CN107482664B - 一种孤岛交流电网系统强度评估方法及其系统 - Google Patents

一种孤岛交流电网系统强度评估方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法及其系统，评估方法包括：搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型；调整与孤岛交流电网与主网的交流联络结构，保持1回交流联络线与柔性直流并列运行；计算柔性直流逆变站交流母线短路比；对柔性直流逆变站交流出线进行N‑1故障校核，判断柔性直流是否稳定运行，调整交流联络线电抗至临界短路比；输出匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估结果。本发明提供的评估方法可针对柔性直流的运行功率，给出与之相匹配的孤岛交流电网最低系统强度对应的短路比，为柔性直流接入孤岛交流电网的规划和运行提供了重要的可参考指标。

Description

一种孤岛交流电网系统强度评估方法及其系统
技术领域
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法及其系统。
背景技术
基于电压源换流器的高压直流输电(Voltage Source Converter based HighVoltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC)技术是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。
柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。
随着输电走廊等土地资源的日益紧张和可再生能源发电的飞速发展，柔性直流输电(VSC-HVDC)技术已经成为保障输电安全性与可靠性的最优选择之一，并已在全球范围内应用到可再生能源发电并网、城市供电、交流系统的非同步互联与电力市场交易以及多端直流输电等领域。
孤岛交流电网主要应用于海岛供电、陆上局部孤立地区供电等场景，在这些场景下，交流电网与主网联系较弱、甚至无联系，内部电源支撑较少，均属于弱交流电网。采用传统直流实现弱交流电网与主网互联，可能面临电压稳定、换相失败等问题。而柔性直流与传统直流相比，具有有功/无功独立调节、自换相、潮流反转电压极性不变、无需无功补偿设备等技术优势，可以实现向无电源支撑的电网输电。因此，近年来应用柔性直流输电向孤岛交流电网供电的工程应用研究成为柔性直流应用的重点之一。
接入孤岛交流电网的柔性直流稳定运行的关键是向柔性直流提供的锁相电压必须是持续稳定的。若将柔性直流接入无电源支撑的孤岛电网，由柔性直流控制系统生成锁相电压，孤岛交流电网电压相位由柔性直流决定，该情况下柔性直流运行功率与孤岛交流电网强度之间无需匹配。
若柔性直流接入有电源支撑的孤岛电网，为保证柔性直流逆变站交流电压与孤岛交流电网电压同相位，柔性直流的锁相电压就由交流电网提供，若孤岛交流电网系统强度过低，孤岛交流电网稳定性差，故障扰动后电压波动剧烈，无法为柔性直流提供持续稳定的锁相电压，柔性直流的稳定运行将会受到影响，该情况下需要考虑柔性直流运行功率与孤岛交流电网强度间匹配的协调问题，以确定两者之间的配合关系，从而保障柔性直流与接入的孤岛交流电网持续稳定运行。
目前，针对匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度，有电网支撑的孤岛交流电网，即柔性直流接入有电源支撑的孤岛电网的系统强度需要提供评估方法来满足现有技术的需要。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的之一在于提出了一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法。通过本方法，可针对柔性直流的某一运行功率，提出与之相匹配的孤岛交流电网最低系统强度指标。
本发明提供的一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法，所述评估方法包括：
步骤1：搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型；
步骤2：调整孤岛交流电网与主网的交流联络结构，至1回交流联络线与柔性直流并列运行；
步骤3：计算柔性直流逆变站交流母线短路比；
步骤4：对柔性直流逆变站交流出线进行N-1故障校核；
步骤5：调整与主网相联的交流联络线电抗，计算临界短路比。
优选地，所述步骤1包括：用电力系统仿真软件，根据孤岛交流电网的结构，搭建柔性直流接入孤岛交流电网的潮流数据稳定数据模型。
优选地，所述步骤2包括：孤岛交流电网与主网间的交流联络线若存在多回交流联络线，则断开交流联络线直至剩余1回；反之若不存在交流联络线，仅有柔直与孤岛交流电网相连，则搭建1回交流联络线路，与柔性直流并列运行。
优选地，调整所述柔性直流运行功率，至并列运行的交流联络线功率为零。
优选地，其特征在于，所述步骤3包括：按下式计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR：
Figure GDA0003018632260000031
其中，Sac为孤岛交流电网的短路容量，Pd为柔性直流的运行功率。
优选地，所述步骤4包括：利用电力系统仿真软件，对柔直逆变站交流出线进行暂态稳定N-1故障校核。
优选地，所述步骤5包括：根据所述暂态N-1故障校核，作出所述柔性直流是否稳定运行的判断。
优选地，所述判断结果为稳定运行，增大与柔性直流并列运行的交流联络线电抗，至根据公式
Figure GDA0003018632260000032
计算判断当前柔性直流逆变站交流母线短路比为临界短路比，
其中，Sac为孤岛交流电网的短路容量，Pd为柔性直流的运行功率。
本发明的另一目的在于提出一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估系统，包括：
模型构建模块，用于搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型；
调整模块，用于调整孤岛交流电网与主网的交流联络结构，至1回交流联络线与柔性直流并列运行；
第一计算模块，用于计算柔性直流逆变站交流母线短路比；
故障校核模块，用于对柔性直流逆变站交流出线进行N-1故障校核；和
第二计算模块，用于调整与主网相联的交流联络线电抗，计算临界短路比。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1.本发明提供的技术方案考虑了柔性直流接入有电源支撑的孤岛电网时，柔性直流运行功率与孤岛交流电网强度之间存在的协调匹配问题，针对确定的柔性直流运行功率，提出了对应的孤岛交流电网系统强度评估方法和强度指标，减小了因孤岛交流电网稳定性差而导致的柔性直流无法提供持续稳定锁相电压的影响，对支撑柔性直流向孤岛交流电网稳定供电具有重大意义。
2.本发明提供的匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法，具有很好的可计算性和广泛适应性，计算简单，速度快，填补了相关领域评估方法的空白。
附图说明
图1是本发明提供的一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估流程图；
图2是厦门岛电网结构示意图；
图3是调整与主网之间交流联系为1回后的厦门岛电网结构示意图；
图4是换流站2出口单瞬故障后柔直系统功率(KSCR＝5.1)；
图5是换流站2出口单瞬故障后换流站交流母线电压(KSCR＝5.1)；
图6是换流站2出口三永N-1故障后柔直系统功率(KSCR＝14)；
图7是换流站2出口三永N-1故障后换流站交流母线电压(KSCR＝1.4)；
具体实施方式
实施例1
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。
本发明实施例提出一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
(1).搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型；
(2).调整与孤岛交流电网与主网的交流联络结构，保持1回交流联络线与柔性直流并列运行；
(3).计算柔性直流逆变站交流母线短路比；
(4).对柔性直流逆变站交流出线进行N-1故障校核；
(5).判断柔性直流是否稳定运行，根据判断结果转至步骤(3)或(6)；
(6).验证是否为临界短路比，根据判断结果转至步骤(3)或(7)；
(7).输出匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估结果。
上述实施例中，步骤1采用电力系统仿真软件，根据孤岛交流电网的结构，搭建柔性直流接入孤岛交流电网的潮流数据、稳定数据模型。
其中：
步骤2根据孤岛交流电网与主网之间已有的交流联络线情况，若存在多回交流联络线，则断开交流联络线直至剩余1回；若不存在交流联络线，即仅有柔直与孤岛交流电网相连，则搭建1回交流联络线路，与柔性直流并列运行。调整柔性直流运行功率，使得并列运行的交流联络线功率至零。
步骤3按下式计算柔性直流逆变站交流母线短路比：
Figure GDA0003018632260000051
其中，Sac为孤岛交流电网的短路容量，Pd为柔性直流的运行功率。
步骤4利用电力系统仿真软件，对柔直逆变站交流出线进行暂态稳定N-1故障校核；
步骤5包括：分析步骤4中的所做的暂态N-1故障校核，输出柔性直流的功率仿真结果曲线，判断柔性直流是否保持稳定运行。若柔性直流在故障切除后，其运行功率仍出现大幅波动，则柔性直流不能保持稳定运行，转步骤6；若柔性直流在故障切除后，其运行功率没有出现大幅波动，则柔性直流保持稳定运行，则增大与柔性直流并列运行的交流联络线电抗，转步骤3；
步骤6包括：通过减小与柔性直流并列运行的交流联络线电抗，减小的数值取步骤5中增大值的1/2，采用二分法调整交流联络线的电抗值，按下式计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR2与步骤3计算得到的短路比KSCR1间的比ε：
Figure GDA0003018632260000052
若ε小于1％，KSCR2即为临界短路比，执行步骤7；否则，转步骤3；
步骤7输出匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估结果，得到当前柔性直流运行功率下逆变站交流母线短路比。
本发明实施例还提出一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估系统，包括：
模型构建模块，用于搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型；
调整模块，用于调整孤岛交流电网与主网的交流联络结构，至1回交流联络线与柔性直流并列运行；
第一计算模块，用于计算柔性直流逆变站交流母线短路比；
故障校核模块，用于对柔性直流逆变站交流出线进行N-1故障校核；和
第二计算模块，用于调整与主网相联的交流联络线电抗，计算临界短路比。
优选地，模型构建模块采用电力系统仿真软件，根据孤岛交流电网的结构，搭建柔性直流接入孤岛交流电网的潮流数据稳定数据模型。
优选地，调整模块还可以包括：
第一判断子模块，用于判断孤岛交流电网与主网间的交流联络线是否存在多回交流联络线；
第一执行子模块，用于当孤岛交流电网与主网间的交流联络线存在多回交流联络线时，则断开交流联络线直至剩余1回；
第二执行子模块，用于当孤岛交流电网与主网间的交流联络线不存在多回交流联络线时仅有柔性直流与孤岛交流电网相连，则搭建1回交流联络线路，该线路与柔性直流并列运行。
优选地，调整所述柔性直流的运行功率，至并列运行的交流联络线功率为零。
优选地，第一计算模块还可以按下式计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR：
Figure GDA0003018632260000061
其中，Sac为孤岛交流电网的短路容量，Pd为柔性直流的运行功率。
优选地，故障交互模块还可以利用电力系统仿真软件，对柔直逆变站交流出线进行暂态稳定N-1故障校核。
优选地，第二计算模块还可以包括：
第二判断子模块，用于根据所述暂态N-1故障校核，判断柔性直流是否稳定运行；
第三执行子模块，若柔性直流在故障切除后，其运行功率仍出现大幅波动，则柔性直流不能保持稳定运行，通过减小与柔性直流并列运行的交流联络线电抗，减小的数值取步骤5中增大值的1/2，采用二分法调整交流联络线的电抗值，按下式计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR2与步骤3计算得到的短路比KSCR1间的比ε：
Figure GDA0003018632260000062
若ε小于1％，KSCR2即为临界短路比；否则，通过第一计算模块重新计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR；
第四执行子模块，若柔性直流在故障切除后，其运行功率没有出现大幅波动，则柔性直流保持稳定运行，则增大与柔性直流并列运行的交流联络线电抗，否则，通过第一计算模块重新计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR。
实施例2
下面以柔性直流接入厦门岛电网为例对本发明提供的技术方案作进一步详细说明，其中厦门岛电网最高电压等级为220kV，柔性直流工程建设前，与陆上电网保持7回220kV线路联网，分别为嵩屿-厦禾双回、钟山-东渡双回、英春-围里双回、浦园-湖边单回，厦门柔性直流工程额定功率1000MW：
1.搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型，在PSD-BPA程序中，建立厦门岛电网的网架数据，系统基准容量取100MVA，设备参数均取以系统基准容量为参考的标幺值。具体电网结构如附图2所示；
2.调整与孤岛交流电网与主网的交流联络结构，保持1回交流联络线与柔性直流并列运行，断开嵩屿-厦禾双回、钟山-东渡双回、英春-围里单回、浦园-湖边单回，使得厦门岛电网与主网之间的交流联系仅剩余英春-围里单回，调整主网、厦门岛电网开机方式，使英春-围里单回潮流为零，具体电网结构如附图3所示；
3.根据下式所示的柔性直流逆变站交流母线短路比计算公式计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR：
Figure GDA0003018632260000071
经计算柔性直流接入厦门岛电网湖边换流站的短路比KSCR＝5.1；
4.对柔性直流逆变站交流出线进行N-1故障校核，湖边换流站出口线路单瞬故障后柔直系统的响应曲线如附图3和附图4所示；
5.判断柔性直流是否稳定运行，根据步骤(4)仿真得到的结果可知，厦门岛电网系统强度指标KSCR＝5.1时，柔性直流保持稳定运行，因此增大英春-围里线路电抗，转步骤(3)。这里省略中间迭代的计算过程，给出调整线路电抗使得KSCR＝1.4时的仿真计算情况，在步骤(6)中验证是KSCR＝1.4否为临界短路比；
6.验证是否为临界短路比，当KSCR＝1.4时，湖边换流站出口线路单瞬故障后柔直系统的响应曲线如附图6和附图7所示。通过减小与柔性直流并列运行的交流联络线电抗，减小的数值取步骤5中增大值的1/2，即采用二分法来调整交流联络线的电抗值，仿真结果表明，当柔直所联受端交流系统短路比指标KSCR＝1.4情况下，受交流系统故障的影响，柔性直流无法保持正常运行，因此KSCR＝1.4为临界短路比；
7.输出匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估结果：
厦门柔性直流输送功率在1000MW时，厦门岛交流电网的系统强度要求短路比大于1.4才能保证故障扰动后，柔性直流与交流电网均能持续稳定运行。
经分析，统计直流近区吴江、玉山、车坊、同里站电压及常熟二厂、利港二厂、华苏电厂、浏河电厂、闸北燃机、环保电厂、蓝天燃机等机组励磁电流作为参考指标。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法，其特征在于，包括：
步骤1：搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型；
步骤2：调整孤岛交流电网与主网的交流联络结构，至1回交流联络线与柔性直流并列运行；
步骤3：计算柔性直流逆变站交流母线短路比；
步骤4：对柔性直流逆变站交流出线进行N-1故障校核；
步骤5：调整与主网相联的交流联络线电抗，计算临界短路比；
所述步骤2包括：孤岛交流电网与主网间的交流联络线若存在多回交流联络线，则断开交流联络线直至剩余1回；反之若不存在交流联络线，仅有柔性直流与孤岛交流电网相连，则搭建1回交流联络线路，与柔性直流并列运行；
所述步骤4包括：利用电力系统仿真软件，对柔性直流逆变站交流出线进行暂态稳定N-1故障校核；
所述步骤5包括：根据所述暂态稳定N-1故障校核，作出所述柔性直流是否稳定运行的判断；
所述判断结果为稳定运行，增大与柔性直流并列运行的交流联络线电抗，至根据公式
Figure FDA0003105274480000012
计算判断当前柔性直流逆变站交流母线短路比为临界短路比，
其中，Sac为孤岛交流电网的短路容量，Pd为柔性直流的运行功率。
2.如权利要求1所述的孤岛交流电网系统强度评估方法，其特征在于，所述步骤1包括：用电力系统仿真软件，根据孤岛交流电网的结构，搭建柔性直流接入孤岛交流电网的潮流数据、稳定数据模型。
3.如权利要求1所述的孤岛交流电网系统强度评估方法，其特征在于，调整所述柔性直流运行功率，至并列运行的交流联络线功率为零。
4.如权利要求1所述的孤岛交流电网系统强度评估方法，其特征在于，所述步骤3包括：按下式计算柔性直流逆变站交流母线短路比KSCR：
Figure FDA0003105274480000011
其中，Sac为孤岛交流电网的短路容量，Pd为柔性直流的运行功率。
5.用于如权利要求1-4任一项所述的匹配柔性直流接入的孤岛交流电网系统强度评估方法的强度评估系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于搭建柔性直流接入孤岛交流电网的数据模型；
调整模块，用于调整孤岛交流电网与主网的交流联络结构，至1回交流联络线与柔性直流并列运行；
第一计算模块，用于计算柔性直流逆变站交流母线短路比；
故障校核模块，用于对柔性直流逆变站交流出线进行N-1故障校核；和
第二计算模块，用于调整与主网相联的交流联络线电抗，计算临界短路比。
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