CN105932724A - 特高压直流分层接入方式下混联系统的稳定性评价方法 - 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的稳定性评价方法，所述方法包括以下步骤：基于特高压直流分层接入工程的特点，建立特高压直流分层接入方式下的交直流系统等效模型；对受端交流系统进行等值，得出受端系统的简化节点网络，并通过矩阵变换求解得出交流系统的等效阻抗；提出分层功率比指标用以表征500kV和1000kV层传输的功率比值；提出分层接入短路比指标，用以评价混联系统的稳定性。分层接入短路比的值越大，分层交流系统相对强度越高，混联系统越稳定。本发明可用于指导特高压直流分层接入输电工程的建设，用来评价特高压直流分层接入方式下混联系统的稳定性水平。

Description

特高压直流分层接入方式下混联系统的稳定性评价方法

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的稳定性评价方法，属于特高压直流输电技术领域。

背景技术

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。在特高压直流输电工程中使用直流分层接入技术，将特高压直流的高端换流器和低端换流器分别接入不同电压等级的交流系统，相应的无功设备也会分层接入不同电压等级，能够有效地改善这些问题。

交流和直流的相互作用在很大程度上取决于交流系统与所连直流系统容量的相对大小，即短路比指标。基于短路比的电压稳定分析广泛地应用在学术界和工程界中，它为系统的规划提供了重要的参考依据。目前学术界对于短路比的研究主要集中在多馈入短路比。本发明提出了一种特高压直流分层接入方式下的短路比计算方法，为交直流系统的稳定性研究提供了理论依据。

发明内容

特高压直流分层接入方式下混联系统的稳定性评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：基于特高压直流分层接入工程的特点，建立特高压直流分层接入方式下交直流系统的等效模型；

步骤2：对受端交流系统进行等值，得出系统的简化节点网络，并通过矩阵变换求解得出混联系统的等效阻抗；

步骤3：提出分层接入短路比指标HCSCR_i、HCSCR_j，

${\mathrm{HCSCR}}_i=\frac{1}{\left|Z_i\right|\frac{HCPR}{HCPR+1}+\left|Z_{ij}\right|\frac{1}{HCPR+1}}---\left(1\right),$

${\mathrm{HCSCR}}_j=\frac{1}{\left|Z_j\right|\frac{1}{HCPR+1}+\left|Z_{ij}\right|\frac{HCPR}{HCPR+1}}---\left(2\right),$

式中，HCSCR_i、HCSCR_j分别为第i、j层的分层接入短路比；Z_i、Z_j分别为受端系统i、j的等效阻抗；Z_ij为受端系统i、j之间的等效联系阻抗；HCPR为分层功率比；

步骤4：根据分层接入短路比大小评价混联系统的稳定性，短路比的值越大，交流系统相对强度越高，混联系统越稳定。

特高压直流分层接入方式下，直流侧之间的耦合关系通过各换流器间直流电压和电流的电气关系体现，这种电气联系最终体现为直流功率的分配比例，公式(1)、(2)中，考虑分层接入方式下，两层系统之间的功率进行分配传输，提出500kV和1000kV层传输的功率比值为分层功率比HCPR，其计算方法为：

$HCPR=\frac{P_{dNi}}{P_{dNj}}---\left(3\right),$

式中，P_dNi、P_dNj为额定状态下受端系统各层的直流功率。

公式(3)中，特高压直流系统采用分层接入方式时，可通过调节换流器触发角或熄弧角、改变换流变压器分接头的位置，调节两层系统之间的功率传输。

额定运行状态下，设则公式(1)中，第i层的分层接入短路比具体计算方法为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{HCSCR}}_i=\frac{S_{aci}}{P_{deqi}}=\frac{{U_{Ni}}^2/\left|Z_i\right|}{P_{dNi}+\frac{{\mathrm{\ΔU}}_j}{{\mathrm{\ΔU}}_i}{P}_{dNj}}=\frac{{U_{Ni}}^2/\left|Z_i\right|}{P_{dNi}+\left|\frac{Z_{ij}}{Z_i}\right|P_{dNj}}=\frac{{U_{Ni}}^2}{\left|Z_i\right|P_{dNi}+\left|Z_{ij}\right|P_{dNj}}\\ =\frac{1}{\left|Z_i\right|\frac{P_{dNi}}{P_{dNi}+P_{dNj}}+\left|Z_{ij}\right|\frac{P_{dNj}}{P_{dNi}+P_{dNj}}}\\ =\frac{1}{\left|Z_i\right|\frac{HCPR}{HCPR+1}+\left|Z_{ij}\right|\frac{1}{HCPR+1}}\end{array}---\left(4\right),$

式中，HCSCR_i为第i层的短路比，S_aci为第i层受端系统的短路容量，P_deqi为第i层的直流等效功率。

步骤1中，特高压直流输电工程采用分层接入受端电网方式时，低端换流变压器与特高压1000kV换流母线直接相连；高端换流变压器与特高压500kV换流母线相连。交流滤波器、并联电容器和无功补偿装置根据两层的不同情况分别进行配置后接入500kV换流母线和1000kV换流母线，不同电压等级的受端系统之间通过变压器和联系阻抗等效相连。双极运行时，正负极均采用单极大地回线的方式运行，正常运行时双极直流电流维持平衡状态。

步骤2中，对受端系统联络变压器进行∏等值，得到受端系统简化节点网络，考虑交流滤波器和无功补偿装置，经矩阵变换可得到节点i、j的导纳矩阵为：

$Y_0=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{Z_i}+\frac{1}{Z_{ij}}+{\mathrm{jB}}_{Ci}& 0& -\frac{1}{Z_{ij}}\\ 0& \frac{1}{Z_j}+\frac{k-1}{{\mathrm{kZ}}_T}+\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}+{\mathrm{jB}}_{Cj}& -\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}\\ -\frac{1}{Z_{ij}}& -\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}& \frac{1}{Z_{ij}}+\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}+\frac{1-k}{k^2{Z}_T}\end{array}\right]---\left(5\right),$

消去无关节点k，得到节点i、j的导纳矩阵为：

$Y=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{Z_i}+\frac{1}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}+{\mathrm{jB}}_{Ci}& -\frac{k}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}\\ -\frac{k}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}& \frac{1}{Z_j}+\frac{k^2}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}+{\mathrm{jB}}_{Cj}\end{array}\right]---\left(6\right),$

节点i、j的阻抗矩阵为：

$Z=Y^{-1}=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{eqii}& Z_{eqij}\\ Z_{eqji}& Z_{eqjj}\end{array}\right]---\left(7\right),$

受端交流系统i的等效阻抗为：

|Z_i|＝|Z_eqii|+|Z_eqij|/HCPR (8)，

受端交流系统j的等效阻抗为：

|Z_j|＝|Z_eqjj|+|Z_eqji|HCPR (9)，

受端交流系统i和j之间的等效阻抗为：

Z_ij＝Z_ji (10)。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.建立了特高压直流分层接入受端电网的简化模型，考虑交流滤波器和无功补偿装置，给出了更为准确的分层接入短路比的定义和计算方法；

2.提出了一种分层功率比指标，反映了直流系统之间的耦合关系；

3.提出了一种分层接入短路比指标，短路比的大小可以反映混联系统的稳定性。

附图说明

图1为特高压直流分层接入方式下混联系统的稳定性评价方法流程图；

图2为特高压直流分层接入方式下系统的的等效结构示意图；

图3为特高压直流分层接入方式下受端系统的简化模型节点网络；

图4为单馈入单层与分层接入方式的受端接纳功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

根据现有的短路比计算方法和本发明提出的分层接入短路比的计算方法，该例中计算了特高压直流在不同接入方式和不同参数条件下的短路比大小。如表1所示。由表1可以看出：

1)在受端系统参数相同的情况下，与单层接入方式相比，分层接入方式下500kV和1000kV受端系统的短路比分别从2和3提升至3.84和6.64，短路比显著提高；

2)两层系统间电气距离较远时，联系阻抗对短路比的影响不大，表1中第三行和第四行对比了等值联系阻抗为1和无穷大时的结果，短路比差别不大；

3)将500kV受端系统的等值阻抗改为1/3，两层系统的短路比分别提升为5.47和7.48，在分层接入方式下，较强的受端系统对较弱的受端系统具有一定的支撑能力，提升弱系统的强度可以显著提高两层受端系统的短路比；

4)将功率比改为0.75后，HCSCR₁从3.84提升至4.22，而HCSCR₂从6.64略微下降至6.30，结果表明通过改变分层功率比来控制直流功率在强弱系统间的合理分配，使得两层系统的短路比互相综合，提高受端系统的整体功率稳定性。

实施例2：

设定换流阀组熄弧角均为额定值18°，在双层控制级的作用下直流电流均衡，因此4个换流阀组的电流相等。图4给出了分层接入和单层接入方式下受端系统接纳直流功率曲线。分层接入方式下，500kV受端系统的等值阻抗取Z₁＝1/2，1000kV受端系统等值阻抗取Z₂＝1/3，联系阻抗Z₁₂＝1；1000kV和500kV单馈入接入方式的受端系统分别取1/3和1/2。

当受端系统运行于接纳功率曲线的左侧，则功率稳定；当受端系统运行于接纳功率曲线的右侧，已超过最大接纳功率极限，功率不稳定。由图4可知，在相同受端参数的情况下，分层接入方式下的受端最大接纳能力可达到约1.25，明显高于单层接入方式；受端交流系统等值阻抗越小，短路比越大，即交流系统相对强度越高，接纳能力越强。

表1 不同接入方式下的受端系统的短路比

Claims (6)

1.特高压直流分层接入方式下混联系统的稳定性评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：基于特高压直流分层接入工程的特点，建立特高压直流分层接入方式下交直流系统的等效模型；

步骤2：对受端交流系统进行等值，得出系统的简化节点网络，并通过矩阵变换求解得出混联系统的等效阻抗；

步骤3：提出分层接入短路比指标HCSCR_i、HCSCR_j，

${\mathrm{HCSCR}}_i=\frac{1}{\left|Z_i\right|\frac{HCPR}{HCPR+1}+\left|Z_{ij}\right|\frac{1}{HCPR+1}}---\left(1\right),$

${\mathrm{HCSCR}}_j=\frac{1}{\left|Z_j\right|\frac{1}{HCPR+1}+\left|Z_{ij}\right|\frac{HCPR}{HCPR+1}}---\left(2\right),$

式中，HCSCR_i、HCSCR_j分别为第i、j层的分层接入短路比；Z_i、Z_j分别为受端系统i、j的等效阻抗；Z_ij为受端系统i、j之间的等效联系阻抗；HCPR为分层功率比；

步骤4：根据分层接入短路比大小评价混联系统的稳定性，短路比的值越大，交流系统相对强度越高，混联系统越稳定。

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的稳定性评价方法，其特征在于：特高压直流分层接入方式下，直流侧之间的耦合关系通过各换流器间直流电压和电流的电气关系体现，这种电气联系最终体现为直流功率的分配比例，公式(1)、(2)中，考虑分层接入方式下，两层系统之间的功率进行分配传输，提出500kV和1000kV层传输的功率比值为分层功率比HCPR，其计算方法为：

$HCPR=\frac{P_{dNi}}{P_{dNj}}---\left(3\right),$

式中，P_dNi、P_dNj为额定状态下受端系统各层的直流功率。

3.按照权利要求2所述的特高压直流分层接入方式下受端系统的分层功率比方法，其特征在于：公式(3)中，特高压直流系统采用分层接入方式时，可通过调节换流器触发角或熄弧角、改变换流变压器分接头的位置，调节两层系统之间的功率传输。

4.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的稳定性评价方法，其特征在于：额定运行状态下，设P_dN＝P_dNi+P_dNj＝1，则公式(1)中，第i层的分层接入短路比具体计算方法为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{HCSCR}}_i=\frac{S_{aci}}{P_{deqi}}=\frac{{U_{Ni}}^2/\left|Z_i\right|}{P_{dNi}+\frac{{\mathrm{\ΔU}}_j}{{\mathrm{\ΔU}}_i}{P}_{dNj}}=\frac{{U_{Ni}}^2/\left|Z_i\right|}{P_{dNi}+\left|\frac{Z_{ij}}{Z_i}\right|P_{dNj}}=\frac{{U_{Ni}}^2}{\left|Z_i\right|P_{dNi}+\left|Z_{ij}\right|P_{dNj}}\\ =\frac{1}{\left|Z_i\right|\frac{P_{dNi}}{P_{dNi}+P_{dNj}}+\left|Z_{ij}\right|\frac{P_{dNj}}{P_{dNi}+P_{dNj}}}\\ =\frac{1}{\left|Z_i\right|\frac{HCPR}{HCPR+1}+\left|Z_{ij}\right|\frac{1}{HCPR+1}}\end{array}---\left(4\right),$

式中，HCSCR_i为第i层的短路比，S_aci为第i层受端系统的短路容量，P_deqi为第i层的直流等效功率。

5.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的稳定性评价方法，其特征在于：所述步骤1中，特高压直流输电工程采用分层接入受端电网方式时，低端换流变压器与特高压1000kV换流母线直接相连；高端换流变压器与特高压500kV换流母线相连。交流滤波器、并联电容器和无功补偿装置根据两层的不同情况分别进行配置后接入500kV换流母线和1000kV换流母线，不同电压等级的受端系统之间通过变压器和联系阻抗等效相连。双极运行时，正负极均采用单极大地回线的方式运行，正常运行时双极直流电流维持平衡状态。

6.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的稳定性评价方法，其特征在于：所述步骤2中，对受端系统联络变压器进行Π等值，得到受端系统简化节点网络，考虑交流滤波器和无功补偿装置，经矩阵变换可得到节点i、j的导纳矩阵为：

$Y_0=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{Z_i}+\frac{1}{Z_{ij}}+{\mathrm{jB}}_{Ci}& 0& -\frac{1}{Z_{ij}}\\ 0& \frac{1}{Z_j}+\frac{k-1}{{\mathrm{kZ}}_T}+\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}+{\mathrm{jB}}_{Cj}& -\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}\\ -\frac{1}{Z_{ij}}& -\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}& \frac{1}{Z_{ij}}+\frac{1}{{\mathrm{kZ}}_T}+\frac{1-k}{k^2{Z}_T}\end{array}\right]---\left(5\right),$

消去无关节点k，得到节点i、j的导纳矩阵为：

$Y=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{Z_i}+\frac{1}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}+{\mathrm{jB}}_{Ci}& -\frac{k}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}\\ -\frac{k}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}& \frac{1}{Z_j}+\frac{k^2}{k^2{Z}_T+Z_{ij}}+{\mathrm{jB}}_{Cj}\end{array}\right]---\left(6\right),$

节点i、j的阻抗矩阵为：

$Z=Y^{-1}=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{eqii}& Z_{eqij}\\ Z_{eqji}& Z_{eqjj}\end{array}\right]---\left(7\right),$

受端交流系统i的等效阻抗为：

|Z_i|＝|Z_eqii|+|Z_eqij|/HCPR (8)，

受端交流系统j的等效阻抗为：

|Z_j|＝|Z_eqjj|+|Z_eqji|HCPR (9)，

受端交流系统i和j之间的等效阻抗为：

Z_ij＝Z_ji (10)。