CN109167380A - 一种接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，具体步骤为：获取接入电压源型换流站的多馈入系统的潮流信息，将潮流信息输入至多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型，判断HMIGOSCR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，本发明通过基于节点功率灵敏因子，利用单端口等值原理将含电压源型换流器的混合多馈入系统等值为VSC的单馈入系统，建立全新的多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型，解决传统多馈入短路比难以准确评估VSC接入后受端交流系统的电压支撑强度的问题。

Description

一种接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法

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多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

高压直流输电由于其损耗小、大容量的优势，目前成为我国远距离输电采用的方式。但是，伴随着直流输电容量的增加，受端交流系统的对于直流系统的电压支撑强度逐渐变弱。当直流系统发生换相失败导致直流闭锁，会导致送端潮流转移，进而导致送端交流系统中薄弱点发生电压失稳，即系统失去稳定性。而当故障切除之后的直流恢复过程中需要吸收大量无功，倘若此时无功补偿不足会导致直流系统再次闭锁，进而造成巨大的损失。在多馈入系统中，由于直流系统间的相互作用，一回直流发生换相失败，会导致多个直流相继发生换相失败。相对于单馈入系统，多馈入系统虽然在运行方式上更加灵活，输送的直流容量更大，但是一旦系统出现故障，对系统的电压稳定性造成的危害也更大。

在理论研究和工程应用中，通常使用换流母线i处的多馈入有效短路比(multi-infeed effective short circuit ratio，MIESCR_i)来衡量在换流母线i处受端交流系统对多个直流系统的电压支撑强度。短路比的定义式为：

式中，S_cci是在换流母线i处计算所得交流系统短路容量；P_dci，P_dcj是直流系统i和直流系统j的直流额定功率；Q_fi是换流母线处的无功补偿容量；MIIF_ji是节点相互作用因子。ΔU_j，ΔU_i分别是换流母线处的电压变化量。

一般在工程应用中，是采用在换流母线i处设置一个无功扰动，使其变化量为0.01，然后测得换流母线j处的电压变化量，两个变化量做比值得到节点相互作用因子，以此衡量直流系统间的相互作用。

传统的多馈入系统中大多是采用电网换相换流器(line commutated converterbased high voltage direct current，LCC-HVDC)。LCC的运行需要一定强度的受端交流系统支撑。随着电压源型换流器(voltage source converter based high voltage directcurrent，VSC-HVDC)的发展，VSC可以不依赖于系统运行，可以独立地控制有功无功的输出，对于整个系统的运行特性有着一定的影响。由于传统的多馈入有效短路比没有考虑VSC的接入，难以评估VSC接入后的混合多馈入系统的电压支撑强度。

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一种接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，具体步骤为：

获取接入电压源型换流站的多馈入系统的潮流信息，将潮流信息输入至多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型，判断HMIGOSCR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；

所述HMIGOSCR模型的生成方式为：

1)建立接入电压源型换流站的混合多直流馈入系统准稳态模型，根据其得到多端口的相量电压和相量电流之间的关系式：

式中，I_d是馈入到换流母线的直流电流相量；I_g是戴维南等值电势源的电流相量；U是换流母线电压相量；E是戴维南等值电势源相量；Y_CC是换流母线处的自导纳；Y_CG和Y_GC是换流母线与戴维南等值电势源之间的互导纳；Y_GG戴维南等值电势源处的自导钠；

2)通过关系式得到含有电压源型换流器的单馈入等值模型；

3)建立换母线处的不平衡函数；

4)对不平衡函数线性化得到雅克比矩阵模型；

5)在矩阵模型中引入等值功率灵敏因子EPSF，生成最终模型。

进一步地，所述的多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型为：

其中，U_i是换流母线实际电压；S_eqi是等值单馈入系统交流侧的复功率；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；K_i为动态运行特性系数，反映混合系统的有功，无功分别对换流母线电压和相角的灵敏度；DP_diVF是电网换相换流器直流功率对电压的动态灵敏度；DP_VSCVF是电压源型换流站直流功率对电压的灵敏度；DQ_MVF是混合无功对电压的灵敏度；DP_VSCδF是电压源型换流站直流功率对换流母线电压相角的灵敏度。

进一步地，电网换相换流器直流功率对电压的动态灵敏度DP_diVF的表达式为：

式中，P_di是换流母线i处的直流有功功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率；I_di是馈入到换流母线的直流电流；U_i是换流母线实际电压；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率。

进一步地，电压源型换流站直流功率对电压的灵敏度DP_VSCVF的表达式为：

式中，P_eqi是换流母线i处的交流有功功率；P_vsc是电压源型换流站的有功功率；U_i是换流母线实际电压。

进一步地，混合无功对电压的灵敏度DQ_MVF的表达式为：

式中，U_i是换流母线实际电压；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率；Q_vsc是电压源型换流站的无功功率。

进一步地，电压源型换流站直流功率对换流母线电压相角的灵敏度DP_VSCδF的表达式为：

式中，U_i是换流母线实际电压；P_di是换流母线i处的直流有功功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率；I_di是馈入到换流母线的直流电流；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率；Q_vsc是电压源型换流站的无功功率；P_vsc是电压源型换流站的有功功率；δ_i为换流母线电压相角。

进一步地，建立的含有电压源型换流器的单馈入等值模型为：

式中，为等效电势源；I_eqi为等效电流；U_i是换流母线实际电压；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗。

进一步地，所述的不平衡函数为：

ΔP_di＝P_di-P_dci

ΔP_eqi＝P_eqaci-P_di-P_VSC

ΔQ_eqi＝Q_eqaci+Q_di-Q_VSC

式中，ΔP_di是换流母线i处直流功率变化量；ΔP_eqi是换流母线i处的等值有功功率变化量；ΔQ_eqi是换流母线i处等值无功功率的变化量；P_di是换流母线i处的直流有功功率；P_dci是与换流站i相连的直流母线处送端的直流有功功率；P_VSC是电压源型换流站的直流功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率，P_eqi是换流母线i处的交流有功功率，Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率，Q_VSC是电压源型换流站的无功功率。

进一步地，所述的雅克比矩阵模型：

其中，ΔP_di是换流母线i处直流功率变化量；ΔP_eqi是换流母线i处的等值有功功率变化量；ΔQ_eqi是换流母线i处等值无功功率的变化量；ΔI_di是换流站i直流电流变化量；Δδ_i是换流母线i处电压相角的变化量；ΔU_i/U_i是换流母线i处电压变化量对换流母线电压的比值；和分别是ΔP_di，ΔP_eqi，ΔQ_eqi依次对I_di，δ_i，U_i的偏导。

进一步地，所述的功率灵敏因子EPSF的表达式为：

式中，ΔP_di是换流母线i处直流功率变化量；ΔI_di是换流站i直流电流变化量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过基于节点功率灵敏因子，利用单端口等值原理将含电压源型换流器的混合多馈入系统等值为VSC的单馈入系统，建立全新的多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型，解决传统多馈入短路比难以准确评估VSC接入后受端交流系统的电压支撑强度的问题。

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、本发明采用的HMIGOSCR是由系统中实时的潮流数据计算所得，是由严格的理论证明推导而来，在不同系统中，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，指标的临界值恒为1，能够准确地判断系统的静态电压稳定性，并且该指标考虑了直流系统的控制方式的影响。

附图说明

图1为混合多直流馈入系统准稳态模型的示意图。

图2为含有VSC的等值单馈入模型示意图。

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接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，具体步骤为：

获取接入电压源型换流站的多馈入系统的潮流信息，将潮流信息输入至多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型，判断HMIGOSCR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。

HMIGOSCR模型的生成方式为：

一、利用单端口等值原理将混合多馈入系统等值为仅含有单条LCC的混合馈入系统。

如图1所示，根据混合多馈入系统的示意图可得到多端口相量电压和相量电流之间的关系式，如式(1)。

其中，I_d是馈入到换流母线的直流电流相量；I_g是戴维南等值电势源的电流相量；U是换流母线电压相量；E是戴维南等值电势源相量；Y_CC是换流母线处的自导纳；Y_CG和Y_GC是换流母线与戴维南等值电势源之间的互导纳(Y_CG与Y_GC相等)；Y_GG戴维南等值电势源处的自导钠。

对上式展开获取得到单端口等值模型，如式(2)所示。

定义则式(2)可写成式(3)。

定义为等效电势源，为等效电流。

则含有VSC的等值单馈入模型为式(4)，其模型图如图2所示。

图2中，换流母线i处的直流无功功率P_eqi，换流母线i处的等值交流无功功率Q_eqi，VSC的直流功率P_vsc，VSC的无功功率Q_vsc的表达式分别见式(5)～(8)。

其中，δ_i为换流母线电压相角；ξ_i为等效电压源相角；U_VSC为VSC输出电压，Z_VSC为VSC运行阻抗，其表达式见式(9)

其中，V_di，V_qi，i_di，i_qi分别是换流母线电压dq轴分量，VSC馈入换流母线直流的dq轴分量。

二、建立换母线处的不平衡函数，换流母线处的不平衡函数表达式见式(10)～(12)。

ΔP_di＝P_di-P_dci (10)

ΔP_eqi＝P_eqi-P_di-P_VSC (11)

ΔQ_eqi＝Q_eqi+Q_di-Q_VSC (12)

其中，ΔP_di是换流母线i处直流功率变化量；ΔP_eqi是换流母线i处的等值有功功率变化量；ΔQ_eqi是换流母线i处等值无功功率的变化量；P_di是换流母线i处的直流有功功率；P_dci是与换流站i相连的直流母线处送端的直流有功功率；P_VSC是VSC的直流功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率，P_eqi是换流母线i处的交流有功功率，Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率，Q_VSC是VSC的无功功率。

三、对上述不平衡表达式线性化得到雅克比矩阵，其表达式见式(13)。

其中，ΔI_di是换流站i直流电流变化量；Δδ_i是换流母线i处电压相角的变化量；ΔU_i/U_i是换流母线i处电压变化量对换流母线电压的比值； 和分别是ΔP_di，ΔP_eqi，ΔQ_eqi依次对I_di，δ_i，U_i的偏导。

四、在矩阵模型中引入等效功率灵敏因子EPSF，生成最终模型。

在准稳态假设下，即ΔP_eqi＝ΔQ_eqi＝0，得到如式(14)的方程组。

由上述方程组可以求得功率灵敏因子EPSF，见式(15)。

其中，J_dci的表达式见式(16)。

和分别是雅克比矩阵元素，其具体表达式见式(17)～(25)。

其中，a_i和b_i的表达式见式(26)和(27)。

其中，γ_i和μ_i分别是逆变器i的熄弧角和换相重叠角。

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。在多馈入系统中，J_dc的表达式刚好就是功率灵敏因子EPSF的表达式，即，令EPSF＝J_dc＝0，，将式(17)～(25)代入式(16)推导出式(28)。

对于式(28)两边同时除以S_eqi平方，再进行整理得到式(29)。

对式(29)进行整理得到(30)。

其中，U_i是换流母线实际电压；S_eqi是等值单馈入系统交流侧的复功率；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；K_i为动态运行特性系数，反映混合系统的有功，无功分别对换流母线电压和相角的灵敏度。其表达式见式(31)。

其中，DP_diVF是LCC直流功率对电压的动态灵敏度；DP_VSCVF是VSC直流功率对电压的灵敏度；DQ_MVF是混合无功(LCC+VSC)对电压的灵敏度；DP_VSCδF是VSC直流功率对换流母线电压相角的灵敏度，各自的表达式见式(32)～(36)。

最后，即可根据式(20)提出混合多馈入广义运行短路比(hybrid multi-infeedgeneralized operating short circuit ratio，HMIGOSCR)，其表达式见式(36)。

本发明能够准确地评估混合多馈入系统的电压支撑强度，并且在临界电压稳定时的临界值恒定为1。由于混合多馈入广义短路比采用系统中实时的潮流信息，因此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 (10)

1.一种接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，具体步骤为：

获取接入电压源型换流站的多馈入系统的潮流信息，将潮流信息输入至多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型，判断HMIGOSCR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；

所述HMIGOSCR模型的生成方式为：

1)建立接入电压源型换流站的混合多直流馈入系统准稳态模型，根据其得到多端口的相量电压和相量电流之间的关系式：

式中，I_d是馈入到换流母线的直流电流相量；I_g是戴维南等值电势源的电流相量；U是换流母线电压相量；E是戴维南等值电势源相量；Y_CC是换流母线处的自导纳；Y_CG和Y_GC是换流母线与戴维南等值电势源之间的互导纳；Y_GG戴维南等值电势源处的自导钠；

2)通过关系式得到含有电压源型换流器的单馈入等值模型；

3)建立换母线处的不平衡函数；

4)对不平衡函数线性化得到雅克比矩阵模型；

5)在矩阵模型中引入等值功率灵敏因子EPSF，生成最终模型。

2.根据权利要求1所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，所述的多馈入广义运行短路比HMIGOSCR模型为：

其中，U_i是换流母线实际电压；S_eqi是等值单馈入系统交流侧的复功率；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；K_i为动态运行特性系数，反映混合系统的有功，无功分别对换流母线电压和相角的灵敏度；DP_diVF是电网换相换流器直流功率对电压的动态灵敏度；DP_VSCVF是电压源型换流站直流功率对电压的灵敏度；DQ_MVF是混合无功对电压的灵敏度；DP_VSCδF是电压源型换流站直流功率对换流母线电压相角的灵敏度。

3.根据权利要求2所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，电网换相换流器直流功率对电压的动态灵敏度DP_diVF的表达式为：

式中，P_di是换流母线i处的直流有功功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率；I_di是馈入到换流母线的直流电流；U_i是换流母线实际电压；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率。

4.根据权利要求2所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，电压源型换流站直流功率对电压的灵敏度DP_VSCVF的表达式为：

式中，P_eqi是换流母线i处的交流有功功率；P_vsc是电压源型换流站的有功功率；U_i是换流母线实际电压。

5.根据权利要求2所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，混合无功对电压的灵敏度DQ_MVF的表达式为：

式中，U_i是换流母线实际电压；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率；Q_vsc是电压源型换流站的无功功率。

6.根据权利要求2所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，电压源型换流站直流功率对换流母线电压相角的灵敏度DP_VSCδF的表达式为：

式中，U_i是换流母线实际电压；P_di是换流母线i处的直流有功功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率；I_di是馈入到换流母线的直流电流；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗；Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率；Q_vsc是电压源型换流站的无功功率；P_vsc是电压源型换流站的有功功率；δ_i为换流母线电压相角。

7.根据权利要求1所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，建立的含有电压源型换流器的单馈入等值模型为：

式中，为等效电势源；I_eqi为等效电流；U_i是换流母线实际电压；B_ii为换流母线i处与等效电势源之间的等值阻抗。

8.根据权利要求1所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，所述的不平衡函数为：

ΔP_di＝P_di-P_dci

ΔP_eqi＝P_eqaci-P_di-P_VSC

ΔQ_eqi＝Q_eqaci+Q_di-Q_VSC

式中，ΔP_di是换流母线i处直流功率变化量；ΔP_eqi是换流母线i处的等值有功功率变化量；ΔQ_eqi是换流母线i处等值无功功率的变化量；P_di是换流母线i处的直流有功功率；P_dci是与换流站i相连的直流母线处送端的直流有功功率；P_VSC是电压源型换流站的直流功率；Q_di是换流母线i处的直流无功功率，P_eqi是换流母线i处的交流有功功率，Q_eqi是换流母线i处的等值交流无功功率，Q_VSC是电压源型换流站的无功功率。

9.根据权利要求1所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，所述的雅克比矩阵模型：

其中，ΔP_di是换流母线i处直流功率变化量；ΔP_eqi是换流母线i处的等值有功功率变化量；ΔQ_eqi是换流母线i处等值无功功率的变化量；ΔI_di是换流站i直流电流变化量；Δδ_i是换流母线i处电压相角的变化量；ΔU_i/U_i是换流母线i处电压变化量对换流母线电压的比值；和分别是ΔP_di，ΔP_eqi，ΔQ_eqi依次对I_di，δ_i，U_i的偏导。

10.根据权利要求1所述的接入电压源型换流站的多馈入系统稳定性的判断方法，其特征在于，所述的功率灵敏因子EPSF的表达式为：

式中，ΔP_di是换流母线i处直流功率变化量；ΔI_di是换流站i直流电流变化量。