CN110137976A - 电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法及装置 - Google Patents

电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法和装置，判断方法的具体步骤如下：根据电力系统中的潮流信息输入混合广义短路比HGSCR模型；将HGSCR模型的输出数值和数值1进行比较；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，本发明可以准确判断混合双馈入系统的静态电压稳定。

Description

电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统在线监测与控制，尤其是涉及一种电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法及装置。
背景技术
基于电网换相高压直流输电(line-commuted converter based high voltagedirect current，LCC-HVDC)由于其损耗小、容量大的特点，在远距离输电中扮演重要的角色。由于触发延迟角和熄弧角的存在，导致LCC-HVDC在换流过程中需要吸收大量的无功，这部分无功约占直流传输容量的40％～60％。如果无功补偿不足会对系统电压稳定性造成危害。由于基于电压源型换流器型直流输电(Voltage source converter based highvoltage direct current，VSC-HVDC)有功无功解耦控制、无换相失败问题、功率传输方向可灵活控制，目前VSC-HVDC得到广泛适用。混合双馈入系统结构已经出现。调相机由于其可以提供动态无功，且可以提供旋转惯量，目前在电网使用中已经逐步接入调相机。
在目前的工程应用中，通常使用有效短路比(effective short circuit ratio，ESCR)来评估混合双馈入系统的静态电压稳定性。ESCRi的定义式为：
其中，Scc是在换流母线处计算所得交流系统短路容量(VSC-HVDC以广义阻抗的形式计入)；Pdc是LCC-HVDC输送直流额定功率；Qf是换流母线处的无功补偿容量(包括调相机的无功补偿)。
从上式可以看出，ESCR只能定量反映调相机提供的无功，难以计及调相机励磁控制对于换流母线电压稳定性的影响。导致ESCR难以准确评估混合双馈入系统的静态电压稳定。
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电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，具体步骤如下：
根据电力系统中的潮流信息输入混合广义短路比HGSCR模型；
将HGSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
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；
所述的混合广义短路比HGSCR模型为：
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，K为广义系数，Sac为换流站交流母线三相短路容量。
进一步地，所述的广义系数K的表达式为：
H＝DPdUF+DQdUF+DPvUF+DQvUF+DQscUF
其中，H为反映直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数；DPdUF为LCC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQdUF为LCC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DPvUF为VSC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQvUF为VSC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DQscUF为同步调相机无功功率灵敏度系数。
进一步地，所述DPdU、DQdUF、DPvUF、DQvUF和DQscUF的表达式分别如下：
其中，Pac为换流母线传输到交流系统的有功功率；Pv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的无功功率，Qac为换流母线传输到交流系统的无功功率，Pdc为LCC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，c为潮流雅可比矩阵元素JPdI值，e为潮流雅可比矩阵元素JQI值。
进一步地，建立混合广义短路比HGSCR模型步骤为：
S1、基于电压源型换流站接入多馈入系统模型建立雅克比矩阵；
S2、在矩阵中引入电压灵敏因子DHPSF，生成最终模型。
进一步地，所述的扩展雅克比矩阵表达式为：
其中，ΔPd、ΔP和ΔQ分别是换流母线处直流有功功率变化量、有功功率变化量和无功功率的变化量，ΔId、Δδ和ΔU/U分别是换流母线处直流电流、电压相角的变化量、电压变化量对换流母线电压的比值，JPdI、JPdδ、JPdU、JPI、JPδ、JPU、JQI、JQδ、JQU分别是ΔPd、ΔP、ΔQ对Id、δ、U的偏导。
进一步地，所述的电压灵敏因子DHPSF的表达式为：
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，Sac为换流站交流母线三相短路容量，Pac为换流母线传输到交流系统的有功功率，Pv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的无功功率，Qac为换流母线传输到交流系统的无功功率，Pdc为LCC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qsc为同步调相机馈入换流母线的无功功率。
一种电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断装置，包括：
采集模块，用于获取电力系统中的潮流信息；
数据处理模块，用于根据电力系统中的潮流信息输入混合广义短路比HGSCR模型，并且将混合广义短路比HGSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
若数值大于1，则输出电力系统处于稳定状态的结果；
若数值等于1，则输出电力系统处于临界稳定状态的结果；
若数值小于1，则输出电力系统失去稳定的结果；
所述的混合广义短路比HGSCR模型为：
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，K为广义系数,Sac为换流站交流母线三相短路容量。
进一步地，所述的广义系数K的表达式为：
H＝DPdUF+DQdUF+DPvUF+DQvUF+DQscUF
其中，H为反映直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数；DPdUF为LCC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQdUF为LCC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DPvUF为VSC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQvUF为VSC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DQscUF为同步调相机无功功率灵敏度系数。
进一步地，所述DPdU、DQdUF、DPvUF、DQvUF和DQscUF的表达式分别如下：
其中，Pac为换流母线传输到交流系统的有功功率；Pv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的无功功率，Qac为换流母线传输到交流系统的无功功率，Pdc为LCC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，c为潮流雅可比矩阵元素JPdI值，e为潮流雅可比矩阵元素JQI值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明基于混合功率电压灵敏因子提出的混合广义短路比可以计及调相机励磁控制影响对于换流母线电压稳定的影响，解决传统有效短路比难以计及调相机励磁控制对于换流母线电压稳定性的影响，难以准确评估混合双馈入系统静态电压稳定的问题。其次给出混合短路比模型的准确临界值，可以准确判断混合多馈入系统的临界电压稳定。
2、本发明中混合广义短路比HGSCR模型使用的参数是采用系统中实时的潮流信息，该指标的参数是采用系统中实时的潮流信息，因此可以实时评估混合双馈入系统的电压稳定性。
附图说明
图1为本发明的判断流程示意图。
图2为混合多馈入系统模型的结构示意图。
图3为同步调相机控制框图示意图。
图4为同步调相机励磁机结构控制框图示意图。
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。
如图1所示，本实施例提供一种电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，具体步骤如下：
根据电力系统中的潮流信息输入混合广义短路比HGSCR模型；
将HGSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
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。
混合广义短路比HGSCR模型的生成方式具体如下：
一、基于如图2所示的混合多馈入系统模型建立雅克比矩阵。图中，Pac，Qac，Pv，Qv、Psc、Qsc分别表示换流母线传输到交流系统的有功功率、无功功率，VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率、无功功率，同步调相机馈入换流母线的有功功率、无功功率。
Pac，Qac，Pv，Qv、Psc、Qsc的表达式见式(1)～(6)。
Psc＝0 (5)
Qsc＝UIsc (6)
其中，U为换流母线电压幅值，E为受端交流系统等值电势幅值，Uv为VSC-HVDC(基于电压源换流器的高压直流输电)输出电压幅值，δ为换流母线电压相角，δV为VSC-HVDC输出电压相角，Z为受端交流系统等值阻抗，ZV为VSC-HVDC接入阻抗，Isc为调相机注入到换流母线的电流，为交流系统等值电动势相角。
可知换流母线处的功率不平衡方程为：
式(7)对系统状态变量U、δ分别求偏导，得到雅克比矩阵：
其中，ΔPd、ΔP和ΔQ分别是换流母线处直流有功功率变化量、有功功率变化量和无功功率的变化量，ΔId、Δδ和ΔU/U分别是换流母线处直流电流、电压相角的变化量、电压变化量对换流母线电压的比值，JPdI、JPdδ、JPdU、JPI、JPδ、JPU、JQI、JQδ、JQU分别是ΔPd、ΔP、ΔQ对Id、δ、U的偏导，表达式为：
JPδ＝(U2/Z)-Qac (9)
JQδ＝Pac (11)
其中，调相机的灵敏度可基于图3(同步机模型框图)和图4(励磁机控制框图)获得，其表达式为：
Se＝ce0UCe1 (17)
ce0＝Se(1) (19)
由于同步调相机相当于空载运行的同步电动机，在过励磁运行时向系统供给感性无功功率，提高系统电压水平，本发明同步调相机模型采用同步电机等效四阶模型。其中，xd为同步机的电枢反应d轴；xd”分别为同步机次暂态感抗d轴；Kex为激磁系数；Vref为电压参考值；Se、Se’为转子磁饱和系数、Se对Et的偏导。
二、在准稳态假设下ΔQ＝0，推导出混合功率电压灵敏因子DHPVF，如式(21)。
将雅克比矩阵元素JPδ、JPU、JQδ、JQU(9)～(10)代入式(21)并整理得到：
其中，H为反映直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数，表达式为：
H＝DPdUF+DQdUF+DPvUF+DQvUF+DQscUF (23)
对上式进一步整理得：
三、根据混合功率电压灵敏因子DHPSF建立混合广义短路比模型。
定义混合广义短路比：
当换流母线电压达到临界稳定时，式(29)为0，混合广义短路比的临界值为1。
本发明能够计及调相机励磁控制影响，并且能够准确评估混合双馈入系统电压稳定性，并且在临界电压稳定时的临界值恒定为1。由于混合双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 (9)

1.一种电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，其特征在于，具体步骤如下：
根据电力系统中的潮流信息输入混合广义短路比HGSCR模型；
将HGSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
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；
所述的混合广义短路比HGSCR模型为：
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，K为广义系数，Sac为换流站交流母线三相短路容量。
2.根据权利要求1所述的电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，其特征在于，所述的广义系数K的表达式为：
H＝DPdUF+DQdUF+DPvUF+DQvUF+DQscUF
其中，H为反映直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数；DPdUF为LCC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQdUF为LCC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DPvUF为VSC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQvUF为VSC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DQscUF为同步调相机无功功率灵敏度系数。
3.根据权利要求2所述的电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，其特征在于，所述DPdU、DQdUF、DPvUF、DQvUF和DQscUF的表达式分别如下：
其中，Pac为换流母线传输到交流系统的有功功率；Pv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的无功功率，Qac为换流母线传输到交流系统的无功功率，Pdc为LCC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，c为潮流雅可比矩阵元素JPdI值，e为潮流雅可比矩阵元素JQI值。
4.根据权利要求1所述的电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，其特征在于，建立混合广义短路比HGSCR模型步骤为：
S1、基于电压源型换流站接入多馈入系统模型建立雅克比矩阵；
S2、在矩阵中引入电压灵敏因子DHPSF，生成最终模型。
5.根据权利要求4所述的电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，其特征在于，所述的扩展雅克比矩阵表达式为：
其中，ΔPd、ΔP和ΔQ分别是换流母线处直流有功功率变化量、有功功率变化量和无功功率的变化量，ΔId、Δδ和ΔU/U分别是换流母线处直流电流、电压相角的变化量、电压变化量对换流母线电压的比值，JPdI、JPdδ、JPdU、JPI、JPδ、JPU、JQI、JQδ、JQU分别是ΔPd、ΔP、ΔQ对Id、δ、U的偏导。
6.根据权利要求5所述的电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断方法，其特征在于，所述的电压灵敏因子DHPSF的表达式为：
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，Sac为换流站交流母线三相短路容量，Pac为换流母线传输到交流系统的有功功率，Pv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的无功功率，Qac为换流母线传输到交流系统的无功功率，Pdc为LCC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qsc为同步调相机馈入换流母线的无功功率。
7.一种电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于获取电力系统中的潮流信息；
数据处理模块，用于根据电力系统中的潮流信息输入混合广义短路比HGSCR模型，并且将混合广义短路比HGSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
若数值大于1，则输出电力系统处于稳定状态的结果；
若数值等于1，则输出电力系统处于临界稳定状态的结果；
若数值小于1，则输出电力系统失去稳定的结果；
所述的混合广义短路比HGSCR模型为：
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，K为广义系数,Sac为换流站交流母线三相短路容量。
8.根据权利要求7所述的电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断装置，其特征在于，所述的广义系数K的表达式为：
H＝DPdUF+DQdUF+DPvUF+DQvUF+DQscUF
其中，H为反映直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数；DPdUF为LCC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQdUF为LCC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DPvUF为VSC-HVDC直流有功功率灵敏度系数；DQvUF为VSC-HVDC直流无功功率灵敏度系数；DQscUF为同步调相机无功功率灵敏度系数。
9.根据权利要求7所述的电压源型换流站接入多馈入系统的稳定性判断装置，其特征在于，所述DPdU、DQdUF、DPvUF、DQvUF和DQscUF的表达式分别如下：
其中，Pac为换流母线传输到交流系统的有功功率；Pv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，Qv为VSC-HVDC逆变站馈入换流母线的无功功率，Qac为换流母线传输到交流系统的无功功率，Pdc为LCC-HVDC逆变站馈入换流母线的有功功率，c为潮流雅可比矩阵元素JPdI值，e为潮流雅可比矩阵元素JQI值。
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