CN105529733A - 特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性的判别方法，所述方法包括以下步骤：基于特高压直流分层接入方式下交直流系统的等效模型，推导得出混联系统各层换流母线电压稳定因子（Voltage？Stability？Factor，<i>VSF</i><i>）</i>及系统综合电压稳定因子（Comprehensive？Voltage？Stability？Factor，<i>CVSF</i>）的计算方法；根据给定的系统参数，计算各层换流母线电压稳定因子<i>VSF</i>及<i>CVSF</i>的值；根据<i>VSF</i>的大小判断系统电压是否失稳，与现有技术相比，本发明在特高压直流分层接入受端电网这种新的接入方式下，将混联系统交流母线的电压稳定特性进行量化，有助于分析。根据电压稳定因子的大小判断混联系统交流母线电压稳定性的强弱，可用于指导实际特高压直流分层接入工程研究。

Description

特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性判别方法

技术领域

本发明涉及一种特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性判别方法，属于特高压直流输电技术领域。

背景技术

目前中国已建成的特高压直流输电工程主要采用多馈入单层接入方式。随着特高压交直流技术的广泛应用，多回直流集中馈入受端负荷中心将成为我国电网普遍存在的现象。随着直流输送容量不断增加，直流落点越来越密集，现有直流接入方式将不利于受端系统潮流疏散，并且会在电压支撑等方面带来一系列问题。

为了从电网结构上有效解决多直流馈入交流系统的问题，有学者提出了一种特高压直流分层接入交流电网的方式,能够有效地改善上述一些问题，但是基于电网换相换流器的直流输电系统依然存在着固有的电压稳定性问题。

发明内容

本发明提出了一种特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性的判别方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：基于特高压直流分层接入方式下交直流系统的等效模型，推导得出混联系统各层换流母线电压稳定因子及系统综合电压稳定因子的计算方法。

特高压直流采用分层接入受端电网方式下，混联系统i、j两层的电压稳定因子VSF_i、VSF_j计算方法分别为：

式中，ΔQ_di、ΔQ_dj为两层直流系统无功变化量；ΔQ_aci、ΔQ_acj为两层交流系统无功变化量；ΔQ_Ci、ΔQ_Cj为两层交流系统无功补偿装置无功变化量；ΔQ_ij、ΔQ_ji两层系统间交互无功的变化量，ΔU_i、ΔU_j为混联系统两层换流母线电压变化量。

系统综合电压稳定因子CVSF的计算方法为：

步骤(2)：根据VSF_i、VSF_j及CVSF的值判断交直流系统换流母线的电压稳定性：

若两层换流母线电压稳定因子VSF_i、VSF_j均大于0，则系统电压稳定，否则系统电压失稳。设定系统电压稳定因子阀值为L，当CVSF>L时，系统电压稳定性较弱；当0<CVSF<L时，系统电压稳定性较强，且CVSF越小，系统电压稳定性越强。

所述步骤(1)中，根据特高压直流分层接入方式下系统的特性方程，当换流站交流母线电压U_i有增量ΔU_i(或电压U_j有增量ΔU_j)时，可得到24个增量方程，状态变量共有18个，其矩阵表达式为

式(4)中，J是一个阶数为24*18的Jacobi矩阵。Δγ_i、Δγ_j为两层各换流阀的熄弧角增量；Δμ_i、Δμ_j为两层各换流阀的换相角增量；Δδ_i、Δδ_j两层交流系统电压相角增量；ΔU_di、ΔU_dj两层直流系统电压增量；ΔI_d、ΔP_d为直流系统电流和传输功率增量；ΔP_di、ΔP_dj为两层直流系统有功增量；ΔP_ij、ΔP_ji两层系统间交互有功的增量。

以整流侧定电流，逆变侧定熄弧角控制方式为例，则J矩阵22-24行非零元素为

J_22,9＝1，J_23.5＝1，J_24,8＝1(5)，

对J矩阵进行列主元高斯消去，可得到如下形式：

上式中：

由上述矩阵方程式可知：

计算VSF_i时，令ΔQ_j＝0，则

同理可计算VSF_j

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.在特高压直流分层接入受端电网这种新的接入方式下，将混联系统交流母线的电压稳定特性进行量化，有助于分析。

2.根据电压稳定因子的大小判断混联系统交流母线电压稳定性的强弱，可用于指导实际特高压直流分层接入工程研究。

附图说明

图1为特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性判别方法流程图。

图2为混联系统500kV侧电压稳定因子VSF_i随直流电流I_d变化曲线。

图3为混联系统1000kV侧电压稳定因子VSF_j随直流电流I_d变化曲线。

图4为VSF_i、VSF_j及CVSF随直流电流I_d变化曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明。

1.根据特高压直流分层接入方式下系统等效模型，建立系统的特性方程(以500kV侧为例)：

P_di＝2C_iU_i ²[cos2g_i-cos(2g_i+2m_i)]

Q_di＝2C_iU_i ²[2m_i+sin2g_i-sin(2g_i+2m_i)]

I_di＝K_iU_i[cosg_i-cos(g_i+m_i)]

U_di＝P_di/I_di

P_aci＝[U_i ²cosq_i-E_iU_icos(d_i+q_i-y_i)]/|Z_eqi|(1),

P_ij＝[U_i ²cosq_ij-U_iU_jcos(d_i+q_ij-d_j)]/|Z_eqij|

Q_aci＝[U_i ²sinq_i-E_iU_isin(d_i+q_i-y_i)]/|Z_eqi|

Q_ij＝[U_i ²sinq_ij-U_iU_jsin(d_i+q_ij-d_j)]/|Z_eqij|

Q_Ci＝B_CiU_i ²

式中，i,j＝1,2分别表示500kV层和1000kV层。C_i和K_i分别表示与换流器参数有关的常量；B_Ci为接地电容；U_i为交流侧换流母线电压幅值，δ_i为电压相角；E_i为交流系统等效电动势，Ψ_i为电动势相角；U_di、I_di、P_di、Q_di分别为直流系统的电压、电流、有功功率和无功功率；P_aci、Q_aci分别为交流系统的有功功率和无功功率；P_ij、Q_ij分别为两层系统之间的有功功率和无功功率；γ_i、μ_i为各换流阀的熄弧角和换相角；|Z_eqi|、|Z_eqj|分别为受端系统i、j的等效阻抗，|Z_eqij|为受端系统i和j之间的等效阻抗，θ_i、θ_j、θ_ij分别为各等效阻抗的阻抗角。

2.根据系统特性方程，给定直流系统控制方式，计算得出雅可比矩阵J：

J矩阵1-18行非零元素分别为Q_di、Q_aci、Q_Ci、Q_ij、Q_dj、Q_acj、Q_Cj、Q_ji、I_di、I_dj、U_di、U_dj、P_di、P_aci、P_ij、P_dj、P_acj、P_ji等18个状态变量对U_i、U_j、μ_i、γ_i、δ_i、μ_j、γ_j、δ_j的偏导。不管U如何变化，P_di与P_aci和P_ij始终保持平衡，P_dj与P_acj和P_ji始终保持平衡，且直流侧功率变化等于两层系统直流功率变化之和，即

DP_di＝DP_aci+DP_ij，DP_dj＝DP_acj+DP_ji，DP_d＝DP_di+DP_dj(2)，

基于上式可得到J矩阵19-21行元素。

以整流侧定电流，逆变侧定熄弧角控制方式为例，则直流系统控制方程为：

DI_d＝0，Dg_i＝0，Dg_j＝0(3)，

基于上式可得到J矩阵22-24行元素。

3.根据矩阵J计算系统各层电压稳定因子VSF_i、VSF_j及CVSF：

系统参数取额定运行条件下的参数，根据如下公式可计算得VSF_i、VSF_j及CVSF的值：

混联系统各层换流母线的电压稳定因子VSF_i、VSF_j随直流电流I_d变化的特性曲线如图2、图3所示。系统综合电压稳定因子CVSF随直流电流I_d变化的特性曲线如图4所示。

4.根据VSF_i、VSF_j的大小判断系统是否失稳：

结合图2、图3、图4可以看出，随着直流电流I_d的增大，电压稳定因子VSF的值不断增大，系统电压稳定性逐渐降低，当电流达到某个极限值时，VSF的值由正跳变为负，系统电压开始失稳。当直流电流I_d达到2.2pu时，500kV换流母线电压开始失稳，当直流电流I_d达到2.7pu时，1000kV换流母线电压开始失稳。因此得出结论：当直流电流I_d大于2.2pu时，系统电压失稳。

5.根据给定CVSF阀值，得出系统电压稳定性判断条件：

由图4可知，随着直流电流I_d不断增大，CVSF的值也不断增大，系统电压稳定性不断降低，设定系统电压稳定因子CVSF的阀值为1，此时直流电流I_d的值为1.36pu。基于上述计算结果，可按如下方式判断混联系统电压稳定性：

当I_d>2.2pu时，系统电压失稳；

当1.36pu<I_d<2.2pu时，系统电压稳定性较弱；

当I_d<1.36pu时，系统电压稳定性较强。

Claims (2)

1.特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性判别方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)基于特高压直流分层接入方式下交直流系统的等效模型，推导得出混联系统各层换流母线电压稳定因子及系统综合电压稳定因子的计算方法，具体如下：

特高压直流采用分层接入受端电网方式下，混联系统i、j两层的电压稳定因子VSF_i、VSF_j计算方法分别为：

${\mathrm{VSF}}_i={(\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{di}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_i}+\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{aci}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_i}+\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{ij}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_i}-\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{Ci}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_i})}^{-1}---\left(1\right)$

${\mathrm{VSF}}_i={(\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{dj}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_j}+\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{acj}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_j}+\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{ji}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_j}-\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_{Cj}}{{\mathrm{\&Delta;U}}_j})}^{-1}---\left(2\right);$

式中，ΔQ_di、ΔQ_dj为两层直流系统无功变化量；ΔQ_aci、ΔQ_acj为两层交流系统无功变化量；ΔQ_Ci、ΔQ_Cj为两层交流系统无功补偿装置的无功变化量；ΔQ_ij、ΔQ_ji两层系统间交互无功的变化量，ΔU_i、ΔU_j为混联系统两层换流母线电压变化量；

系统综合电压稳定因子CVSF的计算方法为：

$CVSF=\sqrt{{\mathrm{VSF}}_i^2+{\mathrm{VSF}}_j^2}---\left(3\right),$

2)根据VSF_i、VSF_j及CVSF的值判断交直流系统换流母线的电压稳定性：

若两层换流母线电压稳定因子VSF_i、VSF_j均大于0，则系统电压稳定，否则系统电压失稳；设定系统电压稳定因子阀值为L，当CVSF>L时，系统电压稳定性较弱；当0<CVSF<L时，系统电压稳定性较强，且CVSF越小，系统电压稳定性越强。

2.按照权利要求1所述的特高压直流分层接入方式下混联系统电压稳定性判别方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据特高压直流分层接入方式下系统的特性方程，当换流站交流母线电压U_i有增量ΔU_i或电压U_j有增量ΔU_j时，可得到24个增量方程，状态变量共有18个，其矩阵表达式为

式(4)中，J是一个阶数为24*18的Jacobi矩阵。Δγ_i、Δγ_j为两层各换流阀的熄弧角增量；Δμ_i、Δμ_j为两层各换流阀的换相角增量；Δδ_i、Δδ_j两层交流系统电压相角增量；ΔU_di、ΔU_dj两层直流系统电压增量；ΔI_d、ΔP_d为直流系统电流和传输功率增量；ΔP_di、ΔP_dj为两层直流系统有功增量；ΔP_ij、ΔP_ji两层系统间交互有功的增量；

以整流侧定电流，逆变侧定熄弧角控制方式为例，则J矩阵22-24行非零元素为

J_22,9＝1，J_23.5＝1，J_24,8＝1(5)，

对J矩阵进行列主元高斯消去，可得到如下形式：

$J={\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]}_{24\&times;18}---\left(6\right),$

上式中：

由上述矩阵方程式可知：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;Q}}_i={\mathrm{\&Delta;Q}}_{di}+{\mathrm{\&Delta;Q}}_{aci}-{\mathrm{\&Delta;Q}}_{Ci}+{\mathrm{\&Delta;Q}}_{ij}\\ =(a_{11}+a_{21}-a_{31}+a_{41}){\mathrm{\&Delta;U}}_i+(a_{12}+a_{22}-a_{32}+a_{42}){\mathrm{\&Delta;U}}_j\end{array}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;Q}}_j={\mathrm{\&Delta;Q}}_{dj}+{\mathrm{\&Delta;Q}}_{acj}-{\mathrm{\&Delta;Q}}_{Cj}+{\mathrm{\&Delta;Q}}_{ji}\\ =(a_{51}+a_{61}-a_{71}+a_{81}){\mathrm{\&Delta;U}}_i+(a_{52}+a_{62}-a_{72}+a_{82}){\mathrm{\&Delta;U}}_j\end{array}---\left(10\right);$

计算VSF_i时，令ΔQ_j＝0，则

${\mathrm{\&Delta;U}}_j=-\frac{a_{51}+a_{61}-a_{71}+a_{81}}{a_{52}+a_{62}-a_{72}+a_{82}}{\mathrm{\&Delta;U}}_i---\left(11\right),$

${\mathrm{\&Delta;Q}}_i=\&lsqb;(a_{11}+a_{21}-a_{31}+a_{41})-(a_{12}+a_{22}-a_{32}+a_{42})\left(\frac{a_{51}+a_{61}-a_{71}+a_{81}}{a_{52}+a_{62}-a_{72}+a_{82}}\right)\&rsqb;{\mathrm{\&Delta;U}}_i---\left(12\right),$

${\mathrm{VSF}}_i={\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_i}{{\mathrm{\&Delta;U}}_i}\right)}^{-1}{|}_{{\mathrm{\&Delta;Q}}_j=0}={\&lsqb;(a_{11}+a_{21}-a_{31}+a_{41})-(a_{12}+a_{22}-a_{32}+a_{42})\left(\frac{a_{51}+a_{61}-a_{71}+a_{81}}{a_{52}+a_{62}-a_{72}+a_{82}}\right)\&rsqb;}^{-1}---\left(13\right),$

同理可计算VSF_j

${\mathrm{VSF}}_j={\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;Q}}_j}{{\mathrm{\&Delta;U}}_j}\right)}^{-1}{|}_{{\mathrm{\&Delta;Q}}_i=0}={\&lsqb;(a_{51}+a_{61}-a_{71}+a_{81})-(a_{52}+a_{62}-a_{72}+a_{82})\left(\frac{a_{11}+a_{21}-a_{31}+a_{41}}{a_{12}+a_{22}-a_{32}+a_{42}}\right)\&rsqb;}^{-1}---\left(14\right).$