CN108879664B - 基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法 - Google Patents

基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，基于实时量测获取当前交直流系统下状态量信息；通过直流系统换流站实时量测信息，基于直流系统准稳态数学模型，分别建立整流侧、逆变侧换流器的在线等值模型；基于广域量测信息及直流系统换流器等效模型，建立负荷节点戴维南等值电路；将交流系统的电压稳定L指标扩展为适用于交直流系统的电压稳定性指标，提出扩展的L指标实时评估交直流系统的电压稳定性。本发明能够准确考虑直流系统的运行方式及控制系统作用，系统全面地评估交直流电网的电压稳定性水平。

Description

基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法
技术领域
本发明涉及一种基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法。
背景技术
电网换相特高压直流(LCC-HVDC)输电技术因其远距离输送容量大和非同步互联能力强的优势，成为能源基地向负荷中心电力输送的重要形式，伴随能源互联网发展，现代电网形成了以特高压交流、直流为主干的传输通道，交直流系统交互影响复杂，电网运行矛盾更加突出。直流系统广泛接入，其传输容量比重日益增大，削弱了受端交流系统强度，直流换流设备需要消耗大量无功功率，在系统无功储备不足时，极易造成电压失稳事故。同时，大量远端绿色电能经由直流系统传输到受端系统，受端系统中高耗能机组淘汰，更加降低了受端系统电压/无功支撑能力，交直流系统电压稳定问题变得更加复杂和突出。
基于相量量测单元(PMU)的广域量测系统能够同步交直流系统在线量测数据，以进行有效的物理实时数据挖掘、发现系统的运行特性及安全稳定水平。结合实际PMU量测信息及交直流系统数学模型，建立系统性的交直流混联电网在线电压稳定评估方法，对实时把握交直流系统电压稳定性水平，制定经济、可靠的电压稳定控制策略具有重要意义。
目前，交直流系统电压稳定评估方法存在以下问题：
1)缺乏系统性的在线交直流系统电压稳定评估方法，未有效结合系统实时量测信息，难以满足在线电压稳定评估对实时性的要求。
2)未全面考虑直流系统换流器不同运行模式、直流控制系统及换流变压器动作对电压稳定性的影响。
3)所采用直流系统数学模型复杂，难以满足在线应用要求，不能对原有交流系统的电压稳定性指标扩展以适用于交直流混联的系统结构。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于广域量测信息的交直流系统在线电压稳定评估方法，本方法提出了一种新的在线直流系统等值模型，能够全面地计及直流系统运行及控制特性，建立了系统性的交直流混联电网的在线电压稳定评估指标。
本发明采用如下技术方案：
基于广域量测信息的交直流系统在线电压稳定评估方法，包括以下步骤：
1)确定交直流混联系统，明确其网络拓扑结构、交流系统导纳矩阵信息、直流系统等参数信息；
2)通过量测，获取交流系统发电机、负荷节点的节点电压和电流的幅值、相位；通过量测获取直流系统换流站母线的电压及电流的相位和幅值，整流器的触发角及逆变器的熄弧角，换流变压器的触头位置；
3)利用换流站的量测信息，基于直流系统的准稳态模型，建立每个换流器的在线等值模型，采用时变的交流电压源串联阻抗表征换流器的动态特性，直流系统的模型由整流侧及逆变侧换流器的等值模型来表达；
4)基于获取的非联络节点的量测信息及系统导纳矩阵信息，考虑直流系统的实时等值模型，列写系统节点电压方程，针对待分析的负荷节点形成节点戴维南电路；
5)通过戴维南等值电路，基于阻抗匹配方法确定负荷节点的电压稳定指标，确定全系统的电压稳定水平。
所述步骤1)中，基于当前电网运行方式，明确系统网络拓扑结构，通过交流线路的阻抗参数、对地导纳参数确定交流系统的导纳矩阵。直流系统参数需明确直流线路电阻，整流侧及逆变侧的换相电抗，整流侧及逆变侧的换相桥数。
所述步骤2)中，利用PMU量测获取交流系统发电机节点、负荷节点的电压向量及电流向量，联络节点电压及电流向量信息。
所属步骤2)中，直流系统的量测量包括换流母线的电压及电流的相位和幅值，换流变压器的抽头位置，通过换相时刻与电压幅值变为正值的时间差间接计算获得的整流器及逆变器的触发角与熄弧角。
所述步骤3)中，基于换流器的电流、电压的准稳态数学模型，利用直流系统的实时量测信息，通过公式变化用换流器交流侧电压及电流向量表征换流器的外特性，通过等效的交流内电势串联内阻抗表征换流器的内特性，建立换流器的等值模型，进一步直流系统的模型由整流侧及逆变侧的换流器的等值模型进行表达，建立直流系统的等效模型。
所述步骤4)中，直流系统等值模型用换流器的内电势串联内阻抗的形式表达连接于换流母线，通过发电机节点、负荷节点及换流母线节点的注入电流和节点电压量测信息，基于系统导纳矩阵建立系统的节点电压方程。
所述步骤4)中，基于建立的节点电压方程，采用矩阵分块方法，对负荷节点，发电机节点和换流母线节点进行分块，将负荷节点的注入电流通过发电机节点的电压相量、直流系统的等效内电势相量及负荷节点的电压相量表达，建立每个负荷节点的戴维南等值电路，该等值电路能够解析地反应各节点元素对待分析节点的电压稳定性的影响，具有准确的等值精度。
所属步骤5)中，基于负荷节点戴维南等值电路，将传统的基于阻抗匹配方法的电压稳定指标L扩展到交直流系统中，计算每个负荷节点的指标L值，系统的电压稳定指标即为负荷节点中最大的L值；所建立的L指标能够反应直流系统运行特性对系统电压稳定性的影响；
所述步骤5)中，所建立的L指标便于嵌入到现有的在线交流系统电压评估体系形成适用于交直流系统在线电压评估指标。
本发明的有益效果为：
1)本发明基于实时广域量测信息，建立了系统性的交直流混联电网在线电压稳定性指标，能够准确反应交直流系统电压稳定性水平。
2)本发明建立的电压稳定性指标，能够实时反应直流系统换流器的运行方式及直流系统的控制作用。
3)本发明所提的电压稳定性指标可以方便嵌入到已有的在线电压稳定评估体系中，准确地评估电压稳定性，为实施电压稳定控制提供了重要的依据。
附图说明
图1是本发明提供的设计方案流程图；
图2是本发明提供的直流系统换流器的等值模型图；
图3是本发明提供的交直流系统结构图；
图4是本发明提供的交直流系统等值结构图；
图5是本发明提供的节点戴维南等值电路图；
图6是本发明提供的3机10节点实施例系统的接线图；
图7是本发明提供的实施例在不同直流运行方式下的电压-负荷曲线；
图8是本发明提供的实施例在不同直流运行方式下的电压稳定性指标-负荷曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，包括以下步骤：
(1)确定交直流混联系统，明确其网络拓扑结构、交流系统导纳矩阵信息、直流系统等参数信息；
(2)基于PMU量测，获取各发电机、负荷节点的节点电压和电流的幅值、相位以及直流系统换流站母线的电压及电流的相位和幅值，整流器的触发角及逆变器的熄弧角；
(3)利用换流站的量测信息，基于直流系统的准稳态模型，建立每个换流器的在线等值模型，采用时变的交流电压源串联阻抗表征换流器的动态特性，直流系统的模型由整流侧及逆变侧换流器的等值模型来表达；
(4)基于获取的非联络节点的量测信息及系统导纳矩阵信息，考虑直流系统的实时等值模型，列写系统节点电压方程，针对待分析的负荷节点形成节点戴维南电路；
(5)通过戴维南等值电路，基于阻抗匹配方法确定负荷节点的电压稳定指标，确定全系统的电压稳定水平。
前述步骤1)由发电机节点、负荷节点、联络节点及换流母线节点所构成的交流网络如图3所示，交流系统的导纳矩阵表示为YAC，YAC由交流线路的阻抗及对地电容的参数构成。
前述步骤1)中直流系统的参数，包括直流线路的电阻Rd，整流侧换相电抗Xr，逆变侧换相电抗Xi，整流换流器桥数nr，逆变换流器桥数ni，换流器常数μ，对于12脉冲双桥)换流器μ＝0.995。
前述步骤2)中实时量测数据，包括发电机节点电压相量
Figure GDA0002466926070000061
电流相量
Figure GDA0002466926070000062
负荷节点电压相量
Figure GDA0002466926070000063
电流相量
Figure GDA0002466926070000064
换流母线电压相量
Figure GDA0002466926070000065
电流相量
Figure GDA0002466926070000066
换流器的角度触发角α，熄弧角γ)通过换相时刻与电压幅值变为正值的时间差确定，整流侧换流变压器触头位置kr，逆变器换流变压器触头位置ki。
前述步骤3)直流系统的准稳态模型表示为：
Figure GDA0002466926070000067
Figure GDA0002466926070000068
Figure GDA0002466926070000069
Figure GDA00024669260700000610
Figure GDA00024669260700000611
式中：
Figure GDA00024669260700000612
分别为整流侧和逆变侧直流电压标幺值；Id为直流电流标幺值；
Figure GDA00024669260700000613
分别为整流侧和逆变侧换流母线电压标幺值；
Figure GDA00024669260700000614
分别整流侧和逆变侧换流变压器一次侧交流电流标幺值；Rd直流线路电阻标幺值；Xr,Xi分别为整流侧和逆变侧的换相电抗标幺值。
前述步骤3)中，图2左侧图给出了直流系统整流侧的结构图，将整流器由换流母线看进去等值为交流电压源串联阻抗的电路结构，其等值模型如右侧图所示。基于直流系统的准稳态数学模型及换流站的实时量测信息，直流系统整流器的等值模型表示为：
Figure GDA00024669260700000615
Figure GDA00024669260700000616
Figure GDA00024669260700000617
式中：EDr为整流器等值交流电压源；
Figure GDA0002466926070000071
为整流侧换流变压器一次侧电流相量；ZDr为整流器等值交流阻抗；
Figure GDA0002466926070000072
为整流侧换流母线电压相位；
Figure GDA0002466926070000073
为整流侧换流变压器一次侧电流相位；
前述步骤3)中，类比于整流器的等值模型，则逆变器的等值模型表示为：
Figure GDA0002466926070000074
Figure GDA0002466926070000075
式中：EDi为逆变器等值交流电压源；ZDi为逆变器等值交流阻抗；
Figure GDA0002466926070000076
为逆变侧换流母线电压相位；
Figure GDA0002466926070000077
为逆变侧换流变压器一次侧电流相位；
前述步骤4)中利用步骤3)中的直流系统等值模型，将图3中的交直流系统等值为只由交流变量表征的等价交流系统模型，等值结果如图4所示，等值后的系统节点电压方程表示为：
Figure GDA0002466926070000078
式中：IL为负荷节点电流向量，VL为负荷节点电压向量，IG为发电机机端电流向量，VG为发电机机端电压向量，IH为换流变压器一次侧电流向量包括整流侧和逆变侧)，EH为换流器等值的内电势向量，VH为换流变压器一次侧电压向量，Y为导纳矩阵，Yhh为换流器等效阻抗对应的导纳矩阵，其中d为直流系统条数。
前述步骤4)中，再将图4中的交直流系统等值模型变换为节点戴维南等值线路，结果如图5所示，形成的负荷节点戴维南等值电路表示为：
VL＝KGVG+KHEH-ZIL
其中系数矩阵Z，KG和KH分别表示为：Z＝[YLL-YLH(YHH+Yhh)-1YHL]-1，KG＝Z[YLH(YHH+Yhh)-1YHG-YLG]，KH＝-ZYLH(YHH+Yhh)-1Yhh
负荷节点k的戴维南等值电路表示为：
Figure GDA0002466926070000081
式中，
Figure GDA0002466926070000082
为负荷节点k的电压相量，
Figure GDA0002466926070000083
为负荷节点k的负荷电流相量，Eeq,k为负荷节点k的戴维南等值电势，Zeq,k为负荷节点k的戴维南等值阻抗。其中，
Figure GDA0002466926070000084
Figure GDA0002466926070000085
式中，αG表示发电机集合，αH表示直流系统换流器集合，αL表示负荷节点集合,KG(k,i)表示KG中第k行，第i列元素，KH(k,i)表示KH中第k行，第h列元素，Z(k,l)表示Z中第k行，第l列元素,
Figure GDA0002466926070000086
表示第i个发电机端电压相量，EH,h为第h个换流器等效电势。
前述步骤5)中基于阻抗匹配方法建立的电压指标表示为：
Figure GDA0002466926070000087
式中：ZL,k为负荷阻抗，Lk为负荷节点的电压稳定指标，Lk＝1表明系统处于电压崩溃点。
前述步骤5)中整个交直流系统的电压稳定水平，表示为：
Figure GDA0002466926070000088
式中：L为扩展的适用于交直流系统的电压稳定性指标。
对图6中的3机10节点算例系统进行仿真，直流系统根据换流器采用的不同控制方式，常采用的运行模式为1)CP-CEA模式，整流侧定功率(CP)、逆变侧定熄弧角(CEA)控制；2)CP-CV模式，整流侧定功率(CP)、逆变侧定电压(CV)控制；3)CI-CEA模式，整流侧定电流(CI)、逆变侧定熄弧角(CEA)控制；4)CI-CV模式，整流侧定电流(CI)、逆变侧定电压(CV)控制；不同的直流系统运行模式，交直流系统的电压稳定性水平不同，图7系统电压幅值随着负荷持续增加扰动反应了直流系统CI-CV模式下具有更高的电压稳定水平，而CP-CEA模式下系统的电压水平最低。图8表明，本发明提出的交直流电网电压稳定性指标随着负荷增加，在图7电压曲线接近于最低点时，图8中的指标逐渐趋近于1，能够准确表征电压稳定性水平，为实施交直流系统的电压稳定控制提供可靠的依据。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，其特征是，包括以下步骤：
1)针对确定的交直流混联系统，明确系统的网络拓扑结构、交流系统的导纳矩阵信息、直流系统的参数信息；
2)基于PMU量测，得到非联络节点电压和电流幅值及相位，直流系统实时运行信息；
3)利用直流系统换流站的量测信息以及直流系统的参数，基于换流站的准稳态模型，建立换流站的等值模型，进而建立直流系统的等值模型；
4)通过得到的发电机和负荷节点的量测信息、系统导纳矩阵以及直流系统的实时等值模型，列写节点电压方程，对负荷节点利用戴维南等值方法形成戴维南等值电路；
5)基于建立的戴维南等值电路，采用阻抗匹配方法确定负荷节点电压稳定指标，进而确定全系统的电压稳定水平；基于负荷节点戴维南等值电路，将传统的基于阻抗匹配方法的电压稳定指标L扩展到交直流系统中，计算每个负荷节点的指标L值，系统的电压稳定指标即为负荷节点中最大的L值，所建立的L指标能够反应直流系统运行特性对系统电压稳定性的影响；
所述步骤4)中，直流系统等值模型用换流器的内电势串联内阻抗的形式表达连接于换流母线，通过发电机节点、负荷节点及换流母线节点的注入电流和节点电压量测信息，基于系统导纳矩阵建立系统的节点电压方程。
2.如权利要求1所述的基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，其特征是，所述步骤1)中，基于当前电网运行方式，明确系统网络拓扑结构，通过交流线路的阻抗参数、对地导纳参数确定交流系统的导纳矩阵；直流系统参数包括直流线路电阻，整流侧及逆变侧的换相电抗，整流侧及逆变侧的换相桥数。
3.如权利要求1所述的基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，其特征是：所述步骤2)中，利用PMU量测获取交流系统发电机电源节点、负荷节点的电压向量及电流向量，联络节点电压及电流向量信息；直流系统的量测量包括换流母线的电压及电流的相位和幅值，换流变压器的抽头位置，通过换相时刻与电压幅值变为正值的时间差间接计算获得的整流器及逆变器的触发角与熄弧角。
4.如权利要求1所述的基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，其特征是：所述步骤3)中，基于换流器的电流、电压的准稳态数学模型，利用直流系统的实时量测信息，通过公式变化用换流器交流侧电压及电流向量表征换流器的外特性，通过等效的交流内电势串联内阻抗表征换流器的内特性，建立换流器的等值模型，进一步直流系统的模型由整流侧及逆变侧的换流器的等值模型进行表达，建立直流系统的等效模型。
5.如权利要求1所述的基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，其特征是：所述步骤4)中，基于建立的节点电压方程，采用矩阵分块方法，对负荷节点，发电机节点和换流母线节点进行分块，将负荷节点的注入电流通过发电机节点的电压相量、直流系统的等效内电势相量及负荷节点的电压相量表达，建立每个负荷节点的戴维南等值电路，该等值电路络能够解析地反应各节点元素对待分析节点的电压稳定性的影响，具有准确的等值精度。
6.如权利要求1所述的基于广域量测的交直流系统在线电压稳定评估方法，其特征是：所述步骤5)中，所建立的L指标便于嵌入到现有的在线交流系统电压评估体系形成适用于交直流系统在线电压评估指标。
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