CN112531762B - 同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性评估方法 - Google Patents

同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性评估方法，确定送受端交流系统电压等级和各换流站间等效联系阻抗，在电磁暂态仿真软件中搭建同送同受特高压直流输电系统模型，利用多馈出和多馈入电压交互因子推导得到同送同受电压交互因子(MO‑MIIF)，再由该因子推出同送同受系统有效短路比，通过有效短路比作为同送同受系统受端电压支撑能力的评判。

Description

同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性评估方法
技术领域
本发明属于电压稳定评估技术领域，更为具体地讲，涉及一种同送同受特高压直流系统受端电压稳定性关联指标评价方法。
背景技术
我国能源资源和负荷需求呈逆向分布，一次能源资源分布主要在人口密度低、负荷需求小、环境容量大的西南、西北和北部，而负荷中心主要分布在人口密度大、用电需求大、经济较为发达的中东部地区。因此，近年来远距离大容量的特高压直流输电工程得到了快速发展，相继投产的多条特高压直流工程，促进了我国西部和北部地区水电等清洁能源的快速消纳。同时，我国电网也形成多直流送出、多直流馈入格局，交直流系统故障影响范围增大，通过直流异步互联的送、受端电网均受到直流功率扰动的冲击，给电网的安全稳定运行带来严峻考验。由于交流与直流两种输电形态在结构发展不均衡的特定阶段,直流有功、无功受扰大幅变化激发起的超出既定设防标准或设防能力的强扰动,冲击承载能力不足的交流薄弱环节,使连锁故障风险加剧,全局性安全水平明显下降，这就是所谓混联电网“强直弱交”运行新特性。
目前，针对我国特高压直流输电的主流工程仍采用传统的基于电网换相的直流输电技术(LCC-HVDC)，特高压直流系统的稳定主要受制于交流系统的稳定，特别是交流系统的电压稳定性，当多回直流馈入点和馈出点集中在某些区域时，尤其是受端馈入弱交流系统时，将给交流支撑网带来很大压力，交流系统的支撑能力不足将引起一系列问题。对于单馈入交直流混合系统，一般通过有效短路比(effective short circuit ratio，ESCR)来衡量受端电网的电压支撑能力。
在多馈入交直流系统中，不同直流之间的相互影响，导致无法将不同直流系统视为单馈入系统而分别进行处理。因此提出了多馈入交互作用因子(multi-infeedinteraction factor，MIIF)作为不同直流之间相互作用程度的评价指标，并基于此提出了多馈入有效短路比的定义(multi-infeed effective short circuit ratio，MIESCR)。MIIF和MIESCR提出后，被应用于多馈入系统中直流换相失败的问题的研究当中，取得了很好的效果。然而MIESCR在最初提出时，只是一个经验性的指标，缺乏严格的理论依据。DenisLee博士在文献An Equivalent Single-infeed Model of Multi-infeed HVDC Systemsfor Voltage and Power Stability Analysis中从等效功率传输的角度将多馈入直流等效为单馈入直流，从机理上解释了MIESCR的有效性，对于只有一条直流电流变化而其他直流电流保持额定值的情况，ESCR评价受端电网电压支撑能力较为准确。
当前对于同送同受系统受端交流系统支撑能力的相关研究还比较匮乏，为合理解决提升同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性的问题，需要对同送同受系统进行精细化建模，仅简化和省略对分析过程影响不大的参数，其余参数均在仿真软件准确还原实际电网参数。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性评估方法，解决同送同受多回特高压直流输电系统受端电压不稳定的问题。
为实现上述发明目的，本发明一种同送同受特高压直流受端电压稳定性关联指标评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、构建同送同受特高压直流输电系统的电磁暂态模型；
(1.1)、确定同送同受特高压直流输电系统的基本参数；
(1.1.1)、确定同送同受特高压直流输电系统的基本结构参数和基本运行参数，包括：送受端交流电网电压等级、送受端交流系统的等效阻抗、送受端换流站间的等效联系阻抗、整流侧触发角和逆变侧熄弧角；
(1.1.2)、运行同送同受特高压直流输电系统，采集运行参数，包括：直流输电系统的短路容量Sac、直流传输功率Pdc、换流站滤波器、无功补偿装置的无功补偿容量Qc；
(1.2)、
选取同送同受特高压直流输电系统中特高压直流输电的控制方式，其中，基本控制方式包括：定触发角控制、定电流控制、定熄弧角控制、定功率控制、定电压控制和定逆变角控制；
(2)、对同送同受特高压直流输电系统的电压稳定性关联分析；
(2.1)、在电磁暂态模型中，计算同送同受特高压直流输电系统的多馈出电压交互因子和多馈入电压交互因子；
多馈出电压交互因子的计算为：
Figure BDA0002818408980000031
多馈入电压交互因子的计算为：
Figure BDA0002818408980000032
其中，ΔUi和ΔUj分别表示直流线路i和j受到的电压扰动；Zii表示线路自身阻抗，Zji表示线路间的阻抗；
(2.2)、计算同送同受特高压直流输电系统的电压交互因子；
MO-MIIFji＝αMOVIFji+βMIIFji
其中，α和β为待确定参数，且满足α+β＝1；MO-MIIFji表示直流线路i和j电压交互因子；
(2.3)、计算同送同受特高压直流输电系统的有效短路比；
Figure BDA0002818408980000033
或
Figure BDA0002818408980000034
其中，Saci为第i回直流系统受端换流站交流母线处的短路容量；Qci为第i回直流系统逆变站的电容器，交流滤波器，无功补偿装置的无功补偿容量；Pdeqi为第i回直流系统的等值直流功率；Zeqij为从各直流换流母线看进去的等值接电阻抗的第i行、第i列元素，Pdi为直流i的额定传输功率；Pdj为直流j的额定传输功率；
(2.4)、根据有效短路比评价同送同受特高压直流输电系统状态；
当有效短路比满足：MO-MIESCR<1.8，则判断同送同受特高压直流输电系统为极弱系统，此时电网电压支撑能力极弱，同送同受特高压直流输电系统此时无法稳定运行在额定状态，可以通过装设同步调相机来进行无功补偿，从而提升同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性；
当有效短路比满足：1.8<MO-MIESCR<2.5，则判断同送同受特高压直流输电系统为弱系统，此时电网电压支撑能力较弱，直流可稳定运行，但其最大可传输功率受同送同受特高压直流输电系统电压稳定性限制，可以通过装设同步调相机来进行无功补偿，从而提升同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性；
当有效短路比满足：MO-MIESCR>2.5，则判断同送同受特高压直流输电系统为强系统，此时电网电压支撑能力较强，直流可以稳定运行，其最大可传输功率受换流器工况限制。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明为一种同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性评估方法，确定送受端交流系统电压等级和各换流站间等效联系阻抗，在电磁暂态仿真软件中搭建同送同受特高压直流输电系统模型，利用多馈出和多馈入电压交互因子推导得到同送同受电压交互因子(MO-MIIF)，再由该因子推出同送同受系统有效短路比，通过有效短路比作为同送同受系统受端电压支撑能力的评判。这样通过有效可行的指标分析方法，保证了同受同受多回特高压直流输电系统电压稳定指标计算的可靠性，且方法简单快捷，同时也能为同送同受系统的实际运行和同步调相机的运行和研究提供参考。
附图说明
图1是本发明一种同送同受特高压直流受端电压稳定性关联指标评价方法流程图；
图2是同送同受系统在大电网中的结构示意图；
图3是本发明实施例中搭建的仿真模型拓扑示意图；
图4是本发明实施例中故障时刻相关电气量的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种同送同受特高压直流受端电压稳定性关联指标评价方法流程图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种同送同受特高压直流受端电压稳定性关联指标评价方法，包括以下步骤：
(1)、构建同送同受特高压直流输电系统的电磁暂态模型；
在本实施例中，图2为典型的双回同送同受特高压直流输电系统。同送同受特高压直流输电系统新格局在我国逐渐出现，送、受端直流落点电气联系日益紧密，交互作用更加显著，单一故障更容易被放大和传导至直流对端引发更严重的故障，甚至发展成为稳定破坏故障。因此，本发明针对同送同受系统提出受端电压稳定性指标评价方法，可以根据相应指标的分析制定相应提升电压稳定性方案。
以图3中的同送同受双回特高压直流输电系统为例进行说明，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建模型，该模型采用河南电网天中特高压直流工程和青豫特高压直流输电工程及近区交流电网的精细化运行参数等效简化而来。
模型中送受端换流站之间的电气耦合程度以等效阻抗的形式表示。SR1、SR2、SI1、SI2、SI3分别为交流系统整流侧和逆变侧的等效电源。ZR1、ZR2、ZI1、ZI2、ZI3分别为送受端交流系统的等效阻抗。ZR12、ZI12、ZI13分别为整流侧和逆变侧各交流系统换相母线之间的等效联系阻抗。ZR23是青豫直流逆变站采用分层接入时，高低换流站之间的等效联系阻抗。受端换流站馈入于河南500kv环网，送端馈出于西北电网750kv网架。
(1.1)、确定同送同受特高压直流输电系统的基本参数；
(1.1.1)、确定同送同受特高压直流输电系统的基本结构参数和基本运行参数，包括：送受端交流电网电压等级、送受端交流系统的等效阻抗、送受端换流站间的等效联系阻抗、整流侧触发角和逆变侧熄弧角，模型具体参数如表1所示；
表1
Figure BDA0002818408980000061
(1.1.2)、运行同送同受特高压直流输电系统，采集运行参数，包括：直流输电系统的短路容量Sac、直流传输功率Pdc、换流站滤波器、无功补偿装置的无功补偿容量Qc；
(1.2)、选取同送同受特高压直流输电系统中特高压直流输电的控制方式，其中，基本控制方式包括：定触发角控制、定电流控制、定熄弧角控制、定功率控制、定电压控制和定逆变角控制；
(2)、对同送同受特高压直流输电系统的电压稳定性关联分析；
(2.1)、在电磁暂态模型中，计算同送同受特高压直流输电系统的多馈出电压交互因子和多馈入电压交互因子；
多馈出电压交互因子的计算为：
Figure BDA0002818408980000062
多馈入电压交互因子的计算为：
Figure BDA0002818408980000063
其中，ΔUi和ΔUj分别表示直流线路i和j受到的电压扰动；Zii表示线路自身阻抗，Zji表示线路间的阻抗；
(2.2)、计算同送同受特高压直流输电系统的电压交互因子；
MO-MIIFji＝αMOVIFji+βMIIFji
其中，α和β为待确定参数，且满足α+β＝1；MO-MIIFji表示直流线路i和j电压交互因子；
在本实施例中，在青豫直流送端交流母线后并联一个电感，使其电压跌落约1％(ΔUj)，测量此时天中直流受端电压降ΔUi带入计算得，MOVIF21＝0.2485；
在天中直流送端交流母线后并联一个电感，使其电压跌落约1％(ΔUi)，测量此时天中直流受端电压降ΔUj带入计算得，MIVOF12＝0.2737；
在青豫直流受端交流母线后并联一个电感，使其电压跌落约1％(ΔUj)，测量此时天中直流受端电压降ΔUi带入计算得，MIIF21＝0.4937；
在天中直流受端交流母线后并联一个电感，使其电压跌落约1％(ΔUi)，测量此时天中直流受端电压降ΔUj带入计算得，MIIF12＝0.3717；
由于青豫直流受端分层接入的均为500KV环网且高低端换流站处的交流滤波器配置基本相同，所以此处仅以高端换流站为例进行分析，且忽略高低端换流站间的电气耦合。
保证MIIF21＝0.4937不变，逐步增大MOVIF21＝0.2485的值至同送同受系统送端电压失稳，记此时刻的MOVIF值为MOVIF21’＝0.6425；计算差值ΔMOVIF＝MOVIFji2-MOVIFji1＝0.394
保证MOVIF21＝0.2485不变，逐步增大MIIF21＝0.4937的值至同送同受系统受端电压失稳，记此时刻的MIIF21’值为MIIF21’＝0.6042；计算差值ΔMIIF＝MIIFji2-MIIFji1＝0.1105
令ΔMIIF/ΔMOVIF＝α/β
联立(3.2)中的α+β＝1即可通过计算得到α和β的值:α＝0.219；β＝0.781
即MO-MIIF21＝0.44；同理可计算得到，MO-MIIF12＝0.342；
(2.3)、计算同送同受特高压直流输电系统的有效短路比；
Figure BDA0002818408980000081
或
Figure BDA0002818408980000082
其中，Saci为第i回直流系统受端换流站交流母线处的短路容量；Qci为第i回直流系统逆变站的电容器，交流滤波器，无功补偿装置的无功补偿容量；Pdeqi为第i回直流系统的等值直流功率；Zeqij为从各直流换流母线看进去的等值接电阻抗的第i行、第i列元素，Pdi为直流i的额定传输功率；Pdj为直流j的额定传输功率；
(2.4)、根据有效短路比评价同送同受特高压直流输电系统状态；
当有效短路比满足：MO-MIESCR<1.8，则判断同送同受特高压直流输电系统为极弱系统，此时电网电压支撑能力极弱，同送同受特高压直流输电系统此时无法稳定运行在额定状态，可以通过装设同步调相机来进行无功补偿，从而提升同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性；
当有效短路比满足：1.8<MO-MIESCR<2.5，则判断同送同受特高压直流输电系统为弱系统，此时电网电压支撑能力较弱，直流可稳定运行，但其最大可传输功率受同送同受特高压直流输电系统电压稳定性限制，可以通过装设同步调相机来进行无功补偿，从而提升同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性；
当有效短路比满足：MO-MIESCR>2.5，则判断同送同受特高压直流输电系统为强系统，此时电网电压支撑能力较强，直流可以稳定运行，其最大可传输功率受换流器工况限制。
最后为验证该指标的准确性，分别选取不同的MO-MIESCR值，在PSCAD/EMTDC上运行系统，得到的情况如表2所示。
表2
Figure BDA0002818408980000083
Figure BDA0002818408980000091
本实施例中，天中直流同送同受有效短路比为4.815>2.5，为强交流系统；青豫直流仅考虑高端换流站时，同送同受有效短路比为2.3157<2.5,为弱交流系统。
根据同送同受系统受端电压支撑能力的强弱，制定不同的电压稳定性提升方案。
由式
Figure BDA0002818408980000092
可知，在不改变系统结构的情况下，选取适当的无功补偿装置能有效提高同送同受系统的有效短路比，可根据调整无功补偿装置的无功出力情况定量提升同送同受系统的受端电压支撑能力。
因此，MO-MIESCR<2.5，即同送同受系统受端为非强交流系统起电压支撑作用时，需考虑装设同步调相机起无功补偿作用来提升系统受端电压稳定性。
本实施例中，MO-MIESCR12＝2.3157<2.5，故在青豫直流受端驻马店换流站高端母线上装设同步调相机，其无功出力约为Qc＝350Mvar时，MO-MIESCR12提升至2.5。对比装设同步调相机前后进行的同送同受系统故障仿真测试对比，设置单相接地短路故障发生于0.8s的天中直流逆变侧交流母线，故障时间为0.05s，波形如图4所示，可以看出装设同步调相机用于提高MO-MIESCR12后，同送同受系统的故障恢复特性，抵抗换相失败的能力，电压恢复情况均有显著提升，验证了本发明的可靠性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、构建同送同受特高压直流输电系统的电磁暂态模型；
(1.1)、确定同送同受特高压直流输电系统的基本参数；
(1.1.1)、确定同送同受特高压直流输电系统的基本结构参数和基本运行参数，包括：送受端交流电网电压等级、送受端交流系统的等效阻抗、送受端换流站间的等效联系阻抗、整流侧触发角和逆变侧熄弧角；
(1.1.2)、运行同送同受特高压直流输电系统，采集运行参数，包括：直流输电系统的短路容量Sac、直流传输功率Pdc、换流站滤波器、无功补偿装置的无功补偿容量Qc；
(1.2)、选取同送同受特高压直流输电系统中特高压直流输电的控制方式，其中，基本控制方式包括：定触发角控制、定电流控制、定熄弧角控制、定功率控制、定电压控制和定逆变角控制；
(2)、对同送同受特高压直流输电系统的电压稳定性关联分析；
(2.1)、在电磁暂态模型中，计算同送同受特高压直流输电系统的多馈出电压交互因子和多馈入电压交互因子；
多馈出电压交互因子的计算为：
Figure FDA0003705313970000011
多馈入电压交互因子的计算为：
Figure FDA0003705313970000012
其中，ΔUi和ΔUj分别表示直流线路i和j受到的电压扰动；Zii表示线路自身阻抗，Zji表示线路间的阻抗；
(2.2)、计算同送同受特高压直流输电系统的电压交互因子；
MO-MIIFji＝αMOVIFji+βMIIFji
其中，α和β为待确定参数，且满足α+β＝1；MO-MIIFji表示直流线路i和j电压交互因子；
(2.3)、计算同送同受特高压直流输电系统的有效短路比；
Figure FDA0003705313970000013
其中，Saci为第i回直流系统受端换流站交流母线处的短路容量；Qci为第i回直流系统逆变站的电容器，交流滤波器，无功补偿装置的无功补偿容量；Pdi为直流i的额定传输功率；Pdj为直流j的额定传输功率；
(2.4)、根据有效短路比评价同送同受特高压直流输电系统状态；
当有效短路比满足：MO-MIESCR＜1.8，则判断同送同受特高压直流输电系统为极弱系统，此时电网电压支撑能力极弱，同送同受特高压直流输电系统此时无法稳定运行在额定状态，可以通过装设同步调相机来进行无功补偿，从而提升同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性；
当有效短路比满足：1.8＜MO-MIESCR＜2.5，则判断同送同受特高压直流输电系统为弱系统，此时电网电压支撑能力较弱，直流可稳定运行，但其最大可传输功率受同送同受特高压直流输电系统电压稳定性限制，可以通过装设同步调相机来进行无功补偿，从而提升同送同受特高压直流输电系统受端电压稳定性；
当有效短路比满足：MO-MIESCR＞2.5，则判断同送同受特高压直流输电系统为强系统，此时电网电压支撑能力较强，直流可以稳定运行，其最大可传输功率受换流器工况限制；
其中，所述待确定参数α和β的确定方法为：
1)、根据电磁暂态模型，确定同送同受特高压直流输电系统的多馈出电压交互因子和多馈入电压交互因子的初值，记为MIIFji1和MOVIFji1；
2)、保证MIIFji1不变，逐步增大MOVIFji1的值至同送同受系统送端电压失稳，记此时刻的MOVIF值为MOVIFji2；计算差值ΔMOVIF＝MOVIFji2-MOVIFji1；
3)、保证MOVIFji1不变，逐步增大MIIFji1的值至同送同受系统受端电压失稳，记此时刻的MIIF值为MIIFji2；计算差值ΔMIIF＝MIIFji2-MIIFji1；
4)、令ΔMIIF/ΔMOVIF＝α/β且α+β＝1，从而计算得到α和β的值。
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