VS}}_i=\frac{\mathrm{Max}(P_{i,k},k=1,...,K_i)-P_{\mathrm{dNi}}}{P_{\mathrm{dNi}}}\×100\%;$ 对换流站电压支撑强度的评价阈值为：

所述步骤S6为计算交流电网系统的整体电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估其电压支撑能力。其中，计算系统电压支撑强度指标：

其对系统电压支撑强度的评价阈值与换流站支撑强度的评价阈值相同。

下面通过一具体的实施例来说明上述多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法是如何实现的。

其构建的模型如图2所示，其中直流系统1的额定功率是3000MW，额定电流是3000A；直流系统2的额定功率是4800MW，额定电流是3000A。交流系统的电压等级是500kV。在标幺值下，Z₁∠θ₁＝0.4∠90°，Z₂∠θ₂＝0.3∠90°，Z₁₂∠θ₁₂＝0.5∠90°。

在本实施例中，采用保守的评估方式(即可取关联矩阵所有元素均为1)，所形成的关联矩阵为 $\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right].$ 另外，对关联矩阵的第1个行向量，ΔI取30A，计算得K₁＝51。对关联矩阵的第2个行向量，ΔI取30A，计算得K₂＝51。

则对关联矩阵第1个行向量，两个直流系统的电流定值序列分别为：

对关联矩阵第2个行向量，两个直流系统的电流定值序列分别为：

然后，对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统i的稳态输出有功功率。在本实施例中，对关联矩阵的第1个行向量，可以计算得直流系统1的稳态输出有功功率为以下序列：

其中最大值是：3005.2MW。

对关联矩阵的第2个行向量，可以计算得直流系统2的稳态输出有功功率为以下序列：

其中最大值是：4800.0MW。

然后，根据公式计算得到每一直流系统的电压支撑强度指标：

计算得VS₁＝0.17％，VS₂＝0％。

并通过与预先设定的评价阀值进行比较，可以得到直流系统1换流站电压支撑强度弱；直流系统2换流站电压支撑强度弱。

代入后，得到整体电压支撑强度指标VS＝0.085％，再与预先设定的评价阀值进行比较，可以得到结论：系统电压支撑强度弱。

本发明还提供了一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，如图3所示，所述系统包括：

建模单元100，用于建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型，其中，直流整流侧采用定电流控制方式；

矩阵获取单元200，用于根据各直流逆变站换流母线间的转移阻抗计算多回直流电流定值提升的关联矩阵 $R_{n\×n}=\left[\begin{array}{c}{R}_1\\ R_2\\ .\\ .\\ .\\ R_n\end{array}\right],$ 其中，n为直流馈入回数；

序列值获取单元300，用于对关联矩阵的每个行向量，计算对应于n回直流的一组电流定值提升序列值；

功率获取单元400，用于对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统i的稳态输出有功功率；

母线评价单元500，用于计算每回直流逆变站的电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估换流母线电压支撑能力；

整体评价单元600，用于计算交流电网系统的整体电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估其电压支撑能力。

进一步地，所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统中，所述建模单元中建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型中计算自阻抗和转移阻抗采用多端口戴维南等值的方法。

进一步地，所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统中，所述矩阵获取单元中关联矩阵的取值采用：

关联矩阵所有元素均为1；

或对每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]中的每个元素，采用以下计算公式计算元素值：

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{Z_{\mathrm{ij}}}{Z_{\mathrm{ii}}};$

其中，Z_ii和Z_ij分别为直流i的逆变站换流母线的自阻抗和直流i、j的逆变站换流母线之间的转移阻抗。

进一步地，所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统中，所述母线评价单元中预先设定的评价阀值包括：

其中，VS_i电压支撑强度指标。

进一步地，所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统中，所述整体评价单元中整体电压支撑强度指标

因为上述模块的具体实施细节都在方法中进行了详细描述，这里就不再一一描述了。

综上所述，本发明的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法和系统，将多直流馈入受端交流系统的电压支撑能力反映为交流系统支撑多回直流输电线路有功功率同时提升的能力。通过设定多回直流输电线路电流定值提升的关联矩阵，计算直流功率提升的最大值相对额定值的裕度，形成评价含多直流馈入的交流系统电压支撑能力的定量指标。其物理概念清晰、适应性强，具有很好的推广应用前景。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其特征在于，所述方法依次包括以下步骤：

A、建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型，其中，直流整流侧采用定电流控制方式；

B、根据各直流逆变站换流母线间的转移阻抗计算多回直流电流定值提升的关联矩阵其中，n为直流馈入回数；

C、对关联矩阵的每个行向量，计算对应于n回直流的一组电流定值提升序列值；

D、对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统第i回直流的稳态输出有功功率；

E、计算每回直流逆变站的电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估换流母线电压支撑能力；

F、计算交流电网系统的整体电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估其电压支撑能力。

2.根据权利要求1所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其特征在于，所述步骤B中关联矩阵的取值采用：

关联矩阵所有元素均为1；

或对每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]中的每个元素，采用以下计算公式计算元素值：

$r_{ij}=\frac{Z_{ij}}{Z_{ii}};$

其中，Z_ii和Z_ij分别为直流i的逆变站换流母线的自阻抗和直流i、j的逆变站换流母线之间的转移阻抗。

3.根据权利要求1或2所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其特征在于，所述步骤A中建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型中计算自阻抗和转移阻抗采用多端口戴维南等值的方法。

4.根据权利要求2所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

对关联矩阵的每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]，可得出对应于n回直流的一组电流定值提升序列

其中，I_dNi表示第i回直流的额定电流，ΔI为电流增量步长；列向量I_j表示第j回直流的电流定值序列，其第k个元素I_jk按下式计算：

$I_{jk}=\left\{\begin{array}{ccc}{I}_{j0}+k*\mathrm{\Δ}I*r_{ij},& if& k\≤Int\left(\frac{1.5I_{dNj}-I_{j0}}{\mathrm{\Δ}I\·r_{ij}}\right)\\ 1.5I_{dNj},& if& k>Int\left(\frac{1.5I_{dNj}-I_{j0}}{\mathrm{\Δ}I\·r_{ij}}\right)\end{array}\right..$

5.根据权利要求4所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其特征在于，所述ΔI的取值为1％—5％的直流额定电流。

6.根据权利要求1所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估方法，其特征在于，所述步骤E中预先设定的评价阀值包括：

其中，VS_i为电压支撑强度指标。

7.一种多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其特征在于，所述系统包括：

建模单元，用于建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型，其中，直流整流侧采用定电流控制方式；

矩阵获取单元，用于根据各直流逆变站换流母线间的转移阻抗计算多回直流电流定值提升的关联矩阵其中，n为直流馈入回数；

序列值获取单元，用于对关联矩阵的每个行向量，计算对应于n回直流的一组电流定值提升序列值；

功率获取单元，用于对关联矩阵的第i个行向量，以电流定值矩阵的每一行为一组直流电流定值进行时域仿真计算，获取直流系统第i回直流的稳态输出有功功率；

母线评价单元，用于计算每回直流逆变站的电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估换流母线电压支撑能力；

整体评价单元，用于计算交流电网系统的整体电压支撑强度指标，并与预先设定的评价阀值进行比较，从而评估其电压支撑能力。

8.根据权利要求7所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其特征在于，所述建模单元中建立多回直流馈入的实际交流电网时域仿真模型中计算自阻抗和转移阻抗采用多端口戴维南等值的方法。

9.根据权利要求7所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其特征在于，所述矩阵获取单元中关联矩阵的取值采用：

关联矩阵所有元素均为1；

或对每个行向量R_i＝[r_i1r_i2...r_in]中的每个元素，采用以下计算公式计算元素值：

$r_{ij}=\frac{Z_{ij}}{Z_{ii}};$

其中，Z_ii和Z_ij分别为直流i的逆变站换流母线的自阻抗和直流i、j的逆变站换流母线之间的转移阻抗。

10.根据权利要求7所述的多直流馈入的交流电网电压支撑能力的评估系统，其特征在于，所述母线评价单元中预先设定的评价阀值包括：

其中，VS_i为电压支撑强度指标。