CN111404194B - 适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法及系统，包括：根据新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数，判断导致网内盈余功率最多的故障类型；根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系；在故障导致的网内盈余功率最多的情况下，依据新能源发电功率控制响应时间与直流电压上升时间尺度匹配原则，计算出系统所需配置的最优交流耗能电阻容量。本发明在保证新能源经柔性直流输电送出系统安全输送功率的前提下，优化交流耗能电阻的配置，使得造成系统中盈余功率最多的故障发生后，直流电压上升至过压保护动作限值前，新能源机组的发电功率得到控制。

Description

适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法及系统
技术领域
本发明涉及新能源经柔性直流输电送出系统控制与保护技术领域，特别涉及一种适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法及系统。
背景技术
柔性直流输电可以为大规模新能源的传输和消纳提供电压支撑及无功补偿，是大规模、远距离新能源并网的优选方案之一。目前，柔性直流输电技术仍处于研究探索与工程试验阶段，柔直换流站故障后的穿越能力仍是制约其稳定运行的重要因素。柔直换流站故障引起的盈余功率将在几十毫秒导致整个直流系统过压值达到保护动作水平，而新能源发电功率的控制过程至少为百毫秒级。
柔直换流站与新能源机组保护控制之间时间尺度上的不匹配，将导致系统中产生大量暂态盈余功率，进而引起直流电压上升，最终导致整个系统停运。因此工程中采用在送端换流站交流母线处配置交流耗能电阻的方法，故障发生后几毫秒内投入耗能电阻以消耗多余的新能源功率，解决了由于新能源功率控制响应时间与直流系统电压变化时间尺度不匹配带来的盈余功率问题，提升了系统的故障穿越能力。
在实际工程中通常配置与新能源发电机组同等容量的交流耗能电阻，但耗能电阻及其散热设备的占地面积较大，从减小占地面积及节省成本的角度出发，应在保证系统安全、避免停运的前提下尽可能减少所配置的耗能电阻。通过准确计算配置交流耗能电阻的容量，可以使新能源发电功率控制响应时间与故障后直流电压上升时间尺度匹配，即在直流电压上升至过压保护动作水平前新能源发电功率得到控制。
现有技术中，交流耗能电阻的容量按照与送端换流站同等容量配置，如张北柔性直流输电工程，送端换流站共输送4500MW功率，相应配置4500MW耗能电阻。发明人发现，这种交流耗能电阻配置方法需要配置较大容量的耗能电阻，且需大量散热装置，进而带来占地及成本问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法及系统，考虑故障后网内直流电压上升时间来计算交流耗能电阻配置容量，能够保证新能源经柔性直流输电送出系统的安全性和经济性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法，包括：
根据新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数，判断导致网内盈余功率最多的故障类型；
根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系；
在故障导致的网内盈余功率最多的情况下，依据新能源发电功率控制响应时间与直流电压上升时间尺度匹配原则，计算出系统所需配置的最优交流耗能电阻容量。
本发明考虑故障后网内直流电压上升时间来优化交流耗能电阻配置容量，使得造成系统中盈余功率最多的故障发生后，直流电压上升至过压保护动作限值前，新能源机组的发电功率得到控制；本发明方案能够在保证系统安全的前提下尽可能减少所配置的耗能电阻容量，节约成本。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置系统，包括:
用于根据新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数，判断导致网内盈余功率最多的故障类型的装置；
用于根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系的装置；
用于在故障导致的网内盈余功率最多的情况下，依据新能源发电功率控制响应时间与直流电压上升时间尺度匹配原则，计算出系统所需配置的最优交流耗能电阻容量的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法。
本发明有益效果：
(1)本发明在保证新能源经柔性直流输电送出系统安全输送功率的前提下，优化交流耗能电阻的配置，使得造成系统中盈余功率最多的故障发生后，直流电压上升至过压保护动作限值前，新能源机组的发电功率得到控制。
(2)本发明同时能够避免耗能电阻与新能源发电功率容量按照1:1配置，在保证柔直安全稳定运行的基础上，减少其耗能电阻投资，对新能源经柔性直流输电送出系统的规划设计具有借鉴意义。
附图说明
图1为本发明实施例中新能源电场经柔性直流输电系统拓扑示意图；
图2为本发明实施例中最优交流耗能电阻配置容量计算步骤示意图；
图3为本发明实施例中配置最优交流耗能电阻容量后，换流站3闭锁故障前后直流电网电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在一个或多个实施方式中，公开了一种适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法，包括以下步骤：
(1)获取新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数；
其中，运行参数包括：新能源发电机组的额定功率、控制响应时间，柔性直流输电系统送端换流站、受端换流站、平衡站的运行功率、子模块电容值，直流电网的额定直流电压、直流电压保护动作限值，耗能电阻投入时间等参数。
(2)根据系统拓扑及运行工况，判断导致网内盈余功率最多的故障类型；
受端换流站交流侧短路故障、受端换流站闭锁故障、平衡站工作在逆变状态时发生闭锁故障都会造成网内功率盈余，直流电压上升，而单站闭锁故障发生后瞬间网内盈余功率为整个故障站的运行功率，平衡站快速转带部分盈余功率，因此系统正常运行时功率水平最高的逆变站发生闭锁故障将导致网内盈余功率最多。
假设柔直电网中共有n个换流站，其中有m个送端换流站、k个平衡站，第i个送端换流站的运行功率为Pi，第t个平衡站的运行功率为Pt，最大运行功率为Ptmax。若不考虑线路损耗，发生闭锁故障后网内盈余功率△P为：
Figure GDA0003055473020000051
(3)根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系；
交流耗能电阻的投入时间取决于控制系统响应时间，假设故障后t1时刻投入容量为x的交流耗能电阻，第j个换流站的等效电容为Cj，正常运行直流电压为U0，直流电压保护动作限值为U1，故障后直流电压从U0上升至U1的时间为t，故障导致的盈余功率在t时间内产生的能量W为：
W＝ΔPt1+(ΔP-x)(t-t1) (2)
由于故障导致的盈余功率给除闭锁站外的换流站子模块电容充电，因此盈余功率在t时间内产生的能量等于换流站等效电容从U0充电至U1的能量：
Figure GDA0003055473020000052
由式(2)、(3)相等可以得到配置容量为x的耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系为：
Figure GDA0003055473020000061
(4)在故障导致的网内盈余功率最多的情况下，依据新能源发电功率控制响应时间与直流电压上升时间尺度匹配原则计算出系统所需配置的最优交流耗能电阻容量。
为了保证整个系统的安全，在直流电压上升至保护动作水平前新能源机组的发电功率应得到控制，因此新能源机组的发电功率控制响应时间t2应该快于直流电压上升至保护动作水平的时间t：
t2≤t(5)
由此可以得到，在保证整个系统的安全的前提下，所需配置的耗能电阻容量应满足：
Figure GDA0003055473020000062
式(6)表明，考虑到运行经济性，应尽可能的减少配置的耗能电阻容量，且故障发生后后投入耗能电阻的时间应尽可能的快，因此最优耗能电阻配置容量为：
Figure GDA0003055473020000063
在具体的实施方式中，新能源经三端柔性直流输电送出系统示意图如图1所示。换流站1为连接新能源电场的送端换流站，换流站2连接交流系统，为采用定直流电压控制的平衡站，换流站3为连接交流系统的受端换流站，采用定有功功率控制。图1系统的基本参数如下：
表1新能源经三端柔性直流输电送出系统参数
Figure GDA0003055473020000071
计算最优配置耗能电阻容量的具体方法如图2所示，包括以下步骤：
(1)获取新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数；
获取新能源发电机组的额定功率、控制响应时间，柔性直流输电系统送端换流站、受端换流站、平衡站的运行功率、子模块电容值，直流电网的额定直流电压、直流电压保护动作限值等参数，如表1所示。换流站1和换流站3工作在额定工况下，换流站2工作在逆变状态，向交流系统输送功率。
(2)根据系统拓扑及运行工况，判断导致网内盈余功率最多的故障类型；
换流站3发生闭锁故障将导致网内盈余功率最多。换流站3发生闭锁故障时，送端换流站输送1500MW功率，换流站2最多可以输送950MW功率，因此网内盈余功率总量△P为550MW。
(3)根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障引起的盈余功率的关系；
其流程如下：
1)根据给定的耗能电阻投入时间，得到换流站3闭锁故障引起的网内盈余功率产生的能量W与耗能电阻容量x、故障后直流电压上升时间t的关系，如式(2)所示；
2)依据故障后直流电压从U0上升至U1过程中换流站子模块电容能量变化等于电压上升过程中网内盈余功率产生的能量的原则，得到直流电压上升时间t的计算公式如式(4)所示。在计算过程中，
Figure GDA0003055473020000081
为换流站1、2的等效电容之和，第j个换流站的等效电容Cj为6C0j/N，C0j为单个子模块电容，N为单相桥臂子模块个数。
(4)在换流站3发生闭锁故障后，依据新能源发电功率控制响应时间t2与直流电压上升时间t匹配原则计算出系统需要配置的最优交流耗能电阻容量。
其流程如下：
1)为保证整个系统的安全，新能源机组功率控制响应时间t2应快于直流电压上升至过压保护动作限值的时间t，根据此条件可以得到配置耗能电阻容量的取值范围；
2)根据经济性原则选取最优配置耗能电阻容量xmin。
计算可得最优配置耗能电阻容量xmin为205.7MW。配置xmin耗能电阻，2s换流站3发生闭锁故障，闭锁故障前后直流电网电压波形示意图如图3所示，新能源机组功率控制2.16s响应时，直流电网电压刚好上升至过压保护动作限值650kV，可以保证新能源经柔性直流输电系统安全输送功率。
对比按照系统最大暂态盈余功率配置耗能电阻和适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置两种方法的经济性，对比结果如表2所示。
表2经济性对比
Figure GDA0003055473020000091
本实施例中，适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法较按照系统最大暂态盈余功率配置耗能电阻而言，可节省72.58％的交流耗能电阻成本。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置系统，包括:
用于根据新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数，判断导致网内盈余功率最多的故障类型的装置；
用于根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系的装置；
用于在故障导致的网内盈余功率最多的情况下，依据新能源发电功率控制响应时间与直流电压上升时间尺度匹配原则，计算出系统所需配置的最优交流耗能电阻容量的装置。
上述装置的具体实现方式采用实施例一中公开的方法，不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法，其特征在于，包括：
根据新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数，判断导致网内盈余功率最多的故障类型；
根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系，具体为：
Figure FDA0003055473010000011
其中，△P为发生闭锁故障后网内盈余功率，Cj为第j个换流站的等效电容，U0为正常运行直流电压，U1为直流电压保护动作限值，t为故障后直流电压从U0上升至U1的时间，x为耗能电阻的配置容量，n为单相桥臂子模块个数，t1为交流耗能电阻的投入时间；
在故障导致的网内盈余功率最多的情况下，依据新能源发电功率控制响应时间与直流电压上升时间尺度匹配原则，具体为：新能源机组的发电功率控制响应时间不大于直流电压上升至保护动作水平的时间，据此计算出系统所需配置的最优交流耗能电阻容量。
2.如权利要求1所述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法，其特征在于，新能源经柔性直流输电送出系统的运行参数包括：新能源发电机组的额定功率、控制响应时间；柔性直流输电系统送端换流站、受端换流站、平衡站的运行功率及子模块电容值；直流电网的额定直流电压、直流电压保护动作限值以及耗能电阻投入时间。
3.如权利要求1所述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法，其特征在于，判断导致网内盈余功率最多的故障类型，具体为：系统正常运行时功率水平最高的逆变站发生闭锁故障将导致网内盈余功率最多。
4.如权利要求1所述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法，其特征在于，根据故障导致的盈余功率在t时间内产生的能量与换流站等效电容从U0充电至U1的能量相等，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系；其中，故障后直流电压从U0上升至U1的时间。
5.如权利要求1所述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法，其特征在于，若不考虑线路损耗，发生闭锁故障后网内盈余功率△P为：柔性直流电网中所有送端换流站运行功率之和，与所有平衡站最大运行功率之和的差值。
6.适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置系统，其特征在于，包括:
用于根据新能源经柔性直流输电送出系统拓扑及运行参数，判断导致网内盈余功率最多的故障类型的装置；
用于根据给定的耗能电阻投入时间，得到配置耗能电阻后直流电压上升时间与故障导致的盈余功率的关系，具体为：
Figure FDA0003055473010000021
其中，△P为发生闭锁故障后网内盈余功率，Cj为第j个换流站的等效电容，U0为正常运行直流电压，U1为直流电压保护动作限值，t为故障后直流电压从U0上升至U1的时间，x为耗能电阻的配置容量，n为单相桥臂子模块个数，t1为交流耗能电阻的投入时间的装置；
用于在故障导致的网内盈余功率最多的情况下，依据新能源发电功率控制响应时间与直流电压上升时间尺度匹配原则，具体为：新能源机组的发电功率控制响应时间不大于直流电压上升至保护动作水平的时间，据此计算出系统所需配置的最优交流耗能电阻容量的装置。
7.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法。
8.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法。
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