CN111555337B - 一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，首先选择研究目标电网合适的研究方式，考虑多种影响因素，计算直流受电能力；分析受电能力的限制性故障和影响因素，对与限制性故障同类的故障进行严重程度排序，分析故障特性，提出相应的提升受电能力的措施，并进行适应性仿真分析，得到满足运行要求的优化方案。采用本发明提供的方案能够帮助电网提升高压直流受电能力和安全稳定运行水平，缓解受端电网供电紧张形势，帮助送端发电企业提高经济效益，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于电力系统调度自动化领域，更准确地说，涉及一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法。
背景技术
目前，我国已有多回高压、特高压直流输电工程投入运行。直流输送能力不仅与受端电网交流疏散通道的受电能力密切相关，而且与交流系统的开机方式、有功和无功分布等情况有关，因此在网架结构固定和负荷一定的情况下，分析受电能力的限制因素及其解决办法，研究如何调整受端电网的有功、无功的分布，在满足受端电网直流功率疏散断面稳定极限约束条件下，使得高压直流能够输送更多的功率，对于提升受端电网的安全稳定运行水平、缓解受端电网供电紧张形势、提升直流配套电源的经济效益，具有非常重要的意义。
目前常用于提高高压直流受端受电能力的方法有：1）送端：增加火电等友好电源、优化调整发电机组励磁调速等参数；2）受端：优化开机方式、增加动态无功裕度、控制发电机高压侧电压恒定、优化调整直流无功交换控制阈值、精细调整负荷模型及马达比例、提高运行电压、采用储能、低压减载、交直流协调控制、多直流协调控制等措施；3）送受端广域协同控制等。目前来说，针对直流输电送端的研究比较集中，措施相对成熟，而针对直流受端的研究相对分散，措施较多但是都大都属于通用措施，没有很强的针对性。
中国专利ZL201610266208.7公开了一种受端电网特高压交直流最优受电比例评估方法，通过潮流、短路、稳定校核得出可行的特高压交直流受电方案。中国专利ZL201510848912.9公开了一种直流分层接入方式下近区线路潮流调整方法，综合考虑降低直流功率、停运直流某层单个或多个换流器等控制手段，实现对受端换流站近区重载或超过稳定限额的线路潮流调整。中国专利ZL200910070419.3公开了一种基于直流因子表的割集断面潮流定向控制方法，根据断面潮流定向控制的需要，利用因子表信息，通过非线性优化过程确定断面潮流的调控方案。这些方法主要聚焦于有功稳态分布对直流受电能力的影响，并未考虑联网\孤网方式、负荷模型、负荷功率因数、无功补偿设备运行方式、直流控制方式等因素对受电能力的影响，没有很强的针对性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法。
本发明采用以下技术方案：一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，所述方法包括下述步骤：
步骤一：利用PSD-BPA软件建立对应研究水平年典型夏季小方式的电网仿真数据模型，方式中安排送端电网水电大发，特高压直流满足满送条件；
步骤二：综合考虑直流弱受端馈入系统短路比、调峰能力、旋备容量、N-1静态安全、N-1暂态稳定性、严重故障暂态稳定性、交直流通道耦合特性、负荷模型、负荷功率因数、无功补偿设备运行方式及直流控制方式的影响因素，给出受端电网的直流接入能力；
步骤三：针对不同故障N-1暂态稳定性对直流受电能力的影响进行严重程度排序，找出限制故障和关键节点，提出提升受电能力的优化措施；
步骤四：验证提升受电能力的优化措施在丰期大负荷、丰期平负荷、丰期小负荷检修运行方式下的适应性。
进一步的，所述步骤二中，对受端电网考虑联网方式和孤网方式两种运行状态，根据联网小方式调峰能力和孤网小方式调峰能力的计算结果，分别给出对应的受电能力。
进一步的，所述步骤二中，结合考虑交直流通道耦合特性和直流控制方式，一方面是量化分析交直流相互作用程度，一方面是量化分析直流控制方式的影响；负荷模型和负荷功率因数方面主要是考虑直流受电能力在系统不同无功需求水平下的变化规律。
进一步的，所述步骤二中，无功补偿设备运行方式方面主要是考虑无功补偿设备或无功发生设备是否投运、滤波器切除时间；直流控制方式考虑定功率控制和定电流控制。
进一步的，所述步骤三中，N-1暂态稳定性包括功角稳定、频率稳定和电压稳定，而电压稳定又分为电压静态稳定和电压暂态稳定，用dV/dQ或dQ/dV是否大于零作为电压静态稳定性的判据，V为某母线的电压，Q为某母线的无功：如果注入某母线的无功功率增加时，该母线的电压模值也增加，则认为该母线的电压是静态稳定的，否则是静态不稳定。
进一步的，所述步骤三中，考虑了电网元件和电源元件对电压暂态稳定的支撑作用特性，提出了网源调压优化方案；
暂态电压支撑能力包括两方面：1）快速响应能力，即当电网受扰后的电压跌落和恢复期间，无功源输出容性无功功率的速度；2）大容量供给能力，即受扰后无功源输出净容性无功功率的容量。
本发明至少具有以下有益效果之一：
1、本发明提供的一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法能够解决目前已有方法中考虑因素不全面、新建电源造价高、征地难、时间周期长、不可控因素多，调整仿真模型需要大量试验数据支撑、时间周期长、维护困难，新建动态无功补偿装置征地困难，考虑因素不全面，通常优化机组运行方式的方法效果有限等缺陷。在本发明中，综合考虑直流弱受端馈入系统短路比、调峰能力、旋转备用、N-1静态安全、N-1暂态稳定性、严重故障暂态稳定性、交直流通道耦合特性、负荷模型、负荷功率因数、无功补偿设备运行方式、直流控制方式等因素对直流受电能力的影响，找出限制故障和关键节点，指导调度员调整发电机组和无功补偿设备的运行计划，从而以最小成本提升直流受电能力。
2、本发明提供的一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法具有考虑因素全面、可操作性强、方案合理、技术经济可行、计算结果清晰、有实用价值、能够用于具体指导电网运行等优点，具有较高的实用价值。
附图说明
附图1是本发明提供的面向直流弱受端电网提升直流受电能力计算的流程图例。
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。
实施例1
参照图1，本发明的优选实施例，一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，方法包括下述步骤：
步骤一：利用PSD-BPA软件建立对应研究水平年典型夏季小方式的电网仿真数据模型，方式中安排送端电网水电大发，特高压直流满足满送条件；
步骤二：综合考虑直流弱受端馈入系统短路比、调峰能力、旋备容量、N-1静态安全、N-1暂态稳定性、严重故障暂态稳定性、交直流通道耦合特性、负荷模型、负荷功率因数、无功补偿设备运行方式及直流控制方式的影响因素，给出受端电网的直流接入能力；
步骤三：针对不同故障N-1暂态稳定性对直流受电能力的影响进行严重程度排序，找出限制故障和关键节点，提出提升受电能力的优化措施；
步骤四：验证提升受电能力的优化措施在丰期大负荷、丰期平负荷、丰期小负荷检修运行方式下的适应性。
步骤二中，对受端电网考虑联网方式和孤网方式两种运行状态，根据联网小方式调峰能力和孤网小方式调峰能力的计算结果，分别给出对应的受电能力。
步骤二中，结合考虑交直流通道耦合特性和直流控制方式，一方面是量化分析交直流相互作用程度，一方面是量化分析直流控制方式的影响；负荷模型和负荷功率因数方面主要是考虑直流受电能力在系统不同无功需求水平下的变化规律。
步骤二中，无功补偿设备运行方式方面主要是考虑无功补偿设备或无功发生设备是否投运、滤波器切除时间；直流控制方式考虑定功率控制和定电流控制。
步骤三中，N-1暂态稳定性包括功角稳定、频率稳定和电压稳定，通常指功角稳定，而电压稳定又分为电压静态稳定和电压暂态稳定，用dV/dQ或dQ/dV是否大于零作为电压静态稳定性的判据，V为某母线的电压，Q为某母线的无功：如果注入某母线的无功功率增加时，该母线的电压模值也增加，则认为该母线的电压是静态稳定的，否则是静态不稳定。
步骤三中，考虑了电网元件和电源元件对电压暂态稳定的支撑作用特性，提出了网源调压优化方案；
暂态电压支撑能力包括两方面：1）快速响应能力，即当电网受扰后的电压跌落和恢复期间，无功源输出容性无功功率的速度；2）大容量供给能力，即受扰后无功源输出净容性无功功率的容量。
要快速输出大容量的无功功率，除具有稳态功率维持能力外，还应具有响应电网电压跌落的无功增出力能力。电网稳态运行投入电容补偿容量越多，则受扰后电网电压跌落期间，电网无功缺额将更大，不利于电压稳定。发电机无功备用太少也不利于电压支撑的快速响应。结合实际调整机组与电容稳态无功出力，才能优化网源稳态调压方案。
本发明用到的受电能力评价指标包括：1）电网强度指标：有效短路比（EffectiveShort Curcuit Ratio，ESCR）
，式中S ac 、P dN 、Q c 分别为换流母线三相短路容量、直流额定送电功率、换流站无功补偿容量；2）有功支撑能力指标：调峰容量、调峰深度；旋备容量；转动惯量（Moment of Inertia）J = t J S G /ω 0 2 ，式中t J 、S G 、ω 0 分别是机组的惯性时间常数、额定容量、转子角速度；3）N-1静态安全判据为电网元件N-1开断后线路或主变不过载；4）N-1暂态稳定性指标通常包括电网元件N-1故障后的功角暂态稳定性和电压暂态稳定性指标，这里主要考察交流输电通道的静态稳定极限、N-1暂态稳定极限和热稳定极限；5）严重故障暂态稳定指标包括功角暂态稳定和电压暂态稳定两方面；6）交直流通道耦合特性和直流控制方式方面主要是考虑交直流相互作用程度及直流控制方式的影响；7）负荷模型和负荷功率因数方面主要是考虑直流受电能力在系统不同无功需求水平下的变化规律；8）无功补偿设备运行方式方面主要是考虑无功补偿设备或无功发生设备是否投运、滤波器切除时间等；9）直流控制方式考虑定功率控制和定电流控制；10）用dV/dQ或dQ/dV是否大于零作为电压静态稳定性判据：如果注入某母线的无功功率增加时，该母线的电压模值也增加，则认为该母线电压是静态稳定的，否则是静态不稳定。
本发明用到的暂态电压稳定性指标包括三类：1）负荷母线电压能够在故障后10秒内恢复到0.80pu以上；2）中枢母线电压能够在故障后10秒内恢复到0.90pu以上；3）分别考虑电网发生N-1故障、N-2故障后直流逆变站交流母线电压恢复情况并进行排序。
分析关键节点限制性故障暂态特性对直流受电能力的影响，可以发现暂态电压失稳是限制直流受电能力的决定性因素；因此，提出增加发电机稳态无功出力容量，减少电容器投入容量，以提高电网的电压稳定水平，提升直流受电能力的相应措施，并检验这些措施在不同运行方式下的适应性。
实施例2
以江西电网为研究对象电网，建立全国电网2022年夏季小方式，其中四川电网水电大发，四川电网平衡机安排在雅中—南昌特高压直流送端附近的溪洛渡电厂，江西电网旋备1710MW。2022年夏季江西典型小方式中，江西电网开机出力7800MW，总发电无功功率3956MW，全省负荷总计15600MW。联络线情况：湖北电网500kV送江西约6300MW，特高压送江西约-320MW；湖南电网特高压送江西-90MW；雅中—南昌特高压直流送电8000MW；江西电网中部送南部约880MW；中部送东部约1420MW；潮流分析表明：江西电网负荷中心地区存在1000/500/220kV三级电磁环网，特高压直流逆变站近区属于薄弱区域，通过调整江西中部电网丰城电厂的开机方式，可缓和电磁环网问题。
计算雅中—南昌特高压直流受电能力。雅中—南昌特高压直流功率疏散通道包括4回500kV线路，另外通过3回500kV线路和特高压交流南昌站相连，特高压交流南昌站通过4回500kV线路进行功率疏散。计算表明，该方式下，雅中—南昌特高压直流近区有效短路比约为2.8，考虑有效短路比不小于3的约束条件，直流受电能力约7500MW；考虑小方式调峰能力，受电能力约5500MW；考虑N-1静态安全，受电能力约5500MW；考虑功角暂态稳定性，受电能力约5200MW；考虑电压暂态稳定性，受电能力约5000MW；考虑交直流通道耦合特性，交直流总受电能力约5600MW；综上所述，直流受电能力的逆变侧限制故障为南昌换流站近区严重故障，可导致电压暂态失稳。南昌换流站近区发生严重故障，对直流换流站交流母线电压影响相对都比较严重，再次验证了特高压直流换流站近区属于薄弱区域。
计算表明，负荷模型中马达比例和转子电抗对暂态电压稳定的影响较大，马达占负荷的比例从50%下降到40%，直流受电能力从5000MW提升至6100MW；转子电抗从0.12减小到0.09，受电能力提升约600MW；负荷功率因数从0.92提高到0.95，受电能力提升约100MW；考虑部分110kV电网中的小电源约500MW，受电能力提升约100MW；旋转备用从10%增加到15%，受电能力可提升约200MW；南昌换流站交流滤波器切除时间从0.1秒变为0.3秒，受电能力下降约600MW；南昌换流站投运一台300兆乏调相机，直流受电能力可提升约900MW；直流控制方式从定功率控制改为定电流控制，直流受电能力可提升约200MW。
该方式下N-2故障暂态稳定计算结果表明，东站-昌换、东站-南昌、昌特-云峰、昌特-昌换、昌特-进贤等线路N-2故障后江西电网发生电压失稳。根据换流站交流母线暂态电压跌落程度，南昌换流站近区N-2故障的严重程度排序大致为：东站-昌换 > 东站-南昌 >昌特-云峰 > 昌特-昌换 > 昌特-进贤。可见东站是直流安全稳定运行的关键节点，东站-昌换线路N-2故障是限制性故障，故障形态是暂态电压恢复到0.9pu的时间超过10秒。为了提升直流受电能力，需要提升东站母线的暂态电压稳定性。计算表明，适当提高东站附近机组的无功出力，降低低压电容器投运量，可以提升东站近区的暂态电压稳定性。
在丰大、丰平大和丰小检修方式（考虑咸宁-梦山线路N-1和丰城二期一台机组检修两种情况）中采取以上无功出力调整措施，东站-昌换线路N-2故障后，系统电压稳定，能够在10秒内恢复至正常水平，表明该措施具有良好的适应性。
本发明的方法克服了新建线路造价太高、集中式串联补偿技术造价高而且维护困难等局限性，具有通用性强、适应性强、考虑因素全面、方案合理、建设速度快、维护简单、能够随着负荷的发展进行调整等优点，具有较高的实用价值。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤一：利用PSD-BPA软件建立对应研究水平年典型夏季小方式的电网仿真数据模型，方式中安排送端电网水电大发，特高压直流满足满送条件；
步骤二：综合考虑直流弱受端馈入系统短路比、调峰能力、旋备容量、N-1静态安全、N-1暂态稳定性、严重故障暂态稳定性、交直流通道耦合特性、负荷模型、负荷功率因数、无功补偿设备运行方式及直流控制方式的影响因素，给出受端电网的直流接入能力；
步骤三：针对不同故障N-1暂态稳定性对直流受电能力的影响进行严重程度排序，找出限制故障和关键节点，提出提升受电能力的优化措施；
步骤四：验证提升受电能力的优化措施在丰期大负荷、丰期平负荷、丰期小负荷检修运行方式下的适应性。
2.根据权利要求1所述的一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，其特征在于，所述步骤二中，对受端电网考虑联网方式和孤网方式两种运行状态，根据联网小方式调峰能力和孤网小方式调峰能力的计算结果，分别给出对应的受电能力。
3.根据权利要求1所述的一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，其特征在于，所述步骤二中，结合考虑交直流通道耦合特性和直流控制方式，一方面是量化分析交直流相互作用程度，一方面是量化分析直流控制方式的影响；负荷模型和负荷功率因数方面主要是考虑直流受电能力在系统不同无功需求水平下的变化规律。
4.根据权利要求1所述的一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，其特征在于，所述步骤二中，无功补偿设备运行方式方面主要是考虑无功补偿设备或无功发生设备是否投运、滤波器切除时间；直流控制方式考虑定功率控制和定电流控制。
5.根据权利要求1所述的一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，其特征在于，所述步骤三中，N-1暂态稳定性包括功角稳定、频率稳定和电压稳定，而电压稳定又分为电压静态稳定和电压暂态稳定，用dV/dQ或dQ/dV是否大于零作为电压静态稳定性的判据，V为某母线的电压，Q为某母线的无功：如果注入某母线的无功功率增加时，该母线的电压模值也增加，则认为该母线的电压是静态稳定的，否则是静态不稳定。
6.根据权利要求5所述的一种面向直流弱受端电网提升直流受电能力的分析方法，其特征在于，所述步骤三中，考虑了电网元件和电源元件对电压暂态稳定的支撑作用特性，提出了网源调压优化方案；
暂态电压支撑能力包括两方面：1）快速响应能力，即当电网受扰后的电压跌落和恢复期间，无功源输出容性无功功率的速度；2）大容量供给能力，即受扰后无功源输出净容性无功功率的容量。
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