CN106972518A - 小型地方电网与能源基地直流外送系统接入模式选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型地方电网与能源基地直流外送系统的接入模式选择方法，包括以下步骤：1)对能源基地直流外送系统和地方电网进行等值建模；2)计算联网和孤岛接入模式下送端电网的系统单位调节功率；3)计算地方电网可用供电能力ASC，根据ASC指标判断地方电网类型；4)地方电网为供电区时，能源基地直流外送系统应选择联网接入模式；5)地方电网为受电区时，改变断路器状态，将能源基地直流外送系统切换至联网运行模式；6)设置直流闭锁故障，进行频率校验；7)设置短路故障，进行短路校验。本发明可为能源基地直流外送系统规划建设时接入模式选择提供依据，具有工程使用价值。

Description

小型地方电网与能源基地直流外送系统接入模式选择方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制领域，具体涉及一种小型地方电网与能源基地直流外送系统的接入模式选择方法。

背景技术

随着“一带一路”建设和“全球能源战略”的实施，推动各大洲大型能源基地开发和电网跨国互联，实现能源大规模、大范围、高效率优化配置，是今后一段时期内电网发展的重要方向。特高压直流输电系统具备输电距离远、输送容量大等优势，在大容量远距离输电、电网异步互联等方面已有广泛应用。

我国新建的能源基地一般地理位置偏远，远离负荷中心，与送端主网电气联系薄弱。以中蒙±660kV直流输电系统为例，由于蒙古电网规模小，为避免“大机小网”问题，直流送端电厂不并入蒙古电网，采取直流孤岛运行方式。对于一般能源基地直流外送系统，采用孤岛接入时，如果直流线路发生单/双极闭锁故障，大规模功率波动不会对地方电网造成影响；但由于缺少地方电网支撑，直流系统容易出现过电压和高频问题。采用联网接入时，如果直流线路发生单/双极闭锁故障，地方电网可以消纳一部分机组的出力(消纳程度与电网可用供电能力有关)；但送端系统功率过剩超过一定限度时，可能引起送端系统暂态高频问题，对地方电网造成较大冲击。

当前对能源基地直流外送系统的研究主要集中在受端，对送端研究多为孤岛接入方式下暂态稳定性分析，送端发电机组以及直流调制系统的协调控制策略方面。一部分学者对联网接入模式进行了相关研究，但由于地方电网规模大，对直流外送系统有较强的支撑能力。相比孤岛接入，与大型地方电网联网接入具有较强优势，不存在接入模式选择问题。

现在规划设计中出现了新的难题：新建能源基地地理位置偏远，近能源基地的地方电网规模较小，一般为远离负荷中心的弱电网。工程上构建能源基地直流外送系统时，需要考虑此类地方电网是否接入外送系统，即选择联网接入模式或者孤岛接入模式。

发明内容

为了克服现有研究的不足，本发明考虑不同地方电网规模，采用可用供电能力参数将地方电网划分为供电区或受电区，对联网接入模式下地方电网有功频率、短路电流进行校验，提出一种考虑地方电网的能源基地直流外送系统接入模式选择方法。本发明采用的方法具有工程使用价值。

本发明的创新点有：本专利研究能源基地直流外送系统与近端小型地方电网的接入模式选择方法，这是规划设计中面临的新课题，目前未见有相关研究成果。本专利考虑能源基地直流外送系统近端的小型地方电网规模，采用可用供电能力参数将地方电网划分为供电区或受电区，考察送端电网的有功频率水平、短路电流水平，提出一种小型地方电网和能源基地直流外送系统的接入模式选择方法。本发明具有原创性。

本发明提供了一种小型地方电网与能源基地直流外送系统的接入模式选择方法。

本发明内容说明如下：

1、一种小型地方电网与能源基地直流外送系统的接入模式选择方法，其所述方法包括以下步骤：

步骤一：对能源基地直流外送系统和地方电网进行等值建模。

(1)对能源基地外送系统进行等值建模，包括送端火电机组、12脉动换流器、交直流滤波器、直流线路、受端无穷大系统等。

(2)采用同调等值法对送端地方电网进行等值建模。

同调等值法采用恒等功率技术对同调组内发电机母线进行化简，保证等值前后各边界母线的注入功率不变，同调机群发出的功率也恒定不变。将某电压等级下地方电网内所有发电机聚合成一台等值发电机，其额定容量和有功功率分别为：

发电机相关参数的等值方法由公式(3)表示：

l为送端电网中包含发电机组的台数；S_i为第i(i＝1,2,...l)台发电机组的容量，M_eq表示电网等值后发电机组的以下参数之一：转动惯量、惯性时间常数、阻尼系数、同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗等，M_eq是以等值后发电机容量为基准值的标幺值，M_i表示电网第i台发电机对应所表示参数的标幺值，该标幺值以第i台发电机组自身容量为基准值。

根据地方电网的潮流数据确定等值负荷，确保等值前后负荷的静特性、感应电动机负荷所占比例不变，保证等值前后主干网节点的电压、短路电流不变。

(3)搭建考虑地方电网的能源基地直流外送模型。

图1考虑地方电网的能源基地直流外送系统模型图

等值建模完成后，考虑地方电网的能源基地直流外送系统模型图如图1所示，其中区域A表示能源基地发电机组；区域B表示送端地方电网；区域C表示直流线路与受端无穷大系统。模型图中断路器BRK用于联网和孤岛两种接入模式的切换。

步骤二：计算联网和孤岛接入模式下送端系统的系统单位调节功率。

图1中能源基地直流外送系统(区域A)系统单位调节功率为K_A，地方电网(区域B)系统单位调节功率为K_B。不考虑直流调制作用，当断路器断开时，系统运行于孤岛接入模式，送端系统频率特性系数K_{∑_ios}＝K_A；当断路器闭合时，系统运行于联网接入模式，送端系统频率特性系数K_{∑_con}＝K_A+K_B。

步骤三：计算地方电网可用供电能力ASC，根据ASC指标判断地方电网区域类型。

(1)计算地方电网可用供电能力ASC。

在步骤一中对地方电网进行了简单等值，等值后地方电网由于可用供电能力不同，直流闭锁后可接纳的转移功率量也不同。可用供电能力(ASC)是指保证N-1安全条件下，一定供电区域内电网在现有负荷的基础上可以增加的供电能力，即：

ASC＝TSC-L_max (4)

TSC表示电网最大供电能力，即现有电网的最大负荷供应量，L_max表示电网现有的全部负荷，ASC指标反应了电网的负荷供应裕度，也反应了接纳送端火电机组过剩出力的能力。

(2)根据ASC指标判断地方电网类型。

当ASC>0时，地方电网(区域B)为供电区，不能消纳额外功率；当ASC<0时，地方电网(区域B)为受电区,可以消纳功率，参与直流外送系统送端频率调节过程。

步骤四：地方电网为供电区时，能源基地直流外送系统选择联网接入模式。

根据步骤三可判断地方电网为供电区时，能源基地直流外送系统应选择联网接入模式，分析如下：

设△f为系统实际频率与额定频率之差，即:

Δf＝f-f_N (5)

其中f为系统实测频率，f_N为系统额定频率。

图2地方电网与能源基地直流外送系统区域互联简图

地方电网与能源基地直流外送系统区域互联简图如图2所示，联网运行时由联络线功率调节理论可得：

图2中△P_GA为区域A中能源基地发电机功率变化量；△P_GB和△P_LB分别为地方电网中发电机和负荷的功率变化量；△P_T为联络线功率偏差。K_∑为送端系统单位调节功率。

若ASC>0，可判断B为供电区，即不能消纳额外功率。根据步骤二分析可知K_{∑_con}>K_{∑_ios}显然成立，又由(7)式可知当联网下系统的系统单位调节功率大，调频能力强；区域B与区域A、C不存在功率交换，不需进行校验。能源基地直流外送系统送端联网接入明显优于孤岛接入，故当地方电网为供电区时应选择联网接入模式。

步骤五：

根据步骤三可判断地方电网为受电区时，联络线功率偏差△P_T≠0，地方电网可以参与直流外送系统送端频率调节过程。由于联网模式下区域B与区域A、C存在功率交换，系统动态特性复杂，需要通过频率稳定校验和短路校验进行模式选择。

闭合断路器，将能源基地直流外送系统切换至联网运行模式。

步骤六：设置直流闭锁故障，进行频率稳定校验。

模拟能源基地直流外送系统联网运行模式稳态运行过程，运行方式采用双极全压运行，双极功率控制，双极功率为额定功率P_N。当系统运行到某一时刻(t＝t₀)时，模拟控制系统发出闭锁信号，使HVDC系统工作于单极运行状态，此时联络线功率偏差△P_T＝0.5P_N。

检测整流侧换流站母线实时频率f₁，得到频率偏差△f₁。根据若△f∈[-0.5Hz,0.5Hz],说明联网接入方式下送端系统频率稳定，否则应选择孤岛接入模式。

步骤七：设置短路故障，进行短路水平校验。

(1)计算地方电网发生三相短路时的短路电流。

模拟地方电网主变母线侧发生三相短路故障，计算故障短路电流，用于短路水平校验。

(2)判断短路水平是否超标并进行模式选择。

判断短路电流是否满足《城市电网规划设计导则》的要求。结合步骤五中的校验结果，若地方电网满足频率稳定校验和短路水平校验，应选择联网接入模式，否则应选择孤岛接入模式。

本专利由于采取以上技术方案，具有以下创新点：1、本专利研究能源基地直流外送系统与近端小型地方电网的接入模式选择方法，这是规划设计中面临的新课题，目前未见有相关研究成果。2、本专利考虑能源基地直流外送系统近端的小型地方电网规模，采用可用供电能力参数将地方电网划分为供电区或受电区，考察送端电网的有功频率水平、短路电流水平，提出一种小型地方电网和能源基地直流外送系统的接入模式选择方法。本专利可以广泛应用于特高压直流工程的规划过程中。

附图说明

图1为小型地方电网与能源基地直流外送系统的接入模式选择方法基本步骤框图。

图2为考虑地方电网的能源基地直流外送系统模型图。

图3为地方电网与能源基地直流外送系统区域互联简图。其中(a)孤岛接入模式；(b)联网接入模式。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为地方电网与能源基地直流外送系统的接入模式选择方法基本步骤框图。图1中所述方法，其特征包括下列步骤：

步骤一：对能源基地直流外送系统和地方电网进行等值建模。

(1)对能源基地外送系统进行等值建模，包括送端火电机组、12脉动换流器、交直流滤波器、直流线路、受端无穷大系统等。

(2)采用同调等值法对送端地方电网进行等值建模。

同调等值法采用恒等功率技术对同调组内发电机母线进行化简，保证等值前后各边界母线的注入功率不变，同调机群发出的功率也恒定不变。将某电压等级下地方电网内所有发电机聚合成一台等值发电机，其额定容量和有功功率分别为：

发电机相关参数的等值方法由公式(3)表示：

l为送端电网中包含发电机组的台数；S_i为第i(i＝1,2,...l)台发电机组的容量，M_eq表示电网等值后发电机组的以下参数之一：转动惯量、惯性时间常数、阻尼系数、同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗等，M_eq是以等值后发电机容量为基准值的标幺值，M_i表示电网第i(i＝1,2,...l)台发电机对应M_eq所表示参数的标幺值，该标幺值以第i台发电机组自身容量为基准值。

根据地方电网的潮流数据确定等值负荷，确保等值前后负荷的静特性、感应电动机负荷所占比例不变，保证等值前后主干网节点的电压、短路电流不变。

(3)搭建考虑地方电网的能源基地直流外送模型。

等值建模完成后，考虑地方电网能源基地直流外送系统模型图如图2所示，其中区域A表示能源基地发电机组；区域B表示送端地方电网；区域C表示直流线路与受端无穷大系统。模型图中断路器BRK用于联网和孤岛两种接入模式的切换。

步骤二：计算直流外送系统不同接入模式下的系统单位调节功率。

图2中能源基地直流外送系统(区域A)系统单位调节功率为K_A，地方电网(区域B)系统单位调节功率为K_B。不考虑直流调制作用，当断路器断开时，系统运行于孤岛接入模式，送端系统频率特性系数K_{Σ_ios}＝K_A；当断路器闭合时，系统运行于联网接入模式，送端系统频率特性系数K_{Σ_con}＝K_A+K_B。

步骤三：计算地方电网可用供电能力ASC，根据ASC指标判断地方电网区域类型。

(1)计算地方电网可用供电能力ASC。

在步骤一中对地方电网进行了简单等值，等值后地方电网由于可用供电能力不同，直流闭锁后可接纳的转移功率量也不同。可用供电能力(ASC)是指保证N-1安全条件下，一定供电区域内电网在现有负荷的基础上可以增加的供电能力，即：

ASC＝TSC-L_max (4)

TSC表示电网最大供电能力，即现有电网的最大负荷供应量，L_max表示电网现有的全部负荷，ASC指标反应了电网的负荷供应潜力，即接纳送端火电机组过剩出力的能力。

(2)根据ASC指标判断地方电网类型。

当ASC＞0时，地方电网(区域B)为供电区，不能消纳额外功率；当ASC＜0时，地方电网(区域B)为受电区,可以消纳功率，参与直流外送系统送端频率调节过程。

步骤四：地方电网为供电区时，能源基地直流外送系统应选择联网接入模式。

根据步骤三可判断地方电网为供电区(ASC＞0)时，能源基地直流外送系统应选择联网接入模式，分析如下：

设Δf为系统实际频率与额定频率之差，即:

Δf＝f-f_N (5)

其中f为系统实测频率，f_N为系统额定频率。

地方电网与能源基地直流外送系统区域互联简图如图3所示，由区域电网联络线功率调节理论可得：

图3中ΔP_GA为区域A中能源基地发电机功率变化量；ΔP_GB和ΔP_LB分别为交流电网中发电机和负荷的功率变化量；ΔP_T为联络线功率偏差。K_Σ为送端系统单位调节功率。

若ASC＞0，可判断B为供电区，ΔP_T＝0，地方电网不能消纳额外功率。根据步骤二分析可知K_{Σ_con}＞K_{Σ_ios}显然成立，又由(7)式可知当联网下系统的单位调节功率大，调频能力强；区域B与区域A、C不存在功率交换，不需进行校验。能源基地直流外送系统送端联网接入明显优于孤岛接入，故当地方电网为供电区时应选择联网接入模式。

步骤五：若ASC＜0，可判断B为受电区，ΔP_T≠0，地方电网可以参与直流外送系统送端频率调节过程。由于联网模式下送端火电机组与地方电网存在功率交换，系统动态特性复杂，需要通过频率稳定校验和短路水平校验进行模式选择。

闭合断路器，将能源基地直流外送系统切换至联网运行模式。

步骤六：设置直流闭锁故障，进行频率稳定校验。

模拟能源基地直流外送系统联网运行模式稳态运行过程，运行方式采用双极全压运行，双极功率控制，双极功率为额定功率P_N。当系统运行到某一时刻(t＝t₀)时，模拟控制系统发出闭锁信号，使HVDC系统工作于单极运行状态，此时联络线功率偏差ΔP_T＝0.5P_N。

检测整流侧换流站母线实时频率f₁，得到频率偏差Δf₁。根据若Δf₁∈[-0.5,0.5]Hz,说明联网接入方式下送端系统频率稳定，否则应选择孤岛接入模式。(3)根据上述步骤，地方电网为受电区时，如果能源基地直流外送联网系统满足频率稳定及短路电流阈值要求，应选择联网运行模式，否则应选择孤岛运行模式。

步骤七：设置短路故障，进行短路水平校验。

(1)计算地方电网发生三相短路时的短路电流。

模拟地方电网主变母线侧发生三相短路，计算故障短路电流I_if，用于短路水平校验。

(2)判断短路水平是否超标并进行模式选择。

判断短路电流是否满足《城市电网规划设计导则》的要求。结合步骤五中的校验结果，若地方电网满足频率稳定性校验和短路水平校验，应选择联网接入模式，否则应选择孤岛接入模式。

下面通过一个实际火电直流外送系统来说明本发明能源基地直流外送系统送端接入模式选择方法。

HVDC系统模型图如图2所示。在PSCAD软件中搭建仿真模型，仿真时间设为50s。区域A表示某地区实际火电外送系统，该火电外送系统送端共6台额定功率600MW的火电机组，直流线路额定电压为±500kV，双极额定功率3000MW。

区域B表示送端地方电网，等值后的电网由发电机、变压器组成。发电机考虑自动励磁调节装置、调速器作用，机组阻尼系数D取0；负荷采用60％感应电动机+40％恒阻抗静态ZIP的综合阻抗模型。交流电网最大供电能力为3000MW，负荷供应潜力为5000MW，由(4)式计算出该电网可用供电能力ASC<0，为受电区。根据(5)-(7)式可知区域B为受电区时，可以选择联网接入模式，但要进行稳定性校验。

t＝10s时，模拟控制系统发出闭锁信号，使HVDC系统工作于单极运行状态。测量实时频率并由(5)式计算可得送端交流电网频率偏差峰值为0.42HZ，满足频率偏差限值要求。

模拟地方电网母线侧发生三相接地短路故障，计算短路电流I_if。计算各电源对短路点的转移阻抗，求得计算电抗，查运算曲线得到以发电机额定功率为基准值的短路电流标幺值。求得各电源电流对短路点有名值之和即为短路电流。计算得到该220kV区域短路电流为48.23kA。

表1各电压等级的短路电流限定值

表1为《城市电网规划设计导则》中对城网各级电压的短路水平要求。由该表可知联网接入模式满足导则要求。

能源基地直流外送系统在联网接入模式下满足稳定性校验，因此该送端地区宜选择联网接入模式。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种小型地方电网与能源基地直流外送系统的接入模式选择方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一：对能源基地直流外送系统和地方电网进行等值建模；

步骤二：计算联网和孤岛接入模式下送端系统的系统单位调节功率；

步骤三：计算地方电网可用供电能力ASC，根据ASC指标判断地方电网类型；

步骤四：地方电网为供电区时，能源基地直流外送系统应选择联网接入模式；

步骤五：地方电网为受电区时，改变断路器状态，将能源基地直流外送系统切换至联网运行模式；

步骤六：设置直流闭锁故障，进行频率校验；

步骤七：设置短路故障，进行短路校验。

2.根据权利要求1所述的直流外送系统模式选择方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤是：

S1：对能源基地外送系统进行等值建模，包括送端火电机组、12脉动换流器、交直流滤波器、直流线路、受端无穷大系统等；

S2：采用同调等值法对送端地方电网进行等值建模；

根据地方电网的潮流数据确定等值负荷，确保等值前后负荷静特性、感应电动机负荷所占比例不变，保证等值前后主干网节点的电压、短路电流不变；

S3：搭建考虑地方电网的能源基地直流外送系统模型；

等值建模完成后，考虑地方电网的能源基地直流外送系统模型图，其中区域A表示能源基地发电机组；区域B表示送端地方电网；区域C表示直流线路与受端无穷大系统；模型图中断路器BRK用于联网和孤岛两种接入模式的切换。

3.根据权利要求1所述的直流外送系统模式选择方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤是：

能源基地直流外送系统(区域A)系统单位调节功率为K_A，地方电网(区域B)系统单位调节功率为K_B；不考虑直流调制作用，当断路器断开时，系统运行于孤岛接入模式，送端系统频率特性系数K_{Σ_ios}＝K_A；当断路器闭合时，系统运行于联网接入模式，送端系统频率特性系数K_{Σ_con}＝K_A+K_B。

4.根据权利要求1所述的直流外送系统模式选择方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤是：

S1：计算地方电网可用供电能力ASC；

在步骤一中，对地方电网进行了简单等值，等值后地方电网由于可用供电能力不同，直流闭锁后可接纳的功率也不同；

ASC＝TSC-L_max (1)

TSC表示电网最大供电能力，即现有电网的最大负荷供应量，L_max表示电网现有的全部负荷，ASC指标反应了电网的负荷供给应有一定裕度，也反应了电网接纳送端火电机组过剩出力的能力；

S2：根据ASC指标判断地方电网类型；

当ASC＞0时，地方电网(区域B)为供电区，不能消纳额外功率；当ASC＜0时，地方电网(区域B)为受电区，可以消纳功率，参与直流外送系统送端频率调节过程。

5.根据权利要求1所述的直流外送系统模式选择方法，其特征在于所述步骤四的具体步骤是：

根据步骤三中判断地方电网为供电区(ASC＞0)时，能源基地直流外送系统应选择联网接入模式，分析如下：

设Δf为送端系统实际频率与额定频率之差，即:

Δf＝f-f_N (2)

其中f为系统实测频率，f_N为系统额定频率；

联网运行时由联络线功率调节理论可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;P}}_{GA}-{\mathrm{\&Delta;P}}_T=K_A\mathrm{\&Delta;}f\\ {\mathrm{\&Delta;P}}_{GB}-{\mathrm{\&Delta;P}}_{LB}+{\mathrm{\&Delta;P}}_T=K_B\mathrm{\&Delta;}f\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\mathrm{\&Delta;}f=\frac{{\mathrm{\&Delta;P}}_{GA}+({\mathrm{\&Delta;P}}_{GB}-{\mathrm{\&Delta;P}}_{LB})}{K_{\mathrm{\&Sigma;}}}---\left(4\right)$

其中ΔP_GA为区域A中能源基地发电机功率变化量；ΔP_GB和ΔP_LB分别为地方电网中发电机和负荷的功率变化量；ΔP_T为联络线功率偏差；K_Σ为送端系统单位调节功率；

若ASC＞0，可判断B为供电区，ΔP_T＝0，即不能消纳额外功率；根据步骤二分析可知K_{Σ_con}＞K_{Σ_ios}显然成立，又由(4)式可知当联网下系统的系统单位调节功率大，调频能力强；区域B与区域A、C不存在功率交换，不需进行校验；能源基地直流外送系统送端联网接入明显优于孤岛接入，故当地方电网为供电区时应选择联网接入。

6.根据权利要求1所述的直流外送系统模式选择方法，其特征在于所述步骤五的具体步骤是：

若ASC＜0，可判断地方电网为受电区，联络线功率偏差ΔP_T≠0，地方电网可以参与直流外送系统送端频率调节过程；由于联网模式下区域B与区域A、C存在功率交换，系统动态特性复杂，需要通过频率稳定校验和短路校验进行模式选择；

闭合断路器，将能源基地直流外送系统切换至联网运行模式。

7.根据权利要求1所述的直流外送系统模式选择方法，其特征在于所述步骤六的具体步骤是：

模拟能源基地直流外送系统联网运行模式稳态运行过程，运行方式采用双极全压运行，双极功率控制，双极功率为额定功率P_N；当系统运行到某一时刻(t＝t₀)时，模拟控制系统发出闭锁信号，使HVDC系统工作于单极运行状态，此时联络线功率偏差ΔP_T＝0.5P_N；

检测整流侧换流站母线实时频率f₁，得到频率偏差Δf₁；若Δf₁∈[-0.5,0.5]Hz,则联网接入方式下送端系统频率稳定，应继续进行短路校验，否则应选择孤岛接入模式。

8.根据权利要求1所述的直流外送系统模式选择方法，其特征在于所述步骤七的具体步骤是：

S1：计算地方电网发生三相短路时的短路电流；

模拟地方电网主变母线侧发生三相短路故障，计算地故障短路电流I_if，用于短路水平校验；

S2：判断短路电流是否超标并进行模式选择；

判断短路电流是否满足《城市电网规划设计导则》的要求；结合步骤五中的校验结果，若地方电网满足频率稳定校验和短路水平校验，应选择联网接入模式否则应选择孤岛接入模式。