CN109217302B - 一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法，属于电力系统的电网规划与运行技术领域。分别测量混合多馈入系统中额定状态下和同步提升各条传统直流的电流指令后各条传统直流和柔性直流馈入的交流母线的电压幅值、直流注入有功功率、无功功率以及母线电压的初相位；根据测量结果，分别得到每条传统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，评价每条传统直流受端电网的强度。本发明能够计及柔性直流运行状态和控制方式对传统直流受端电网强度的影响，能够准确评价混合多馈入系统中传统直流的受端电网强度。

Description

一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法

技术领域

本发明提出一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法，属于电力系统的电网规划与运行技术领域。

背景技术

电网换相换流器高压直流输电(传统直流)凭借其远距离、大容量、区域互联等方面的优势已经成为我国“西电东送”以及大电网异步互联的重要方式，但其稳定运行需要有一定强度的受端交流电网提供电压支撑，定功率模式下能否在额定点稳定运行受系统短路比的限制。而电压源换流器型高压直流输电(柔性直流)由于不依赖电网换相、输出有功无功解耦、能够提供瞬态无功支撑等优点，近年来得到快速发展，从而也就出现了传统直流和柔性直流两种直流在不同落点馈入同一交流电网的情况。比如2016年建成的云南电网与南方电网主网互联的鲁西背靠背直流工程就采用传统直流与柔性直流并联运行的模式。再比如预计于2020年投产的连接云南、广西、广东电网的乌东德工程，其受端直流将采用柔性直流，届时将与南方电网现有的传统直流形成图1所示的混合多馈入的电网结构。图1中n为直流的总数，其中直流1到直流为k传统直流，直流k+1到直流n为柔性直流。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_tkn∠θ_tkn分别为交流系统1、k，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(对于柔性直流则为发出的无功功率)，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。混合多馈入系统中的传统直流的安全稳定运行需要一定强度的交流系统作为支撑，混合多馈入系统中不同的传统直流之间相互影响，而柔性直流的控制方式与运行状态同样会对传统直流的受端电网强度产生影响，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，传统直流容易发生换相失败现象。因此对混合多馈入系统中计及柔性直流影响的传统直流受端电网强度的准确评估能够为大规模混合多馈入系统的规划建设提供重要参考依据。

对于传统单直流馈入系统，可以通过有效短路比来衡量传统直流的受端电网强度，并通过比较有效短路比和临界有效短路比的相对大小来判断传统直流能否稳定工作在额定状态。在传统多馈入系统中也有相应的指标：多馈入有效短路比指标来衡量传统多馈入系统中传统直流的受端电网强度。而在混合多馈入系统中，柔性直流的控制方式和运行状态也会对传统直流的受端电网强度产生影响，而对混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的定量评估目前研究相对较少。有学者在交流系统发生短路故障的情况下，将柔性直流等效为电流源，计算传统直流馈入母线处的短路容量，并通过计算得到的短路容量与传统直流额定功率的比值来定义有效短路比，但是该指标仅仅讨论了交流系统发生短路故障这一特殊情况，适用范围狭窄，不能反映柔性直流控制方式对传统直流受端电网强度的影响，同时该指标本身的有效性也未得到证明。而对更一般的情况如何准确评价混合多馈入系统中传统直流的受端电网强度目前仍有待研究。

发明内容

本发明的目的是解决目前工程上无法准确评价混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的问题，提出一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法。本发明能够计及柔性直流运行状态和控制方式对传统直流受端电网强度的影响，能够准确评价混合多馈入系统中传统直流的受端电网强度，可以为大规模交直流混合系统的规划建设提供参考依据。

本发明提出一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法，包括以下步骤：

(1)令混合多馈入系统运行在额定状态，测量系统中各条直流馈入的交流母线的电压幅值、直流注入有功功率、无功功率以及母线电压的初相位；其中，所述直流包括传统直流和柔性直流；

将第i条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、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i＝1,2,…,n，n为混合多馈入系统中直流的总数；其中，对于传统直流无功功率指消耗的无功功率，对于柔性直流无功功率指发出的无功功率；

将第i条传统直流的关断角和换相角记为γ_i、μ_i；其中，i＝1,2,…,k，k为混合多馈入系统中传统直流总数；

(2)对于传统直流，根据每条传统直流的自身容量，按照设置的比例同步提升各条传统直流的电流指令；对于每条柔性直流，保持步骤(1)中的额定状态下的控制方式和运行状态不变；分别测量电流指令提升后每条传统直流和柔性直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、无功功率以及母线电压的相位；

将电流指令提升后的第i条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、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，计算每条传统直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗，其中第i条传统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，i＝1,2,…,k；

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)根据步骤(1)的测量值和步骤(3)得到的等效阻抗，计算每条传统直流对应的多馈入等效有效短路比，其中第i条传统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，i＝1,2,…,k；

(5)计算每条传统直流对应的多馈入临界等效有效短路比，其中第i条传统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；i＝1,2,…,k；

(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条传统直流受端电网强度：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条传统直流的受端电网强度较强，第i条传统直流在定功率的控制方式下稳定运行在额定状态；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条传统直流的受端电网强度较弱，第i条传统直流在定功率的控制方式下无法稳定运行在额定状态。

本发明的特点及有益效果在于：

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的相对大小来评价混合多馈入系统中传统直流受端电网强度。本发明在评价混合多馈入系统中传统直流的受端电网强度时，能够计及柔性直流运行状态和控制方式对传统直流受端电网强度的影响，能够准确评价混合多馈入系统中传统直流的受端电网强度，可以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为混合多馈入系统的电网结构示意图。

图2为本发明方法的整体流程框图。

具体实施方式

本发明提出一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法，整体流程如图2所示，包括以下步骤：

(1)令混合多馈入系统运行在额定状态，测量系统中各条直流馈入的交流母线的电压幅值、直流注入有功功率、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(包括传统直流和柔性直流)馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、无功功率(对于传统直流记录消耗的无功功率，对于柔性直流记录发出的无功功率)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(i＝1,2,…,k)条传统直流的关断角和换相角记为γ_i、μ_i；k为混合多馈入系统中传统直流总数，n为混合多馈入系统中直流(包括传统直流和柔性直流)的总数；

(2)对于传统直流，根据每条传统直流的自身容量，按照设置的比例(该比例一般较小，可取额定值的1％)同步提升各条传统直流的电流指令；对于每条柔性直流，保持步骤(1)中的额定状态下的控制方式和运行状态不变。之后分别测量电流指令提升后每条直流(包括传统直流和柔性直流)馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、无功功率(对于传统直流记录消耗的无功功率，对于柔性直流记录发出的无功功率)以及母线电压的相位；

将电流指令提升后的第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、无功功率(对于传统直流记录消耗的无功功率，对于柔性直流记录发出的无功功率)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，计算每条传统直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗，其中第i(i＝1,2,…,k)条传统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，计算每条传统直流对应的多馈入等效有效短路比，其中第i(i＝1,2,…,k)条传统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)计算每条传统直流对应的多馈入临界等效有效短路比，其中第i(i＝1,2,…,k)条传统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(i＝1,2,…,k)条传统直流受端电网强度：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条传统直流的受端电网强度较强，第i条传统直流在定功率的控制方式下可以稳定运行在额定状态；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条传统直流的受端电网强度较弱，第i条传统直流在定功率的控制方式下不可以稳定运行在额定状态。

若存在某条传统直流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(i＝1,2,…,k)条传统直流的受端电网强度过弱，导致第i(i＝1,2,…,k)条传统直流定功率控制方式下无法运行在额定状态，该规划方案在实际中无法应用，应减小第i条传统直流的额定功率或者减小第i条传统直流馈入的交流电网的等效阻抗或者改变柔性直流的控制方式和运行状态，以增强第i条传统直流馈入的交流电网的强度，使得第i条传统直流可以稳定运行。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,…,k)条传统直流可以稳定运行，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条传统直流馈入的交流电网的等效阻抗或者改变柔性直流的控制方式和运行状态，以增强第i条传统直流馈入的受端电网强度从而增大系统整体的稳定裕量作为下一步的规划目标。

本发明提出了一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法：电网结构参数确定的情况下，对于传统直流，在额定状态附近，按照设置的比例同步提升各条直流的电流指令；对于柔性直流，保持额定状态下的控制方式和运行状态不变，之后记录电流指令变化前后所有直流馈入的交流母线的电压幅值相位，直流注入的有功功率、无功功率以及额定状态下传统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MCEESCR，比较二者大小，评价混合多直流馈入系统中传统直流的受端电网强度以及传统直流的稳定运行状况。本发明能够计及柔性直流运行状态和控制方式对传统直流受端电网强度的影响，能够准确评价混合多馈入系统中传统直流的受端电网强度，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)

1.一种混合多馈入系统中传统直流受端电网强度的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)令混合多馈入系统运行在额定状态，测量系统中各条直流馈入的交流母线的电压幅值、直流注入有功功率、无功功率以及母线电压的初相位；其中，所述直流包括传统直流和柔性直流；

将第i条传统直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、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条传统直流的关断角和换相角记为γ_i、μ_i；i＝1,2,…,k，k为混合多馈入系统中传统直流的总数；

将第j条柔性直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、无功功率以及母线电压的初相位的测量值分别记为U_j0、P_j0、Q_j0和j＝k+1,k+2,…,n，n为混合多馈入系统中所有直流的总数；

(2)对于传统直流，根据每条传统直流的自身容量，按照设置的比例同步提升各条传统直流的电流指令；对于每条柔性直流，保持步骤(1)中的额定状态下的控制方式和运行状态不变；分别测量电流指令提升后每条传统直流和柔性直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、无功功率以及母线电压的相位；

将电流指令提升后的第m条直流馈入的交流母线的电压、直流注入有功功率、无功功率以及母线电压的相位的测量值分别记为U_m1、P_m1、Q_m1和m＝1,2,…,n；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)分别得到的测量结果，计算每条传统直流对应的等效单馈入系统的等效阻抗，其中第i条传统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m列的元素；

(4)根据步骤(1)的测量值和步骤(3)得到的等效阻抗，计算每条传统直流对应的多馈入等效有效短路比，其中第i条传统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，i＝1,2,…,k；

(5)计算每条传统直流对应的多馈入临界等效有效短路比，其中第i条传统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；i＝1,2,…,k；

(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条传统直流受端电网强度：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条传统直流的受端电网强度较强，第i条传统直流在定功率的控制方式下稳定运行在额定状态；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条传统直流的受端电网强度较弱，第i条传统直流在定功率的控制方式下无法稳定运行在额定状态。