CN111555454A - 混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，用于对接入同步调相机的混合双馈入直流输电系统的稳定性进行评估，判断换流母线处电压是否稳定，其特征在于，包括如下步骤：数据采集，利用同步相量测量装置以及数据采集与监视控制系统实时采集混合双馈入直流输电系统潮流运行数据；获取混合馈入短路比，根据采集获取的潮流运行数据计算并获取混合馈入短路比；电压稳定性分析，根据获取的混合馈入短路比对混合双馈入直流输系统进行电压稳定性分析，获取电压稳定性指标临界值；比对判断，根据电压稳定性指标临界值对换流母线处电压的稳定性进行判断并告警。

Description

混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法

技术领域

本发明属于电力系统运行分析领域，涉及一种电压稳定评估方法，具体涉及一种混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法。

背景技术

与交流输电技术相比，直流输电的主要优势在于远距离大容量输电方面经济性好，不存在同步运行稳定的问题且可以实现电力系统的非同步联网，在直流联网的情况下不会对被联交流系统的短路电流水平产生影响。

基于电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)由于其传输损耗小、传输容量大等特点，在远距离大容量输电中起到重要作用。由于触发延迟角和熄弧角的存在，导致LCC-HVDC系统对于受端交流系统表现为不良的“无功负荷特性”，逆变运行时，换流器在为受端交流系统提供电力的同时，需消耗的无功功率约为所传输直流功率的40％～60％，这使得换流母线的电压支撑能力受到严峻挑战，交直流系统电压稳定性问题日益突出。随着高比例可再生新能源的渗透率逐步提升，特别是以海上风电为主的新能源机组以基于电压源型换流器型直流输电(VSC-HVDC)馈入形式接入交流系统，与原有LCC-HVDC系统形成混合馈入直流输电系统(HIDC)，所引起的运行特性变化对电力系统的安全稳定运行带来挑战。

在理论分析及工程应用中，通常使用有效短路比(ESCR)来评估静态电压稳定性。ESCR的定义式如下所示：

其中，S_ac是在馈入点换流母线处计算所得交流系统的短路容量(VSC-HVDC以运行阻抗的形式计入)；S_c是同步调相机提供的无功补偿支撑容量；P_dn是LCC-HVDC输送直流额定功率；S_var是换流母线处其它静止无功补偿设备提供的无功补偿支撑容量。

从上式可以看出，有效短路比指标在评估电压稳定性时只定量将同步调相机提供的无功支撑反映，未计及同步调相机动态特性控制对于换流点处母线电压稳定性的影响，导致有效短路比指标难以准确评估同步调相机接入下的混合馈入直流输电系统的静态电压稳定性。

发明内容

为解决上述问题，提供一种混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，可以实时评估含同步调相机的混合双馈入直流输电系统的稳定性，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，判断换流母线处电压是否稳定，其特征在于，包括如下步骤：

数据采集，利用同步相量测量装置以及数据采集与监视控制系统实时采集混合双馈入直流输电系统潮流运行数据；获取混合馈入短路比，根据采集获取的潮流运行数据计算并获取混合馈入短路比；电压稳定性分析，根据获取的混合馈入短路比对混合双馈入直流输系统进行电压稳定性分析，获取电压稳定性指标临界值；比对判断，根据电压稳定性指标临界值对换流母线处电压的稳定性进行判断并告警，其中，混合馈入短路比的定义过程包括如下步骤：步骤T1，基于混合双馈入直流输电系统建立准稳态模型，步骤T2，根据准稳态模型计算获取潮流的雅克比矩阵，步骤T3，在准稳态假设下，根据雅克比矩阵计算获取混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF，步骤T4，根据混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF计算混合馈入短路比HISCR。

本发明提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，还可以具有这样的特征，其中，准稳态模型为：

Q_sc＝UI_sc

式中，P_ac和Q_ac分别为所述换流母线馈入交流系统的有功功率和无功功率，P_v和Q_v分别为电压源换流器馈入逆变侧交流母线的有功功率和无功功率，Q_sc为所述同步调相机无功功率补偿支撑，U为馈入点处换流母线电压幅值，E为受端交流系统等值电势幅值，U_v为基于电压源换流器的高压直流输电的输出电压幅值，δ为换流母线电压相角，δ_V为基于电压源换流器的高压直流输电的输出电压相角，Z为受端交流系统等值阻抗，Z_V为基于电压源换流器的高压直流输电的接入阻抗，I_sc为同步调相机注入到换流母线的电流，φ为受端交流系统等值电动势相角。

本发明提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤T2包括如下步骤：

根据准稳态模型建立换流母线处的功率不平衡方程，该功率不平衡方程如下，

式中，△P是换流母线处有功功率变化量，△Q是无功功率的变化量。

根据功率不平衡方程，对系统状态变量U、δ分别求偏导，得到雅克比矩阵，公式如下，

式中，△δ是换流母线处电压相角的变化量，△U/U是电压变化量对换流母线电压的比值，J_Pδ、J_PU、J_Qδ、J_QU分别是△P、△Q对δ、U的偏导。

本发明提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤T3包括如下步骤：

基于准稳态假设，令△Q＝0，推导出如下混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF，并将雅克比矩阵的元素J_Pδ、J_PU、J_Qδ、J_QU代入后进行整理，获得HIPVSF计算公式如下，

式中，H为反映含同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统不同直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数，Z为受端交流系统等值阻抗，U为馈入点处换流母线电压幅值，S_ac为是在馈入点换流母线处计算所得交流系统的短路容量。

本发明提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤T4包括如下步骤：

计算混合馈入短路比HISCR，公式如下，

式中，H为反映含同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统不同直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数，Z为受端交流系统等值阻抗，U为馈入点处换流母线电压幅值，S_ac为是在馈入点换流母线处计算所得交流系统的短路容量。

本发明提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，还可以具有这样的特征，其中，电压稳定性指标临界值为1。

本发明提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，还可以具有这样的特征，其中，当HISCR>1时，换流母线处电压处于稳定状态，当HISCR＝1时，换流母线处电压处于临界稳定状态，当HISCR<1时，换流母线处电压处于失稳状态。

发明作用与效果

根据本发明的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，对混合双馈入直流输电系统潮流运行数据进行采集，并根据采集到的运行数据计算其混合馈入短路比，再根据该混合馈入短路比与电压稳定性指标临界值进行比对，判断换流母线处电压是否处于稳定并发出警报。本实施例将混合馈入短路比作为比对判断对象，能够计及直流控制方式变化以及同步调相机调动态特性影响，并且能够准确评估含同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统静态电压稳定性。由于混合馈入短路比混合馈入短路比指标中的参数是利用PMU装置实时测量采集电力系统中实时的潮流信息，通过计算机进行辅助计算，因此在实际工程应用中具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法流程图；

图2是本发明实施例的含同步调相机接入下的混合双馈入直流输电系统准稳态模型图；

图3是本发明实施例的同步调相机电路示意图；

图4是本发明实施例的同步调相机工作特性示意图；

图5是本发明实施例的同步调相机接入与不接入下混合双馈入系统LCC-HVDC逆变侧熄弧角大小比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。

<实施例>

图1是本发明实施例的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法流程图。

如图1所示，本实施例提供一种混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，用于对接入同步调相机的混合双馈入直流输电系统的稳定性进行评估，判断换流母线处电压是否稳定，包括如下步骤：

步骤S1，利用同步相量测量装置以及数据采集与监视控制系统实时采集混合双馈入直流输电系统潮流运行数据。

步骤S2，根据采集获取的潮流运行数据计算并获取混合馈入短路比。具体包括如下步骤：

步骤T1，基于混合双馈入直流输电系统建立准稳态模型。

图2是本发明实施例的含同步调相机接入下的混合双馈入直流输电系统准稳态模型图。

如图2所示，建立准稳态模型：

Q_sc＝UI_sc

式中，P_ac和Q_ac分别为所述换流母线馈入交流系统的有功功率和无功功率，P_v和Q_v分别为电压源换流器馈入逆变侧交流母线的有功功率和无功功率，Q_sc为所述同步调相机无功功率补偿支撑，U为馈入点处换流母线电压幅值，E为受端交流系统等值电势幅值，U_v为基于电压源换流器的高压直流输电的输出电压幅值，δ为换流母线电压相角，δ_V为基于电压源换流器的高压直流输电的输出电压相角，Z为受端交流系统等值阻抗，Z_V为基于电压源换流器的高压直流输电的接入阻抗，I_sc为同步调相机注入到换流母线的电流，φ为受端交流系统等值电动势相角。

步骤T2，根据准稳态模型计算获取潮流的雅克比矩阵。

根据准稳态模型列写换流母线处的功率不平衡方程，如下：

式中，△P是换流母线处有功功率变化量，△Q是无功功率的变化量。

根据功率不平衡方程，对系统状态变量U、δ分别求偏导，得到雅克比矩阵：

式中，△δ是换流母线处电压相角的变化量，△U/U是电压变化量对换流母线电压的比值，J_Pδ、J_PU、J_Qδ、J_QU分别是△P、△Q对δ、U的偏导，表达式分别为：

J_Pδ＝(U²/Z)-Q_ac

J_Qδ＝P_ac

步骤T3，在准稳态假设下，△Q＝0，根据雅克比矩阵计算获取混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF。

推导出混合馈入功率电压稳定因子如下：

将雅克比矩阵元素J_Pδ、J_PU、J_Qδ、J_QU代入上式并进行整理后如下：

式中，Z为受端交流系统等值阻抗，U为馈入点处换流母线电压幅值，S_ac为是在馈入点换流母线处计算所得交流系统的短路容量，H为反映含同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统不同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＝DP_dUF+DQ_dUF+DP_vUF+DQ_vUF+DQ_scUF，其中，

将H的表达式代入混合馈入功率电压稳定因子的公式并进一步整理后得到混合馈入功率电压稳定因子的最终表达式：

步骤T4，根据混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF计算混合馈入短路比HISCR。

混合馈入短路比HISCR的表达式为：

步骤S3，根据获取的混合馈入短路比对混合双馈入直流输系统进行电压稳定性分析，获取电压稳定性指标临界值。

依据直流馈入节点处的潮流不平衡引发系统雅可比矩阵发生奇异从而使系统电压失稳。对于同一负荷功率，存在可能的高电压解和低电压解两种潮流解，其中，高电压解稳定，低电压解不稳定。稳定解与不稳定解判别求解主要根据有功功率与电压的曲线关系图，求解相应曲线斜率表达式。该表达式为步骤S2中所得的混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF。其中，稳定解对应混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF数值小于0，不稳定解对应混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF数值大于0，临界情况对应混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF数值等于0。利用混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF数学表达式定义混合馈入短路比并进行判断。

电压稳定性指标临界值即为混合馈入短路比的临界值，其值为1。

步骤S4，根据电压稳定性指标临界值对换流母线处电压的稳定性进行判断并告警。

当HISCR>1时，换流母线处电压处于稳定状态，

当HISCR＝1时，换流母线处电压处于临界稳定状态，

当HISCR<1时，换流母线处电压处于失稳状态。

图3是本发明实施例的同步调相机电路示意图。

如图3所示，同步调相机的特性等效于不接机械负载的同步电动机。

图4是本发明实施例的同步调相机工作特性示意图。

如图4所示，主要描述同步调相机迟相运行和进相运行工作状态。同步调相机具备可靠的双向动态无功发生能力，其中双向是指迟相运行和进相运行。迟相运行对应功率因数为正，进相运行对应功率因数为负。同步调相机主要通过进相运行方式来调节电网无功电压。当系统出现无功功率过剩时，系统电压升高，此时可通过同步调相机迟相运行来吸收过剩无功功率，降低无功电压。

图5是本发明实施例的同步调相机接入与不接入下混合双馈入系统LCC-HVDC逆变侧熄弧角大小比较示意图。

如图5所示，主要描述同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统抑制换相失败故障的能力。当系统发生换相失败时，交流母线电压降低，可能会导致直流闭锁，直流传输功率转移，引发对交流系统的冲击。熄弧角是判断换相失败的参考依据，当熄弧角小于最小熄弧角时，就会发生换相失败故障，引发电压下降。图5中，混合双馈入直流输电系统接入同步调相机时，系统熄弧角远大于最小熄弧角，相比于未接入同步调相机，抑制换相失败故障能力提升。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，对混合双馈入直流输电系统潮流运行数据进行采集，并根据采集到的运行数据计算其混合馈入短路比，再根据该混合馈入短路比与电压稳定性指标临界值进行比对，判断换流母线处电压是否处于稳定并发出警报。本实施例将混合馈入短路比作为比对判断对象，能够计及直流控制方式变化以及同步调相机调动态特性影响，并且能够准确评估含同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统静态电压稳定性。

根据本实施例提供的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，由于混合馈入短路比混合馈入短路比指标中的参数是利用PMU装置实时测量采集电力系统中实时的潮流信息，通过计算机进行辅助计算，因此在实际工程应用中具有很好的应用前景。

上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

Claims (7)

1.一种混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，用于对接入同步调相机的混合双馈入直流输电系统的稳定性进行评估，判断换流母线处电压是否稳定，其特征在于，包括如下步骤：

数据采集，利用同步相量测量装置以及数据采集与监视控制系统实时采集所述混合双馈入直流输电系统潮流运行数据；

获取混合馈入短路比，根据采集获取的所述潮流运行数据计算并获取混合馈入短路比；

电压稳定性分析，根据获取的所述混合馈入短路比对所述混合双馈入直流输系统进行电压稳定性分析，获取电压稳定性指标临界值；

比对判断，根据所述电压稳定性指标临界值对所述换流母线处电压的稳定性进行判断并告警，

其中，所述混合馈入短路比的获取过程包括如下步骤：

步骤T1，基于混合双馈入直流输电系统建立准稳态模型，

步骤T2，根据所述准稳态模型计算获取潮流的雅克比矩阵，

步骤T3，在准稳态假设下，根据所述雅克比矩阵计算获取混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF，

步骤T4，根据所述混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF计算混合馈入短路比HISCR。

2.根据权利要求1所述的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，其特征在于：

其中，所述准稳态模型为：

Q_sc＝UI_sc

式中，P_ac和Q_ac分别为所述换流母线馈入交流系统的有功功率和无功功率，P_v和Q_v分别为电压源换流器馈入逆变侧交流母线的有功功率和无功功率，Q_sc为所述同步调相机无功功率补偿支撑，U为馈入点处所述换流母线电压幅值，E为受端交流系统等值电势幅值，U_v为基于电压源换流器的高压直流输电的输出电压幅值，δ为换流母线电压相角，δ_V为基于电压源换流器的高压直流输电的输出电压相角，Z为受端交流系统等值阻抗，Z_V为基于电压源换流器的高压直流输电的接入阻抗，I_sc为所述同步调相机注入到换流母线的电流，

为受端交流系统等值电动势相角。

3.根据权利要求1所述的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，其特征在于：

其中，步骤T2包括如下步骤：

根据所述准稳态模型建立换流母线处的功率不平衡方程，该功率不平衡方程如下，

式中，△P是换流母线处有功功率变化量，△Q是无功功率的变化量，P_ac和Q_ac分别为所述换流母线馈入交流系统的有功功率和无功功率，P_v和Q_v分别为电压源换流器馈入逆变侧交流母线的有功功率和无功功率，Q_sc为所述同步调相机无功功率补偿支撑，

根据所述功率不平衡方程，对系统状态变量U、δ分别求偏导，得到所述雅克比矩阵，公式如下，

式中，△δ是所述换流母线处电压相角的变化量，△U/U是电压变化量对换流母线电压的比值，J_Pδ、J_PU、J_Qδ、J_QU分别是△P、△Q对δ、U的偏导。

4.根据权利要求1所述的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，其特征在于：

其中，步骤T3包括如下步骤：

基于准稳态假设，令△Q＝0，推导出如下混合馈入功率电压稳定因子HIPVSF，并将所述雅克比矩阵的元素J_Pδ、J_PU、J_Qδ、J_QU代入后进行整理，获得HIPVSF计算公式如下，

式中，H为反映含同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统不同直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数，Z为受端交流系统等值阻抗，U为馈入点处所述换流母线电压幅值，S_ac为是在馈入点所述换流母线处计算所得交流系统的短路容量，P_ac为所述换流母线馈入交流系统的有功功率。

5.根据权利要求1所述的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，其特征在于：

其中，步骤T4包括如下步骤：

计算所述混合馈入短路比HISCR，公式如下，

式中，H为反映含同步调相机接入下混合双馈入直流输电系统不同直流控制方式与同步调相机动态电压特性的总贡献系数，Z为受端交流系统等值阻抗，U为馈入点处所述换流母线电压幅值，S_ac为是在馈入点所述换流母线处计算所得交流系统的短路容量，P_ac为所述换流母线馈入交流系统的有功功率。

6.根据权利要求1所述的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，其特征在于：

其中，所述电压稳定性指标临界值为1。

7.根据权利要求1所述的混合双馈入直流输电系统受端电压稳定性评估方法，其特征在于：

其中，当HISCR>1时，所述换流母线处电压处于稳定状态，

当HISCR＝1时，所述换流母线处电压处于临界稳定状态，

当HISCR<1时，所述换流母线处电压处于失稳状态。

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