CN109245146A - 基于多馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法 - Google Patents

Abstract

基于多馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，根据电力系统中的潮流信息输入多馈入广义运行短路比MIGOSCR模型；判断MIGOSCR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，本发明解决了在电力系统的工程规划过程中，利用MIESCRi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，利用本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。

Description

基于多馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法

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。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，MIESCRi)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。以往的多馈入有效短路比是一种经验性指标，缺少严格的理论证明，从而导致其临界值在不同系统中不同。按照CIGRE提供经验性临界值1.5来判断系统的临界静态电压稳定性会出现不准确的问题。并且，多馈入有效短路比没有计及直流系统控制方式对静态电压稳定性的影响。

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多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：

一种基于多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多馈入广义运行短路比MIGOSCR模型；

判断MIGOSCR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MIGOSCR模型的生成方式为：

1)将多馈入系统基于节点导纳矩阵建立等值单馈入系统模型；

2)建立换母线处的不平衡函数；

3)对不平衡函数线性化得到雅克比矩阵模型；

4)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MIGOSCR模型为：

其中，U_i为换流母线实际电压，S_di为直流系统的实际复功率，Z_eqi为换流母线i处的等值阻抗。

进一步地，换流母线i处的等值阻抗Z_eqi的表达式为：

其中，为节点阻抗中第i行j列元素，NCIF_ji为节点电流相互作用因子，ΔI_dj换流母线j处直流电流变化量，ΔI_di为换流母线i处直流电流变化量，和分别降阶雅克比矩阵元素。

进一步地，建立的等值单馈入系统模型为：

式中，Z_eqi为换流母线i处的等值阻抗，为流母线i处直流相量，为换母线i处电压，为等效电势源。

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

ΔQ_eqi＝Q_eqaci+Q_di

式中，△P_di为流母线i处直流功率变化量，△P_epi为换流母线i处等值有功功率变化量，△Q_epi为换流母线i处等值无功功率的变化量，P_di为换流母线i处的直流有功功率，P_dci为与换流站i相连的直流母线处送端的直流有功功率，P_eqaci为换流母线i处的交流有功功率，Q_eqaci为换流母线i处的等值交流无功功率，Q_di为换流母线i处的直流无功功率。

进一步地，所述的雅克比矩阵模型：

式中，△I_di为换流站i直流电流变化量；Δδ_i为换流母线i处电压相角的变化量；△U_i/U_i为换流母线i处电压变化量对换流母线电压的比值；J_PdidIi、J_Pdiδi、J_PidUi、J_PeqiIi、J_Pepiδi、J_PeqiUi、J_QeqiIi、J_Qeqiδi、J_QeqiUi是△P_di、△P_eqi、△Q_eqi依次分别对直流电流I_di、换流母线电压相角δ_i和换流母线电压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，△P_di为流母线i处直流功率变化量，△I_di为换流站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、本发明解决了在电力系统的工程规划过程中，利用MIESCRi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，利用本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、本发明采用的MIGOSCR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为多直流馈入系统准稳态模型。

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多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多馈入广义运行短路比MIGOSCR模型；

判断MIGOSCR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；

MIGOSCR模型的生成方式为：

a、利用节点导纳矩阵将多馈入系统基于节点导纳矩阵建立等值单馈入系统模型。

首先根据如图1所示的多馈入系统的示意图列写出节点导纳矩阵，建立换流母线i处电压变化量和电流变化量之间的关系，如式(1)

其中，Z为多馈入系统的节点阻抗矩阵。

由于采用准稳态模型，交流系统采用的模型是恒电势源和恒定戴维南等值阻抗，

所以换流母线i处的交流系统的电流变化量为0。所以将式(1)改写为式(2)。

将上式展开写成式(3)。

其中，为换流母线i处的相量电压变化量，为换流母线j处的从直流系统馈入到换流母线的相量电流，Z_ij为节点阻抗中第i行j列元素。

式(3)两边同时除以换流母线i处直流相量得到式(4)。

由于换流母线间的电压相角相近，且假设线路阻抗为感性，因此将式(4)改写为式(5)。

假设除换流母线i处的直流功率不为0之外的其他换流母线处的直流功率都为0得到直流电流变化量比值，该比值为直流电流相互作用因子，可以反映直流系统间的相互作用，其表达式见式(6)。

其中，和分别降阶雅克比矩阵元素。

根据式(5)和式(6)可以得到多馈入系统的等值阻抗，如式(7)所示。

由此可以得到等值单馈入系统数学模型，如式(8)所示。

其中，Z_eqi为换流母线i处的等值阻抗，为换流站i直流电流相量，为换母线i处电压相量，为等效电势源。

b、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(9)～(11)

ΔP_di＝P_di-P_dci (9)

ΔP_eqi＝P_eqaci-P_di (10)

ΔQ_eqi＝Q_eqaci+Q_di (11)

式中，△P_di为流母线i处直流功率变化量，△P_epi为换流母线i处等值有功功率变化量，△Q_epi为换流母线i处等值无功功率的变化量，P_di为换流母线i处的直流有功功率，P_dci为与换流站i相连的直流母线处送端的直流有功功率，P_eqaci为换流母线i处的交流有功功率，Q_eqaci为换流母线i处的等值交流无功功率，Q_di为换流母线i处的直流无功功率，δ_i为换流母线电压相角，ξ_i为等效电压源相角。

c、对不平衡函数线性化得到等效单馈入系统雅克比矩阵如式(14)所示：

式中，△I_di为换流站i直流电流变化量；△δ_i为换流母线i处电压相角的变化量；△U_i/U_i为换流母线i处电压变化量对换流母线电压的比值；J_PdidIi、J_Pdiδi、J_PidUi、J_PeqiIi、J_Pepiδi、J_PeqiUi、J_QeqiIi、J_Qeqiδi、J_QeqiUi是△P_di、△P_eqi、△Q_eqi依次分别对直流电流I_di、换流母线电压相角δ_i和换流母线电压U_i的偏导。

d、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(15)的方程组。

由上述方程组可以求得等效功率灵敏因子EPSF，见式(16)。

降阶雅克比矩阵J_dci的表达式见式(17)。

J_PdiI，J_Pdiδi，J_PdiUi，J_PeqiIi，J_Peqiδi，J_PeqiUi，J_QeqiIi，J_Qeqiδi，J_QeqiUi分别是雅克比矩阵元素，其具体表达式见式(18)～(25)。

其中，a_i和b_i的表达式见式(26)和(27)。

其中，γ_i为逆变器的熄弧角，μ_i为逆变器的换相重叠角。

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(18)～(25)代入式(17)推导出式(28)。

对于式(28)两边同时除以S_eqaci平方，再进行整理得到式(29)。

因为S_eqi＝S_di，对式(29)进行整理得到(30)。

其中，U_i和S_di分别是换流母线实际电压和交流系统的实际复功率。Z_eqi为换流母线i处的等值阻抗。

即可得到多馈入广义运行短路比(multi-infeed generalized operating shortcircuit ratio，MIGOSCR)的模型(31)。

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。由于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 (7)

1.一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，其特征在于，具体步骤为：

根据电力系统中的潮流信息输入多馈入广义运行短路比MIGOSCR模型；

判断MIGOSCR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MIGOSCR模型的生成方式为：

1)将多馈入系统基于节点导纳矩阵建立等值单馈入系统模型；

2)建立换母线处的不平衡函数；

3)对不平衡函数线性化得到雅克比矩阵模型；

4)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所述的基于多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，所述的多馈入广义运行短路比MIGOSCR模型为：

其中，U_i为换流母线实际电压，S_di为直流系统的实际复功率，Z_eqi为换流母线i处的等值阻抗。

3.根据权利要求2所述的基于多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，换流母线i处的等值阻抗Z_eqi的表达式为：

其中，为节点阻抗中第i行j列元素，NCIF_ji为节点电流相互作用因子，ΔI_dj换流母线j处直流电流变化量，ΔI_di为换流母线i处直流电流变化量，和分别降阶雅克比矩阵元素。

4.根据权利要求1所述的基于多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，建立的等值单馈入系统模型为：

式中，Z_eqi为换流母线i处的等值阻抗，为流母线i处直流相量，为换母线i处电压，为等效电势源。

5.根据权利要求1所述的基于多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：

ΔP_di＝P_di-P_dci

ΔP_eqi＝P_eqaci-P_di

ΔQ_eqi＝Q_eqaci+Q_di

式中，△P_di为流母线i处直流功率变化量，△P_epi为换流母线i处等值有功功率变化量，△Q_epi为换流母线i处等值无功功率的变化量，P_di为换流母线i处的直流有功功率，P_dci为与换流站i相连的直流母线处送端的直流有功功率，P_eqaci为换流母线i处的交流有功功率，Q_eqaci为换流母线i处的等值交流无功功率，Q_di为换流母线i处的直流无功功率。

6.根据权利要求5所述的基于多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，△I_di为换流站i直流电流变化量；Δδ_i为换流母线i处电压相角的变化量；△U_i/U_i为换流母线i处电压变化量对换流母线电压的比值；J_PdidIi、J_Pdiδi、J_PidUi、J_PeqiIi、J_Pepiδi、J_PeqiUi、J_QeqiIi、J_Qeqiδi、J_QeqiUi是△P_di、△P_eqi、△Q_eqi依次分别对直流电流I_di、换流母线电压相角δ_i和换流母线电压U_i的偏导。

7.根据权利要求1所述的基于多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EPSF的表达式为：

式中，△P_di为流母线i处直流功率变化量，△I_di为换流站i直流电流变化量。