CN105470980B - 一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法，方法包括：监测送端系统各薄弱断面的运行状态信息；提取电网的状态变量，计算各薄弱断面静态稳定运行极限；估算系统中各个薄弱断面的波动量；分析送端电网各薄弱断面所在的功率运行区间；判断是否采取直流功率紧急调制的措施；采取直流功率紧急调制；根据所述直流紧急调制措施的分析情况，计算所需采取的切除发电机的措施量；判断所述切机措施量是否导致任一断面功率波动量大于所述静态稳定运行极限；若是则调整断面功率波动量大于静态稳定运行极限的断面运行方式，并转到方法开始。本发明快速有效地制定适用于直流换相失败后保障电力系统稳定运行的安全稳定控制措施。

Description

一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种交直流协调控制方法，具体涉及一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法。

背景技术

由于我国能源分布的不均匀，丰富的一次能源和清洁能源往往远离负荷中心，形成了远距离大容量输电的格局。多回大容量交直流外送电网往往处于电网远端，直流换相失败发生后，大量的盈余功率自送端电网向系统内扩散，对系统造成巨大冲击，严重情况下将会造成系统出现暂态失稳，威胁着整个电网的安全稳定运行，并制约着整个送端电网交直流外送通道的送电能力。

作为能源基地的区域远端弱联直流送端电网，在发生直流换相失败后，大量过剩盈余功率将会连续冲击交流同步电网各关键薄弱断面，使电网承受巨大的加速能量，容易导致系统出现暂态功角失稳的风险。这种由直流功率扰动触发，交直流耦合影响，电网多级断面运行方式相互制约的复杂工况，严重威胁了电力系统的安全稳定运行，并给电网运行人员带来了巨大的挑战。针对这种情况，目前运行人员往往需要通过预控直流运行功率以及送端电网个薄弱断面的功率运行水平，该方法一方面需要安排大量的运行方式、工作强度大，可能导致电网运行范围较窄，且不利于发挥整个送端电网交直流外送通道的送电能力以及大规模清洁能源的消纳。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法，本发明快速有效地制定适用于直流换相失败后保障电力系统稳定运行的安全稳定控制措施，提高整个系统的抗直流扰动能力以及交直流外送电网内清洁能源的消纳能力。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在线监测送端系统各薄弱断面的运行状态信息；

(2)提取电网的状态变量，计算各薄弱断面静态稳定运行极限；

(3)确定区域远端电网内发生换相失败的直流运行情况、直流条数和发生时间，基于联络线功率波动峰值理论快速估算直流换相失败后系统中各个薄弱断面的波动峰值；

(4)对比各断面的所述静态稳定运行极限和所述波动峰值确定各断面功率运行区间；

(5)基于不平衡功率分配理论分析直流紧急调制措施实施后是否增加了任一处于非线性区断面的功率波动或导致线性区断面功率波动大于断面静态稳定运行极限，若是则直接转到步骤(8)；否则转到步骤(6)；

(6)采取直流功率紧急调制；

(7)判断电网各薄弱断面功率波动量P_imdc加断面初始功率P_ac0是否小于断面静稳，若是则方法结束；否则转到步骤(8)；

(8)根据所述直流紧急调制措施的分析情况，计算所需采取的切除发电机的措施量；

(9)判断所述切机措施量是否导致任一断面功率波动量大于所述静态稳定运行极限；若是则调整断面功率波动量大于静态稳定运行极限的断面运行方式，并转到步骤(1)。

优选的，所述步骤(1)中，所述运行状态信息包括：薄弱断面的当前功率运行水平P_iac0、网内直流初始运行状态P_jdc0、预先设置安控切机位置发电机和送端大电网内各典型大机组的状态变量，所述状态变量包括：发电机功角δ_k、转子角速度ω_k、发电机出力P_k和发电机转动惯量M_k。

优选的，所述步骤(2)中，所述电网状态变量包括送端电网内各交流薄弱断面两端功率相量

和电压相量

所述断面静态稳定运行极限P_x计算公式如下：

其中，S₁为薄弱断面送段功率，U_1，U₂分别为薄弱断面送、受端电压，各符号上的·表示相量，*表示相量的共轭。

优选的，所述步骤(3)包括如下步骤：

步骤3-1：统计送端电网内发生换相失败的直流条数N；发生换相失败的每回直流换相失败期间的功率P_dci以及相应直流换相失败的持续时间t_ci；薄弱断面两端区域振荡模式的阻尼比ξ_i、振荡频率f_di以及参与振荡机群所在区域的惯量比ε；

步骤3-2：基于联络线功率波动峰值理论快速估算直流换相失败后系统中各个薄弱断面的波动量P_im，估算公式如下：

其中，τ为直流换相失败等效持续时间，

P_DC0i为直流初始运行功率；M₁、M₂分别为联络线两端电网等效转动惯量；ω_n为系统振荡频率；ξ为联络线两端区域阻尼比。

优选的，所述步骤(4)包括如下步骤：

步骤4-1：对比各断面的所述静态稳定运行极限和所述波动峰值确定各断面功率运行区间；所述运行区间分为线性区和非线性区，若各个薄弱断面的波动量P_im加初始功率P_ac0小于所述静态稳定运行极限则此断面为线性区，反之则为非线性区：

步骤4-2：判断各断面所处运行区间的情况，各断面是否均处于线性区；若是，则方法结束，否则转到步骤(5)。

优选的，所述步骤(5)中，所述不平衡功率分配理论估算公式为：

式中，M₁、M₂分别为联络线两端电网等效转动惯量；P_Δ为不平衡功率。

优选的，所述步骤(6)中，所述直流功率紧急调制包含直流功率紧急提升和下降，考虑到换相失败后送端电网功率盈余，优先采取直流功率紧急提升；当直流功率紧急提升没有裕度后，再考虑直流功率紧急下降。

优选的，所述步骤(8)中，所述切除发电机的措施量是通过非线性区断面在换相失败后未采取直流调制的功率波动量P_im或采取直流调制的功率波动量P_imdc加断面初始功率P_ac0减去断面静稳限额计算得到的。

优选的，所述切除发电机按照dδ/dt，dω/dt以及dP/dM三个条件从大到小的顺序进行排序切除，其中δ为发电机功角，ω为发电机角速度，P发电机机械功率，M为发电机转动惯量，t为时间，d为微分运算符。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明快速有效地制定适用于直流换相失败后保障电力系统稳定运行的安全稳定控制措施，提高整个系统的抗直流扰动能力以及交直流外送电网内清洁能源的消纳能力；并能够在直流换相失败发生后，综合考虑送端系统多个薄弱断面的不同运行方式的耦合影响，提高跨区大容量电力输送能力，为电网的实际运行提供参考。

附图说明

图1是本发明提供的一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法流程图

图2是本发明提供的区域远端电网及其相应的送端电网结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，为本发明提供的区域远端电网及其相应的送端电网结构图，图中，区域远端电网与电网1、电网2共同组成送端电网，断面1与断面2为送端电网内两个薄弱断面，区域远端电网内共有3回特高压直流送受端电网；电网1中有4回常规直流送受端电网，也为本文所采取的直流功率紧急调制措施中所提到的直流。

如图1所示，本发明提供的基于响应的区域远端电网直流换相失败下的交直流协调控制方法，具体步骤如下：

步骤1：在线监测送端系统各薄弱断面的运行状态信息

基于WAMS系统在线监测送端系统内2个薄弱断面的当前功率运行水平均为2000MW和4000MW；网内7条直流均维持在各自额定功率状态；安控切机布点处的发电机和送端大电网内各典型大机组均为满出力，并实时监测相应发电机功角δ_k、转子角速度ω_k、发电机出力P_k以及发电机转动惯量M_k；

步骤2：提取的电网状态变量，计算各薄弱断面静态稳定运行极限

提取送端电网2个交流薄弱断面两端功率相量和电压相量，估算断面静稳极限分别为6800MW和6100MW；

步骤3：估算直流换相失败后系统中各个薄弱断面的波动量

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：本次实施方式基于3条特高压直流同时发生1次换相失败，每条直流换相失败持续时间约为200ms；2个薄弱断面两端区域振荡模式的阻尼比分别为ξ₁＝0.0677、ξ₂＝0.1098；振荡频率分别为f_d1＝0.3113Hz、f_d2＝0.1691Hz；薄弱断面两侧参与振荡机群所在区域的送受端惯量比ε₁＝1/3.1、ε₂＝1/1.1。

步骤3-2：基于联络线功率波动峰值理论快速估算直流换相失败后系统中各个薄弱断面的波动量分别为4230MW、3720MW。

步骤4：分析送端电网各薄弱断面所在的功率运行区间，判断各断面所处运行区间的情况，各断面是否均处于线性区，若是则方法结束，否则执行步骤5

所述步骤4具体包含以下内容：

步骤4-1：薄弱断面1的波动量4630MW加初始功率2000MW小于静稳极限6800MW则此断面运行在线性区，薄弱断面2的波动量3720MW加初始功率2900MW大于静稳极限6100MW则此断面运行在非线性区：

步骤4-2：薄弱断面1处于线性区，而薄弱断面2处于非线性区，两个断面不同时处于线性区，表明该方式下三大直流同时发生1次换相失败后，系统有失稳风险，需采取相应安控措施，转为步骤5。

步骤5：基于不平衡功率分配理论分析直流紧急调制措施实施后是否增加了任一处于非线性区断面的功率波动或导致线性区断面功率波动大于断面静态稳定运行极限，若是则直接转到步骤8；否则转到步骤6；

所述步骤5中，所述不平衡功率分配理论估算公式为：

式中，M₁、M₂分别为联络线两端电网等效转动惯量；P_Δ为不平衡功率。

步骤6：采取直流功率紧急调制；

所述直流功率紧急调制包含直流功率紧急提升以及直流功率紧急调制，考虑到换相失败后送端电网功率盈余，优先采取直流功率紧急提升；当直流功率紧急提升没有裕度后，再考虑直流功率紧急速降。

步骤7：判断电网各薄弱断面功率波动量P_im或P_imdc加断面初始功率P_ac0是否小于断面静稳，若是则方法结束；否则转到步骤8；

步骤8：根据所述直流紧急调制措施的分析情况，计算所需采取的切除发电机的措施量

采取切机措施并计算相应切机措施量，处于非线性区断面2在换相失败后的功率波动量3720MW加断面初始功率4000MW减去断面静稳限额6100MW，即为所需采取的切机量约1600MW；

根据所检测的安控切机布点处发电机的状态变量，判断满足dδ/dt，dω/dt以及dP/dM三个条件最大的发电机顺序进行。本方式中需切除1台满出力为770MW和1台满出力为800MW的发电机，切机量约1540MW。

步骤9：判断所述切机措施量是否导致任一断面功率波动量大于所述静态稳定运行极限；若是则调整断面功率波动量大于静态稳定运行极限的断面运行方式，并转到步骤1。

判断步骤8中所采取的切机措施量是否会引起各断面功率波动(正向/反向)增加。基于不平衡功率分配理论，区域远端电网切除1540MW机组后，减小了断面1与断面2的正向功率波动量，且其引起的反向功率波动量并未造成任何断面波动峰值大于断面静稳，即系统采取切机措施后能够稳定运行。

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 (4)

1.一直基于电网直流换相失败下的交直流协调控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在线监测送端系统各薄弱断面的运行状态信息；

(2)提取电网的状态变量，计算各薄弱断面静态稳定运行极限；

(3)确定区域远端电网内发生换相失败的直流运行情况、直流条数和发生时间，基于联络线功率波动峰值理论快速估算直流换相失败后系统中各个薄弱断面的波动峰值；

(4)对比各断面的所述静态稳定运行极限和所述波动峰值确定各断面功率运行区间；

(5)基于不平衡功率分配理论分析直流紧急调制措施实施后是否增加了任一处于非线性区断面的功率波动或导致线性区断面功率波动大于断面静态稳定运行极限，若是则直接转到步骤(8)；否则转到步骤(6)；

(6)采取直流功率紧急调制；

(7)判断电网各薄弱断面功率波动量P_imdc加断面初始功率P_ac0是否小于断面静稳，若是则方法结束；否则转到步骤(8)；

(8)根据所述直流紧急调制措施的分析情况，计算所需采取的切除发电机的措施量；

(9)判断所述切机措施量是否导致任一断面功率波动量大于所述静态稳定运行极限；若是则调整断面功率波动量大于静态稳定运行极限的断面运行方式，并转到步骤(1)；

所述步骤(1)中，所述运行状态信息包括：薄弱断面的当前功率运行水平P_iac0、网内直流初始运行状态P_jdc0、预先设置安控切机位置发电机和送端大电网内各典型大机组的状态变量，所述状态变量包括：发电机功角δ_k、转子角速度ω_k、发电机出力P_k和发电机转动惯量M_k；

所述步骤(6)中，所述直流功率紧急调制包含直流功率紧急提升和下降，考虑到换相失败后送端电网功率盈余，优先采取直流功率紧急提升；当直流功率紧急提升没有裕度后，再考虑直流功率紧急下降；

所述步骤(8)中，所述切除发电机的措施量是通过非线性区断面在换相失败后未采取直流调制的功率波动量P_im或采取直流调制的功率波动量P_imdc加断面初始功率P_ac0减去断面静稳限额计算得到的；

所述切除发电机按照dδ/dt，dω/dt以及dP/dM三个条件从大到小的顺序进行排序切除，其中δ为发电机功角，ω为发电机角速度，P发电机机械功率，M为发电机转动惯量，t为时间，d为微分运算符；

所述步骤(2)中，所述电网状态变量包括送端电网内各交流薄弱断面两端功率相量

和电压相量

所述断面静态稳定运行极限P_x计算公式如下：

其中，S₁为薄弱断面送段功率，U₁，U₂分别为薄弱断面送、受端电压，各符号上的·表示相量，*表示相量的共轭。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下步骤：

步骤3-1：统计送端电网内发生换相失败的直流条数N；发生换相失败的每回直流换相失败期间的功率P_dci以及相应直流换相失败的持续时间t_ci；薄弱断面两端区域振荡模式的阻尼比ξ_i、振荡频率f_di以及参与振荡机群所在区域的惯量比ε；

步骤3-2：基于联络线功率波动峰值理论快速估算直流换相失败后系统中各个薄弱断面的波动量P_im，估算公式如下：

其中，τ为直流换相失败等效持续时间，

P_DC0i为直流初始运行功率；M₁、M₂分别为联络线两端电网等效转动惯量；ω_n为系统振荡频率；ξ为联络线两端区域阻尼比。

3.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下步骤：

步骤4-1：对比各断面的所述静态稳定运行极限和所述波动峰值确定各断面功率运行区间；所述运行区间分为线性区和非线性区，若各个薄弱断面的波动量P_im加初始功率P_ac0小于所述静态稳定运行极限则此断面为线性区，反之则为非线性区：

步骤4-2：判断各断面所处运行区间的情况，各断面是否均处于线性区；若是，则方法结束，否则转到步骤(5)。

4.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述不平衡功率分配理论估算公式为：

式中，M₁、M₂分别为联络线两端电网等效转动惯量；P_Δ为不平衡功率。

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