CN112952887B - 一种送端电网直流承载能力评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种送端电网直流承载能力评估方法及系统，方法包括建立频率变化率模型、极值时间模型和频率变化率等效模型；根据极值时间模型和频率变化率等效模型得到爬坡系数模型；对爬坡系数模型进行变换，得到频率极值模型，进而得到送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率；根据承载功率对送端电网的直流承载能力进行评估。建立紧急功率支援量模型和最大承载功率模型；根据最大承载功率模型计算得到最大承载功率，进而对送端电网的最大直流承载能力进行评估。系统包括数据接收模块、模型管理模块、功率计算模块和数据输出模块。本发明可保证送端电网在密集型大容量直流馈出场景下安全稳定运行，有利于送端电网直流馈出能力进一步提升。

Description

一种送端电网直流承载能力评估方法及系统
技术领域
本发明涉及送端电网直流承载能力评估技术领域，具体涉及一种送端电网直流承载能力评估方法及系统。
背景技术
近年来，随着我国电力行业对可再生能源的开发加快，由西部地区风、光、水等清洁能源基地向中东部负荷中心超远距离输送电力的需求逐步增加，更多大容量特高压直流输电工程被规划和建设。在大容量特高压直流密集馈入/馈出场景下，送/受端电网可基于直流输电能力实现大范围资源优化配置，并基于多回直流异步互联缓解部分电网由“强直弱交”输电特征所造成大电网间的功角稳定问题。
然而，随着大功率电力电子设备额定容量上升，及跨区送电需求增加，特高压直流单回容量大幅提升。当该大容量直流出现双极闭锁故障时，送端电网可在短时内出现巨量有功盈余，导致网内频率急剧升高，甚至触发第三道防线“高频切机”动作。可见，密集型大容量直流馈出场景下送端电网在面临严重的高频稳定问题挑战的同时，也将制约送端电网直流馈出能力进一步提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：密集型大容量直流馈出影响送端电网的高频稳定性，目的在于提供一种送端电网直流承载能力评估方法及系统，解决送端电网在密集型大容量直流馈出场景下安全稳定运行的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种送端电网直流承载能力评估方法，包括以下步骤：
步骤1：分析直流双极闭锁条件下送端电网频率随时间的变化规律，得到送端电网的频率变化率；
步骤2：分析送端电网频率从频率初始值上升到频率极值所需的时间，得到送端电网的频率极值时间；
步骤3：对所述频率变化率进行预处理和平衡量补偿，得到频率变化率等效；
步骤4：将所述等效频率变化率和所述频率极值时间结合，得到爬坡系数；
步骤5：对所述爬坡系数进行处理得到送端电网的频率极值；
步骤6：根据所述频率极值对送端电网直流承载能力进行评估。
本发明一种送端电网直流承载能力评估方法，关键在于：基于系统摇摆方程，建立了系统惯量、同步机调频能力、负荷阻尼特性等因素对送端电网直流双极闭锁故障后系统暂态频率极值的影响；基于送端电网频率稳定约束，构建了无紧急功率支援场景下送端电网的单回直流承载能力评估方法；能够实现在密集型大容量直流馈出场景下对送端电网的直流承载能力进行量化评估，从而保证送端电网的安全稳定运行。
作为对本发明的进一步描述，当不存在直流紧急功率支援时，所述步骤6所述对送端电网直流承载能力进行评估的方法为：
利用所述频率极值构造送端电网的直流承载量评估模型；
利用所述直流承载量评估模型得到送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率；
根据所述承载功率对送端电网在无紧急功率支援场景下的直流承载能力进行评估。
作为对本发明的进一步描述，在无紧急功率支援场景下送端电网直流承载能力评估方法的基础上，进一步建立送端电网在紧急功率支援条件下的最大直流承载能力评估方法，通过以下方法实现：
引入紧急功率支援场景下的紧急功率支援量和稳控切机功率，所述紧急功率支援量表示除本直流线路以外的其余直流线路可提供的有功功率支援总量；
根据所述直流承载量评估模型、所述紧急功率支援量和所述稳控切机功率，构造最大直流承载量评估模型；
利用所述最大直流承载量评估模型得到送端电网在有紧急功率支援场景下的最大承载功率；
根据所述最大承载功率对送端电网在有紧急功率支援场景下的直流承载能力进行评估。
作为对本发明的进一步描述，步骤3中，对所述频率变化率进行预处理方法为：
将频率初始值对应的时间记为零，将频率上升至频率极值时对应的时间记为频率极值时间；
从零到频率极值时间，对所述频率变化率积分，得到频率变化率在零到所述极值时间范围内的积分表达式。
作为对本发明的进一步描述，平衡量补偿的具体方法为：引入平衡补偿量，将所述平衡补偿量代入所述积分表达式中，等号两边同时积分，得到等效频率变化率。
作为对本发明的进一步描述，爬坡系数的获取方法为：
引入调速时间，所述调速时间表示送端电网频率从频率初始值上升至同步机调速器平均调速死区所需的时间；
利用所述调速时间和所述频率极值时间对所述等效频率变化率进行处理，得到爬坡系数。
引入调速时间，所述调速时间表示送端电网频率从频率初始值上升至同步机调速器平均调速死区所需的时间；
利用所述调速时间和所述频率极值时间对所述等效频率变化率进行处理，得到爬坡系数。
一种送端电网直流承载能力评估系统，其特征在于，包括：
数据接收模块：用于接受并存储输入的多个参数和多个模型；
模型管理模块：用于对输入的多个模型进行模型变换，得到多个目标模型，并将所述多个目标模型暂存，共后续模型变换时调用；
功率计算模块：用于根据输入数据计算送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率，以及送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率；
数据输出模块：用于显示并输出送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率值和送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率值。
作为对本发明的进一步描述，其中，数据接收模块包括：
参数存储单元，用于存储输入的多个参数，包括系统频率、事故后的电网惯量、同步机组机械功率、同步机组电磁功率、负荷阻尼因子具、有频率阻尼特性的负荷大小、等效调频死区、转动惯量和额定运行频率；
模型存储单元，用于存储输入的多个模型，包括：频率变化率模型、极值时间模型和紧急功率支援量模型。
作为对本发明的进一步描述，其中，模型管理模块包括：
频率变化率等效模型变换单元，用于对频率变化率模型进行模型变换，得到频率变化率等效模型，并将所述频率变换率等效模型暂存；
爬坡系数模型获取单元，用于将极值时间模型代入频率变化率等效模型，得到爬坡系数模型，并将所述爬坡系数模型暂存；
爬坡系数模型变换单元，用于对爬坡系数模型进行模型变换，得到频率极值模型，并将所述频率极值模型暂存；
承载功率模型获取单元，用于根据频率极值模型变换得到承载功率模型；
最大承载功率模型获取单元，用于根据急功率支援量模型和承载功率模型建立最大承载功率模型。
作为对本发明的进一步描述，其中，功率计算模块包括：
承载功率计算单元，用于计算送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率；
最大承载功率计算单元，用于计算送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种送端电网直流承载能力评估方法及系统，能够对紧急功率支援场景下送端电网的直流承载能力进行有效评估；
2、本发明一种送端电网直流承载能力评估方法及系统，能够对紧急功率支援条件下送端电网的直流承载能力进行有效评估；
3、本发明一种送端电网直流承载能力评估方法及系统，有利于送端电网在密集型大容量直流馈出场景下安全稳定运行；
4、本发明一种送端电网直流承载能力评估方法及系统，能够为进一步提升送端电网直流馈出能力提供数据参考。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为实施例1的一种送端电网直流承载能力评估方法的方法流程图。
图2为实施例1的8回大容量特/超高压直流线路运行情况示意图。
图3为实施例1的闭锁容量为8000MW下直流线路2的双极闭锁下频率曲线变化图。
图4为实施例1的频率偏差与直流2线路承载容量关系曲线图。
图5为实施例1的在无紧急功率支援场景下的11741MW直流2线路双极闭锁频率曲线图。
图6为实施例1的在有紧急功率支援场景下的15901MW直流2线路双极闭锁频率曲线图。
图7为实施例1直流参与紧急功率支援动作时直流3、4、5、7线路的运行功率曲线图。
图8为实施例2的一种送端电网直流承载能力评估系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
实施例1一种送端电网直流承载能力评估方法，如图1所示为本实施例一种送端电网直流承载能力评估方法流程图。包括以下步骤：
步骤1：分析直流双极闭锁条件下送端电网频率随时间的变化规律，得到送端电网的频率变化率。该频率变换的表达式为：
Figure BDA0002936345760000041
其中，RoCoF表示频率变化率；f(t)为系统频率；Hsys表示事故后电网惯量；f0表示电网基准频率；pmech(t)表示同步机组机械功率；pelec(t)表示电磁功率；
Figure BDA0002936345760000051
表示负荷阻尼因子；Psload表示具有频率阻尼特性的负荷大小。
步骤2：分析送端电网频率从频率初始值上升到频率极值所需的时间，得到送端电网的频率极值时间。该频率极值时间的表达式为
Figure BDA0002936345760000052
其中，textre表示送端电网频率从频率初始值到达频率极值所需的时间，ttamp表示一次调频备用完全释放所需的时间；tdb表示系统频率上升至同步机调速器平均调速死区fdb所需的时间；Pfault表示电网内的有功故障量；Gsys表示送端电网同步电源等效爬坡系数。
步骤3：对所述频率变化率进行预处理和平衡量补偿，得到等效频率变化率。包括以下步骤：
对频率变化率的等号两边的表达式从零到textre进行定积分，并作等价变换，得到频率变化率在零到极值时间范围内的积分表达式为：
Figure BDA0002936345760000053
引入爬坡系数Gsys，将爬坡系数Gsys代入上述积分表达式中，计算定积分结果得到等效频率变化率，其表达式为：
Figure BDA0002936345760000054
其中，fextre表示送端电网频率极值。
步骤4：建立送端电网频率上升至同步机调速器平均调速死区fdb所需时间tdb的表达式。
tdb的表达式为：
Figure BDA0002936345760000055
步骤5：将textre的表达式和tdb的表达式代入等效频率变化率表达式中，并作等价变换得到送端电网同步电源等效爬坡系数Gsys的表达式为：
Figure BDA0002936345760000061
以网内同步机组的等效调频死区fdb为0.0345Hz；转动惯量Hsys为876324.3MWs，额定运行频率f0为50Hz；拥有500kV交流线路353回，1000kV特高压交流线路9回，且拥有如图2所示的8回大容量特/超高压直流线路与外部四个同步电网实现异步运行为背景条件。负荷方面，电网有功总负荷为95066.1MW，负荷成分为60％恒阻抗以及40％恒功率负荷，其中，恒阻抗负荷的频率阻尼因子KL＝0。电源方面，机组容量总和为157.5GW，其中，水电机组容量为143.4GW，火电机组容量为14.1GW，清洁能源占比91.03％。
选择图2中的直流线路2作为直流承载能力研究对象，设定运行至5周波时该直流2发生双极闭锁故障，闭锁容量为8000MW，且无直流紧急功率支援和稳控切机措施加入，得到直流闭锁后的频率极值fextre为50.46Hz，频率曲线变化情况如图3所示。
随后，将上述数据分别代入textre的表达式和tdb的表达式进行计算，并将textre的计算结果和tdb、计算结果和上述数据代入送端电网同步电源等效爬坡系数Gsys的表达式中，得到：
Gsys＝50(8000-57040×0.46/50×1.8)×(16000-57040×0.0345/50×1.8)/(8×876324.3×0.4255)＝1886.1MW/s。
步骤6：对爬坡系数Gsys的模型表达式进行变换，得到频率极值fextre的表达式为：
Figure BDA0002936345760000062
步骤7：根据频率极值fextre的表达式建立送端电网的承载功率模型的表达式，
Figure BDA0002936345760000063
步骤8：利用上述承载功率模型计算得到送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率。
将步骤5得到的Gsys模型表达式的值1886.1MW/s代入fextre的表达式中进行计算得到送端电网的承载功率
Figure BDA0002936345760000064
请参照图4。
步骤9：根据所述承载功率对送端电网的直流承载能力进行评估。
为验证在无紧急功率支援场景下单回直流承载能力评估结果的准确性，将直流线路2的额定运行功率升高至11741MW，并在该直流额定容量进行双极闭锁仿真测试。得到实际仿真结果为50.82Hz，结果请参照见图5。与约束频率极值相差0.02Hz，预测精度为97.5％，根据预测精度结果可得出该评估方法在电网无紧急功率支援场景下的具有很高的可行性。
在上述无紧急功率支援情况下的送端电网直流承载能力评估方的基础上，按照以下步骤对在有紧急功率支援的情况下送端电网的直流承载能力作进一步研究：
步骤10：建立紧急功率支援场景下的紧急功率支援量。该紧急功率支援量表示除本直流线路以外的其余直流线路可提供的有功功率支援总量，其表达式为：
Figure BDA0002936345760000071
步骤11：引入稳控切机功率，并根据所述紧急功率支援量和所述承载功率，建立送端电网的最大承载功率模型，其表达式为：
Figure BDA0002936345760000072
步骤12：根据所示最大承载功率模型计算得到送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率。
选取直流线路3、直流线路4、直流线路5和直流7四条与其干涉较强的特高压直流作为紧急功率支援备用，共可提供有功上调备用2160MW。针对直流线路2，设定其具备可快速切除两台1000MW机组的能力，以作为2000MW的稳控切机策略。将上述直流线路3、直流线路4、直流线路5和直流7的额定电容，稳控切机功率代入最大承载功率表达式进行计算，求得在稳控切机和直流紧急功率支援的协同下，送端电容的最大承载功率为15901MW。
步骤13：根据所示最大承载功率对送端电网在紧急功率支援条件下的最大直流承载能力进行评估。
为验证在无紧急功率支援场景下，单回直流承载能力评估结果的准确性，将直流线路2的额定运行功率升高至11741MW，并在11741MW直流额定容量的场景下进行双极闭锁仿真测试。根据图6可知，在2000MW稳控切机和2160MW直流紧急功率支援的协同下，送端电网的频率极值为50.76Hz与预测结果相差0.04Hz，预测精度达到95％。根据该预测精度结果可知，该评估方法在紧急功率支援场景协调下的可行性依然很高。
图7为4条正常运行直流在参与功率支援时得有功出力曲线，可见由于电网此时在大扰动场景下电压和频率的振荡特性较强，使得直流支援效果不稳定，但仍可有效提升自身有功送出能力，并未对回该直流极限承载能力得评估结果造成巨大偏差。
实施例2：
一种送端电网直流承载能力评估系统，如图8所示，包括：
数据接收模块：用于接受并存储输入的多个参数和多个模型；
模型管理模块：用于对输入的多个模型进行模型变换，得到多个目标模型，并将所述多个目标模型暂存，共后续模型变换时调用；
功率计算模块：用于根据输入数据计算送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率，以及送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率；
数据输出模块：用于显示并输出送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率值和送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率值。
其中，
数据接收模块包括：
参数存储单元，用于存储输入的多个参数，包括系统频率、事故后的电网惯量、同步机组机械功率、同步机组电磁功率、负荷阻尼因子具、有频率阻尼特性的负荷大小、等效调频死区、转动惯量和额定运行频率；
模型存储单元，用于存储输入的多个模型，包括：频率变化率模型、极值时间模型和紧急功率支援量模型。
模型管理模块包括：
频率变化率等效模型变换单元，用于对频率变化率模型进行模型变换，得到频率变化率等效模型，并将所述频率变换率等效模型暂存；
爬坡系数模型获取单元，用于将极值时间模型代入频率变化率等效模型，得到爬坡系数模型，并将所述爬坡系数模型暂存；
爬坡系数模型变换单元，用于对爬坡系数模型进行模型变换，得到频率极值模型，并将所述频率极值模型暂存；
承载功率模型获取单元，用于根据频率极值模型变换得到承载功率模型；
最大承载功率模型获取单元，用于根据急功率支援量模型和承载功率模型建立最大承载功率模型。
功率计算模块包括：
承载功率计算单元，用于计算送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率；
最大承载功率计算单元，用于计算送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种送端电网直流承载能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：分析直流双极闭锁条件下送端电网频率随时间的变化规律，得到送端电网的频率变化率；频率变换的表达式为：
；其中，表示频率变化率；为系统频率；表示事故后电网惯量；表示电网基准频率；表示同步机组机械功率；表示电磁功率；表示负荷阻尼因子；表示具有频率阻尼特性的负荷大小；
步骤2：分析送端电网频率从频率初始值上升到频率极值所需的时间，得到送端电网的频率极值时间；
步骤3：对所述频率变化率进行预处理和平衡量补偿，得到等效频率变化率；
包括以下步骤：
对频率变化率的等号两边的表达式从零到进行定积分，并作等价变换，得到频率变化率在零到极值时间范围内的积分表达式为：
引入爬坡系数，将爬坡系数代入上述积分表达式中，计算定积分结果得到等效频率变化率，其表达式为：
 其中，表示送端电网频率极值，表示送端电网频率从频率初始值到达频率极值所需的时间，表示电网内的有功故障量，表示系统频率上升至同步机调速器平均调速死区所需的时间；
步骤4：将所述等效频率变化率和所述频率极值时间结合，得到爬坡系数；
步骤5：对所述爬坡系数进行处理得到送端电网的频率极值；
步骤6：根据所述频率极值对送端电网直流承载能力进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种送端电网直流承载能力评估方法，其特征在于，当不存在直流紧急功率支援时，所述步骤6所述对送端电网直流承载能力进行评估的方法为：
步骤6.1.1：利用所述频率极值构造送端电网的直流承载量评估模型；
步骤6.1.2：利用所述直流承载量评估模型得到送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率；
步骤6.1.3：根据所述承载功率对送端电网在无紧急功率支援场景下的直流承载能力进行评估。
3.根据权利要求2所述的一种送端电网直流承载能力评估方法，其特征在于，当存在直流紧急功率支援时，所述步骤6所述对送端电网直流承载能力进行评估的方法为：
步骤6.2.1：引入紧急功率支援场景下的紧急功率支援量和稳控切机功率，所述紧急功率支援量表示除本直流线路以外的其余直流线路可提供的有功功率支援总量；
步骤6.2.2：根据所述直流承载量评估模型、所述紧急功率支援量和所述稳控切机功率，构造最大直流承载量评估模型；
步骤6.2.3：利用所述最大直流承载量评估模型得到送端电网在有紧急功率支援场景下的最大承载功率；
步骤6.2.4：根据所述最大承载功率对送端电网在有紧急功率支援场景下的直流承载能力进行评估。
4.根据权利要求1所述的一种送端电网直流承载能力评估方法，其特征在于，对所述频率变化率进行预处理方法为：
步骤3.1：将频率初始值对应的时间记为零，将频率上升至频率极值时对应的时间记为频率极值时间；
步骤3.2：从零到频率极值时间，对所述频率变化率积分，得到频率变化率在零到所述极值时间范围内的积分表达式。
5.根据权利要求4所述的一种送端电网直流承载能力评估方法，其特征在于，所述平衡量补偿的具体方法为：引入平衡补偿量，将所述平衡补偿量代入所述积分表达式中，等号两边同时积分，得到等效频率变化率。
6.根据权利要求1所述的一种送端电网直流承载能力评估方法，其特征在于，所述爬坡系数的获取方法为：
步骤4.1：引入调速时间，所述调速时间表示送端电网频率从频率初始值上升至同步机调速器平均调速死区所需的时间；
步骤4.2：利用所述调速时间和所述频率极值时间对所述等效频率变化率进行处理，得到爬坡系数。
7.一种送端电网直流承载能力评估系统，其特征在于，包括：
数据接收模块：用于接受并存储输入的多个参数和多个模型；
模型管理模块：用于对输入的多个模型进行模型变换，得到多个目标模型，并将所述多个目标模型暂存，共后续模型变换时调用；
功率计算模块：用于根据输入数据计算送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率，以及送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率；
数据输出模块：用于显示并输出送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率值和送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率值；
所述模型管理模块包括：
频率变化率等效模型变换单元，用于对频率变化率模型进行模型变换，得到频率变化率等效模型，并将所述频率变化率等效模型暂存；
爬坡系数模型获取单元，用于将极值时间模型代入频率变化率等效模型，得到爬坡系数模型，并将所述爬坡系数模型暂存；
爬坡系数模型变换单元，用于对爬坡系数模型进行模型变换，得到频率极值模型，并将所述频率极值模型暂存；
承载功率模型获取单元，用于根据频率极值模型变换得到承载功率模型；
最大承载功率模型获取单元，用于根据急功率支援量模型和承载功率模型建立最大承载功率模型。
8.根据权利要求7所述的一种送端电网直流承载能力评估系统，其特征在于，所述数据接收模块包括：
参数存储单元，用于存储输入的多个参数，包括系统频率、事故后的电网惯量、同步机组机械功率、同步机组电磁功率、负荷阻尼因子具、有频率阻尼特性的负荷大小、等效调频死区、转动惯量和额定运行频率；
模型存储单元，用于存储输入的多个模型，包括：频率变化率模型、极值时间模型和紧急功率支援量模型。
9.根据权利要求7所述的一种送端电网直流承载能力评估系统，其特征在于，所述功率计算模块包括：
承载功率计算单元，用于计算送端电网在无紧急功率支援场景下的承载功率；
最大承载功率计算单元，用于计算送端电网在紧急功率支援条件下的最大承载功率。
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