CN109066656A - 一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，具体步骤为：根据电力系统中的潮流信息输入单馈入广义运行短路比GOSCR模型；判断GOSCR模型的输出数值是否为1；若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；若数值小于1，则电力系统失去稳定。与现有技术相比，本发明可以精确的设计受端交流系统对于直流系统的电压支撑所需要的临界强度，既能保证电力系统的稳定性，又能不浪费系统资源，保证经济性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统在线监测与控制，尤其是涉及一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法。
背景技术
在电力系统的正常工作中，随着直流输电容量逐渐增加，受端交流系统强度相对变弱；当交流系统发生短路等故障时，直流系统会发生闭锁，并且发生潮流转移，导致送端系统交流薄弱点发生电压失稳，即系统失去稳定性。当切除故障后，在直流功率逐渐恢复，即系统恢复稳定的过程中，如果此时受端交流系统电压支撑能力不足，不能及时提供充足的动态无功，就会引起直流功率恢复的振荡和迟滞，导致直流系统再次闭锁，即再次失去稳定性，危害系统的安全运行。
在电力系统的规划阶段，通常使用短路比(short circuit ratio，SCR)来衡量受端交流系统对直流系统的电压支撑能力，用以保证电力系统排除故障后恢复的稳定性，短路比的定义式为：
式中，Scc是交流系统短路容量，PdN是直流系统的额定功率。短路比为短路容量和直流额定功率比值，由工程实践中的经验可知，SCR和受端交流系统对直流系统的电压支撑强度成正比。但是，SCR仅是一种规划性的指标，应用于在电力系统的工程规划阶段，主要是在规划直流传输容量时，利用短路比来判断受端交流系统馈入的直流功率，保证受端交流系统对直流系统的电压支撑强度。同时，SCR是一个缺乏可靠的理论证明的经验性的指标，根据经验得到的临界短路比是一个范围，若用SCR规划的电力系统受端交流系统对直流系统的电压支撑能力过高，则缺乏经济性，支撑能力偏低则失去稳定性。同时，SCR也无法应用于电力系统工作过程中实时的稳定性监控。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，具体步骤为：
根据电力系统中的潮流信息输入单馈入广义运行短路比GOSCR模型；
判断GOSCR模型的输出数值是否为1；
若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；
若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；
若数值小于1，则电力系统失去稳定。
进一步地，所述的单馈入广义运行短路比GOSCR模型为：
式中，K为运行系数，U为换流母线实际电压，Sac为交流系统的实际复功率，Z为交流系统的戴维南等值阻抗。
进一步地，所述的运行系数K的表达式为：
其中，
上述表达式中，Qd为换流母线处的直流无功功率，Qc为换流母线处并联的无功补偿设备所提供的无功补偿容量，Qac为换流母线处的交流无功功率，Id为直流电流，τ为换流变压器变比，dx是换流站变压器短路阻抗，UN为换流母线额定电压，τN为换流变压器额定变比，γN为换流站额定熄弧角，IdN为馈入换流母线的直流额定电流，γ为逆变器的熄弧角，μ为逆变器的换相重叠角。
进一步地，所述GOSCR模型的生成方式为：
1)建立换母线处的不平衡函数；
2)对不平衡函数线性化得到雅克比矩阵模型；
3)在矩阵模型中引入功率灵敏因子PSF，生成最终模型。
进一步地，所述的不平衡函数为：
ΔPd＝PI-Pd
ΔP＝Pac-Pd
ΔQ＝Qac+Qd-Qc
式中，△Pd为直流功率变化量，PI为逆变站处的直流有功功率，Pd为换流母线处的直流有功功率，△P为换流母线处有功功率变化量，Pac为换流母线处的交流有功功率，△Q为换流母线处无功功率的变化量，Qac为换流母线处的交流无功功率，Qd为换流母线处的直流无功功率，Qc为换流母线处并联的无功补偿设备所提供的无功补偿容量。
进一步地，所述的雅克比矩阵模型：
式中，△Id为直流电流变化量；△δ为换流母线电压相角的变化量；△U/U为换流母线电压变化量对换流母线电压的比值；JPdI、JPdδ、JPdU、JPI、JPδ、JPU、JQI、JQδ、JQU是△Pd、△P、△Q依次分别对直流电流Id、换流母线电压相角δ和换流母线电压U的偏导。
进一步地，所述的功率灵敏因子PSF的表达式为：
式中，△Pd为直流功率变化量，△Id为直流电流变化量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明解决了在电力系统的工程规划过程中，利用SCR作为指标规划受端交流系统对于直流系统的电压支撑强度不精确的问题，利用发明方法可以精确的设计受端交流系统对于直流系统的电压支撑所需要的临界强度，既能保证电力系统的稳定性，又能不浪费系统资源，保证经济性。
2、本发明的所需要的参数全部采用系统中实际运行中的参数，能够反映系统的实际运行状态，可以实时在线评估受端交流系统对于直流系统的电压支撑能力，判断电力系统的稳定性状态，能够实际应用于电力系统规划、设计、运行过程等各个阶段，对系统安全稳定运行具有实际意义。
3、现有的SCR是采用的额定值计算，这就意味着SCR的数据是一个个的离散点，而GOSCR是由系统中实时的潮流数据计算所得，因此是连续的，GOSCR可以反映系统的实时静态电压稳定性，即本发明能够实时在线评估受端交流系统对于直流系统的电压支撑能力，并且在临界电压稳定时的阈值明确，恒定为1。
附图说明
图1为CIGRE的HVDC标准模型图。
图2为随着直流功率的变化GOSCR和SCR的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供了一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，具体步骤为：
根据电力系统中的潮流信息输入单馈入广义运行短路比GOSCR模型；
判断GOSCR模型的输出数值是否为1；
若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；
若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；
若数值小于1，则电力系统失去稳定。
GOSCR模型的生成方式为：
1)建立换母线处的不平衡函数。
换流母线处的不平衡函数见式(1)～(3)
ΔPd＝PI-Pd (1)
ΔP＝Pac-Pd (2)
ΔQ＝Qac+Qd-Qc (3)
式中，ΔPd为直流功率变化量，PI为逆变站处的直流有功功率，Pd为换流母线处的直流有功功率，ΔP为换流母线处有功功率变化量，Pac为换流母线处的交流有功功率，ΔQ为换流母线处无功功率的变化量，Qac为换流母线处的交流无功功率，Qd为换流母线处的直流无功功率，Qc为换流母线处并联的无功补偿设备所提供的无功补偿容量。
2)对不平衡函数线性化得到如下雅克比矩阵模型(4)。
式中，ΔId为直流电流变化量；Δδ为换流母线电压相角的变化量；ΔU/U为换流母线电压变化量对换流母线电压的比值；JPdI、JPdδ、JPdU、JPI、JPδ、JPU、JQI、JQδ、JQU是ΔPd、ΔP、ΔQ依次分别对直流电流Id、换流母线电压相角δ和换流母线电压U的偏导。
3)在矩阵模型中引入功率灵敏因子PSF，生成最终模型。
在准稳态假设下，即，ΔP＝ΔQ＝0，得到如式(5)的方程组。
由上述方程组可以求得功率灵敏因子PSF，见式(6)。
降阶雅克比矩阵Jdc的表达式见式(7)。
JPdI、JPdδ、JPdU、JPI、JPδ、JPU、JQI、JQδ、JQU分别是雅克比矩阵元素，其具体表达式见式(8)～(16)。
JPdU＝b (10)
其中，c、b和e的表达式见式(17)、(18)和(19)。
其中，γ和μ分别是逆变器的熄弧角和换相重叠角，dx是换流站变压器短路阻抗，n的表达式见式(20)。
其中，UN为换流母线额定电压，τN为换流变压器额定变比，γN为换流站额定熄弧角，IdN为馈入换流母线的直流额定电流。
当电压处于临界稳定时，电压灵敏因子趋近于无穷，此时的功率灵敏因子等于0。在单馈入系统中，Jdc的表达式刚好就是功率灵敏因子PSF的表达式，即，令PSF＝Jdc＝0，将式(8)～(16)代入式(7)推导出式(21)。
对于式(21)两边同时除以Sac平方，再进行整理得到式(22)。
对式(22)进行整理得到(23)。
其中U和Sac分别是换流母线实际电压和交流系统的实际复功率。Z为交流系统的戴维南等值阻抗。K为运行系数，反映系统的运行特性。其表达式见式(24)。
即可得到单馈入广义运行短路比(generalized operating short circuitratio，GOSCR)的模型(25)。
GOSCR模型很好地解决了传统短路比在评估受端交流系统对直流系统的电压支撑能力的经验性问题。其次，解决了在临界电压稳定时传统短路比的阈值不明确问题，这里的阈值不明确是指根据对不同系统在不同直流馈入容量下得到的临界短路比是一个范围，而不是一个恒定值。在工程应用中，根据经验得到的临界短路比，规划直流输送容量，对交流系统A来说，早已经达到了其电压支撑强度，在这种直流输送容量会导致系统不稳定。而对于交流系统B来说，此时输送容量还没达到其承受的极限，因此，在这种情况下，会导致经济性问题。
如图1所示，通过采用CIGRE的HVDC standard model(标准模型)，在DigSILENT和MATLAB软件上进行仿真。算例设计为LCC-HVDC系统传输负荷动态变化，换流站采用定电流-定熄弧角控制。
如图2所示，绘制了GOSCR和SCR随直流功率增加的变化图，横坐标代表直流功率，纵坐标代表SCR和GOSCR。由于SCR是采用的额定值计算，这就意味着SCR的图是离散点图，而GOSCR的输出值是由系统中实时的潮流数据计算所得，因此是连续图。这就说明了SCR不能反映系统的实时静态电压稳定性，而GOSCR可以。随着直流功率的增加，GOSCR在系统临界稳定时数值为1，当GOSCR的值大于1时，系统保持稳定，GOSCR小于1时，系统失稳。图中说明了GOSCR在临界稳定时的值是恒定的，可以判断系统是否达到临界稳定。根据上述实施例可以看出，本发明能够实时在线评估受端交流系统对于直流系统的电压支撑能力，并且在临界电压稳定时的阈值明确，恒定为1，在实际工程应用中具有很好的应用前景。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，具体步骤为：
根据电力系统中的潮流信息输入单馈入广义运行短路比GOSCR模型；
判断GOSCR模型的输出数值是否为1；
若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；
若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；
若数值小于1，则电力系统失去稳定。
2.根据权利要求1所述的基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述的单馈入广义运行短路比GOSCR模型为：
式中，K为运行系数，U为换流母线实际电压，Sac为交流系统的实际复功率，Z为交流系统的戴维南等值阻抗。
3.根据权利要求2所述的基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述的运行系数K的表达式为：
其中，
上述表达式中，Qd为换流母线处的直流无功功率，Qc为换流母线处并联的无功补偿设备所提供的无功补偿容量，Qac为换流母线处的交流无功功率，Id为直流电流，τ为换流变压器变比，dx是换流站变压器短路阻抗，UN为换流母线额定电压，τN为换流变压器额定变比，γN为换流站额定熄弧角，IdN为馈入换流母线的直流额定电流，γ为逆变器的熄弧角，μ为逆变器的换相重叠角。
4.根据权利要求1所述的基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述GOSCR模型的生成方式为：
1)建立换母线处的不平衡函数；
2)对不平衡函数线性化得到雅克比矩阵模型；
3)在矩阵模型中引入功率灵敏因子PSF，生成最终模型。
5.根据权利要求4所述的基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述的不平衡函数为：
ΔPd＝PI-Pd
ΔP＝Pac-Pd
ΔQ＝Qac+Qd-Qc
式中，△Pd为直流功率变化量，PI为逆变站处的直流有功功率，Pd为换流母线处的直流有功功率，△P为换流母线处有功功率变化量，Pac为换流母线处的交流有功功率，△Q为换流母线处无功功率的变化量，Qac为换流母线处的交流无功功率，Qd为换流母线处的直流无功功率，Qc为换流母线处并联的无功补偿设备所提供的无功补偿容量。
6.根据权利要求5所述的基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述的雅克比矩阵模型：
式中，△Id为直流电流变化量；△δ为换流母线电压相角的变化量；△U/U为换流母线电压变化量对换流母线电压的比值；JPdI、JPdδ、JPdU、JPI、JPδ、JPU、JQI、JQδ、JQU是△Pd、△P、△Q依次分别对直流电流Id、换流母线电压相角δ和换流母线电压U的偏导。
7.根据权利要求4所述的基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述的功率灵敏因子PSF的表达式为：
式中，△Pd为直流功率变化量，△Id为直流电流变化量。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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