CN109742771B - 一种适用于直流受端电网的调相机选址定容方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于直流受端电网的大型调相机选址定容方法，该方法结合待研究直流受端电网的多馈入直流有效短路比、电压薄弱点及系统短路电流筛选水平初步生成大型调相机的安装候选节点集合，根据安装调相机后严重故障下系统电压稳定性及直流同时换相失败的改善情况确定大型调相机的具体安装位置。本发明能够有效改善直流受端电网电压稳定性及多直流同时换相失败的情况。

Description

一种适用于直流受端电网的调相机选址定容方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种适用于直流受端电网的大型调相机选址定容方法。

背景技术

我国一次能源与负荷呈逆向分布，为满足清洁能源送出、负荷中心电力供应等方面的迫切需求，远距离、大容量输电的特高压直流输电技术得到广泛应用。在电网建设过渡期，随着跨区直流输送容量的不断提升，直流受端负荷中心电网直流落点密集、电气距离近，受端电网动态无功支撑不足时，单一交流故障往往会造成多回直流同时发生换相失败甚至电压失稳，给直流受端电网的安全稳定运行带来威胁。为解决以上问题，在直流受端近区配置适当容量的动态无功补偿装置是抑制直流换相失败、提升电网电压稳定水平的有效手段。新一代大型调相机既可以为系统提供短路容量，也可以通过强励提供动态电压支撑，将在在运、在建跨区直流受端加装调相机，能够为故障后的受端电网提供快速无功支撑，以适应大直流落点近区的无功支撑需求。

调相机的安装位置将直接影响抑制直流换相失败、提升系统电压稳定水平的效果。传统的调相机选址方法大多仅考虑交流母线系统强度，在薄弱点处安装调相机以提高系统电压恢复速度、减少直流换相失败次数。然而直流受端负荷中心站点密集，短路电流超标风险也日益突出。大型调相机接入会增加接入点近区电网的短路电流，如果由于调相机的接入造成站点短路电流超标，则采取的短路电流限制措施可能又会削弱系统电气结构，造成系统失稳风险。

因此，大型调相机的安装位置要考虑交流系统强度和短路电流水平两方面的影响，在满足短路电流控制要求的条件下，根据大型调相机安装位置对抑制直流换相失败和提升电压稳定水平的效果，选取最优的安装位置及容量。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于直流受端电网的大型调相机选址定容方法，结合待研究直流受端电网的多馈入直流有效短路比、电压薄弱点及系统短路电流筛选水平初步生成大型调相机的安装候选节点集合，根据安装调相机后严重故障下系统电压稳定性及直流同时换相失败的改善情况确定大型调相机的具体安装位置，本发明能够有效改善直流受端电网电压稳定性及多直流同时换相失败的情况，可以实现电网短路电流控制要求和安全稳定运行要求的协调。

一种适用于直流受端电网的大型调相机选址定容方法，包括以下步骤：

(1).计算待研究的直流受端电网典型方式下的多馈入直流有效短路比，选择多馈入直流有效短路比较小的直流受端换流站近区电网为研究区域S1；

(2).对研究区域S1进行故障扫描，确定严重故障集F及电压薄弱点集合S2；

(3).基于电压薄弱点集合S2，根据母线短路电流筛选大型调相机的候选安装节点集合 S3；

(4).在候选安装节点集合S3内的节点母线上分别安装大型调相机，根据严重故障下电压稳定性及直流同时换相失败的改善情况确定调相机的安装位置，并更新当前方案下的严重故障集F及电压薄弱点集合S3；

(5).若当前的调相机安装方案下，仍存在故障后电压失稳或多直流同时换相失败的情况，则更新此时的严重故障集F及电压薄弱点结合，并结合短路电流和严重故障下电压稳定性及直流同时换相失败的改善情况再次选择合适位置安装调相机。

进一步的，所述步骤(2)中严重故障集F及电压薄弱点集合的筛选原则为：在恶劣运行方式下对研究区域S1进行N-1故障及同塔双回并架线路N-2故障进行计算，若故障引起母线电压失稳的故障，该故障加入严重故障集F，选取故障近侧母线加入电压薄弱点集合；若故障引起多回直流2次及以上换相失败，该故障加入严重故障集F，选取故障清除后200ms后母线电压跌落超过20％的节点加入电压薄弱点集合。

进一步的，所述步骤(3)包括：在大负荷方式下计算电压薄弱节点i的母线三相电流及单相电流短路水平，分别记为I_3si和I_1si，根据下式筛选出可安装至少2台条相机的节点，即所述候选安装节点集合S3：

其中：I_maxi为母线i处断路器能够开断的最大短路电流，I_3G、I_1G为大型调相机的安装节点母线三相或单相短路时由单台调相机提供的三相或单相短路电流，X₁为调相机到安装母线的正序电抗，X_Δ为安装母线处单相短路时正序附加电抗，I_N为额定电流。

进一步的，所述步骤(4)中大型调相机安装位置的确定方法为：

i)首先筛选在该节点母线安装大型调相机后、通过严重故障集F校核无电压失稳情况发生的候选安装节点，进一步筛选通过严重故障集F校核无多回直流同时换相失败发生的候选安装节点作为大型调相机的安装位置；若存在多个这样的候选安装节点，则在最严重故障下计算单回直流换相失败积累暂态能量E_k并排序，选取使得E_k最小的候选安装节点作为大型调相机的安装位置：

其中k为发生换相失败的直流线路编号，t₁为直流线路为直流换相失败的发生时刻，t₂为直流换相失败的结束时刻，P_dek为故障前直流线路k的送电功率，P_dk为直流线路k换相失败期间直流送电功率。

ii)若存在多个候选安装节点使得通过严重故障集F校核无电压失稳、但存在多回直流同时换相失败的情况，则根据下式对多直流换相失败积累暂态能量E进行计算并排序，选取使得多直流换相失败积累暂态能量E最小的候选安装节点作为大型调相机的安装位置：

其中k＝1，…，n为发生换相失败的直流线路编号。

iii)若在所有候选节点上安装2台大型调相机后，均存在故障后电压失稳的情况，则降低正常运行方式下故障母线附近的直流送电功率，直至该故障后系统维持电压稳定，记此时受端电网直流受端总功率为∑P_di，对不同调相机安装位置下的受端电网直流总送电功率∑P_di进行排序，选取使得受电电网直流总受电功率最大的候选安装节点作为大型调相机的安装位置。

有益效果：本发明提供一种适用于直流受端电网的大型调相机选址定容方法，应用直流输电系统受端交流电网中，可以实现电网短路电流控制要求和安全稳定运行要求的协调，可产生如下效果：

1、采用该方法，可在满足短路电流控制要求的条件下，根据直流换相失败抑制效果和电压稳定提升水平选择最优的调相机安装位置；

2、采用该方法，可量化评估调相机对提升受端电网电压稳定和抑制直流换相失败的效果；

3、该方法即可用于单直流馈入系统，也可适用于多直流馈入系统，可有效发挥直流系统输电容量。

附图说明

图1是本发明一种适用于直流受端电网的大型调相机选址定容方法其中一个实施例的流程图；

图2是本发明实施例中研究区域电网结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

本实施例以某省级电网2017年规划网架和夏季方式数据为例进行实验，该电网包含A、B、C、D4回馈入直流，采用300Mvar新一代大型调相机以提升该受端电网电压稳定水平，适应于该受端电网的大型调相机选址定容方法，如图1所示，包括以下步骤。

(1)确定待研究直流受端电网的研究区域

针对该直流受端电网，计算典型方式下的直流多馈入有效短路比如表1所示：

表1直流多馈入有效短路比

多馈入直流有效短路比MESCR是评价直流馈入的交流系统强弱的常用指标。MESCR越小，直流受端交流系统强度越低，系统受扰后发生直流换相失败的风险越大。表1中，直流换流母线B、D的MESCR<3，系统强度相对较弱，需要安装动态无功补偿装置降低直流换相失败风险，因此选择直流换流母线B、D近区电网为研究区域S1，其电网结构如图2所示。

(2)筛选电压薄弱点集合并确定严重故障集

在恶劣方式下对研究区域S1内进行N-1故障及同塔双回N-2故障扫描，结果发现：线路G～E N-2G侧故障、线路G～E N-2E侧故障、线路G～P N-2G侧故障会引起局部电压失稳，因此线路G～E N-2G侧故障、线路G～E N-2E侧故障、线路G～P N-2G侧故障加入严重故障集F，其故障点近侧母线G、E加入电压薄弱点集合S2；线路G～E N-1G侧故障、D～E N-2D侧故障等9个故障会引起直流B、D同时1次及以上直流换相失败，因此线路G～E N-1G侧故障、D～E N-2D侧故障等9个故障加入严重故障集F，故障后200ms电压跌落超过20％的节点B、D、G、E、F、J加入电压薄弱点集合S2。综合可得，严重故障集F包括线路G～E N-1 G侧故障、线路G～E N-2G侧故障等12个故障，电压薄弱点集S2合包括B、D、G、E、F、 J 6个节点。

(3)根据短路电流删选至少可安装2台调相机的候选安装节点

大型调相机的典型参数：SN＝300Mvar，X_d”＝0.111(标幺值)，X_d”＝0.1308(标幺值)，调相机出口变压器典型参数：ST＝360Mvar，X_T＝0.13(标幺值)，调相机参数换算到变压器高压侧为：X_d”＝0.111×360/300＝0.133，X_d”＝0.1308×360/300＝0.157。

调相机到安装母线的正序电抗X₁＝0.13+0.1332＝0.263，1台调相机向安装母线提供的三相短路电流

调相机到安装母线的负序电抗X₁＝0.157+0.13＝0.287，由于调相机出口变压器一侧一般采用三角形接法，无法形成零序通路，因此，附加电抗X_Δ＝X₂＝0.287，1台调相机向安装母线提供的单相短路电流

在大负荷方式下对电压薄弱点集合内的节点母线进行三相短路电流和单相短路电流计算，结果如表2所示：

表2电压薄弱点短路电流及裕度

由上表可知，D、E处单相短路电流裕度较小，无法安装2台大型调相机，因此节点B、G、F、J 4个位置可安装2台及以上大型调相机，调相机候选安装节点S3为节点B、G、F、 J。

(4)根据故障后母线电压和直流换相失败的改善情况确定调相机的安装位置

分别在候选节点集合S3母线处安装2台大型调相机，在恶劣方式下对严重故障集F包含的故障进行计算，记录故障后系统电压和直流换相失败的情况，如表3所示：

表3安装大型调相机后的严重故障故障校核情况

首先筛选在节点母线安装大型调相机后、通过严重故障集F校核无电压失稳情况发生的候选安装节点G、F、J，由于G、F、J处安装调相机后均存在故障后多回直流同时换相失败的情况，因此采用下式分别计算G、F、J处安装调相机后最严重故障的多直流换相失败积累暂态能量E

计算得到在G、F、J处安装调相机后最严重故障的多直流换相失败积累暂态能量分别为 E_G＝12.5p.u.，E_F＝18 3p.u，E_J＝17.8p.u，可见G处安装调相机后多直流同时换相失败期间积累的暂态能量最小，因此选定G处安装2台大型调相机。

(5)根据预期目标判断进一步安装调相机的需求及位置：若当前的调相机安装方案下，仍存在故障后电压失稳或多直流同时换相失败的情况，则更新此时的严重故障集F及电压薄弱点结合，并结合短路电流和严重故障下电压稳定性及直流同时换相失败的改善情况再次选择合适位置安装调相机。

具体的，在节点G处安装2台大型调相机后，仍存在严重故障后多直流同时换相失败的情况，若想进一步抑制多直流同时换相失败的发生，则可继续安装调相机。由步骤(4)可知，在G处安装调相机后，根据故障引起直流同时换相失败的情况更新电压薄弱节点和严重故障集F；在G处已有2台调相机的方式下进行短路电流计算，得到节点F、J均可安装继续安装调相机；在F、J处分别安装2台大型调相机后，进行严重故障集的校核发现，J处安装调相机后无直流同时换相失败的情况，F处安装调相机后线路J～E N-2J故障会引起直流B、D同时1次换相失败，因此进一步选择在J处继续安装2台大型调相机。

需要声明的是：本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改、等同替换或改进，而未脱离本发明精神和原理启发下的任何修改、等同替换或改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种适用于直流受端电网的大型调相机选址定容方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1).计算待研究的直流受端电网典型方式下的多馈入直流有效短路比，选择多馈入直流有效短路比较小的直流受端换流站近区电网为研究区域S1；

(2).对研究区域S1进行故障扫描，确定严重故障集F及电压薄弱点集合S2；

(3).基于电压薄弱点集合S2，根据母线短路电流筛选大型调相机的候选安装节点集合S3；

(4).在候选安装节点集合S3内的节点母线上分别安装大型调相机，根据严重故障下电压稳定性及直流同时换相失败的改善情况确定大型调相机的安装位置；

(5).若当前的大型调相机安装方案下，仍存在故障后电压失稳或多直流同时换相失败的情况，则更新此时的严重故障集F及电压薄弱点集合S2，并结合短路电流和严重故障下电压稳定性及直流同时换相失败的改善情况再次选择合适位置安装大型调相机；

所述步骤(4)中大型调相机安装位置的确定方法为：

i)首先筛选在该节点母线安装大型调相机后、通过严重故障集F校核无电压失稳情况发生的候选安装节点，进一步筛选通过严重故障集F校核无多回直流同时换相失败发生的候选安装节点作为大型调相机的安装位置；若存在多个这样的候选安装节点，则在最严重故障下计算单回直流换相失败积累暂态能量E_k并排序，选取使得E_k最小的候选安装节点作为大型调相机的安装位置：

其中k为发生换相失败的直流线路编号，t1为直流线路为直流换相失败的发生时刻，t2为直流换相失败的结束时刻，P_dek为正常时直流线路k的送电功率，P_dk为换相失败期间直流线路k送电功率；

ii)若存在多个候选安装节点使得通过严重故障集F校核无电压失稳、但存在多回直流同时换相失败的情况，则根据下式对多直流换相失败积累暂态能量E进行计算并排序，选取使得多直流换相失败积累暂态能量E最小的候选安装节点作为大型调相机的安装位置：

其中k＝1，…，n为发生换相失败的直流线路编号；

iii)若在所有候选节点上安装2台大型调相机后，均存在故障后电压失稳的情况，则降低正常运行方式下故障母线附近的直流送电功率，直至该故障后系统维持电压稳定，记此时受端电网直流受端总功率为∑P_di，对不同大型调相机安装位置下的受端电网直流受端总功率∑P_di进行排序，选取使得受端电网直流受端总功率最大的候选安装节点作为大型调相机的安装位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中严重故障集F及电压薄弱点集合的筛选原则为：在恶劣运行方式下对研究区域S1进行N-1故障及同塔双回并架线路N-2故障进行计算，若故障引起母线电压失稳的故障，该故障加入严重故障集F，选取故障近侧母线加入电压薄弱点集合；若故障引起多回直流2次及以上换相失败，该故障加入严重故障集F，选取故障清除后200ms后母线电压跌落超过20％的节点加入电压薄弱点集合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：在大负荷方式下计算电压薄弱节点i的母线三相电流及单相电流短路水平，分别记为I_3si和I_1si，根据下式筛选出可安装至少2台大型调相机的节点，即所述候选安装节点集合S3：

其中：I_maxi为母线i处断路器能够开断的最大短路电流，I_3G、I_1G为大型调相机的安装节点母线三相或单相短路时由单台大型调相机提供的三相或单相短路电流，X₁为大型调相机到安装母线的正序电抗，X_Δ为安装母线处单相短路时正序附加电抗，I_N为额定电流。

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