CN106961109A - 一种多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法包括：获得各种相关参数；基于获得的参数分别形成送端电网和受端电网的节点导纳矩阵；步骤3：获取扰动发生前相关信息；步骤4：获取扰动发生后相关信息；步骤5：建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的等式约束条件；步骤6：建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的不等式约束条件；步骤7：建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的最小化目标函数；步骤8：得到多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的优化结果，实现了多直流间的优化协调控制的技术效果。

Description

一种多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统频率稳定分析与评估领域，具体地，涉及一种多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法。

背景技术

在中国通常负荷中心都是远离发电区域，为了进行合理的电能输送，高压直流输电由于其技术成熟以及具有传输容量大、传输距离远的经济特点而得到了广泛的应用。随着直流输电工程的快速建设，近几年出现了很多的多馈入直流输电系统。例如目前中国的华东电网、广东电网均含有5条外部互联直流，已经成为典型的多直流输电馈出电力系统。在未来几年大电网中会有更多的区域电网逐渐发展成以多直流互联的多直流输电馈出电力系统形式存在。伴随这种新的电网形式的出现，多直流输电馈出电力系统的频率稳定问题也值得人们重视。多馈出直流系统中的频率稳定性反映了其系统中有功功率的平衡关系，这与多条馈出直流的运行状态有着直接的关系。

当多直流输电馈出电力系统内部受到扰动时，高压直流输电技术具有高度可控、调节迅速的特点，可以迅速改变直流系统注入功率，进行直流紧急功率支援。因此如何利用直流的功率调节能力系统在扰动后的稳态频率制定相应的紧急控制方法，对防止多馈入直流系统的频率崩溃具有重要的意义。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，均无法实现区域中多条直流的协调优化控制,从而导致各条直流的行为难以相互配合甚至出现相互冲突的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，解决了在现有技术中，均无法实现区域中多条直流的协调优化控制,从而导致各条直流的行为难以相互配合甚至出现相互冲突的技术问题，实现了多直流间的优化协调控制的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于广域量测的多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，包括以下步骤：

(a)通过对电网参数、电网运行方式、直流输电主回路参数等资料收集的方法，获得直流输电系统送端电网、受端电网的电网结构及变压器、输电线路参数，获得各直流输电工程运行电压及线路电阻，获得送端电网和受端电网各个发电机的频率调节效应系数；

(b)利用以上参数收集结果，分别形成送端电网和受端电网的节点导纳矩阵；

(c)通过广域量测装置，获取大电源丢失、负荷突变等扰动发生前，送端电网的稳态频率，受端电网的稳态频率，直流输电系统送端、受端电网各发电机的有功出力；

(d)通过广域量测装置，获取大电源丢失、负荷突变等扰动发生后瞬间，直流输电系统送端、受端电网各母线负荷有功、无功分布、各发电机有功出力及机端电压；

(e)建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的等式约束条件；

(f)建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的不等式约束条件；

(g)建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的最小化目标函数；

(h)得到多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的优化结果。

广域量测系统(WAMS)的应用为扰动后稳态频率的计算提供了宝贵信息。利用广域量测数据来估算系统扰动后有功功率缺额，预测计算出系统扰动后稳态频率。基于广域量测数据的电力系统自动切负荷算法，实现了稳态频率的紧急控制。

其中，广域量测装置为现有技术中的装置，当前广域测量系统(WAMS)的PMU装置以GPS为采样基准，能全网同步采集机组和线路的电压、电流以及重要的开关保护信号；并能计算得到电压和电流相量、频率和频率变化率、机组和线路功率、发电机内电势(功角)以及根据机组键相信号实测机组功角；同时还能提供扰动触发的暂态记录。基于PMU的广域测量系统能实现对电力系统动态过程的监测，其测量的数据能反映系统的动态行为特征。广域测量系统为电力系统提供了新的测量和监控手段，其突出的优点是：可以在时间－空间－幅值三维坐标下同时观察电力系统全局的机电动态过程全貌。

进一步地，所述步骤(e)中，多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的等式约束条件主要为大电源丢失、负荷突变等扰动结束后多直流输电馈出电力系统稳态潮流方程，假设各条母线电压均为1.0p.u.，因此，针对一个多直流输电馈出电力系统，设定有1个送端电网，N1个受端电网，N2条直流，设定共有n个节点的系统：

针对送端电网每个发电机母线i₁，形成如下方程：

式中：

P_Gri1是i1号母线发电机在扰动发生前的有功出力，k_Gri1是i1号母线上发电机的频率调节效应系数；k是电网母线的节点号，G_i1k、B_i1k分别是节点导纳矩阵i1行k列元素的实部和虚部，θ_i1k是i1号母线与k号母线的功角差。Δω₁为送端电网频率偏差量。

针对x号受端电网(N₁≥x＞0)每个发电机母线i2，形成如下方程：

式中：

P_Gri2是i2号母线发电机在扰动发生前的有功出力，k_Gri2是i2号母线上发电机的频率调节效应系数；k是电网母线的节点号，G_i2k、B_i2k分别是节点导纳矩阵i2行k列元素的实部和虚部，θ_i2k是i2号母线与k号母线的功角差。Δω_sx为x号受端电网频率偏差量。

针对送端电网、受端电网每个负荷j，形成如下方程：

式中：

P_Lri是j号母线负荷在扰动发生前的有功出力，G_jk、B_jk分别是节点导纳矩阵j行k列元素的实部和虚部，θ_jk是j号母线与k号母线的功角差。

针对送端电网中，直流换流母线m，形成如下方程：

式中：

P_DCm是m号母线所连的直流输电系统在扰动发生前的传输功率，△P_DCm是m号母线所连的直流输电系统的紧急功率提升量，G_mk、B_mk分别是节点导纳矩阵m行k列元素的实部和虚部，θ_mk是m号母线与k号母线的功角差。

针对受端电网中，直流换流母线l，形成如下方程：

式中：

P_DCl是l号母线所连的直流输电系统在扰动发生前的传输功率，△P_DCl是l号母线所连的直流输电系统的紧急功率提升量，G_lk、B_lk分别是节点导纳矩阵l行k列元素的实部和虚部，θ_lk是l号母线与k号母线的功角差。

同时对于h号直流输电工程在送端与m节点相连，在受端与l节点相连，因此有：

式中：

V_op为该直流输电工程的运行电压，R_h为该直流输电工程的线路电阻。

进一步地，所述步骤(f)中，多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的不等式约束条件包括各个电网的频率允许范围约束，直流输电的过载运行能力约束等。

其中各个电网的频率允许范围约束用下述表达式表示：

式中：

ω₁₀、Δω₁、ω_1min、ω_1max(i)分别为送端电网的扰动前系统频率、扰动结束后频率变化值、最小频率允许值、最大频率允许值。ω_sx(0)、Δω_sx、ω_sxmin、ω_sxmax(i)分别为x号受端电网的扰动前系统频率、扰动结束后频率变化值、最小频率允许值、最大频率允许值。

直流输电过载能力约束用下述表达式表示：

式中：

为扰动发生前h号直流输电系统输送功率，ΔP_dc(h)为h号直流输电系统功率提升量，P_dc(h)max为h号直流输电系统最大传输功率能力，P_dc(h)min为h号直流输电系统最小传输功率要求。

进一步地，所述步骤(g)中，多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的最小化目标函数由如下表达式表示：

进一步地，所述步骤(h)中，按照广域量测数据得到的结果，针对最小化目标函数应用内点法进行优化计算，得到各条直流的功率提升量。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请利用广域量测系统(WAMS)所提供的扰动后瞬间数据，列出了多馈入直流电网在出现扰动后的稳态频率响应模型；针对于系统稳态频率越界的问题，本申请考虑到利用多馈入直流参与稳态频率调节，并计及本区域电网各直流的传输功率约束以及各互联电网频率波动约束，设计了多直流输电馈出电力系统最优稳态频率协调控制算法，实现了多直流间的优化协调控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的流程示意图；

图2是本申请中IEEE50机改进系统示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，解决了在现有技术中，均无法实现区域中多条直流的协调优化控制,从而导致各条直流的行为难以相互配合甚至出现相互冲突的技术问题，实现了多直流间的优化协调控制的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图2，为验证本文所设计方法的正确性和有效性，本专利对典型的IEEE50机系统进行改造，在其中接入多条高压直流线路构成多馈入直流系统。改进后的IEEE50机测试系统的500kV主线图如图2所示，此系统包含50个发电机母线和95个负荷母线，其负荷模型由5.02％的恒阻抗负荷和94.98的恒功率负荷构成。

相对于传统的IEEE50机系统，新的IEEE50机系统新增加了4条与其他区域电网互联的直流线路，即改进后的IEEE50机系统主要包括：1个平衡节点、49个PV节点、91个PQ节点以及4个直流节点。新增直流线路分别与区域内27号母线、59号母线、74号母线以及110号母线相连，其中：27号母线、59号母线、74号母线、110号母线分别与高压直流相连。

表1直流系统基本参数

系统工况：在t＝0s时，系统在线路1-25的母线1端发生三相短路故障。在t＝0.15s时，该故障线路切除，考虑到系统可能会暂态失稳，因此在t＝0.18s时，切除93号发电机，仿真总时长持续50s。

设定本区域电网的频率稳定范围为(59.5HZ～60.5HZ)。按照上述系统工况，通过PSS/E仿真得到，系统在经过切93号机扰动后稳态频率将下降到57.751Hz，明显超出频率稳定范围。因此在t＝0.18s时，启动本文所设计的基于多馈入直流的最优稳态频率控制策略，设定扰动后电网稳态频率整定值为ω_set＝59.5Hz。

按照本区域电网扰动后稳态频率整定值，通过本文所设计的最优频率稳定控制算法可以得到各条直流进行紧急功率支援时的最优功率调节量如表2所示：

表2切除93号机后的各条直流最优功率调节量

根据优化得到的最优功率调节量，利用PSS/E在原有的算例工况中t＝0.2s时，对相应的直流节点的有功功率和无功功率传输量进行修改。最后通过仿真得到多馈入直流参与频率调节后的稳态频率达到59.5Hz，满足系统要求。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本申请利用广域量测系统(WAMS)所提供的扰动后瞬间数据，列出了多馈入直流电网在出现扰动后的稳态频率响应模型；针对于系统稳态频率越界的问题，本申请考虑到利用多馈入直流参与稳态频率调节，并计及本区域电网各直流的传输功率约束以及各互联电网频率波动约束，设计了多直流输电馈出电力系统最优稳态频率协调控制算法，实现了多直流间的优化协调控制。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：获得直流输电系统送端电网、受端电网的电网结构及变压器、输电线路参数，获得各直流输电工程运行电压及线路电阻，获得送端电网和受端电网各个发电机的频率调节效应系数；

步骤2：基于步骤1获得的信息，分别形成送端电网和受端电网的节点导纳矩阵；

步骤3：通过广域量测装置，获取扰动发生前，送端电网的稳态频率，受端电网的稳态频率，直流输电系统送端、受端电网各发电机的有功出力；

步骤4：通过广域量测装置，获取扰动发生后，直流输电系统送端、受端电网各母线负荷有功、无功分布、各发电机有功出力及机端电压；

步骤5：基于多直流输电馈出电力系统的稳态潮流方程，建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的等式约束条件；

步骤6：基于各区域电网的频率允许范围以及各个直流输电的过负荷能力，建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的不等式约束条件；

步骤7：基于各个区域电网频率偏差绝对值之和最小，建立多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的最小化目标函数；

步骤8：基于最小化目标函数进行计算，得到多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法的优化结果。

2.根据权利要求1所述的多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，其特征在于，所述步骤5中，等式约束条件为扰动结束后多直流输电馈出电力系统稳态潮流方程，设各条母线电压均为1.0p.u.，针对一个多直流输电馈出电力系统，设定有1个送端电网，N1个受端电网，N2条直流，设定共有n个节点的系统：

针对送端电网每个发电机母线i₁，形成如下方程：

$P_{Gri1}-k_{Gri1}{\mathrm{\Δ\ω}}_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}(G_{i1k}+B_{i1k}{\mathrm{\θ}}_{i1k})---\left(1.1\right)$

式中：P_Gri1是i1号母线发电机在扰动发生前的有功出力，k_Gri1是i1号母线上发电机的频率调节效应系数；k是电网母线的节点号，G_i1k、B_i1k分别是节点导纳矩阵i1行k列元素的实部和虚部，θ_i1k是i1号母线与k号母线的功角差，Δω₁为送端电网频率偏差量；

针对x号受端电网每个发电机母线i2，N₁≥x＞0，形成如下方程：

$P_{Gri2}-k_{Gri2}{\mathrm{\Δ\ω}}_{sx}=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}(G_{i2k}+B_{i2k}{\mathrm{\θ}}_{i2k})---\left(1.2\right)$

式中：P_Gri2是i2号母线发电机在扰动发生前的有功出力，k_Gri2是i2号母线上发电机的频率调节效应系数；k是电网母线的节点号，G_i2k、B_i2k分别是节点导纳矩阵i2行k列元素的实部和虚部，θ_i2k是i2号母线与k号母线的功角差，Δω_sx为x号受端电网频率偏差量；

针对送端电网、受端电网每个负荷j，形成如下方程：

$-P_{Lrj}=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}(G_{jk}+B_{jk}{\mathrm{\θ}}_{jk})---\left(1.3\right)$

式中：P_Lri是j号母线负荷在扰动发生前的有功出力，G_jk、B_jk分别是节点导纳矩阵j行k列元素的实部和虚部，θ_jk是j号母线与k号母线的功角差；

针对送端电网中，直流换流母线m，形成如下方程：

$-(P_{DCm}+{\mathrm{\ΔP}}_{DCm})=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}(G_{mk}+B_{mk}{\mathrm{\θ}}_{mk})---\left(1.4\right)$

式中：P_DCm是m号母线所连的直流输电系统在扰动发生前的传输功率，△P_DCm是m号母线所连的直流输电系统的紧急功率提升量，G_mk、B_mk分别是节点导纳矩阵m行k列元素的实部和虚部，θ_mk是m号母线与k号母线的功角差；

针对受端电网中，直流换流母线l，形成如下方程：

$(P_{DCl}+{\mathrm{\ΔP}}_{DCl})=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}(G_{lk}+B_{lk}{\mathrm{\θ}}_{lk})---\left(1.5\right)$

式中：P_DCl是l号母线所连的直流输电系统在扰动发生前的传输功率，△P_DCl是l号母线所连的直流输电系统的紧急功率提升量，G_lk、B_lk分别是节点导纳矩阵l行k列元素的实部和虚部，θ_lk是l号母线与k号母线的功角差；

同时对于h号直流输电工程在送端与m节点相连，在受端与l节点相连，则有：

$P_{DCm}+{\mathrm{\ΔP}}_{DCm}=P_{DCl}+{\mathrm{\ΔP}}_{DCl}+\frac{P_{DCm}+{\mathrm{\ΔP}}_{DCm}}{V_{op}}{R}_h---\left(1.6\right)$

式中：V_op为该直流输电工程的运行电压，R_h为该直流输电工程的线路电阻。

3.根据权利要求1所述的多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，其特征在于，所述步骤6中，不等式约束条件包括：各个电网的频率允许范围约束，直流输电的过载运行能力约束；其中各个电网的频率允许范围约束用下述表达式表示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{1\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{10}+{\mathrm{\Δ\ω}}_1\≤{\mathrm{\ω}}_{1\max }\\ {\mathrm{\ω}}_{sx\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{sx\left(0\right)}+{\mathrm{\Δ\ω}}_{sx}\≤{\mathrm{\ω}}_{sx\max }\end{array}---\left(1.7\right)$

式中：ω₁₀、Δω₁、ω_1min、ω_1max(i)分别为送端电网的扰动前系统频率、扰动结束后频率变化值、最小频率允许值、最大频率允许值；ω_sx(0)、Δω_sx、ω_sxmin、ω_sxmax(i)分别为x号受端电网的扰动前系统频率、扰动结束后频率变化值、最小频率允许值、最大频率允许值；

直流输电过载能力约束用下述表达式表示：

$\begin{array}{cc}{P}_{dc\left(h\right)\min }\&le;P_{dc\left(h\right)\left(0^{+}\right)}+{\mathrm{\&Delta;P}}_{dc\left(h\right)}\&le;P_{dc\left(h\right)max}& (0<h\&le;N_2)\end{array}---\left(1.8\right)$

式中：为扰动发生前h号直流输电系统输送功率，ΔP_dc(h)为h号直流输电系统功率提升量，P_dc(h)max为h号直流输电系统最大传输功率能力，P_dc(h)min为h号直流输电系统最小传输功率要求。

4.根据权利要求1所述的多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，其特征在于，所述步骤7中，最小化目标函数表示为：

$\min f={\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_1+\underset{x=1}{\overset{N_1}{\&Sigma;}}\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_{sx}\right|---\left(1.9\right).$

5.根据权利要求1所述的多直流输电馈出电力系统稳态频率控制方法，其特征在于，所述步骤8中，按照广域量测数据得到的结果，针对最小化目标函数应用内点法进行优化计算，得到各条直流的功率提升量。