CN111371113A - 一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法，包括资金时间价值的成本模型的构建和安全品质的交流电网加强方案，所述资金时间价值的成本模型的构建包括一次性投资成本、运行成本、电量效益和匹配费用，所述安全品质的交流电网加强方案包括安装无功补偿装置、加强交流网架和降低直流线路输电能力。考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法，针对多回直流接入的送端电网，提出了综合考虑经济性和安全品质的动态规划方法，加强交流网架和降低直流输电能力等提高安全品质的送端电网加强方案，计及过渡阶段不同电网结构带来的运行成本的差异，选取经济性最优的方案，降低过渡年份的投资成本，具有较好的实用价值。

Description

一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法

技术领域

本发明涉及电网运转技术领域，具体领域为考虑多回直流接入的送端电 网动态规划方法。

背景技术

多回直流接入给送端交流电网安全运行带来很大挑战。换流站直流闭锁 或换相失败容易导致直流外送地区电网失去稳定。同时换流站因其无功消耗 大的特点，对交流电网的电压支撑能力提出了较高要求。因此在实际电网规 划中，应从安全性和经济性两方面综合考虑多回直流接入的送端电网加强方 案，现有的电网动态规划研究主要集中在受端电网，对送端电网研究不多。 而送端电网结构薄弱，电压支撑能力差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方 法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种考虑多回直流接入的 送端电网动态规划方法，包括资金时间价值的成本模型的构建和安全品质的 交流电网加强方案，所述资金时间价值的成本模型的构建包括一次性投资成 本、运行成本、电量效益和匹配费用，所述安全品质的交流电网加强方案包 括安装无功补偿装置、加强交流网架和降低直流线路输电能力。

优选的，所述一次性投资成本包括对交流线路和无功补偿装置的投资。

优选的，所述运行成本包括维护成本和网损成本。

优选的，所述无功补偿装置选择动态无功补偿设备。

优选的，所述直流线路输电能力通过仿真获得最小直流线路输电能力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种考虑多回直流接入的送端 电网动态规划方法，针对多回直流接入的送端电网，提出了综合考虑经济性 和安全品质的动态规划方法，提出包括安装无功补偿装置、加强交流网架和 降低直流输电能力等提高安全品质的送端电网加强方案，同时建立考虑资金 时间价值的经济模型，计及过渡阶段不同电网结构带来的运行成本的差异， 选取经济性最优的方案。利用IEEE30节点作为测试系统，结果表明，所提出 的规划方法能在提高送端电网安全品质的基础上，降低过渡年份的投资成本，具有较好的实用价值。

附图说明

图1为本发明方法流程的结构示意图；

图2为本发明测试系统网络的结构示意图；

图3为本发明主要参数值的示意图；

图4为本发明一阶段距离耦合度指标排序的示意图；

图5为本发明一阶段不同方案的暂态电压越限风险指标的示意图；

图6为本发明一阶段三种方案费用对比的示意图；

图7为本发明一阶段距离耦合度指标排序的示意图；

图8为本发明二阶段不同方案的暂态电压越限风险指标的示意图；

图9为本发明二阶段三种方案费用对比的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种考虑多回直流接入的送端 电网动态规划方法，包括资金时间价值的成本模型的构建和安全品质的交流 电网加强方案，所述成本模型的构建包括一次性投资成本、运行成本、电量 效益和匹配费用，大容量直流接入会给送端电网带来影响，此时适当降低直 流输电能力同样可以保证电网安全稳定运行，但是会减少电网的电量效益， ΔF_P＝ΔE_dζ，其中ΔF_P是因输电能力降低而减少的电量效益，ζ是平均电价，ΔE_d是减少的售电量，表示为：ΔE_d＝ΔP_dT_max，其中T_max是年最大利用小时数，ΔP_d是 减少的直流线路传输容量，为了确保过渡阶段的安全稳定运行，本发明提出 多馈入有效短路比K_MESCR对多回直流接入与送端交流电网之间的匹配度进行量 化，该指标反映了接入直流与交流线路、交流线路与交流线路之间的相互作用，

其中m是直流接入节点，S_dm是节点m的 短路容量，Q_cm是在m上并联的无功补偿设备容量，P_deqm是m的等效功率，P_dm是m的额定功率，N_D是到该阶段为止的直流线路数。Z_eq是交流电网的等效节 点阻抗矩阵，Z_eqmn和Z_eqmm分别是Z_eq的第m行第n列和第m行第m列元素，K_MESCR反映了交流线路和接入直流之间的匹配性。当K_MESCR<a时，该交直流电网非常 脆弱；当a<K_MESCR<b时，该交直流电网稍弱；当K_MESCR>b时，该交直流电网匹配 度很好。在送端电网中，a和b分别取2.4和3.3。因此，可将K_MESCR模糊计 算为匹配费用F_SE，F_SE＝C_SEμ(K_MESCR)，其中C_SE是匹配费用系数，μ(K_MESCR)是F_SE的Z形隶属函数：

具体而言，所述运行成本包括维护成本和 网损成本，维护成本F_MA和网损成本F_LO：

式中，α_i是维护成本系数，C_LO是单位容量的网损成本，N_L，sum是送端电网中所 有交流线路数量，T_LO，max是最大损耗持续时间，R_i是线路i的电阻，P_i、Q_i和 U_i分别是最大负荷情况下线路i上的潮流和电压。

具体而言，所述一次性投资成本包括对交流线路和无功补偿装置的投资， 一次性投资成本F_CO包括对交流线路和无功补偿装置的投资。为了反映资金的 时间价值和工程寿命的差异，对各阶段的一次性投资成本进行折现。交流线 路F_L的一次性投资成本为：

式中，N_L是该阶段待建的交流线路数量，C_Li是线路i的 单位长度投资成本，L_i是线路i的长度，T_L是线路使用寿命，r是折现率。同 理，无功补偿F_Q的投资成本为：

式中，N_Q是该阶段待建 的无功补偿装置数量，C_Qm是在节点m上安装无功补偿装置的单位容量投资成 本，Q_cm是该阶段待建的无功补偿装置容量，T_Q是无功补偿装置的使用寿命。

所述安全品质的交流电网加强方案包括安装无功补偿装置、加强交流网 架和降低直流线路输电能力，部分送端电网因拓扑结构薄弱无法支撑直流接 入，因此可以通过计算各支路能量函数ε_mn筛选出脆弱支路并加强以提高电网 结构坚强性，

式中，U_m和U_n是节点 m和n上的电压幅值，θ_mn是m和n之间的相位差，G_mn和B_mn分别是m和n之间 的支路电导和电纳，P_mn和Q_mn是m和n之间的有功功率和无功功率。θ_mn0、P_mn0和Q_mn0是θ_mn、P_mn和Q_mn的初始值。U_mn是m和n之间的电压幅值差。

则m和n之间的电气介数B_e(m，n)表示为： B_e(m,n)＝∑_{m'∈N',n'∈N”}W_m'n'1W_m'n'2|I_m'n'(m,n)|，式中，N’和N”是送端电网中发电机和负 荷节点的总数，皆为N_sum的子集。I_m’n’(m，n)表示在m’和n’之间注入单 位电流之后支路(m，n)上的电流变化。W_m’n’1＝(P_m’*P_n’)^1/2，其中P_m’和P_n’ 分别是m’和n’的额定容量。W_m’n’2＝min(P_m’，P_n’，max)，其中P_m’，max是m’ 上的最大负荷，综上，支路脆弱度指标H_mn为：

式中， dE_mn/dU_mn反映了支路的脆弱性，而B_e(m，n)权衡了各个支路对电网潮流的贡 献。综上，H_mn反映了各个支路的脆弱性和对网络拓扑的重要性，因此可以用 来筛选脆弱支路并增加该交流线路回路数以提高送端电网的安全品质。

具体而言，所述无功补偿装置选择动态无功补偿设备，新能源具有出力 变化频繁的特点，因此新能源场站电压波动大，对无功补偿的响应时间有很 高要求。动态无功补偿是一种能有效解决暂态电压失稳问题的设备，它可以 快速跟踪电压变化。其中，调相机既可以为系统提供短路容量，还可以提供 快速无功出力。因此被广泛应用于电网中，以增强电网动态电压支撑能力， 快速抑制电压波动。本节拟选择动态无功补偿设备，用来提高送端电网在故 障情况下的电压稳定性。候选点可以根据送端电网特征进行筛选，筛选指标包括直流距离耦合指数、新能源距离耦合指数和暂态电压越限严重度指标， 接入直流线路对节点电压的影响取决于该条直流线路的额定容量以及一般节 点与直流接入节点之间的电气距离，这种影响呈正比关系。则节点m的直流 距离耦合指数I_dm为：

其中n和n'都是直流接入节点，P_n和P_n’ 是n和n'的额定功率，λ_dn表示节点n的权重，Z e mn表示n和m之间的电 气距离，

，其中Z_nn和Z_mm分别是n和m的自阻抗，Z_mn是 n和m之间的互阻抗，新能源同样也会影响送端电网的电压，这种影响取决于 新能源场站接入功率以及节点与新能源场站之间的电气距离。节点m的新能 源距离耦合指数I_rm可定义为：

其中n和n’是新 能源接入点，在此阶段接入的节点数量为N_R，λ_rn表示n的权重，根据上述公 式，可以对I_d和I_r进行加权得到距离耦合指数I，该指数综合反映了直流接 入和新能源接入对送端交流电网各节点影响。计算送端电网内各节点的距离 耦合度指标并进行筛选，节点的距离耦合度指标越大，受接入直流和接入新 能源影响越大，该点所需安装的无功补偿装置就越大。

现有的研究主要集中在电压暂降，而送端电网的电压暂升很少被考虑。 暂态电压的不稳定程度可以通过切除故障后电压达到最大值或最小值的时间 来衡量，节点m的暂态电压越限严重度指标VSI_m为：

其中t_e是观测结束时间，t_cl是切除故障时间，t_s是电压达到最大值和最 小值的时间。由于交流电网的三相短路故障会引起暂态压降，直流闭锁故障 会引起暂态压升，因此对这两类故障进行加权。其中w_k为故障k的权重，故 障类型的数量取2。w_m表示节点m的权重。ΔU_m，t是切除故障后的电压轨迹。

式中U_m，t通过时域仿真得到，Ulower t和Uupper t是电压轨迹的上限和 下限。

式中，U_st是Ulower t的稳定值，取值为0.9p.u。β是衰减系数，取值为 0.024，

因此整个电网的暂态电压越限严重度指标为：

其中w_m，k是节点m在故障k下的权重。如果在切除故障1s内m点电压可 以恢复到0.75p.u以上，则w_m，k＝50，反之w_m，k＝1。N_sum是送端电网的节点总数， 根据上式可得到各方案的的暂态电压越限严重度指标SI，SI最小时对应的方 案即为最优无功补偿配置方案。

具体而言，所述直流线路输电能力通过仿真获得最小直流线路输电能力， 接入的多回直流线路会通过换流站吸收大量无功功率，从而严重影响送端交流 电网的安全稳定运行。同时，由于直流闭锁故障引起的暂态压升也给送端电网 带来了巨大的挑战。直流线路传输的功率越大，直流闭锁或换相失败引起的功 率损耗就越大。因此可以通过降低直流线路输电能力的方法来满足送端电网的 安全稳定运行，最小直流线路输电能力P_dmin可以通过时域仿真得到，在得到满 足安全品质的三种加强方案后分别计算其投资成本，选出经济性最优的加强方 案，在建设期间安装无功补偿装置的总投资成本为F₁，

式中T_S是投资回收期，取值为20年。加强交流网架的总投资成本为F₂：

降低直流输电能力的总投资成本为F₃：

式中，ΔP_d＝P_d-P_dmin。

工作原理：本发明，在一个修改后的IEEE 30节点系统上进行验证。图2 为测试系统的网络结构图，该测试系统含一个接入节点25的风电场，该风电 场包括300台额定容量为1.5MW的风机，假设两回1000kV的特高压直流分 别在阶段1接入节点7，在阶段2接入节点21。为贴近实际，负荷每个阶段 以10％的速度增加。根据上述方法，可得到三种加强方案并分别计算其经济 成本，进而得到经济性最优的送端电网加强方案。图3给出了主要参数，一阶段，首先考虑安装无功补偿装置。根据改进的30节点系统的拓扑结构求取 该阶段系统的距离耦合度指标并进行排序，找到受新能源和接入直流影响较 大的送端电网薄弱节点。由于PV节点2、5、8、11、13和平衡节点1的电压 幅值恒定，因此只考虑在除此之外的节点安装无功补偿装置。结果图4所示， 根据上述排序结果，制定五种配置方案并计算不同方案的暂态电压越限风险 指标。得到结果如图5所示，表中可以看出，在节点4处安装容量为300Mvar的无功补偿装置最能提高系统的电压稳定性，其次考虑交流网架加强方案。 通过计算系统的能量函数和电气介数，可以得到各条支路的脆弱度结果。根 据计算结果，选择在支路(6，7)(5，7)(2，5)以增加线路回数的方式 进行网架加强。但是在对系统进行后校验时，系统在发生直流双极闭锁故障 后失稳，节点6电压波动峰值过高。因此在节点5和节点6增加线路，形成 环网，消除线路过载，降低电压波动，最后考虑降低直流线路输电能力。在 BPA环境下对系统进行时域仿真。在设置直流发生双极闭锁故障情况下，降低 直流输电能力直至达到功角稳定、频率稳定和电压稳定。最终直流线路输电 能力改变量为150MW，图6给出了上述各方案费用值的对比，根据比较结果可 知，方案1总费用值最低。选择方案1作为阶段1的加强方案，二阶段，二 阶段在一阶段加强方案上进行。方案1考虑安装无功补偿装置，以已有网架 为基础网架，求取此时系统的距离耦合度指标。得到排序结果如图7所示， 根据计算结果将节点4、9、20、17作为候选点，制定五种配置方案并计算不 同方案的暂态电压越限风险指标，得到结果如图8所示，从表中可以看出， 在节点17、20、9各安装120var的无功补偿装置最能提高系统的电压稳定性， 其次考虑交流网架加强方案。通过计算系统的能量函数和电气介数，可以得 到各条支路的脆弱度结果。根据计算结果，选择在支路(10，21)(21，22) (22，24)以增加线路回数的方式进行网架加强。经仿真校验，上述加强方 案能有效提高系统的安全稳定性，最后考虑降低直流线路输电能力。对系统 进行时域仿真，最终可得在满足电压、频率、功角稳定情况下直流线路的传 输能力改变量为160MW，图9给出了上述各方案费用值的对比，根据比较结果 可知，方案2总费用值最低。选择方案2作为阶段2的加强方案，工作完毕。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (5)

1.一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法，包括资金时间价值的成本模型的构建和安全品质的交流电网加强方案，其特征在于：所述资金时间价值的成本模型的构建包括一次性投资成本、运行成本、电量效益和匹配费用，所述安全品质的交流电网加强方案包括安装无功补偿装置、加强交流网架和降低直流线路输电能力。

2.根据权利要求1所述的一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法，其特征在于：所述一次性投资成本包括对交流线路和无功补偿装置的投资，同时为了体现资金的时间价值，对其进行折现。

3.根据权利要求1所述的一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法，其特征在于：考虑实际电网规划时多回直流接入的情况，引入匹配费用以衡量每条直流接入对原有电网的影响。

4.根据权利要求1所述的一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法，其特征在于：所述运行成本包括过渡阶段因送端电网结构发生改变而变化的维护成本和网损成本。

5.根据权利要求1所述的一种考虑多回直流接入的送端电网动态规划方法，其特征在于：通过仿真获得满足安全品质的最小直流线路输电能力。

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