CN105515036A - 一种柔性环网控制器容量设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性环网控制器容量设计方法，包括以下步骤：确定柔性环网控制器逆变侧的额定容量；确定柔性环网控制器整流侧的额定容量；确定柔性环网控制器等值换流电抗；确定柔性环网控制器容量设计是否合理。本发明不仅考虑正常功率输送需求、n-1故障时紧急有功支援需求和动态无功功率支撑需求，还将考虑了柔性环网控制器的损耗，最后还通过IGBT通流能力校核，设计全面、工程针对性强，极具应用推广价值；在分区电网中某一路线路发生故障时，能够凭借自身有功功率快速可控的特点，为分区电网提供紧急有功支援，对于维持分区电网安全稳定运行意义重大；换流电抗大小与IGBT通流水平可配合达到最优，技术经济性显著。

Description

一种柔性环网控制器容量设计方法

技术领域

本发明涉及一种设计方法，具体涉及一种柔性环网控制器容量设计方法。

背景技术

柔性环网控制器是两个电压源换流器以背靠背形式，联结到两个交流分区电网之间，从而使得原本开环运行的电网构成“软环网”，其中一个换流器以整流方式运行，另一个以逆变方式运行。目前柔性环流网控制器的电压源换流器一般采用模块化多电平技术，它由一系列结构和功能相同的子模块构成；每个换流器六个桥臂上分别安装一台桥臂电抗器。通过柔性直流环网控制器独特的有功、无功功率快速控制能力，实现两个分区电网的稳态功率交换、紧急有功支援和无功支撑等功能，从而提高分区电网的供电可靠性。

柔性环网控制器容量设计是一项非常重要且细致的工作，与所连接电网负荷情况、电网强弱、系统电压和频率特性紧密相关，直接决定了系统整体技术经济性。同样是基于电压源换流器的柔性直流输电技术在点对点直流远距离输送、岛屿供电和风电场接入等领域已取得了不少工程应用，但其容量设计相对简单，只需要满足系统供电需求即可。柔性环网控制器的应用场景与技术需求与柔性直流输电不尽相同，原有设计理念无法直接套用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种柔性环网控制器容量设计方法，在满足稳态功率交换、紧急有功支援和无功支撑的同时，以期具备较好的技术经济性能。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种柔性环网控制器容量设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定柔性环网控制器逆变侧的额定容量；

步骤2：确定柔性环网控制器整流侧的额定容量；

步骤3：确定柔性环网控制器等值换流电抗；

步骤4：确定柔性环网控制器容量设计是否合理。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：收集柔性环网控制器所连接的分区电网负荷特性和电力系统中长期发展规划数据；

步骤1-2：根据分区电网的负荷特性和电力系统中长期发展规划数据，确定分区电网的稳态功率输送需求P_nominal；

步骤1-3：对分区电网进行n-1稳定性分析，确定分区电网的紧急有功功率支援需求P_transfer，有：

P_transfer＝P_nominal+ΔP(1)

其中，ΔP为采用有功功率控制指令的突变量；

步骤1-4：根据分区电网在最小运行方式下的交流电压特性与短路特性，确定分区电网的无功功率支撑需求Q_compensation，有：

$Q_{compensation}\≥\frac{\sqrt{{\left(U_E{U}_S\right)}^2-{\left(P_{transfer}{X}_S\right)}^2}-U_S^2}{X_S}---\left(2\right)$

其中，U_E为分区电网的系统电压，U_S为分区电网公共连接点的电压，X_S为分区电网最小运行方式下的系统等值电抗；

步骤1-5：根据分区电网的紧急有功功率支援需求P_transfer和分区电网的无功功率支撑需求Q_compensation确定柔性环网控制器逆变侧的额定容量，有：

$S_{inverter}=\sqrt{{P_{transfer}}^2+Q_{compensation}^2}---\left(3\right)$

其中，S_inverter为柔性环网控制器逆变侧的额定容量。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：确定柔性环网控制器的损耗；

步骤2-2：根据柔性环网控制器的损耗确定柔性环网控制器整流侧的额定容量。

所述步骤2-1中包括以下步骤：

1)计算桥臂电抗器的损耗P_reactor，有：

$P_{reactor}=I_0^2\×R_{reactor}+\frac{I_1^2\×X_1}{Q_1}+\frac{I_2^2\×X_2}{Q_2}---\left(4\right)$

其中，I₀为桥臂电流直流分量的有效值，R_reactor为桥臂电抗器绕组电阻；I₁为桥臂电流工频分量的有效值，I₂为桥臂电流二倍频分量的有效值，X₁为桥臂电抗器的工频阻抗，X₂为桥臂电抗器的二倍频阻抗，Q₁为桥臂电抗器的在工频下的品质因数，Q₂为桥臂电抗器在二倍频下的品质因数；

2)柔性环网控制器中，换流阀的子模块包括IGBT、二极管、直流电容器、均压电阻、连接母排和控制电路；于是，换流阀的损耗P_valve表示为：

$P_{valve}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}(P_{IGBT}+P_{Diode}+P_{capacitor}+P_{resistor}+P_{busbar}+P_{electronics})---\left(5\right)$

其中，N为换流阀中子模块的个数，P_IGBT为IGBT的损耗，P_Diode为二极管的损耗，P_capacitor为直流电容器损耗，P_resistor为均压电阻的损耗，P_busbar为连接母排的损耗；P_electronics为控制电路的损耗；

3)确定柔性环网控制器的损耗，有：

P_loss＝k₁P_transformer+12P_reactor+2P_valve(6)

其中，P_loss为柔性环网控制器的损耗，k₁为柔性环网控制器联接变压器的台数，P_transformer为柔性环网控制器联接变压器的损耗。

所述步骤2-2中，根据柔性环网控制器的损耗P_loss计算柔性环网控制器整流侧的额定容量，有：

$S_{rectifier}=\sqrt{{(P_{transfer}+P_{loss})}^2+Q_{compensation}^2}---\left(7\right)$

其中，S_rectifier为柔性环网控制器整流侧的额定容量，P_loss为柔性环网控制器的损耗，P_transfer为分区电网的紧急有功功率支援需求，Q_compensation为分区电网的无功功率支撑需求。

所述步骤3中，柔性环网控制器等值换流电抗X_T表示为：

$X_T\≤(\frac{{\mathrm{mU}}_{dc}}{\sqrt{2}{U}_S}-1)\frac{U_S^2}{S_{rectifier}}---\left(8\right)$

其中，m为调制比，U_S为分区电网公共连接点的电压，U_dc为柔性环网控制器的直流电压，S_rectifier为柔性环网控制器整流侧的额定容量。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：根据柔性环网控制器安装地点的海拔高度和环境温度确定换流阀的子模块中IGBT最大通流能力I_max；

步骤4-2：根据柔性环网控制器整流侧的额定容量S_rectifier计算换流阀桥臂电流，有：

其中，I_arm为换流阀桥臂电流，U_S为分区电网公共连接点的电压，ω为工频角频率，为U_S的初始相角，U_C为柔性环网控制器换流阀交流侧出口电压，为的U_C初始相角，X_T为柔性环网控制器等值换流电抗，P_transfer为分区电网的紧急有功功率支援需求，P_loss为柔性环网控制器的损耗，U_dc为柔性环网控制器的直流电压；

步骤3-3：确定柔性环网控制器容量设计是否合理，有：

若换流阀桥臂电流幅值|I_arm|不高于IGBT最大通流能力I_max，即|I_arm|≤I_max，则表明柔性环网控制器容量设计合理，否则表明柔性环网控制器容量设计不合理，返回步骤3重新确定柔性环网控制器等值换流电抗X_T。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1)本发明所提出的柔性环网控制器容量设计方法不仅考虑正常功率输送需求、n-1故障时紧急有功支援需求和动态无功功率支撑需求，还将考虑了柔性环网控制器的损耗，最后还通过IGBT通流能力校核，设计全面、工程针对性强，极具应用推广价值；

2)本发明所提出的柔性环网控制器容量设计方法中，在分区电网中某一路线路发生故障时，能够凭借自身有功功率快速可控的特点，为分区电网提供紧急有功支援，对于维持分区电网安全稳定运行意义重大；

3)本发明所提出的柔性环网控制器容量设计方法中，换流电抗大小与IGBT通流水平可配合达到最优，技术经济性显著。

附图说明

图1是本发明实施例中柔性环网控制器容量设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种柔性环网控制器容量设计方法，如图1，所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定柔性环网控制器逆变侧的额定容量；

步骤2：确定柔性环网控制器整流侧的额定容量；

步骤3：确定柔性环网控制器等值换流电抗；

步骤4：确定柔性环网控制器容量设计是否合理。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：收集柔性环网控制器所连接的分区电网负荷特性和电力系统中长期发展规划数据；

步骤1-2：根据分区电网的负荷特性和电力系统中长期发展规划数据，确定分区电网的稳态功率输送需求P_nominal；

步骤1-3：对分区电网进行n-1稳定性分析，确定分区电网的紧急有功功率支援需求P_transfer，有：

P_transfer＝P_nominal+ΔP(1)

其中，ΔP为采用有功功率控制指令的突变量；

步骤1-4：根据分区电网在最小运行方式下的交流电压特性与短路特性，确定分区电网的无功功率支撑需求Q_compensation，有：

$Q_{compensation}\≥\frac{\sqrt{{\left(U_E{U}_S\right)}^2-{\left(P_{transfer}{X}_S\right)}^2}-U_S^2}{X_S}---\left(2\right)$

其中，U_E为分区电网的系统电压，U_S为分区电网公共连接点的电压，X_S为分区电网最小运行方式下的系统等值电抗；

步骤1-5：根据分区电网的紧急有功功率支援需求P_transfer和分区电网的无功功率支撑需求Q_compensation确定柔性环网控制器逆变侧的额定容量，有：

$S_{inverter}=\sqrt{{P_{transfer}}^2+Q_{compensation}^2}---\left(3\right)$

其中，S_inverter为柔性环网控制器逆变侧的额定容量。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：确定柔性环网控制器的损耗；

步骤2-2：根据柔性环网控制器的损耗确定柔性环网控制器整流侧的额定容量。

所述步骤2-1中包括以下步骤：

1)计算桥臂电抗器的损耗P_reactor，有：

$P_{reactor}=I_0^2\×R_{reactor}+\frac{I_1^2\×X_1}{Q_1}+\frac{I_2^2\×X_2}{Q_2}---\left(4\right)$

其中，I₀为桥臂电流直流分量的有效值，R_reactor为桥臂电抗器绕组电阻；I₁为桥臂电流工频分量的有效值，I₂为桥臂电流二倍频分量的有效值，X₁为桥臂电抗器的工频阻抗，X₂为桥臂电抗器的二倍频阻抗，Q₁为桥臂电抗器的在工频下的品质因数，Q₂为桥臂电抗器在二倍频下的品质因数；

2)柔性环网控制器中，换流阀的子模块包括IGBT、二极管、直流电容器、均压电阻、连接母排和控制电路；于是，换流阀的损耗P_valve表示为：

$P_{valve}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}(P_{IGBT}+P_{Diode}+P_{capacitor}+P_{resistor}+P_{busbar}+P_{electronics})---\left(5\right)$

其中，N为换流阀中子模块的个数，P_IGBT为IGBT的损耗，P_Diode为二极管的损耗，P_capacitor为直流电容器损耗，P_resistor为均压电阻的损耗，P_busbar为连接母排的损耗；P_electronics为控制电路的损耗；

3)确定柔性环网控制器的损耗，有：

P_loss＝k₁P_transformer+12P_reactor+2P_valve(6)

其中，P_loss为柔性环网控制器的损耗，k₁为柔性环网控制器联接变压器的台数，P_transformer为柔性环网控制器联接变压器的损耗。

所述步骤2-2中，根据柔性环网控制器的损耗P_loss计算柔性环网控制器整流侧的额定容量，有：

$S_{rectifier}=\sqrt{{(P_{transfer}+P_{loss})}^2+Q_{compensation}^2}---\left(7\right)$

其中，S_rectifier为柔性环网控制器整流侧的额定容量，P_loss为柔性环网控制器的损耗，P_transfer为分区电网的紧急有功功率支援需求，Q_compensation为分区电网的无功功率支撑需求。

所述步骤3中，柔性环网控制器等值换流电抗X_T表示为：

$X_T\≤(\frac{{\mathrm{mU}}_{dc}}{\sqrt{2}{U}_S}-1)\frac{U_S^2}{S_{rectifier}}---\left(8\right)$

其中，m为调制比，U_S为分区电网公共连接点的电压，U_dc为柔性环网控制器的直流电压，S_rectifier为柔性环网控制器整流侧的额定容量。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：根据柔性环网控制器安装地点的海拔高度和环境温度确定换流阀的子模块中IGBT最大通流能力I_max；

步骤4-2：根据柔性环网控制器整流侧的额定容量S_rectifier计算换流阀桥臂电流，有：

其中，I_arm为换流阀桥臂电流，U_S为分区电网公共连接点的电压，ω为工频角频率，为U_S的初始相角，U_C为柔性环网控制器换流阀交流侧出口电压，为的U_C初始相角，X_T为柔性环网控制器等值换流电抗，P_transfer为分区电网的紧急有功功率支援需求，P_loss为柔性环网控制器的损耗，U_dc为柔性环网控制器的直流电压；

步骤3-3：确定柔性环网控制器容量设计是否合理，有：

若换流阀桥臂电流幅值|I_arm|不高于IGBT最大通流能力I_max，即|I_arm|≤I_max，则表明柔性环网控制器容量设计合理，否则表明柔性环网控制器容量设计不合理，返回步骤3重新确定柔性环网控制器等值换流电抗X_T。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性环网控制器容量设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定柔性环网控制器逆变侧的额定容量；

步骤2：确定柔性环网控制器整流侧的额定容量；

步骤3：确定柔性环网控制器等值换流电抗；

步骤4：确定柔性环网控制器容量设计是否合理。

2.根据权利要求1所述的柔性环网控制器容量设计方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：收集柔性环网控制器所连接的分区电网负荷特性和电力系统中长期发展规划数据；

步骤1-2：根据分区电网的负荷特性和电力系统中长期发展规划数据，确定分区电网的稳态功率输送需求P_nominal；

步骤1-3：对分区电网进行n-1稳定性分析，确定分区电网的紧急有功功率支援需求P_transfer，有：

P_transfer＝P_nominal+ΔP(1)

其中，ΔP为采用有功功率控制指令的突变量；

步骤1-4：根据分区电网在最小运行方式下的交流电压特性与短路特性，确定分区电网的无功功率支撑需求Q_compensation，有：

$Q_{compensation}\≥\frac{\sqrt{{\left(U_E{U}_S\right)}^2-{\left(P_{transfer}{X}_S\right)}^2}-U_S^2}{X_S}---\left(2\right)$

其中，U_E为分区电网的系统电压，U_S为分区电网公共连接点的电压，X_S为分区电网最小运行方式下的系统等值电抗；

步骤1-5：根据分区电网的紧急有功功率支援需求P_transfer和分区电网的无功功率支撑需求Q_compensation确定柔性环网控制器逆变侧的额定容量，有：

$S_{inverter}=\sqrt{{P_{transfer}}^2+Q_{compensation}^2}---\left(3\right)$

其中，S_inverter为柔性环网控制器逆变侧的额定容量。

3.根据权利要求1所述的柔性环网控制器容量设计方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：确定柔性环网控制器的损耗；

步骤2-2：根据柔性环网控制器的损耗确定柔性环网控制器整流侧的额定容量。

4.根据权利要求3所述的柔性环网控制器容量设计方法，其特征在于：所述步骤2-1中包括以下步骤：

1)计算桥臂电抗器的损耗P_reactor，有：

$P_{reactor}=I_0^2\×R_{reactor}+\frac{I_1^2\×X_1}{Q_1}+\frac{I_2^2\×X_2}{Q_2}---\left(4\right)$

其中，I₀为桥臂电流直流分量的有效值，R_reactor为桥臂电抗器绕组电阻；I₁为桥臂电流工频分量的有效值，I₂为桥臂电流二倍频分量的有效值，X₁为桥臂电抗器的工频阻抗，X₂为桥臂电抗器的二倍频阻抗，Q₁为桥臂电抗器的在工频下的品质因数，Q₂为桥臂电抗器在二倍频下的品质因数；

2)柔性环网控制器中，换流阀的子模块包括IGBT、二极管、直流电容器、均压电阻、连接母排和控制电路；于是，换流阀的损耗P_valve表示为：

$P_{valve}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}(P_{IGBT}+P_{Diode}+P_{capacitor}+P_{resistor}+P_{busbar}+P_{electronics})---\left(5\right)$

其中，N为换流阀中子模块的个数，P_IGBT为IGBT的损耗，P_Diode为二极管的损耗，P_capacitor为直流电容器损耗，P_resistor为均压电阻的损耗，P_busbar为连接母排的损耗；P_electronics为控制电路的损耗；

3)确定柔性环网控制器的损耗，有：

P_loss＝k₁P_transformer+12P_reactor+2P_valve(6)

其中，P_loss为柔性环网控制器的损耗，k₁为柔性环网控制器联接变压器的台数，P_transformer为柔性环网控制器联接变压器的损耗。

5.根据权利要求4所述的柔性环网控制器容量设计方法，其特征在于：所述步骤2-2中，根据柔性环网控制器的损耗P_loss计算柔性环网控制器整流侧的额定容量，有：

$S_{rectifier}=\sqrt{{(P_{transfer}+P_{loss})}^2+Q_{compensation}^2}---\left(7\right)$

其中，S_rectifier为柔性环网控制器整流侧的额定容量，P_loss为柔性环网控制器的损耗，P_transfer为分区电网的紧急有功功率支援需求，Q_compensation为分区电网的无功功率支撑需求。

6.根据权利要求1所述的柔性环网控制器容量设计方法，其特征在于：所述步骤3中，柔性环网控制器等值换流电抗X_T表示为：

$X_T\≤\left(\frac{{\mathrm{mU}}_{dc}}{\sqrt{2}{U}_S}-1\right)\frac{U_S^2}{S_{rectifier}}---\left(8\right)$

其中，m为调制比，U_S为分区电网公共连接点的电压，U_dc为柔性环网控制器的直流电压，S_rectifier为柔性环网控制器整流侧的额定容量。

7.根据权利要求6所述的柔性环网控制器容量设计方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：根据柔性环网控制器安装地点的海拔高度和环境温度确定换流阀的子模块中IGBT最大通流能力I_max；

步骤4-2：根据柔性环网控制器整流侧的额定容量S_rectifier计算换流阀桥臂电流，有：

其中，I_arm为换流阀桥臂电流，U_S为分区电网公共连接点的电压，ω为工频角频率，为U_S的初始相角，U_C为柔性环网控制器换流阀交流侧出口电压，为的U_C初始相角，X_T为柔性环网控制器等值换流电抗，P_transfer为分区电网的紧急有功功率支援需求，P_loss为柔性环网控制器的损耗，U_dc为柔性环网控制器的直流电压；

步骤3-3：确定柔性环网控制器容量设计是否合理，有：

若换流阀桥臂电流幅值|I_arm|不高于IGBT最大通流能力I_max，即|I_arm|≤I_max，则表明柔性环网控制器容量设计合理，否则表明柔性环网控制器容量设计不合理，返回步骤3重新确定柔性环网控制器等值换流电抗X_T。