CN108155658B - 一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法，所述方法定义了受端系统电压支撑强度因子这一指标，并通过直流系统的临界功率稳定性定义了其临界值，受端系统电压支撑强度因子可以对受端系统电压支撑强度进行评价，并由临界值给出直流系统额定状态下功率稳定的稳定域，该受端系统电压支撑强度因子值还能够与换流母线静态电压稳定性建立数学联系，从而可以对换流母线静态电压稳定性进行参考。所述方法在受端系统网架结构、运行方式或内部电力系统元件特性改变时有良好的适应性，可以适应目前受端系统多变的现状，有着广泛的应用前景。

Description

一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法

技术领域

本发明涉及电力系统规划运行及控制领域，具体涉及一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法。

背景技术

随着我国“西电东送”战略的实施，大量高压直流输电工程在我国投运，并在长三角、珠三角等负荷中心形成了多回直流馈入的电网架构，即多馈入直流系统，简称“多馈入系统”。馈入同一交流电网的直流系统的容量和数目的增加使得电网安全稳定运行风险加大，给电网的正常运行带来一系列挑战。因此，准确地衡量受端电网的强度，对保证多馈入系统的良好运行至关重要。

对受端系统电压支撑强度进行评价时，当前广泛应用基于电网结构参数的指标，如在单馈入系统中，常使用短路比、有效短路比、无功短路比等指标。这些指标有清晰的物理概念，由电网结构参数和直流功率计算得出，并可基于直流功率稳定约束给出短路比的阈值，对受端系统的电压支撑强度进行区分。如通常认为短路比的阈值(即临界短路比)为2，当短路比小于2时，直流系统无法正常稳态运行。但此类指标没有考虑直流之间的相互影响，所以在多馈入系统中不能很好体现受端系统的电压支撑强度。

为了评价多馈入系统中受端系统的电压支撑强度，CIGRE直流工作组提出了多馈入短路比指标。多馈入短路比指标考虑了直流之间相互作用，但对阈值的选取缺乏严谨的公式推导，在对多馈入系统的电压支撑强度进行衡量时缺乏理论支撑。基于多馈入系统，考虑了直流系统无功补偿、不同运行方式和并联交流线路的影响，提出了多馈入有效短路比、多馈入运行短路比和改进短路比。但这些指标没有从根本上解决多馈入系统电压支撑强度指标缺乏理论支撑且阈值不明确的问题。

受端系统的运行方式灵活多变，不同运行方式下，受端系统中各直流的输送功率与控制方式不同，其稳态运行特性不可一概而论。目前的基于电网结构参数的指标还无法做到考虑受端系统的运行方式，难以满足受端系统灵活多变的现状。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法，所述方法使用“受端系统电压支撑强度因子”，即R_VSF指标来判断受端系统的电压支撑强度，该指标物理意义明确，对受端系统电压支撑强度评价准确，能与直流系统的功率稳定性与电压稳定性直接联系起来，并能适应受端系统运行方式多变的现状。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在受端系统直流落点处定义受端系统电压支撑强度因子R_VSF如下：

其中，U_iN为额定状态下逆变侧换流母线电压；ΔQ_i为在换流母线注入的微小无功；保持注入换流母线的有功功率不变，ΔU_i为得到的换流母线上的微小电压变化量；P_diN为直流系统在额定状态下注入受端系统的有功功率；

S2、定义临界受端系统电压支撑强度因子C_RVSF，C_RVSF是直流系统在额定状态下运行并处于功率稳定极限时的受端系统电压支撑强度因子，首先计算出换流站设备确定的参数C，C的公式如下：

其中，下标N代表额定值；n代表逆变侧阀组总数；S_T为换流变压器的容量；P_dN为额定状态下直流系统容量；u_k为换流变压器的短路比；τ为换流变压器变比；

求得C后，由直流系统额定状态下的运行参数即可求得C_RVSF，以额定状态下直流系统注入受端系统的有功功率P_diN为系统的基准容量，逆变侧换流母线电压U_iN为交流部分的基准电压，逆变侧直流电压U_diN为直流部分的基准电压，令直流系统在额定状态时逆变侧运行在定熄弧角控制方式：γ＝γ_N，则C_RVSF的公式为：

a＝-4CQ_diNsin(2γ_N+2μ_N)+4C(1-cos(2γ_N+2μ_N)) (4)

b＝-2Csin(2γ_N+2μ_N) (5)

其中γ为逆变器的熄弧角，μ_N为额定状态下逆变侧的换相重叠角，Q_diN为额定状态下逆变器消耗的无功功率；

S3、通过受端系统电压支撑强度因子判断某回直流的受端系统的电压支撑强度，并判断直流系统在额定状态下运行是否会功率失稳：当受端系统的R_VSF＜C_RVSF时该受端系统对于馈入该点的直流为极弱系统，馈入该点的直流系统在额定功率下会产生功率失稳；当受端系统的R_VSF＝C_RVSF时，直流系统达到临界功率稳定，其额定功率为能够输送的最大功率；当受端系统的R_VSF＞C_RVSF时，直流系统功率稳定，能够在额定功率点正常运行。

进一步地，对于同一个直流系统，在其换流站设备参数不变时，其临界受端系统电压支撑强度因子的值是不变的，当受端系统网架结构、运行方式或内部电力系统元件特性改变时，只需要重新计算当前受端系统对应的受端系统电压支撑强度因子，对受端系统的电压支撑强度进行评价，就能够判断直流系统在额定状态下运行时是否会功率失稳。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明的一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法，通过受端系统电压支撑强度因子对受端系统的电压支撑强度进行评价，步骤简单、物理意义明确，能够确定直流系统功率稳定和换流母线电压稳定的安全域，判断系统的功率稳定与电压稳定状态。所述方法可以有效地对受端系统的电压支撑强度进行评价，并且在受端系统网架结构、运行方式及其内部电力系统原件特性改变时依然有效。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法的流程图。

图2为本发明实施例中通过受端系统电压支撑强度因子判断直流受端系统是否功率失稳的流程图。

图3为本发明实施例中当换流站设备参数C和熄弧角定值γ_N取不同值时，临界受端系统电压支撑强度因子C_RVSF的变化曲线图。

图4为本发明实施例建立的双馈入直流系统简化模型图。

图5为本发明实施例建立的单馈入直流系统简化模型图。

图6为本发明实施例的算例1-算例8中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图。

图7(a)为本发明实施例的算例1中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图，图7(b)为本发明实施例的算例2中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图，图7(c)为本发明实施例的算例3中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图，图7(d)为本发明实施例的算例4中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图，图7(e)为本发明实施例的算例5中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图，图7(f)为本发明实施例的算例6中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图，图7(g)为本发明实施例的算例7中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图，图7(h)为本发明实施例的算例8中受端系统电压支撑强度因子R_VSF随dP_d/dI_d变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

S1、在受端系统直流落点处定义受端系统电压支撑强度因子R_VSF如下：

其中，U_iN为额定状态下逆变侧换流母线电压；ΔQ_i为在换流母线注入的微小无功；保持注入换流母线的有功功率不变，ΔU_i为得到的换流母线上的微小电压变化量；P_diN为直流系统在额定状态下注入受端系统的有功功率；

S2、定义临界受端系统电压支撑强度因子C_RVSF，C_RVSF是直流系统在额定状态下运行并处于功率稳定极限时的受端系统电压支撑强度因子，首先计算出换流站设备确定的参数C，C的公式如下：

其中，下标N代表额定值；n代表逆变侧阀组总数；S_T为换流变压器的容量；P_dN为额定状态下直流系统容量；u_k为换流变压器的短路比；τ为换流变压器变比；

求得C后，由直流系统额定状态下的运行参数即可求得C_RVSF，以额定状态下直流系统注入受端系统的有功功率P_diN为系统的基准容量，逆变侧换流母线电压U_iN为交流部分的基准电压，逆变侧直流电压U_diN为直流部分的基准电压，令直流系统在额定状态时逆变侧运行在定熄弧角控制方式：γ＝γ_N，则C_RVSF的公式为：

a＝-4CQ_diNsin(2γ_N+2μ_N)+4C(1-cos(2γ_N+2μ_N)) (4)

b＝-2Csin(2γ_N+2μ_N) (5)

其中γ为逆变器的熄弧角，μ_N为额定状态下逆变侧的换相重叠角，Q_diN为额定状态下逆变器消耗的无功功率；当换流站设备参数C和熄弧角定值γ_N取不同值时，临界受端系统电压支撑强度因子C_RVSF的变化曲线图如图3所示；

S3、通过受端系统电压支撑强度因子判断某回直流的受端系统的电压支撑强度，并判断直流系统在额定状态下运行是否会功率失稳，如图2所示：当受端系统的R_VSF＜C_RVSF时该受端系统对于馈入该点的直流为极弱系统，馈入该点的直流系统在额定功率下会产生功率失稳；当受端系统的R_VSF＝C_RVSF时，直流系统达到临界功率稳定，其额定功率为能够输送的最大功率；当受端系统的R_VSF＞C_RVSF时，直流系统功率稳定，能够在额定功率点正常运行。

具体地，在MATLAB中建立基于上述准稳态方程的双馈入、单馈入直流系统模型。建立的双馈入直流系统模型如图4所示，其中P_di1，P_di2是直流系统注入受端系统的功率；Q_di1，Q_di2是直流系统从受端系统吸收的无功；E₁，E₂，ψ₁，ψ₂为受端系统等效交流电源的电动势及其相角；分别为受端系统交流等值电源的相角；Z₁，Z₂，Z₁₂，θ₁，θ₂，θ₁₂分别为受端系统等效阻抗及其阻抗角；分别为受端系统等效阻抗的阻抗角。U₁，U₂，δ₁，δ₂为直流系统1和直流系统2的换流母线的电压及其相角；B_c1，B_c2为并联在换流母线上无功补偿装置的的等效导纳。建立的单馈入直流系统模型如图5所示，其中P_di1是直流系统注入受端系统的功率；Q_di1是直流系统从受端系统吸收的无功；E₁，ψ₁为受端系统交流等值电源的等效电势及其相角；为受端系统交流等值电源的相角；Z₁，θ₁分别为受端系统等效阻抗及其阻抗角；分别为受端系统等效阻抗的阻抗角。U₁，δ₁为直流系统的换流母线的电压及其相角；B_c1为并联在换流母线上无功补偿装置的等效导纳。

现在在不同交流系统参数下对R_VSF进行计算。对单馈入系统，改变交流系统等效阻抗的大小对R_VSF进行计算，形成两组算例，算例7-算例8，在每个算例中指定交流系统阻抗角大小；对于多馈入系统，改变交流系统等效阻抗的大小对R_VSF进行计算，形成六组算例，算例1-算例6，在每个算例中指定两直流系统耦合程度(即保持

和

恒定)、各阻抗的阻抗角大小和直流系统2的控制方式。其中在“直流系统2控制方式”一栏中，“I”表示定电流/定熄弧角控制，“P”表示定功率/定熄弧角控制。算例1-算例8中各参数如表1所示。

表1

依照上述步骤S1-S3对算例1-算例8中的受端系统电压支撑强度进行评价，计算出的受端系统电压支撑强度因子R_VSF如图6以及图7(a)-图7(h)所示。将算例1-算例8中R_VSF与dP_d/dI_d的对应关系曲线(共8条)一同绘出，如图6所示(图中R_VSF∈[0.1,8.0])；图6中部分曲线存在一定的重叠，为了方便观察，将图6中的8条曲线分别展示，如图7(a)-图7(h)所示(图中R_VSF∈[0.1,8.0])。dP_d/dI_d是直流系统功率稳定性的参考指标，且值越大则说明功率稳定性越强；当dP_d/dI_d＝0时直流系统达到最大输送功率，即达到功率稳定极限，额定功率和最大可送功率相同。计算临界电压支撑强度因子时，换流站设备参数为S_T＝1.15P_dN，τ＝1，u_k＝18％；熄弧角定值为18°，由换流站设备参数确定的常数为C＝1.53，K＝5.24，由准稳态方程计算出直流系统的额定运行点为P_diN＝1，Q_diN＝0.59，U_diN＝1，U_iN＝1，I_dN＝1，γ_N＝18°，μ_N＝22.4°，求出C_RVSF＝0.53，在图6中，虚线对应R_VSF＝0.53。

受端系统电压支撑强度因子越大，则该受端系统的电压支撑能力越强。当受端系统的R_VSF＜0.53，即算例位于图6的虚线左边时，该受端系统对于馈入该点的直流为极弱系统，馈入该点的直流系统在额定功率下会产生功率失稳。当受端系统的R_VSF＝0.53，即算例与图6的虚线相交时，直流系统达到临界功率稳定，其额定功率为能够输送的最大功率。R_VSF＞0.53，即算例位于图6的虚线右边时，直流系统功率稳定，可以在额定功率点正常运行。

下面给出图6中，算例1-算例6中dP_d/dI_d＝0时对应的RVSF和SCR如表2所示：

	算例1	算例2	算例3	算例4	算例5	算例6
							CRVSF	0.53	0.53	0.53	0.53	0.53	0.53
CSCR	1.51	1.77	1.46	1.84	1.46	1.84

表2

图6中，算例7-算例8中dP_d/dI_d＝0时对应的RVSF和SCR如表3所示：

	算例7	算例8
			CRVSF	0.53	0.53
CSCR	2.08	2.16

表3

由图6可以看到，RVSF随着dP_d/dI_d的增大而增大，且不同算例中相同dP_d/dI_d对应的RVSF值相近，证明RVSF可以有效地表征受端系统的电压支撑能力。由表2和表3可以看到，在算例1-算例8中，dP_d/dI_d＝0时对应的RVSF均为0.53，使用RVSF可以对直流系统的功率稳定临界进行准确的判断。由表2和表3可以看到，在单馈入系统算例，即算例7-算例8中，dP_d/dI_d＝0时对应的SCR的值在2.1左右，并不恒定，会随着等值阻抗角的变化而变化；在多馈入系统算例，即算例1-算例6中，dP_d/dI_d＝0时对应的MSCR的值在1.46到1.84之间变化，变化范围较大，难以给出两者之间的对应关系。

综上，传统的短路比和多馈入短路比不能准确反映受端系统强度，本发明的技术方案可以对受端系统的电压支撑能力进行有效的评估，对直流系统的功率稳定性进行准确的判断，具有突出的技术效果。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、在受端系统直流落点处定义受端系统电压支撑强度因子R_VSF如下：

其中，U_iN为额定状态下逆变侧换流母线电压；ΔQ_i为在换流母线注入的微小无功；保持注入换流母线的有功功率不变，ΔU_i为得到的换流母线上的微小电压变化量；P_diN为直流系统在额定状态下注入受端系统的有功功率；

S2、定义临界受端系统电压支撑强度因子C_RVSF，C_RVSF是直流系统在额定状态下运行并处于功率稳定极限时的受端系统电压支撑强度因子，首先计算出换流站设备确定的参数C，C的公式如下：

其中，下标N代表额定值；n代表逆变侧阀组总数；S_T为换流变压器的容量；P_dN为额定状态下直流系统容量；u_k为换流变压器的短路比；τ为换流变压器变比；

求得C后，由直流系统额定状态下的运行参数即可求得C_RVSF，以额定状态下直流系统注入受端系统的有功功率P_diN为系统的基准容量，逆变侧换流母线电压U_iN为交流部分的基准电压，逆变侧直流电压U_diN为直流部分的基准电压，令直流系统在额定状态时逆变侧运行在定熄弧角控制方式：γ＝γ_N，则C_RVSF的公式为：

a＝-4CQ_diNsin(2γ_N+2μ_N)+4C(1-cos(2γ_N+2μ_N)) (4)

b＝-2Csin(2γ_N+2μ_N) (5)

其中γ为逆变器的熄弧角，μ_N为额定状态下逆变侧的换相重叠角，Q_diN为额定状态下逆变器消耗的无功功率；

S3、通过受端系统电压支撑强度因子判断某回直流的受端系统的电压支撑强度，并判断直流系统在额定状态下运行是否会功率失稳：当受端系统的R_VSF＜C_RVSF时该受端系统对于馈入该点的直流为极弱系统，馈入该点的直流系统在额定功率下会产生功率失稳；当受端系统的R_VSF＝C_RVSF时，直流系统达到临界功率稳定，其额定功率为能够输送的最大功率；当受端系统的R_VSF＞C_RVSF时，直流系统功率稳定，能够在额定功率点正常运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于灵敏度的受端系统电压支撑强度评价方法，其特征在于：对于同一个直流系统，在其换流站设备参数不变时，其临界受端系统电压支撑强度因子的值是不变的，当受端系统网架结构、运行方式或内部电力系统元件特性改变时，只需要重新计算当前受端系统对应的受端系统电压支撑强度因子，对受端系统的电压支撑强度进行评价，就能够判断直流系统在额定状态下运行时是否会功率失稳。

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