CN109103916A - 一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法，属于电力系统的电网规划与运行技术领域。该方法首先分别在额定状态和电流指令变化后测量电网各条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的相位；根据两次的测量值，分别得到每条直流的多馈入等效有效短路比和多馈入临界等效有效短路比；通过比较多馈入等效有效短路比和多馈入临界等效有效短路比的相对大小，评价每条直流受端电网的电压支撑能力。本发明能够准确评价多直流馈入系统中各条直流电流同步变化以及非同步变化等情况下交流电网的电压支撑能力，可以为大规模交直流混合系统的规划建设提供参考依据。

Description

一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法

技术领域

本发明涉及一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法，属于电力系统的电网规划与运行技术领域。

背景技术

我国能源资源和负荷需求呈逆向分布，电能的大规模跨区域传输不可避免。高压直流输电凭借其在大容量、远距离、区域互联等方面的优势，已经成为我国“西电东送”的重要方式之一。直流输电往往落点在人口密集、经济发达的负荷中心，随着直流输电的不断发展，形成了如图1所示的多回直流落点于同一受端电网的多直流馈入系统。图1中Z_k∠θ_k分别为交流系统k的等效电动势和等效阻抗，Z_t1k∠θ_t1k、Z_t1n∠θ_t1n、Z_tkn∠θ_tkn分别为交流系统1、k，1、n，k、n，之间的连接阻抗，U_k∠δ_k为交流母线k的电压，P_ack、Q_ack分别为向交流系统k注入的有功功率和无功功率，P_k、Q_k是直流k(直流k所连接的交流系统为交流系统k)传输的有功功率和消耗的无功功率，B_ck、Q_ck分别为直流k的补偿电容及其补偿的无功功率，其余下标为1、n的物理量分别代表系统1、系统n的参量，含义与系统k的参量含义相同。然而直流的安全稳定运行需要一定强度的交流系统作为支撑，交流系统过弱，则交流系统出现波动时，交流系统可能静态电压失稳，直流容易发生换相失败现象。因此对交流电网电压支撑能力的准确评估能够为大规模交直流混合系统的规划建设提供重要参考依据。

对于单直流馈入系统，可以通过有效短路比(effective short circuit ratio，ESCR)来衡量交流系统的电压支撑能力。在多直流馈入系统中，不同直流之间的相互影响，导致无法将不同直流系统视为单直流馈入系统而分别进行处理。不同直流之间的相互作用是以交流电网为媒介发生的。基于此，学者为反映不同直流之间的相互影响，提出了多馈入交互作用因子(multi-infeedinteraction factor，MIIF)作为不同直流之间相互作用程度的指标，该指标提出后，很多学者将其应用于多直流馈入系统中直流换相失败的问题的研究当中，取得了很好的效果。然而多馈入交互作用因子MIIF仅仅是衡量不同直流之间相互作用程度的指标，并不能作为交流系统电压支撑能力的评价指标。因此国际大电网会议CIGRE基于多馈入交互作用因子MIIF提出了多直流馈入系统中受端电网电压支撑能力的评价指标：多馈入有效短路比(multi-infeed effective short circuit ratio，MIESCR)。然而多馈入有效短路比MIESCR在最初提出时，只是一个经验性的指标，缺乏严格的理论依据。虽然Denis Lee博士从等效功率传输的角度将多馈入直流等效为单馈入直流，从机理上解释了多馈入有效短路比MIESCR的有效性，但由于等效过程将直流参数进行改变，等效过程不够直观。也有学者将多直流馈入系统等效为单直流馈入系统时，保持直流侧参数不变，仅仅改变交流侧的等效阻抗，但是该等效仅仅是根据已有的多馈入有效短路比MIESCR的定义进行等效，并没有对其具体的等效原则和理论依据进行分析。

由于将多直流馈入系统等效为传统单直流馈入系统的等效过程的不清晰，导致了多馈入有效短路比MIESCR的适用范围在最初阶段并不清楚。很多学者都是在只有一条直流逐步提升电流指令值的情况下对受端电网电压支撑能力进行研究，甚至有学者指出：在双馈入系统中，临界短路比随着两条传统直流额定功率之比的改变发生显著变化，在多直流馈入系统中多馈入有效短路比MIESCR的有效性值得商榷。鉴于此，相关学者对多馈入有效短路比MIESCR的适用范围进行了探讨并指出：多馈入有效短路比MIESCR只适用于各条直流电流同步变化的情况，而该情况更接近连锁故障后直流的故障恢复情况；而对于只有一条直流电流变化而其他直流电流保持额定值的情况，有效短路比ESCR评价直流受端电网电压支撑能力更为准确。现有研究虽然明确了多馈入有效短路比MIESCR和有效短路比ESCR评价多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的适用范围，多馈入有效短路比MIESCR只适用于各条直流电流同步变化的情况，有效短路比ESCR只适用于一条直流的直流电流变化的情况，但是对于更一般的情况下的交流电网电压支撑能力的准确评价，目前还缺少相应的指标。

发明内容

本发明的目的是解决评价多直流馈入系统受端电网电压支撑能力时，传统的多馈入有效短路比MIESCR和有效短路比ESCR适用范围窄的问题，提出一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法。本发明能够准确评价多直流馈入系统中各条直流电流同步变化以及非同步变化等情况下交流电网的电压支撑能力，可以为大规模交直流混合系统的规划建设提供参考依据。

本发明提出一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)令电网运行在额定状态，测量电网各条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的初相位；

将第i条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的初相位的测量值分别记为U_i0、P_i0、Q_i0和将第i条直流的关断角和换相角记为γ_i、μ_i；i＝1,2,…,n，n为电网中直流的总数；

(2)根据设定的电网情况，变化各条直流的电流指令，并分别测量电流指令变化后每条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的相位；

将电流指令变化后的第i条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的相位的测量值分别记为U_i1、P_i1、Q_i1和i＝1,2,…,n；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)分别得到的测量结果，计算每条直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗，其中第i条直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗计算表达式如下：

其中：

和分别为系统阻抗矩阵第i行第i列的元素和第i行第j列的元素；

(4))计算每条直流对应的多馈入等效有效短路比，其中第i条直流的多馈入等效有效短路比MEESCR_i计算表达式如下：

其中，Z_eqi为等效阻抗对应的幅值；

(5)计算每条直流对应的多馈入临界等效有效短路比，其中第i条直流的多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i计算表达式如下：

其中，θ_eqi为等效阻抗对应的阻抗角；

(6)比较步骤(4)得到的MEESCR_i和步骤(5)得到的MCEESCR_i的相对大小，评价第i条直流受端电网的电压支撑能力：若MEESCR_i大于MCEESCR_i，则第i条直流的受端电网电压支撑能力较强，第i条直流在该直流电流变化情况下稳定运行；若MEESCR_i小于MCEESCR_i，则第i条直流的受端电网电压支撑能力较弱，第i条直流在该直流电流变化情况下无法稳定运行。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明在评价多直流馈入系统受端电网电压支撑能力时适用范围广，同时适用于各条直流的直流电流相对自身容量同步变化、直流电流按任意比例非同步变化的情况，解决了评价多直流馈入系统受端电网电压支撑能力时，传统的多馈入有效短路比MIESCR和有效短路比ESCR适用范围窄的问题。本发明通过比较多馈入等效有效短路比MEESCE和多馈入临界等效有效短路比MCEESCR的相对大小来评价多直流馈入的交直流混合系统中受端电网电压支撑能力，可对各种情况下的多直流馈入的交直流混合系统中受端电网电压支撑能力做出准确评价，能够为大规模交直流混合系统的规划建设提供参考依据。

附图说明

图1为多直流馈入系统的结构示意图。

图2为本发明方法的整体流程框图。

具体实施方式

本发明提出一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法，整体流程如图2所示，包括以下步骤：

(1)令电网运行在额定状态，测量电网(该电网为多馈入交直流混合系统)各条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的初相位。设电网中一个平衡节点的母线电压的初相位为0度，则直流注入的交流母线电压的初相位等于该母线电压与平衡节点之间的相位差。

将第i(i＝1,2,…,n)条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的初相位的测量值分别记为U_i0、P_i0、Q_i0和将第i条直流的关断角和换相角记为γ_i、μ_i；n为电网中直流的总数；

(2)根据设定的电网情况，变化各条直流的电流指令(比如对于导致所有直流闭锁的严重故障后的故障恢复过程，可将各条直流的直流电流指令同步变化；而对于仅导致一条直流闭锁的故障后的故障恢复过程，可以只改变一条直流的电流指令，而其它直流电流指令保持额定)，并分别测量电流指令变化后每条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的相位；

将电流指令变化后的第i(i＝1,2,…,n)条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的相位的测量值分别记为U_i1、P_i1、Q_i1和

(3)根据步骤(1)和步骤(2)分别得到的测量结果，计算每条直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗，其中第i(i＝1,2,…,n)条直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗计算表达式如下：

其中：

和分别为系统阻抗矩阵第i行第i列的元素和第i行第j列的元素，属于系统的结构参数。

(4)根据步骤(1)的测量值和步骤(3)得到的等效阻抗，计算每条直流对应的多馈入等效有效短路比，其中第i条直流的多馈入等效有效短路比MEESCR_i计算表达式如下：

其中，Z_eqi为等效阻抗对应的幅值。

(5)计算每条直流对应的多馈入临界等效有效短路比，其中第i条直流的多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i计算表达式如下：

其中，θ_eqi为等效阻抗对应的阻抗角；步骤(3)得到的等效阻抗是一个向量(上面加点为向量，不加点为标量仅表示幅值)，具有幅值相位，其相位为阻抗角。

(6)比较步骤(4)得到的多馈入等效有效短路比MEESCR_i和步骤(5)得到的多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i的相对大小，评价第i条直流受端电网的电压支撑能力：若多馈入等效有效短路比MEESCR_i大于多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i，则第i条直流的受端电网电压支撑能力较强，第i条直流在该直流电流变化情况下可以稳定运行；若多馈入等效有效短路比MEESCR_i小于多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i，则第i条直流的受端电网电压支撑能力较弱，第i条直流在该直流电流变化情况下不可以稳定运行。

若计算得到的多馈入等效有效短路比MEESCR_i小于多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i，则说明该规划方案下第i条直流的受端电网电压支撑能力过弱，导致第i条直流在该直流电流变化情况下不可以稳定运行，该规划方案在实际中无法应用，应减小第i条直流的额定功率或者减小第i条直流馈入的交流电网的等效阻抗，以增强第i条直流馈入的交流电网的电压支撑能力，使得第i条直流可以稳定运行。若计算得到的多馈入等效有效短路比MEESCR_i均大于多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i，则该规划方案下第i(i＝1,2,…,n)条直流可以稳定运行，该规划方案在实际中可以实施，不过若规划方案中存在较小的MEESCR_i，可以将减小第i条直流馈入的交流电网的等效阻抗，以增强第i条直流馈入的交流电网的电压支撑能力从而增大系统整体的稳定裕量作为下一步的规划目标。

本发明提出了多直流馈入系统中受端电网电压支撑能力的评价方法：电网结构参数确定的情况下，在额定状态附近根据实际电网情况，变化直流电流指令，并记录电流指令变化前后直流馈入的交流母线的电压幅值相位，直流注入的有功、消耗的无功以及额定状态下直流的关断角和换相角，之后将多直流馈入系统等效为单直流馈入系统，根据所记录的数据计算等效单馈入系统的等效阻抗，进一步得到多馈入等效有效短路比MEESCR和多馈入临界等效有效短路比MCEESR，比较二者大小，评价多直流馈入系统中受端电网电压支撑能力以及直流的稳定运行状况。本发明所提指标具有物理意义清晰，适用范围广的特点。所提指标可以为大规模交直流混合系统的规划建设提供参考依据。

Claims (1)

1.一种多直流馈入系统受端电网电压支撑能力的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)令电网运行在额定状态，测量电网各条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的初相位；

将第i条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的初相位的测量值分别记为U_i0、P_i0、Q_i0和将第i条直流的关断角和换相角记为γ_i、μ_i；i＝1,2,…,n，n为电网中直流的总数；

(2)根据设定的电网情况，变化各条直流的电流指令，并分别测量电流指令变化后每条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的相位；

将电流指令变化后的第i条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、消耗的无功功率以及母线电压的相位的测量值分别记为U_i1、P_i1、Q_i1和i＝1,2,…,n；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)分别得到的测量结果，计算每条直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗，其中第i条直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗计算表达式如下：

其中：

和分别为系统阻抗矩阵第i行第i列的元素和第i行第j列的元素；

(4))计算每条直流对应的多馈入等效有效短路比，其中第i条直流的多馈入等效有效短路比MEESCR_i计算表达式如下：

其中，Z_eqi为等效阻抗对应的幅值；

(5)计算每条直流对应的多馈入临界等效有效短路比，其中第i条直流的多馈入临界等效有效短路比MCEESCR_i计算表达式如下：

其中，θ_eqi为等效阻抗对应的阻抗角；

(6)比较步骤(4)得到的MEESCR_i和步骤(5)得到的MCEESCR_i的相对大小，评价第i条直流受端电网的电压支撑能力：若MEESCR_i大于MCEESCR_i，则第i条直流的受端电网电压支撑能力较强，第i条直流在该直流电流变化情况下稳定运行；若MEESCR_i小于MCEESCR_i，则第i条直流的受端电网电压支撑能力较弱，第i条直流在该直流电流变化情况下无法稳定运行。