CN104638631A - 一种直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法，该方法通过实时监测直流孤岛送电系统的设备与运行参数，将送端交流系统戴维南等效后，首先根据孤岛系统内所有发电机最大有功功率之和，计算直流电流限幅值I_dclimit1，再通过求解方程组求得直流电流限幅值I_dclimit2，两者取其中的较小值作为最终的直流电流限幅值I_dclimit。本发明综合考虑了送端交流系统的最大输送能力和低短路比情况下交流系统强度对直流输送功率的限制，故能对直流孤岛送电系统的直流电流进行合理限幅，使得在充分利用直流输电能力的同时，避免对系统电压稳定性造成负面影响。

Description

一种直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法。

背景技术

直流孤岛送电系统是指直流整流站只与配套电源相连，送端交流系统断开与交流主网联系，形成孤立小电网的送电系统，其主要由送端交流系统、直流输电系统和受端交流系统三部分组成，如图1所示。直流孤岛送电系统可减少直流闭锁后潮流转移对交流系统的影响，简化安全稳定控制措施，在改善远距离送电系统稳定性，提高送电能力方面有着独特优势。但在直流孤岛送电系统中，送端交流系统与交流主网没有电气联系，其短路比和有效惯性时间常数显著低于联网方式，承受扰动能力较弱。

在直流孤岛送电系统中，直流输电系统的直流电流增大会增加换流站消耗的无功功率，引起直流换流站交流母线电压降低，不恰当的提高直流电流可能引起系统的电压稳定性问题。而且，当送端交流系统短路比较小时，直流系统的输送能力会受到限制，可能使得直流电流增大过程中直流功率反而下降。因此，需要对直流电流进行合理限幅，使得在充分利用直流输电能力的同时，避免对系统电压稳定性造成负面影响。

传统的直流电流限幅首先考虑直流设备的过负荷能力，按持续时间长短可分为暂态过负荷(1.35～1.5pu)、短期过负荷(1.25pu)和长期过负荷(1.2pu)三种，其限幅值均较大。其次考虑直流控制系统的低压限流环节(Voltage DependentCurrent Order Limiter，VDCOL)，其作用是在直流电压或交流电压跌落到某个指定值时对直流电流指令进行限制。然而，对于整流侧VDCOL特性，其启动电压较低，所以经VDCOL后输出的直流电流整定值仍然较大，只有在整流站交流母线电压跌幅较大时才有明显的限流效果，而此时系统运行状态已经较差。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法，能够对直流输电系统的直流电流进行合理限幅。

一种直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法，包括如下步骤：

(1)获取直流孤岛送电系统中相关电气设备的运行参数，并将其中送端交流系统等效为戴维南电路；

(2)根据送端交流系统中所有发电机最大有功功率之和，计算电流限幅值I_dclimit1；

(3)计算直流输电系统中换流变压器的漏抗x_Tdc以及限幅参数K；

(4)根据所述的运行参数、漏抗x_Tdc以及限幅参数K，计算电流限幅值I_dclimit2；

(5)取电流限幅值I_dclimit1和I_dclimit2中的最小值作为最终的电流限幅值I_dclimit，进而将直流输电系统中整流站的直流电流指令值限制在I_dclimit以下。

所述的步骤(1)中将送端交流系统等效为戴维南电路时，则戴维南电路中等效电压源电压幅值E_s和等效阻抗的确定方法如下：

a.所述的等效电压源电压幅值E_s取为送端交流系统中发电机励磁系统的电压参考值与励磁系统中PSS(电力系统静态稳定器)的输出电压值之和经升压变压器变换后高压侧的电压值；

b.所述的等效阻抗取送端交流系统中发电机机端与整流站交流母线之间的阻抗。

所述的步骤(2)中根据以下算式计算电流限幅值I_dclimit1：

$I_{\mathrm{dclimit}1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\max i}}{P_{\mathrm{dcN}}}$

其中：P_dcN为直流输电系统的额定功率，P_maxi为送端交流系统中第i台发电机的最大有功功率，n为送端交流系统中的发电机总台数。

所述的步骤(3)中根据以下算式计算漏抗x_Tdc以及限幅参数K：

$K=\frac{U_{\mathrm{dcb}}}{U_{\mathrm{acb}}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Ndc}}$ $x_{\mathrm{Tdc}}=\frac{S_{\mathrm{acb}}}{S_{\mathrm{Tdc}}}{u}_{\mathrm{kdc}}$

其中：U_acb和U_dcb分别为送端交流系统和直流输电系统的电压基准值，S_acb为送端交流系统的功率基准值，S_Tdc、u_kdc和τ_Ndc分别为换流变压器的额定容量、短路比和标准变比。

所述的步骤(4)中计算电流限幅值I_dclimit2的过程如下：

首先，根据以下方程组计算整流站交流母线的电压幅值U和整流站的换相重叠角μ：

$K_p{K}_b\frac{3}{4\mathrm{\π}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}^2}{U}^2[\cos 2{\mathrm{\α}}_{\min }-\cos 2({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]=\frac{E_{s}U\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})-U^2\cos \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{ac}}}$

$K_p{K}_b\frac{3}{4\mathrm{\π}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}^2}{U}^2[2\mathrm{\μ}+\sin 2{\mathrm{\α}}_{\min }-\sin 2({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]=\frac{E_{s}U\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})-U^2\sin \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{ac}}}+B_c{U}^2$

$U_{\mathrm{dcr}}=K_b\frac{3\sqrt{2}}{2\mathrm{\πK}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}}U[\cos {\mathrm{\α}}_{\min }+\cos ({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]$

然后，根据求得的电压幅值U和换相重叠角μ通过以下算式计算出直流电流限幅值I_dclimit2：

$I_{\mathrm{dclimit}2}=K_p\frac{K}{\sqrt{2}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}}U[\cos {\mathrm{\α}}_{\min }-\cos ({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]$

其中：K_p为直流输电系统的极数，K_b为整流站每极六脉动换流桥的个数，τ_dc为换流变压器的分接头位置系数，B_c为整流站交流母线上交流滤波器及无功补偿装置的导纳，α_min为整流站的最小触发角限制值，U_dcr为整流站的直流侧电压，Z_ac和θ分别为戴维南电路中等效阻抗的幅值和阻抗角，δ为戴维南电路中等效电压源电压与整流站交流母线电压的相角差。

本发明电流限幅方法通过实时监测直流孤岛送电系统的设备与运行参数，将送端交流系统戴维南等效后，首先根据孤岛系统内所有发电机最大有功功率之和，计算直流电流限幅值I_dclimit1，再通过求解方程组求得直流电流限幅值I_dclimit2，两者取其中的较小值作为最终的直流电流限幅值I_dclimit。由于综合考虑了送端交流系统的最大输送能力和低短路比情况下交流系统强度对直流输送功率的限制，本发明能对直流孤岛送电系统的直流电流进行合理限幅，使得在充分利用直流输电能力的同时，避免对系统电压稳定性造成负面影响。

附图说明

图1为直流孤岛送电系统的结构示意图。

图2本发明直流电流限幅方法的步骤流程示意图。

图3为送端交流系统的戴维南电路等效示意图。

图4为直流孤岛送电系统暂态响应情况下直流电流的仿真结果示意图。

图5为直流孤岛送电系统暂态响应情况下直流功率的仿真结果示意图。

图6为直流孤岛送电系统暂态响应情况下整流站交流母线电压的仿真结果示意图。

图7为直流孤岛送电系统暂态响应情况下系统频率的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的直流电流限幅方法进行详细说明。

本实施方式以某直流孤岛送电系统为例，其组成如图1所示。

在该直流孤岛送电系统中，送端交流系统共有8台发电机，3回500kV交流线路。每台发电机额定容量S_G＝778MVA，额定电压U_G＝18kV，最大有功功率P_max＝700MW；对应的升压变压器额定容量S_Tac＝800MVA，短路比u_kac＝15.2％，变比τ_ac＝U_1ac/U_2ac＝18kV/536kV；每回交流线路电抗X_L＝j42.54Ω。

在该直流孤岛送电系统中，直流系统双极额定功率P_dcN＝5000MW，额定电压U_dcN＝±800kV，每极由双12脉动换流器串联，即K_p＝2，K_b＝4。每台换流变压器额定容量S_Tdc＝750MVA，短路比u_kdc＝19.74％，标准变比τ_Ndc＝525kV/170kV。

取交流系统电压基准值U_acb＝525kV，功率基准值S_acb＝5000MVA，直流系统电压基准值U_dcb＝800kV，功率基准值S_dcb＝5000MVA。

正常情况下稳态运行时，发电机励磁系统参考值V_ref＝1.05pu，由于没有PSS，故V_PSS＝0pu。直流双极额定运行时，换流变压器分接头位于τ_dc＝1处，交流滤波器及无功补偿装置B_c＝0.561pu。

如图2所示，上述直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法，包括如下步骤：

步骤(1)，将送端交流系统等效为戴维南电路，如图3所示；等效电压源幅值E_s的计算公式为：

E_s＝(V_ref+V_PSS)·U_G/τ_ac/U_acb＝(1.05+0)·18/(18/536)/525＝1.072pu

等效阻抗Z_ac∠θ的计算公式为：

步骤(2)，根据孤岛系统内所有发电机最大有功功率之和，直流电流限幅值I_dclimit1的计算公式为：

$I_{\mathrm{dclimit}1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\max i}}{P_{\mathrm{dcN}}}=\frac{8\·700}{5000}=1.12\mathrm{pu}$

步骤(3)，首先根据交直流系统基准值和换流变压器参数计算常数K和换流变压器漏抗x_Tdc，计算公式为：

$K=\frac{U_{\mathrm{dcb}}}{U_{\mathrm{acb}}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Ndc}}=\frac{800}{525}\·(525/170)=4.706$

$x_{\mathrm{Tdc}}=\frac{S_{\mathrm{acb}}}{S_{\mathrm{Tdc}}}{u}_{\mathrm{kdc}}=\frac{5000}{750}\·19.74\%=1.316\mathrm{pu}$

然后，根据以下方程组求解直流电流限幅值I_dclimit2：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p{K}_b\frac{3}{4\mathrm{\π}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{2}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}^2}{U}^2[\cos 2{\mathrm{\α}}_{\min }-\cos 2({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]=\frac{E_{s}U\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})-U^2\cos \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{ac}}}\\ K_p{K}_b\frac{3}{4\mathrm{\π}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}^2}{U}^2[2\mathrm{\μ}+\sin 2{\mathrm{\α}}_{\min }-\sin 2({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]=\frac{E_{s}U\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})-U^2\sin \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{ac}}}+B_c{U}^2\\ U_{\mathrm{dcr}}=K_b\frac{3\sqrt{2}}{2\mathrm{\πK}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}}U[\cos {\mathrm{\α}}_{\min }+\cos ({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]\\ I_{\mathrm{dclimit}2}=K_p\frac{K}{\sqrt{2}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}}U[\cos {\mathrm{\α}}_{\min }-\cos ({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]\end{array}\right.$

代入已知参数并化简得：

从而求得直流电流限幅值I_dclimit2＝1.099pu；取I_dclimit1和I_dclimit2的较小值，作为直流电流限幅值I_dclimit，即I_dclimit＝1.099pu。

现假设3.0s时电厂侧交流母线处发生三相接地短路故障，0.1s后故障清除，同时跳2回500kV交流线路，而系统其他设备与运行参数保持不变。由于直流孤岛系统的网架结构发生了变化，因此需要重复步骤(1)～步骤(3)重新计算直流电流限幅值I_dclimit。

步骤(1)，将送端交流系统等效为戴维南电路，等效电压源幅值E_s保持不变，但等效阻抗Z_ac∠θ的计算结果为：

步骤(2)，由于该故障没有引起发电机断开与直流整流站的电气连接，所以I_dclimit1仍为1.12pu。

步骤(3)，由于等效阻抗Z_ac∠θ的变化，求解的方程组需要做相应改变，即：

从而求得直流电流限幅值I_dclimit2＝0.781pu；取I_dclimit1和I_dclimit2的较小值，作为直流电流限幅值I_dclimit，即I_dclimit＝0.781pu。

图4～图7给出了在上述故障情况下，直流孤岛送电系统的暂态响应情况，包括直流电流、直流功率、整流站交流母线电压和孤岛系统频率。图中虚线和实线分别为未施加直流电流限幅方法和采用本实施方式下的系统仿真曲线。

从图4～图7可以看出：当不施加直流电流限幅时，由于传统的直流电流限幅往往只考虑直流设备的过载能力，限幅值较大，而整流侧VDCOL特性的启动电压一般较低，所以限幅值仍然较大，从而导致切除故障后初期(3s～13s)直流电流偏大。由于送端交流系统很弱，且无功功率不足，不适当的提高直流电流引起直流功率不升反降，同时导致整流站交流母线电压持续偏低，孤岛系统频率波动较大。当采用本实施方式直流电流限幅后，3s～13s期间直流电流虽然小于不限幅时的值，但是直流功率较大，整流站交流母线电压也较高，孤岛系统频率波动较小。从系统故障后整个恢复过程来看(3s～24s)，不施加直流电流限幅时，直流电流、直流功率、整流站交流母线电压和孤岛系统频率波动很大，而采用本实施方式直流电流限幅后，系统恢复过程较平稳。

Claims (5)

1.一种直流孤岛送电系统的直流电流限幅方法，包括如下步骤：

(1)获取直流孤岛送电系统中相关电气设备的运行参数，并将其中送端交流系统等效为戴维南电路；

(2)根据送端交流系统中所有发电机最大有功功率之和，计算电流限幅值I_dclimit1；

(3)计算直流输电系统中换流变压器的漏抗x_Tdc以及限幅参数K；

(4)根据所述的运行参数、漏抗x_Tdc以及限幅参数K，计算电流限幅值I_dclimit2；

(5)取电流限幅值I_dclimit1和I_dclimit2中的最小值作为最终的电流限幅值I_dclimit，进而将直流输电系统中整流站的直流电流指令值限制在I_dclimit以下。

2.根据权利要求1所述的直流电流限幅方法，其特征在于：所述的步骤(1)中将送端交流系统等效为戴维南电路时，则戴维南电路中等效电压源电压幅值E_s和等效阻抗的确定方法如下：

a.所述的等效电压源电压幅值E_s取为送端交流系统中发电机励磁系统的电压参考值与励磁系统中PSS的输出电压值之和经升压变压器变换后高压侧的电压值；

b.所述的等效阻抗取送端交流系统中发电机机端与整流站交流母线之间的阻抗。

3.根据权利要求1所述的直流电流限幅方法，其特征在于：所述的步骤(2)中根据以下算式计算电流限幅值I_dclimit1：

$I_{\mathrm{dclimit}1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\max i}}{P_{\mathrm{dcN}}}$

其中：P_dcN为直流输电系统的额定功率，P_maxi为送端交流系统中第i台发电机的最大有功功率，n为送端交流系统中的发电机总台数。

4.根据权利要求1所述的直流电流限幅方法，其特征在于：所述的步骤(3)中根据以下算式计算漏抗x_Tdc以及限幅参数K：

$\begin{array}{cc}K=\frac{U_{\mathrm{dcb}}}{U_{\mathrm{acb}}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Ndc}}& x_{\mathrm{Tdc}}=\frac{S_{\mathrm{acb}}}{S_{\mathrm{Tdc}}}{u}_{\mathrm{kdc}}\end{array}$

其中：U_acb和U_dcb分别为送端交流系统和直流输电系统的电压基准值，S_acb为送端交流系统的功率基准值，S_Tdc、u_kdc和τ_Ndc分别为换流变压器的额定容量、短路比和标准变比。

5.根据权利要求1所述的直流电流限幅方法，其特征在于：所述的步骤(4)中计算电流限幅值I_dclimit2的过程如下：

首先，根据以下方程组计算整流站交流母线的电压幅值U和整流站的换相重叠角μ：

$K_p{K}_b\frac{3}{4\mathrm{\π}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}^2}{U}^2[\cos 2{\mathrm{\α}}_{\min }-\cos 2({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]=\frac{E_{s}U\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})-U^2\cos \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{ac}}}$

$K_p{K}_b\frac{3}{4\mathrm{\π}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}^2}{U}^2[2\mathrm{\μ}+\sin 2{\mathrm{\α}}_{\min }-\sin 2({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]=\frac{E_{s}U\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})-U^2\sin \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{ac}}}+B_c{U}^2$

$U_{\mathrm{dcr}}=K_b\frac{3\sqrt{2}}{2\mathrm{\πK}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}}U[\cos {\mathrm{\α}}_{\min }+\cos ({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]$

然后，根据求得的电压幅值U和换相重叠角μ通过以下算式计算出直流电流限幅值I_dclimit2：

$I_{\mathrm{dclimit}2}=K_p\frac{K}{\sqrt{2}}\frac{1}{x_{\mathrm{Tdc}}}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dc}}}U[\cos {\mathrm{\α}}_{\min }+\cos ({\mathrm{\α}}_{\min }+\mathrm{\μ})]$

其中：K_p为直流输电系统的极数，K_b为整流站每极六脉动换流桥的个数，τ_dc为换流变压器的分接头位置系数，B_c为整流站交流母线上交流滤波器及无功补偿装置的导纳，α_min为整流站的最小触发角限制值，U_dcr为整流站的直流侧电压，Z_ac和θ分别为戴维南电路中等效阻抗的幅值和阻抗角，δ为戴维南电路中等效电压源电压与整流站交流母线电压的相角差。