CN109378830B - 一种基于远距离输电的同步调相机选址方法 - Google Patents

一种基于远距离输电的同步调相机选址方法 Download PDF

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Abstract

一种基于远距离输电的同步调相机选址方法，属于输电线路无功补偿设备选址领域；本发明为了解决本地直流换相失败几率和多直流系统连续换相失败几率高的问题；本发明根据实际输电情况建立输电系统模型，输电系统包括发电单元、输送单元和若干受端，发电单元包括传统发电站和分布式新能源发电站；利用电力系统仿真软件进行系统的三相短路故障仿真分析，并通过系统稳定性模型得到故障发生时的短路电流；计算各馈入直流受端交流系统的短路比，根据各馈入直流受交流系统的短路比预测电压稳定薄弱点，将该薄弱点所在的线路上配置同步调相机；本发明取消各个直流系统间的联系，有效提高多受端交流系统网架强度、增强系统电压支撑能力和降低换相失败几率。

Description

一种基于远距离输电的同步调相机选址方法
技术领域
本申请为输电线路无功补偿设备选址领域。尤其是涉及多受端直流输电系统中远距离输电的同步调相机选址方法。
背景技术
同步调相机，又称为同步补偿机。是无功补偿设备、运行于电动机状态、只向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机。电力系统中的设备需要从电网吸收大量的无功功率以供其励磁。因此，电网负担的很大一部分无功电流，会导致电网的功率因数降低、线路损耗和电压损失增大、输电质量变差，严重的会影响输电的稳定性。由于同步电机处在过励状态时，可以通过从电网吸收相位超前于电压的电流来改善电网的功率因数，所以在过去的实际中，除了选取一部分同步电动机外，还会在电网的受端装设同步调相机，用于改善电网的功率因数。
随着近些年来，高压和超高压交直流输电系统在西电东送和全国联网中得到广泛应用，同步调相机由于其可以进行快速无功补偿和受系统及母线电压影响小的特性，被广泛应用于高压及超高压交直流输电系统；此外，如果在输电线的受端装同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行，增加输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可以防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。随着“西电东送”工程和全国联网的全面实施，单馈入直流输电系统已经不能满足我国新能源消纳和能源均衡的需求，所以，多受端直流互联电网的格局已经出现于我国华北、华东和华南电网。以南方电网为例，目前南方电网已呈现“八交十一直”的多受端直流互联电网格局。大规模交直流互联电网的特点是交直流并联运行、强直弱交、远距离大容量输电和多回直流集中馈入。尤其针对多受端直流输电系统的故障情况，次暂态过程中同步调相机机端瞬间电势保持不变并发出大量无功，可以支撑电网的电压、减少多回直流同时换相失败几率、提高交直流输电系统的稳定性。当电网电压大幅跌落时，同步调相机可以快速进入强励状态，快速发出大量无功功率，为系统提供紧急无功支撑，以便于电压的迅速恢复，防止电压崩溃。
同步调相机的选址需要考虑机端交流母线系统强度，不同配置位置对高压交直流输电系统的稳定性影响效果不同，而且同步调相机的安装目的是增加直流输电受端交流系统强度、降低本地换相失败几率和进一步抑制多回直流同时换相失败。在传统配置同步调相机的方法中，常忽略布点位置和交直流输电系统的受端交流系统强度之间的作用关系。
发明内容
本发明可提供一种同步调相机的选址方法，具有提高同步调相机在多受端交直流输电系统中的性能，降低本地直流换相失败几率和多直流系统连续换相失败几率，并解决了分布式新能源的储存和消纳的问题。
本发明的一种基于远距离输电的同步调相机选址方法，包括以下步骤：
步骤1、根据实际输电情况建立综合远距离多受端交直流输电系统模型，所述输电系统包括发电单元、输送单元和若干受端，发电单元包括传统发电站和分布式新能源发电站，输送单元包括争流站、输电线路和逆变站，传统发电站通过输送单元将电能送至各个受端；
步骤2、利用电力系统仿真软件进行系统的三相短路故障仿真分析，并通过系统稳定性模型得到故障发生时的故障情况系统波形，通过潮流计算得到相关的电力系统参数，为后续计算薄弱点及投入同步调相机做准备；
步骤3、计算各馈入直流受端交流系统的短路比，根据各馈入直流受交流系统的短路比预测电压稳定薄弱点，在该薄弱点所在的线路上配置同步调相机。
进一步的，步骤2具体包括：
步骤2.1、构建换流器基本方程，根据换流器基本方程得到直流侧的有功功率和直流侧的无功功率；
步骤2.2、构建负荷节点的功率方程，根据步骤2.1得到的直流侧有功功率和直流侧的无功功率得到负荷节点处的有功功率和无功功率；
步骤2.3、构建潮流方程，构建各负荷节点的节点电压。
进一步的，所述换流器基本方程如下：
Figure BDA0001889849170000021
式中，kt是换流变压器变比；Ut是交流系统换流变压器一次侧线电压；
Figure BDA0001889849170000022
是功率因数角；θ是整流器触发角和逆变器熄弧角；Pd是直流侧有功功率；Qd是交流侧吸收的无功功率；Xc是换流电抗；Ud是直流电压；Id是直流电流；kγ＝1反映当取γ时，直流输电电流和直流输电功率的关系，约为1。
进一步的，所述负荷节点的功率方程如下：
Figure BDA0001889849170000031
式中，ΔP为负荷节点处的有功功率，ΔQ为负荷节点处的无功功率，Ps和Qs分别为系统的有功功率和无功功率，Pac和Qac分别为交流有功功率和无功功率，Pd和Qd分别为流入换流器的直流侧有功功率和无功功率。
进一步的，所述潮流方程为：
Figure BDA0001889849170000032
式中，Pac是交流有功功率；Qac是交流无功功率。
进一步的，步骤3具体包括：
步骤3.1、根据
Figure BDA0001889849170000033
得到各馈入直流受端交流系统的短路比；
步骤3.2、步骤3.1得到的短路比进行排序，选择最小的线路为故障时最容易发生逆变侧本地换相失败的直流线路，得到最薄弱的受端交流系统的位置为电压稳定薄弱点。
进一步的，预先设定一个短路比规定值，步骤3.1所得到的短路比与短路比规定值比较，小于短路比规定值的线路为电压稳定薄弱点。
进一步的，所述新能源发电站为风力发电站、光伏发电站、地热能发电站、海洋能发电站、生物质能发电站或核聚变能发电站中的一种或多种组合。
本申请与现有技术相比，具有如下有益效果，本申请的发电单元结合传统发电站和分布式新能源发电站，并将能量集中通过多受端直流的交直流输电系统传输到多个受电端，实现能量的集中采集和输送，改善新能源不能存储的缺点和新能源消纳，通过多受电端的传输方式实现能源的合理分配；本发明的选址方法通过计算受端交流系统强度，从而得到薄弱点和需要补偿的点作为布置点，因为在各直流系统间没有建立联系，不存在直流系统间的耦合关系，所以可以减少多个直流系统间的相互影响，有效提高多受端交流系统网架强度、增强系统电压支撑能力和降低换相失败几率。
附图说明
图1为本申请整体流程图；
图2为本申请的构建的综合多受端模型的结构示意图；
图3为发出的无功功率曲线图，图中
Figure BDA0001889849170000041
代表STATCOM无功功率曲线，
Figure BDA0001889849170000042
代表同步调相机的无功功率曲线；
图4为换流母线电压曲线图，图中
Figure BDA0001889849170000043
代表对比方案一的曲线，
Figure BDA0001889849170000044
代表对比方案二的曲线，
Figure BDA0001889849170000045
代表本实施例的曲线；
图5为高压直流输电系统直流功率曲线图，图中
Figure BDA0001889849170000046
代表对比方案一的曲线，
Figure BDA0001889849170000047
代表对比方案二的曲线，
Figure BDA0001889849170000048
代表本实施例的曲线；
图6为高压直流输电系统高管断角曲线图，图中
Figure BDA0001889849170000049
代表对比方案一的曲线，
Figure BDA00018898491700000410
代表对比方案二的曲线，
Figure BDA00018898491700000411
代表本实施例的曲线；
具体实施方式
直流特高压输电工程中的大型调相机组，在电磁及机械性能指标、冷却结构形式、辅机系统要求等方面实现了创新。大型调相机的投运，可以充分发挥在交直流混联电网中的动态无功支撑作用，提升电网的安全稳定性，改善电网功率因数，维持电网电压水平，保障绿色特高压电网的高效安全运行。
电容器、电抗器的投切进行无功调节是非连续的，大多只适用电网稳态运行工况。当系统运行受到较大扰动而导致换流站等枢纽站母线电压大幅波动时，电容器、电抗器等传统静态无功补偿装置不能提供满足需要的动态无功补偿，这时会发生电压失稳问题，危及系统稳定。
同步调相机又称同步补偿机，是一种特殊运行状态的同步电机，运行时有功接近于零，能提供或吸收无功功率以平衡电网无功。调相机作为旋转无功发生装置，其双向的动态无功调节能力对提高受端交流电网短路比、增强电网强度和灵活性有独特的优势。在直流系统因故障出现闭锁的情况下，调相机可进入进相运行状态，吸收因直流甩负荷出现的大量过剩无功，从而抑制系统电压升高，改善电压水平。在直流系统正常运行需要电压支撑时，可在迟相运行状态为交流电网提供动态无功支持。在交流电网近端出现故障电压下降时可进行强励磁支撑电压和系统稳定，为切除故障赢得宝贵时间。因此，调相机作为可靠的双向(进相、迟相)动态无功发生装置，因其自身独有的大容量动态无功输出特点及过载能力，受到了电力行业的密切关注。调相机经济性好，使用寿命长，约30年，相比其他无功补偿装置具有比较强的优势。
本实施例的一种基于远距离输电的同步调相机选址方法，包括以下步骤：
步骤1、根据实际输电情况建立综合远距离多受端交直流输电系统模型，所述输电系统包括发电单元、输送单元和若干受端，发电单元包括传统发电站和分布式新能源发电站，输送单元包括争流站、输电线路和逆变站，传统发电站通过输送单元将电能送至各个受端；
步骤2、利用电力系统仿真软件进行系统的三相短路故障仿真分析，并通过系统稳定性模型得到故障发生时的短路电流；具体包括如下步骤：
步骤2.1、构建换流器基本方程，根据换流器基本方程得到直流侧的有功功率和直流侧的无功功率；
Figure BDA0001889849170000051
式中，kt是换流变压器变比；Ut是交流系统换流变压器一次侧线电压；
Figure BDA0001889849170000052
是功率因数角；θ是整流器触发角和逆变器熄弧角；Pd是直流侧有功功率；Qd是交流侧吸收的无功功率；Xc是换流电抗；Ud是直流电压；Id是直流电流；kγ＝1反映当取γ时，直流输电电流和直流输电功率的关系，约为1。
步骤2.2、构建负荷节点的功率方程，根据步骤2.1得到的直流侧有功功率和直流侧的无功功率得到负荷节点处的有功功率和无功功率；
所述负荷节点的功率方程如下：
Figure BDA0001889849170000053
式中，ΔP为负荷节点处的有功功率，ΔQ为负荷节点处的无功功率，Ps和Qs分别为系统的有功功率和无功功率，Pac和Qac分别为交流有功功率和无功功率，Pd和Qd分别为流入换流器的直流侧有功功率和无功功率。
步骤2.3、构建潮流方程，构建各负荷节点的节点电压和短路电流；
所述潮流方程为：
Figure BDA0001889849170000054
式中，Pac是交流有功功率；Qac是交流无功功率。
步骤3、计算各馈入直流受端交流系统的短路比，根据各馈入直流受交流系统的短路比预测电压稳定薄弱点，将该薄弱点所在的线路上配置同步调相机；
步骤3.1、根据
Figure BDA0001889849170000061
得到各馈入直流受端交流系统的短路比，其中Sc为换流母线的短路容量，PdN是额定直流功率，其中
Figure BDA0001889849170000062
是短路电流和额定电压的乘积；
步骤3.2、步骤3.1得到的短路比进行排序，选择最小的线路为故障时最容易发生逆变侧本地换相失败的直流线路，得到最薄弱的受端交流系统的位置为电压稳定薄弱点；
短路比SCR的大小决定了交直流系统的强度，通过计算各受端系统的短路比的大小，并对各馈入直流受端交流系统短路比进行排序，选择最小的线路为故障时最容易发生逆变侧本地换相失败的直流线路，从而比较得出最薄弱的受端交流系统的位置，从而可以预测电压稳定薄弱点，
因为不同的线路的短路比SCR不同，所以可以在投入同步调相机之前预测电压稳定薄弱点，也即是最薄弱的受端交流系统的位置。因为本实例中所涉及到的均为仿真分析和在几条线路中预测最薄弱地点，所以为了提高多受端交直流输电系统的稳定性，设定一个规定值，即SCRB，若有多条线路的短路比小于SCRB，则上述的多条线路均为电压稳定薄弱点，所以在上述的多条线路中均装设同步调相机。在进行仿真校验后，在确定为电压稳定薄弱点的一条或多条线路的受端交流系统侧配置同步调相机。
当SCR等于某临界值时，最大输送功率点与额定运行点重合，此时系统既处于额定工作状态，又处于临界运行状态。这时系统的短路比称为单馈入临界短路比，即为短路比规定值SCRB，如果SCR小于SCRB，系统不能稳定运行，临界短路比SCRB的计算方法如下：
Figure BDA0001889849170000063
式中：U为换流站交流母线电压，求临界短路比时，由于处于额定运行状态，常取U＝1(基准值为交流母线的额定电压)；Qd为逆变器消耗的无功功率；Pd为逆变器向交流系统提供的有功功率；Qc为换流站的无功补偿；γ为逆变器的熄弧角；μ为逆变器的换相角；θ为交流系统等值阻抗的相角。
为了进一步说明本实施例的效果，引入对比方案1和对比方案2进行进一步对比说明：
对比方案1在本实施例的综合远距离多受端交直流输电系统中只采用静态无功设备进行无功补偿；
对比方案2：在本实施例的综合远距离多受端交直流输电系统中只采用静态无功设备和STATCOM进行无功补偿。
对于方案1，由于故障过程中受端交流系统没有动态无功支撑，换流站母线电压发生较大幅度跌落，引起直流输送功率发生震荡与大幅跌落，如图4、5所示，同时发生1次换相失败，如图6所示。
对于方案2，在故障过程中，STATCOM快速调节其无功功率输出，如图3所示，向交流系统提供220MVar动态无功支撑，提高交流系统的暂态电压稳定性。所以相较于方案1，换流站母线电压跌落、直流功率输送和直流电压震荡和跌落程度都有了改善，但由于对系统的动态无功支撑不足，不能抑制换相失败的发生。
对于方案3，在故障瞬间，同步调相机在瞬态过程快速释放大量无功功率支撑电网电压。如图3所示，同步调相机瞬时最大无功输出接近700MVar，有效抑制了换相失败的发生；在故障恢复过程，励磁系统的强励倍数超过3.5倍，定子电流高达3倍额定值，强励作用提供了超过其额定容量2倍的无功功率，提高了故障后系统电压的恢复速度。如图4所示，故障切除后换流母线电压恢复到额定值仅需0.2s，而无同步调相机时需要耗时近1s，HVDC系统的暂态稳定性得到显著改善。
通过对对比方案1、对比方案2和本实施例进行比较可见，现有技术中的高压受端交直流系统中单单只采用静态无功设备等常规设备通常会发生换相失败的情况，反而本实施例的方案具有更好的补偿性能。
本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。

Claims (3)

1.一种基于远距离输电的同步调相机选址方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、根据实际输电情况建立综合远距离多受端交直流输电系统模型，所述输电系统包括发电单元、输送单元和若干受端，发电单元包括传统发电站和分布式新能源发电站，输送单元包括整流、输电线路和逆变站，传统发电站通过输送单元将电能送至各个受端；
步骤2、利用电力系统仿真软件进行系统的三相短路故障仿真分析，得到故障发生时的短路电流，具体包括：
步骤2.1、构建换流器基本方程，根据换流器基本方程得到直流侧的有功功率和直流侧的无功功率；
所述换流器基本方程如下：
Figure FDA0003502893110000011
式中，kt是换流变压器变比；Ut是交流系统换流变压器一次侧线电压；
Figure FDA0003502893110000012
是功率因数角；θ是整流器触发角和逆变器熄弧角；Pd是直流侧有功功率；Qd是直流侧无功功率；Xc是换流电抗；Ud是直流电压；Id是直流电流；kγ＝1，代表当取γ时，直流输电电流和直流输电功率的关系，为1；
步骤2.2、构建负荷节点的功率方程，根据步骤2.1得到的直流侧有功功率和直流侧的无功功率得到负荷节点处的有功功率和无功功率；
所述负荷节点的功率方程如下：
Figure FDA0003502893110000013
式中，ΔP为负荷节点处的有功功率，ΔQ为负荷节点处的无功功率，Ps和Qs分别为系统的有功功率和无功功率，Pac和Qac分别为交流有功功率和无功功率，Pd和Qd分别为流入换流器的直流侧有功功率和无功功率；
步骤2.3、构建潮流方程，得到各负荷节点的节点电压，再利用电力系统仿真软件进行系统的三相短路故障仿真分析，得到故障发生时的短路电流；
所述潮流方程为：
Figure FDA0003502893110000021
式中，Pac是交流有功功率；Qac是交流无功功率；
步骤3、计算各馈入直流受端交流系统的短路比，根据各馈入直流受端交流系统的短路比预测电压稳定薄弱点，在该薄弱点所在的线路上配置同步调相机，具体包括：
步骤3.1、根据短路电流和额定电压的乘积得到换流母线的短路容量
Figure FDA0003502893110000022
根据
Figure FDA0003502893110000023
得到各馈入直流受端交流系统的短路比；其中，PdN是额定直流功率；
步骤3.2、步骤3.1得到的短路比进行排序，选择最小的线路为故障时最容易发生逆变侧本地换相失败的直流线路，得到最薄弱的受端交流系统的位置为电压稳定薄弱点。
2.根据权利要求1所述一种基于远距离输电的同步调相机选址方法，其特征在于：预先设定一个短路比规定值，步骤3.1所得到的短路比与短路比规定值比较，小于短路比规定值的线路为电压稳定薄弱点。
3.根据权利要求1所述一种基于远距离输电的同步调相机选址方法，其特征在于：所述新能源发电站为风力发电站、光伏发电站、地热能发电站、海洋能发电站、生物质能发电站或核聚变能发电站中的一种或多种组合。
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