CN109599885A - 一种特高压直流闭锁换流母线暂态过电压计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压直流闭锁引起的换流母线暂态过电压计算方法，属于交直流混联系统运行与控制领域。特高压直流在正常运行时会消耗大量的无功功率，一旦发生直流闭锁，盈余的无功会冲击交流系统引起交流换流母线暂态过电压。利用诺顿定理将交流系统等效为电流源与电抗的并联组合，并与换流站无功补偿电容构成并联谐振电路，结合相量法求得交流母线暂态过电压与交流系统短路容量及换流站无功补偿容量的函数方程。

Description

一种特高压直流闭锁换流母线暂态过电压计算方法

技术领域

本发明涉及交直流混联系统运行与控制技术领域，特别涉及一种特高压直流闭锁换流母线暂态过电压计算方法。

技术背景

与交流输电系统相比，特高压直流输电在大容量、远距离输送电能上具有无可比拟的优势。但特高压直流系统的换流站在运行中需要消耗大量的无功功率，一旦直流系统发生闭锁故障，极控系统延时200ms切除换流站内无功补偿装置，在此期间无功补偿装置发出的无功功率将全部倒送到交流系统引起严重的暂态过电压，威胁电力系统的安全稳定运行。

为了研究特高压直流闭锁后的暂态过电压问题，研究学者多将目光集中在对过暂态过电压的定性方面，鲜有对暂态过电压的定量计算，不能准确的衡量过电压程度。

为解决上述问题，有关学者提出了一种暂态过电压定量计算方法，并分析了暂态过电压与短路比、闭锁容量的关系，但经研究发现该方法在极低短路比系统中没有实解、适用性有限的问题。

因此寻求一种能更全面表征直流闭锁后暂态过电压程度的计算方法，对交直流系统的稳定运行具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有特高压直流闭锁暂态过电压计算方法在极低短路比系统中无实解的问题，提出一种具有广泛适用性的特高压直流闭锁换流母线暂态过电压计算方法。本发明涉及内容如下：

(1)直流闭锁后形成的并联谐振电路，其特征在于，直流闭锁后盈余无功等效为电容C，依据诺顿等效电路将交流系统等值为电流源与等值电感L_e的并联，等效电容与等值电感数学表达式为：

式中：

U_LN——换流母线线电压额定值，单位kV；

S_CR——短路比；

ω₀——系统自然谐振频率，单位rad/s；

X_e——等值电抗，单位Ω；

P_dN——直流额定传输功率，单位/MW。

(2)谐振频率数学模型，其数学表达式为：

式中：

ω_r——谐振电路谐振频率；

S_C——交流系统短路容量。

(3)并联谐振频率与暂态过电压的关系，其特征在于，换流母线电压与等值电容C电压相等，其关系为：

(4)特高压直流换流母线暂态过电压计算方法，其特征在于，所述的直流闭锁分为双极运行方式下的单极(极1)闭锁以及双极运行方式下的双极闭锁，两种运行方式下的特高压直流换流母线暂态过电压计算方法分别为：

式中：

U_L′——换流母线暂态过电压标幺值，单位p.u.；

S_C——交流系统短路容量，单位MVA；

Q_C——换流站无功补偿容量，单位MVar；

Q_d1——闭锁极消耗无功功率量，单位MVar；

(5)特高压直流单极闭锁暂态过电压数学表达式，其特征在于：交直流混联系统中交流系统短路容量S_C、闭锁极消耗无功功率量Q_d1为系统已知参数，具体包括以下步骤：

步骤1)换流站闭锁极消耗无功功率量Q_d1为已知参量，根据电力系统当前运行方式得交流系统短路容量S_C；

步骤2)根据如下公式计算电力系统当前运行方式下的换流母线暂态过电压U_L′；

(6)特高压直流双极闭锁暂态过电压数学表达式，其特征在于：交直流混联系统中交流系统短路容量S_C、换流站配置的无功补偿容量Q_C为系统已知参数，具体包括以下步骤：

步骤1)换流站闭锁极消耗无功功率量Q_C为已知参量，根据电力系统当前运行方式得交流系统短路容量S_C；

步骤2)根据如下公式计算电力系统当前运行方式下的换流母线暂态过电压U_L′；

本发明特点与技术优势：

(1)本发明从并联谐振角度推导建立了换流母线暂态过电压的解析表达式，克服了现有计算方法在极低短路比系统中无解的问题；

(2)本发明考虑了交流系统强度与盈余无功量对换流母线暂态过电压的影响，计算精度更高。

附图说明

图1为特高直流系统通用结构图。

图2为直流闭锁并联谐振电路示意图。

图3为国际大电网会议(CIGRE)直流输电标准测试系统结构图。

图4为暂态过电压与短路容量、换流站无功补偿量的关系。

图5为直流系统分别发生单极与双极闭锁换流母线暂态过电压在不同短路容量与无功补偿容量比之下的计算结果。

图6为本文算法与现有算法结果对比图。

具体实施方式

实施例1：以图1特高压直流系统通用图为例。

(1)如发明内容1所述计算公式，根据图1中的参数可求得等值电容与等值电感。

(2)如发明内容2所述，由整流侧交流系统等值阻抗X₁换流母线额定电压U_LNR可计算得到交流系统短路容量S_C，由换流站消耗的无功补偿容量 Q_CR可求得系统谐振频率ω_r。

(3)图1所示的直流系统极1发生闭锁，如发明内容5所述单极闭锁暂态过电压的计算方法，由图1中极1消耗的无功功率Q_d1可求得单极闭锁下换流母线暂态过电压幅值为：

(4)图1所示的直流系统发生双极闭锁，如发明内容6所述暂态过电压计算方法，由图1中Q_CR与发明内容2计算得到的S_C可求得双极闭锁下的暂态过电压幅值为：

实施例2：以国际大电网会议(CIGRE)直流输电标准测试系统与天中直流具体运行参数为例，直流输电标准测试系统系统参数如表1所示。±800kV天中直流参数为单极运行输送有功功率4000MW，换流站无功补偿容量1935Mvar(Q_C)；双极输送有功功率8000MW，换流站无功补偿容量4533.8MVar (Q_C)。短路容量26763MVA(S_C)。

表1直流输电标准测试系统参数

针对直流标准测试系统，分别设置换流站内无功补偿量为540MVA，送端系统短路容量(S_C)为1080MVA到4320MVA进行仿真与理论分析，本文算法与现有算法结果及仿真结果对比如图6所示。本文算法在极低短路比下仍然有较好的适用性。部分仿真结果图如表2所示。

表2不同短路容量下的换流母线暂态过电压结果

针对±800kV天中直流分别设置单极、双极闭锁，单、双极闭锁后的暂态过电压结果如图5所示。

Claims (7)

1.一种特高压直流闭锁换流母线暂态过电压计算方法，其特征在于，该方法依据直流闭锁后与交流系统形成的并联谐振电路，建立谐振电路的谐振频率数学模型，反演得出并联谐振频率与暂态过电压的关系，推导建立特高压直流闭锁换流母线暂态过电压计算方法的数学模型，为交直流系统稳定性评估提供依据。

2.如权利要求1所述直流闭锁后形成的并联谐振电路，其特征在于，直流闭锁后盈余无功等效为电容C，依据诺顿等效电路将交流系统等值为电流源与等值电感L_e的并联，等效电容与等值电感数学表达式为：

式(1)与(2)中：

U_LN——换流母线线电压额定值，单位kV；

S_CR——短路比；

ω₀——系统自然谐振频率，单位rad/s；

X_e——等值电抗，单位Ω；

P_dN——直流额定传输功率，单位/MW。

3.依据权利要求1所述谐振频率数学模型，其数学表达式为：

式(3)中：

ω_r——谐振电路谐振频率；

4.如权利要求1中的所述的并联谐振频率与暂态过电压的关系，其特征在于，换流母线电压与等值电容C电压相等，其关系为：

5.如权利要求1所述的特高压直流换流母线暂态过电压计算方法，其特征在于，所述的直流闭锁分为双极运行方式下的单极(极1)闭锁以及双极运行方式下的双极闭锁，两种运行方式下的特高压直流换流母线暂态过电压计算方法分别为：

式(5)与(6)中：

U_L′——换流母线暂态过电压标幺值，单位p.u.；

S_C——交流系统短路容量，单位MVA；

Q_C——换流站无功补偿容量，单位MVar；

Q_d1——闭锁极消耗无功功率量，单位MVar。

6.如权利要求5所述特高压直流单极闭锁暂态过电压数学表达式，其特征在于：交直流混联系统中交流系统短路容量S_C、闭锁极消耗无功功率量Q_d1为系统已知参数，具体包括以下步骤：

步骤1)换流站闭锁极消耗无功功率量Q_d1为已知参量，根据电力系统当前运行方式得交流系统短路容量S_C；

步骤2)根据如下公式计算电力系统当前运行方式下的换流母线暂态过电压U_L′；

7.如权利要求5所述特高压直流双极闭锁暂态过电压数学表达式，其特征在于：交直流混联系统中交流系统短路容量S_C、换流站配置的无功补偿容量Q_C为系统已知参数，具体包括以下步骤：

步骤1)换流站闭锁极消耗无功功率量Q_C为已知参量，根据电力系统当前运行方式得交流系统短路容量S_C；

步骤2)根据如下公式计算电力系统当前运行方式下的换流母线暂态过电压U_L′；