CN106451446A - 基于柔性直流技术的城市电网分区互联装置的定容方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于柔性直流技术的城市电网分区互联装置的定容方法，包括下列步骤：①求解有功需求；②求解无功需求；③满足功率需求的容量设计；④基于模块化多电平换流器模块化的容量处理；⑤容量取整。在已知互联分区的基本情况下，本发明能够合理地确定分区互联装置的容量。

Description

基于柔性直流技术的城市电网分区互联装置的定容方法

技术领域

本发明属于柔性直流装置改造后的配电网(柔性配电网)规划领域。提供一种城市电网分区互联装置的定容方法。

背景技术

城市电网是电力系统的重要组成部分，也是城市现代化建设的重要基础设施之一，随着我国经济的快速发展，城市电网对供电量的需求及可靠性要求也越来越高。目前大型城市电网多为受端电网，本地电源装机容量远远无法满足负荷需求，区外来电比例较高^[1]。为了解决电网短路电流过大的问题，同时防止500kV/220kV电磁环网的事故隐患，大型城市电网一般都采取220kV电压等级分区运行模式[2][3]，相邻分区间互为备用。

然而，随着城市电网负荷水平逐年增高，城市电网分区运行面临电力平衡与N-1故障后潮流过载的挑战^[4]，以及暂态故障下电压稳定的问题，分区间功率的紧急支援显得非常必要。分区互联装置不仅能够在城市电网分区间灵活地控制有功功率的传输，还能快速独立地调节动态无功的输出，这些优点能够很好地解决分区有功缺额和电压稳定的问题，提高城市电网的安全性和可靠性。同时，装置换流站结构紧凑占地面积相对较少，在城市电网互联中使用具有很大优势^[5]。

在柔性直流系统规划阶段，分区互联装置的容量大小影响着装置的造价，因此研究分区互联装置的定容方法在电网规划阶段显得至关重要。目前国内类似的南京西环网装设UPFC工程中，在选择装置UPFC容量时主要考察了未来电网结构和负荷变化情况下装置消除潮流过载问题的作用^[6]，分区互联装置还需根据分区的潮流、电压等实际情况进行定容。

参考文献：

[1]王伟，马鸿杰，金敏杰.大受端城市电网若干安全问题及对策[J].电力与能源，2011，01(01)：26-29.

[2]李晶生.天津电网“十一五”规划综述[J].电网技术，2006，20(30)：1-5.

[3]侯春青，郑惠萍.2005年山西中南部500kV及220kV电网的电磁环网运行方式研究[J].电网技术，2005，10(29)：80-84.

[4]刘树勇，顾强，张丽娟，刘聪.“十一五”期间天津500/220kV电网分区供电方案[J].电网技术，2008，09(32)：51-55.

[5]汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化,2013,15:3-14.

[6]甄宏宁,梁志瑞,王莹,王震泉,张诗滔.南京西环网装设UPFC装置的主设备容量优化选择[J].江苏电机工程,2015,06:18-22.

发明内容

本发明提供一种基于柔性直流技术的城市电网分区互联装置的定容方法，技术方案如下：

一种基于柔性直流技术的城市电网分区互联装置的定容方法，包括下列步骤：

①求解有功需求

仿真电网N-x故障得到分区的过载故障集{f₁，f₂，…，f_k，…，f_m}，k、m分别为过载故障编号和总数，则有功需求P_d可由下式得到：

P_d＝max(P₁,P₂,...,P_k,...,P_m)

式中，P_k表示故障f_k情况下消除元件过载所需的最小有功支援值；

②求解无功需求

仿真暂态故障得到分区1电压失稳故障集{e₁，e₂，…，e_l}，分区2电压失稳故障集{g₁，g₂，…，g_n}，l、n分别为两分区电压失稳故障总数，则分区1和分区2无功需求Q_d1和Q_d2可由下式表示：

式中，Q_t(t＝1,2，…，l，l+1，…，l+n)表示两分区各故障情况下为稳定电网电压需要分区互联装置的最小动态无功补偿值；

③满足功率需求的容量设计

按照下式得到两分区无功需求Q_d1和Q_d2对应所需的两端模块化多电平换流器换流站容量S_Qd1和S_Qd2：

式中，Q_d表示无功需求，其它参数通常情况下已知：X_eq表示装置换流站和换流站公共联接点间的等效电抗值，U_s为换流站公共联接点母线线电压幅值，k为联接变压器的变比，I_bN为换流器桥臂电流额定值，M_max为换流器的最大电压调制比，Q_tp为转折点无功功率，其中，转折点无功功率Q_tp求解如下式：

考虑装置两端换流站采用相同的容量设计，则分区互联装置的容量S_r由下式确定：

S_r＝max(P_d,max(S_Qd1,S_Qd1))

④基于模块化多电平换流器模块化的容量处理

模块化多电平换流器功率单元的主电路和控制系统均采用模块化设计，对容量进行如下处理：

式中，k为正整数；S₀为一个功率单元的额定容量；U_N表示换流器功率单元的额定电压；

⑤容量取整

对容量S_r进行适当的取整处理，并留一定裕量。

优选地，步骤②中，分区互联装置和静止同步补偿器均补偿动态无功以稳定母线电压时，通过两者的综合优化得到合理的静止同步补偿器安装地点和容量，并仿真得到静止同步补偿器配合下两分区的无功需求。

在已知互联分区的基本情况下，本发明能够合理地确定分区互联装置的容量。

附图说明

图1 MMC接入系统等效电路

图2稳态功率运行范围

图3容量和最大无功输出关系Q_max-S_r曲线

图4(a)(b)分别为变比k和电抗X_ep参数对无功输出能力的影响

图5分区互联装置的定容流程图

具体实施方式

在已知互联分区的基本情况下，本发明能够合理地确定分区互联装置的容量，并能根据需要，基于推导得出的装置容量和最大无功输出的Q_max-S_r曲线，采用调节联接变压器变比和减小装置与交流系统间等效电抗的方法来提高无功输出能力。下面对本发明进行说明

首先，分析装置的稳态功率运行范围。

分区互联装置采用半桥式模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)实现高压分区间的柔性互联。图1所示为分区互联装置一侧MMC接入系统的等效电路图，为交流系统的等值电压，L_s为交流系统的等值电感；U_dc为装置直流侧系统的电压，I_dc为直流电流。图示变压器称为联接变压器，将其等效为一个变比为k的理想变压器与漏感L_tr串联，L₀为桥臂串联电感，忽略MMC与联接变之间的电阻，则换流器的等效连接电感L_eq＝L_tr+L₀/2。为换流站公共联接点(point of common coupling,PCC)母线线电压，为联接变阀侧电压，为MMC输出端的线电压相量，定义假设注入交流系统的有功功率为P_s，无功功率为Q_s，有

根据式(1)和式(2)得到如下功率方程：

结合式(3)，装置功率运行范围受到以下三种运行约束(如图2所示)：

1)最大电压调制比约束

其中，M_max为换流器的最大电压调制比，

2)最小电压调制比约束

其中，M_min为换流器的最小电压调制比，

3)桥臂电流约束

P_s ²+Q_s ²≤S_r ² (6)

其中，I_bN为桥臂电流额定值，装置容量S_r＝3U_dcI_bN。

然后，根据图2中A点和C点的大小关系推导容量和最大无功输出之间的关系。

假设图2中A点为(0，Q_A)，C点为(0，Q_C)，有

Q_C＝S_r＝3U_dcI_bN (8)

由式(4)中E_max和M_max的关系进一步得到：

容易得到，PCC点电压U_s较低，使得：

此时Q_A始终小于Q_C，最大无功输出Q_max为Q_A，即：

由于目前国内外有关MMC的推广应用主要集中在高压直流输电(high voltage DCtransmission，HVDC)领域，电压U_s较高，以上关系并不适用于本发明的220kV示范工程，需对高压场合下容量和最大无功输出的关系进行求解，以下如无特殊说明，认为U_s满足下式：

当Q_A<Q_C时有

结合式(9)得到此时容量S_r的范围：

可以看出，容量S_r存在一个转折点S_tp：

当S_r<S_tp时：

S_r≥S_tp时：

Q_max＝Q_c＝S_r(17)

综上所述，满足式(12)的条件时分区互联装置的容量和最大无功输出的关系如下：

绘制Q_max-S_r关系如图3所示，得到以下一些结论：

1)装置容量S_r和最大无功输出Q_max呈分段线性关系。将转折点t命名为无功输出效率转折点，该点以前的st段斜率因此st段上设计装置的容量增加一点，无功输出能力增加很多，称st段为无功输出的高效率段；相应的，该点以后的tb段斜率k₂＝1，称为无功输出的低效率段。假设转折点t为(S_tp，Q_tp)，由式(15)可知：

2)s点对应装置的无功输出起步点，表示设计容量只有大于该点，装置才能输出感性无功功率，将该点容量命名为起步容量S_sp：

3)图3表明了Q_max和S_r的一一对应关系，故已知所需的最大无功输出，就可求得对应的装置容量，求解如下式：

式中，U_s一般取在额定值附近。需要说明的是，分区在发生暂态故障时，U_s通常会比额定值低，此时装置的实际无功功率输出会更多。因此，取U_s在额定值附近计算所需装置容量是具有一定裕度的。

4)为了提高分区互联装置的无功输出能力，可以适当减小联接变的变比k(图4(a)中由曲线①逐次变化到曲线④)或者减小装置与公共联接点间的等效电抗X_eq(图4(b)中斜率增加)。

最后，根据装置容量和最大无功输出的Q_max-S_r曲线，提出定容方法如图5所示。以下对流程图中的步骤进行一些说明：

第一步：求解功率需求

在求解分区动态无功需求时考虑了与STATCOM配合，并且由于两端换流站的设计方案可能不同，求解时两分区需单独考虑。

第二步：求解装置容量

首先，按照式(21)可得两分区无功需求Q_d1和Q_d2对应所需的两端换流站容量S_Qd1和S_Qd2，考虑装置两端换流站采用相同的容量设计，则分区互联装置的容量可由下式确定：

S_r＝max(P_d,max(S_Qd1,S_Qd1)) (22)

然后，定容结果还需依据MMC的模块化设计进行规范处理。MMC功率单元的主电路和控制系统均采用模块化设计，通过调整功率单元数量可实现MMC系统的电压和功率等级的灵活配置，便于系统扩容。MMC每一相上、下2个桥臂构成一个相单元，每个相单元含2n个子模块，处于投入状态的子模块数为n个，n通常为偶数，因此MMC容量应是6个功率单元容量的整数倍：

k为正整数；S₀为一个功率单元的额定容量；U_N和I_bN分别表示功率单元的额定电压和桥臂的额定电流。

最后，由于式(23)得到的结果很可能不是整数，需对其进行适当的取整处理，并留一定裕量。

第三步：容量校验

在装置容量确定以后，基于安全性的充分考虑，有必要对所得容量进行校验。校验分为以下四方面：

1)有功需求校验

检验装置能够控制支援的有功功率是否能够满足互联两分区的有功需求。

2)动态无功需求校验

检验装置能够输出的动态无功是否能够满足互联两分区暂态电压稳定性对动态无功的需求。由于装置两端换流站的设计可能不一样，需分别计算两端的动态无功输出范围。

3)静态无功输出校验

计算装置在联接变档位可调情况下的无功输出范围，以确定分区出现低电压节点时装置的静态无功可调范围，便于与电网已有无功补偿装置配合。

4)送端分区及联络线安全性校验

为了避免分区间的功率支援破坏送端分区安全性或导致联络线过载，需要控制装置输出，计算得到①正常运行的有功支援范围；②N-1安全的有功支援范围。

下面结合算例对本发明进一步说明。

1、算例基本情况

示范工程预计在2017年底投运，此时北京电网分为八个分区。示范工程选址在昌城—城顺朝分区间，将在怀柔220kV变电站扩建柔性直流站场，在单回联络线上安装分区互联装置，实现两个分区的柔性互联，单回联络线容量约为478MVA。

装置采用单变压器方案进行设计，城顺朝分区侧MMC换流站通过联接变接入交流系统，昌城分区侧换流站直接接入交流系统。MMC接入交流系统的等效电路参数(对应图1)取值如下：阀侧额定电压U_v取200kV，桥臂电抗值为68mH，桥臂额定电流为500A，单台变压器的等效电抗值为9.33Ω，变比为1，变压器分接头设计在交流系统侧。MMC功率单元的额定电压为1.6kV，电压调制比最大值M_max取0.95，最小值M_min取0.7。

2、本发明实施步骤

1)求解功率需求

使用PSD-BPA软件仿真分区N-x故障，由于北京电网对安全性要求较高，考虑N-x故障时，除了N-1故障，还对三种N-2故障进行校验：①500kV同塔双回线路N-2故障；②500kV站内连于相同母线主变N-2故障；③220kV同塔双回线路N-2故障。

经仿真得到表1所示昌城-城顺朝分区N-x故障后的静态安全性分析结果。发生表中的静态安全性问题时，装置向故障分区进行紧急功率支援。

表1昌城-城顺朝分区静态安全性问题及所需分区互联装置补偿

由表1所示各故障下两分区所需有功支援的情况可知，昌城分区有功需求为220MW，城顺朝分区有功需求为0MW。故两分区的有功需求P_d为220MW。

仿真示范工程电网的暂态电压稳定性时，具体设置的暂态故障为：①分区内一个发电厂全部发电机停运，500kV站内某台主变发生三相短路故障被切除；②分区内一个发电厂全部发电机停运，220kV某母线发生三相短路故障被切除。

由于示范工程未进行STATCOM的规划，并且目前国内也较少投入使用，在容量论证中不考虑与STATCOM的配合。表2列出了导致电压失稳的暂态故障及所需分区互联装置的无功补偿情况。

表2昌城-城顺朝分区电压失稳故障及所需分区互联装置动态无功补偿

由表2中两分区所需无功补偿情况可知，昌城分区无功需求Q_d1为195Mvar；城顺朝分区无功需求Q_d2为133Mvar。

2)求解装置容量

首先，根据容量和最大无功输出的Q_max-S_r关系曲线，由式(21)可得：满足昌城分区无功需求Q_d1所需的装置容量S_Qd1为543MVA；满足城顺朝分区无功需求Q_d2所需的装置容量S_Qd2为550MVA。然后，由式(22)得到装置容量S_r为550MVA。根据式(23)，由MMC功率单元的额定电压和额定电流得到子模块容量为0.8MVA，分区互联装置容量应为4.8MVA的整数倍，因此，定容结果处理为552MVA。最后，考虑北京电网的后续发展以及对安全性的高要求，装置容量确定为600MVA，每个桥臂设计250个功率单元。

3)容量校验

对600MVA装置容量进行校验得到表3。其中，在计算吸收的无功功率时，各公式中电压调制比最大值M_max替换为最小值M_min，分析方法与输出无功功率类似，不再赘述。

表3容量校验

首先，两分区的有功需求和动态无功需求均在装置的功率输出范围以内且有较大裕度，故有功校验和动态无功校验通过。

再次，城顺朝分区侧换流站可通过调节变压器档位(分接头-5～+5档)，静态无功输出范围将扩大为-600～488Mvar；而无联接变侧换流站的静态无功输出范围相较动态无功输出范围不变。

最后，通过送端分区安全性及联络线校验可知：①在正常运行时，有功支援都不会导致送端分区或联络线出现过载；②考虑N-1安全下，向昌城分区的有功支援可能超出N-1安全范围(0～51MW)。例如发生表1所示安全性问题1时，向昌城分区支援220MW有功会导致城顺朝分区N-1不安全，但可开启十三陵两台发电机以避免该安全隐患。

综上所述，600MVA的容量设计可行。

此外，分析动态无功输出范围还发现，装置一侧取消联接变后，装置与交流系统间等效电抗大幅减小，容量和最大无功输出Q_max-S_r曲线斜率增加(见图4(b))，转折容量由695MVA减小为598MVA，最大无功输出由327Mvar增加到容量上限600Mvar。这进一步验证了Q_max-S_r曲线的正确性。

Claims (2)

1.一种基于柔性直流技术的城市电网分区互联装置的定容方法，包括下列步骤：

①求解有功需求

仿真电网N-x故障得到分区的过载故障集{f₁，f₂，…，f_k，…，f_m}，k、m分别为过载故障编号和总数，则有功需求P_d可由下式得到：

P_d＝max(P₁,P₂,...,P_k,...,P_m)

式中，P_k表示故障f_k情况下消除元件过载所需的最小有功支援值；

②求解无功需求

仿真暂态故障得到分区1电压失稳故障集{e₁，e₂，…，e_l}，分区2电压失稳故障集{g₁，g₂，…，g_n}，l、n分别为两分区电压失稳故障总数，则分区1和分区2无功需求Q_d1和Q_d2可由下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{d1}=max(Q_1,Q_2,...,Q_l)\\ Q_{d2}=max(Q_{l+1},Q_{l+2},...,Q_{l+n})\end{array}\right.$

式中，Q_t(t＝1,2，…，l，l+1，…，l+n)表示两分区各故障情况下为稳定电网电压需要分区互联装置的最小动态无功补偿值；

③满足功率需求的容量设计

按照下式得到两分区无功需求Q_d1和Q_d2对应所需的两端模块化多电平换流器换流站容量S_Qd1和S_Qd2：

$\left\{\begin{array}{cc}{S}_{Qd}=\frac{2\sqrt{6}{I}_{bN}}{M_{\max }}({\mathrm{kU}}_s+\frac{X_{eq}{Q}_d}{{\mathrm{kU}}_s}),& Q_d<Q_{tp}\\ S_{Qd}=Q_d,& Q_d\&GreaterEqual;Q_{tp}\end{array}\right.$

式中，Q_d表示无功需求，其它参数通常情况下已知：X_eq表示装置换流站和换流站公共联接点间的等效电抗值，U_s为换流站公共联接点母线线电压幅值，k为联接变压器的变比，I_bN为换流器桥臂电流额定值，M_max为换流器的最大电压调制比，Q_tp为转折点无功功率，其中，转折点无功功率Q_tp求解如下式：

$Q_{tp}=\frac{2\sqrt{6}{\left({\mathrm{kU}}_s\right)}^2{I}_{bN}}{{\mathrm{kM}}_{\max }{U}_s-2\sqrt{6}{I}_{bN}{X}_{eq}}$

考虑装置两端换流站采用相同的容量设计，则分区互联装置的容量S_r由下式确定：

S_r＝max(P_d,max(S_Qd1,S_Qd1))

④基于模块化多电平换流器模块化的容量处理

模块化多电平换流器功率单元的主电路和控制系统均采用模块化设计，对容量进行如下处理：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_r=6{\mathrm{kS}}_0\\ S_0=U_N{I}_{bN}\end{array}\right.$

式中，k为正整数；S₀为一个功率单元的额定容量；U_N表示换流器功率单元的额定电压；

⑤容量取整

对容量S_r进行适当的取整处理，并留一定裕量。

2.根据权利要求1所述的定容方法，其特征在于，步骤②中，分区互联装置和静止同步补偿器均补偿动态无功以稳定母线电压时，通过两者的综合优化得到合理的静止同步补偿器

安装地点和容量，并仿真得到静止同步补偿器

配合下两分区的无功需求。