CN115912384B - 改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法，包括以下步骤：建立受端系统的电力系统拓扑模型；根据受端系统的电力系统拓扑模型进行仿真计算，得到新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系；根据受端系统的电力系统拓扑模型和潮流计算模型，计算得到受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型，和受端系统的负荷节点电压稳定模型；定义负荷变化和新能源渗透率双重影响下的受端系统的薄弱节点集合；确定受端系统在场景下对应的薄弱节点，并在薄弱节点加装静止无功发生器。本发明能够有效保持特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定。

Description

改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法

技术领域

本发明属于电力系统电网技术领域，具体涉及一种改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法。

背景技术

随着“双碳”背景以及新型电力系统建设的逐渐推进，新能源基地逐渐覆盖全国，东部负荷密集型地区也将逐步退出常规火电，建设百万千瓦级新能源基地替代常规火电，新能源大量接入导致系统运行特性和稳定机理发生显著变化，传统交流电网依赖于同步发电机的物理特性保持稳定运行，一个区域内的同步发电机组的转子通过电网机电耦合，保持同步旋转。但高比例新能源替代传统火电机组后，系统需要引入大量电力电子装置，这些电力电子装置的惯性低，抗扰动能力差。对传统电网电压特性的影响体现在两方面，一是电网电压稳定性问题；二是直流故障后的暂态过电压引发的新能源脱网问题。

此外，东部地区负荷密度大，特高压系统西电东送传输大量电力，电压问题一直以来与负荷端密切相关，东部受端系统更容易发生电压稳定性问题。直流系统发生多种类型故障如单级闭锁、双级闭锁、直流线路故障重启动、直流换相失败时，将会导致直流系统出现较长时间或者瞬时功率受阻，受端过剩的无功支撑导致传到受端系统内部，导致系统电压升高，由于受端系统中新能源占比过高且传统火电退出运行，进而加重新能源机端电压超过允许值，造成大面积新能源脱网事故，进而可能出现停电事故。

因此，目前亟需寻求改善含高比例新能源和特高压交直流输电系统受端电压稳定问题的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法，能够有效保持特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定。

本发明采用的技术方案是：一种改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法，包括以下步骤：

建立受端系统的电力系统拓扑模型，并计算出受端系统导纳矩阵作为潮流计算模型；

根据受端系统的电力系统拓扑模型进行仿真计算，得到新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系；

根据受端系统的电力系统拓扑模型和潮流计算模型，计算得到受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型，和受端系统的负荷节点电压稳定模型；

根据新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系、发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型，和负荷节点电压稳定模型，定义负荷变化和新能源渗透率双重影响下的受端系统的薄弱节点集合；

基于薄弱节点集合，确定受端系统在当前的新能源渗透率和特高压直流的故障场景下对应的薄弱节点，并在薄弱节点设置静止无功发生器；将静止无功发生器的电压设置为上一时刻潮流计算模型计算得到的相应节点的电压；

根据潮流计算模型计算得到受端系统当前时刻所有节点电压。

上述技术方案中，建立受端系统的电力系统拓扑模型的过程包括：搜集受端系统含地理信息的火电、风电、光伏基本参数信息，线路的长度和阻抗、电力变压器、并串连电容器静止元件所构成的总体，区域负荷信息及电力电子设备模型参数、特高压交直流线路阻抗以及电力电子原件参数，进而建立受端系统以风电、光伏、火电、负荷以及特高压交直流元件的电力系统拓扑模型。

上述技术方案中，根据受端系统的电力系统拓扑模型进行仿真计算的过程包括:针对受端系统特定的电力系统拓扑模型，计算受端系统内部新能源渗透率λ时，运行特高压直流的故障集X，通过电力系统仿真软件进行仿真计算，寻找特高压直流的最大受端传输能力P_Dmax；通过拟合输入集合(λ，X)以及输出集合最大受端传输能力P_Dmax，得到新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系。

上述技术方案中，新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系如下式：

P_Dmax＝F(λ，X)

其中F(λ，X)为拟合得到的函数关系式，P_Dmax表示直流节点的有功功率最大值矩阵，p_Dimax表示直流节点Di的传输最大功率，系统直流节点共Dt个，p_ni表示新能源厂站ni的有功出力，p_nmax表示新能源厂站ni的最大有功出力值，新能源厂站节点共有nm个，λ为受端系统的新能源渗透率矩阵，λ_i表示新能源厂站ni的渗透率，取值为0～1；X表示直流相关故障集合。

上述技术方案中，计算受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型的过程包括：基于受端系统发电机节点无功对负荷节点无功增长的灵敏度矩阵，计算得到发电机节点对负荷节点的无功备用的原始权重矩阵；根据受端系统电源的有功出力建立修正系数，通过修正系数修正原始权重矩阵，得到受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型。

上述技术方案中，受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型的如下式：

其中，表示修正后的发电机节点对负荷节点的无功备用的权重；q_i为第i个发电机节点的无功出力值；max(Q_j)表示发电机节点无功对负荷节点无功增长的灵敏度矩阵中对负荷节点j的子矩阵中的最大值；s(p_i)表示发电机节点i的有功出力修正函数值，p_i为发电机i的有功出力值，max(p_i)为发电机i的最大有功出力值。

上述技术方案中，计算受端系统的负荷节点电压稳定模型的过程包括：基于潮流计算模型计算得到负荷节点的负荷阻抗和戴维南等值阻抗，进而通过求取负荷节点的阻抗模裕度，用于评估负荷节点电压的稳定水平。

上述技术方案中，所述负荷节点电压稳定模型如下式：

其中，μ_j为负荷节点j的阻抗模裕度；Z_jLD表示负荷节点j的负荷阻抗；Z_jrHEV表示受端系统对负荷节点i的戴维南等值阻抗；μ_j＝1表明节点稳定性强；μ_j＝0表明节点在电压稳定临界点。

上述技术方案中，负荷变化和新能源渗透率双重影响下的受端系统的薄弱节点集合如下式：

U_LDweak＝{j|μ_j＝0，j∈(1，2，...，l)}

U_∑weak(λ，P_Dmax)＝{i，j|U_LDweak∪U_GEweak，s.t.P_Dmax＝F(λ，X)}

式中U_LDweak表示负荷节点中电压薄弱的节点；j∈(1，2，...，l)为负荷节点的总集合；U_GEweak表示发电机节点中电压薄弱的节点；为矩阵/>的最大值，α为判定发电机节点为薄弱节点的参数，i∈(1，2，...，g)为发电机节点的总集合；U_∑weak(λ，P_Dmax)表示在新能源渗透率为λ且直流最大传输功率P_Dmax下系统的薄弱节点集合。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法，考虑特高压直流的受端系统中含高比例新能源接入后的电压稳定问题，建立受端系统以风电、光伏、火电、负荷以及特高压厂站的多种渗透率下的电力系统拓扑模型，结合风电、光伏、火电发电设备的功率-电压曲线，建立受端系统静态电压稳定裕度，针对特高压直流故障状况进行分类创建直流新能源故障场景，对于相应故障场景下的电力系统电压薄弱点，进行功率输出控制电压，从而提升特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法。

进一步的，本发明以风电、光伏、火电、负荷以及特高压交直流元件的电力系统拓扑模型，并计算出受端系统导纳矩阵Y用于系统潮流计算，有效反映本发明的应用场景的实际情况，提高本发明方法的准确性。

进一步的，本发明基于电网拓扑结构通过仿真软件获取新能源渗透率、故障与特高压直流传输能力之间的函数关系，为后续计算不同场景下的薄弱节点提供有效的数据支撑，进一步保证本发明方法的有效性。

进一步的，本发明以发电机节点无功备用的权重的评估发电机节点的薄弱程度，以负荷节点的阻抗模裕度评估负荷节点的程度，便于计算的同时保证了评估结果的有效性。

进一步的，本发明在渗透率最大直流传输功率的基础上找到受端系统当前场景下的薄弱点，使得提出的电压稳定方法能够有效满足于系统的当前需求，进一步提高系统的稳定性。

进一步的，本发明通过在薄弱节点装设无功补偿装置SVG无功补偿装置，保障薄弱节点的电压稳定，把薄弱节点设置成了PV节点，使得受端系统就能正常求解，不会失稳。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法，包括以下步骤：

建立受端系统的电力系统拓扑模型，并计算出受端系统导纳矩阵作为潮流计算模型；

根据受端系统的电力系统拓扑模型进行仿真计算，得到新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系；

根据受端系统的电力系统拓扑模型和潮流计算模型，计算得到受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型，和受端系统的负荷节点电压稳定模型；

根据新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系、发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型，和负荷节点电压稳定模型，定义负荷变化和新能源渗透率双重影响下的受端系统的薄弱节点集合；

基于薄弱节点集合，确定受端系统在当前的新能源渗透率和特高压直流的故障场景下对应的薄弱节点，并在薄弱节点加装静止无功发生器；将静止无功发生器的电压设置为上一时刻潮流计算模型计算得到的相应节点的电压；

根据潮流计算模型计算得到受端系统当前时刻所有节点电压。下面结合具体实施例详细说明本发明的方法步骤：

第一步，搜集受端电力系统含地理信息的火电、风电、光伏基本参数信息，线路的长度和阻抗、电力变压器、并(串)连电容器等静止元件所构成的总体，区域负荷信息及电力电子设备模型参数，特高压交直流线路阻抗以及电力电子原件参数。

根据上述信息，构建受端系统的电力系统拓扑网络结构，并计算系统节点导纳矩阵Y，根据基尔霍夫第一定律，建立电力系统基本公式：

I＝YV (1)

Y_ij＝G_ij+jB_ij (4)

其中公式(1)是节点方程式表示节点电流I与节点电压V之间的关系,Y为节点导纳矩阵；公式(2)是公式(1)的展开形式，和/>分别为节点i的注入电流及节点j的电压，Y_ij为导纳矩阵元素，n为系统节点数量；公式(3)表示节点功率和电流之间的关系，P_i和Q_i分别为节点i向线性网络注入的有功功率和无功功率，当i为负荷节点时，P_i和Q_i应带负号，/>为节点i电压向量的共轭值；公式(4)将导纳矩阵中元素表示为电导和电纳，G_ij和B_ij分别表示为电导和电纳；公式(5)将电压向量表示为极坐标的形式，V_i和θ_i分别表示节点i电压向量的幅值和角度。该处的i,j没有特别指代是发电机还是负荷节点,，用于表示任意节点。

根据上述公式(1)-(5)，可以得到潮流计算公式：

其中公式(6)中P、Q、V、θ的矩阵元素分别为P_i、Q_i、V_i、θ_i，这些变量为运行参数，n个节点共有4n个运行参数，为在电力系统潮流计算中，对每个节点给出两个运行参数作为已知条件，另外两个作为待求量。

PQ节点给出的参数是该点的有功功率和无功功率(P,Q)，待求量为该店的电压向量(V,θ)；PV节点给出的参数是该点的有功功率P和电压幅值V，待求量为无功功率Q和电压向量的角度θ；平衡节点一般设置一个，对于该节点给定电压幅值V和电压向量的角度θ，待求量为有功功率P和无功功率Q。公式(7)为公式(6)的矩阵形式，P表示受端网络的所有节点的有功功率，Q表示受端网络的所有节点的无功功率，Y表示受端系统的拓扑导纳矩阵，H(Y)表示系统的拓扑结构，V表示受端系统的节点电压，θ表示受端系统的节点电压的角度。

第二步，针对第一步建立的受端系统特定的电网拓扑结构，通过电力系统仿真软件进行仿真计算，计算受端系统内部新能源渗透率λ时，运行特高压直流的故障集X(单级闭锁、双级闭锁、直流三次换相失败等)，相应的特高压直流的最大受端传输能力。通过拟合输入集合(λ,X)以及输出集合最大受端传输能力P_Dmax，建立新能源渗透率、特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系；

P_Dmax＝F(λ,X)

其中F(λ,X)为拟合得到的函数关系式，P_Dmax表示直流节点的有功功率最大值矩阵,p_Dimax表示直流节点Di的传输最大功率，系统直流节点共Dt个,p_ni表示新能源厂站ni的有功出力，p_nmax表示新能源厂站ni的最大有功出力值，新能源厂站节点共有nm个，λ为受端系统的新能源渗透率矩阵，λ_i表示新能源厂站ni的渗透率，取值为0～1。X表示直流相关常规故障集合。

第三步，计算受端系统电源无功功率波动对负荷节点无功增长的灵敏度作为发电机无功储备的原始权重，并根据受端系统电源的有功出力建立修正系数，对受端系统无功功率的灵敏度矩阵进行修正，建立受端系统无功功率对受端系统负荷节点的模型，

Q_j＝[q_1j… q_ij… q_gj]

并选择阻抗模裕度指标来评估负荷节点电压的稳定水平，建立受端系统负荷节点电压稳定模型：

其中α_ij为发电机节点i对负荷节点j的无功备用的权重，其中发电机节点有g个，负荷节点有l个；Q为发电机节点对负荷节点的灵敏度矩阵，Q_j为发电机节点无功对负荷节点无功增长的灵敏度矩阵中对负荷节点j的子矩阵；q_ij为第i个发电机节点的无功出力对于负荷节点j无功扰动的灵敏度；max(Q_j)表示子矩阵Q_j中的最大值；μ_i为节点i的阻抗模裕度；Z_iLD表示节点i的负荷阻抗(可以通过潮流计算求得该节点电压和电流后，该节点的电压和电流之比得到)；Z_iTHEV表示系统对节点i的戴维南等值阻抗(前面第一步导纳矩阵可以搜集到)；μ_i＝1表明节点稳定性强；μ_i＝0表明节点在电压稳定临界点。表示修正后的发电机节点无功备用的权重；q_i为第i个发电机节点的无功出力值；s(p_i)表示发电机节点i的有功出力修正函数值,p_i为发电机i的有功出力值，max(p_i)为发电机i的最大有功出力值。

第四步，根据第二步和第三步的模型，建立影响电压稳定性的受端电压场景集合，定义负荷变化和新能源渗透率双重影响下的受端系统电压薄弱点，即在渗透率最大直流传输功率的基础上找到系统的薄弱点集合：

U_LDweak＝{j|μ_j＝0,j∈(1,2,...,l)}

U_Σweak(λ,P_Dmax)＝{i,j|U_LDweak∪U_GEweak,s.t.P_Dmax＝F(λ,X)}

式中U_LDweak表示负荷节点中电压薄弱的节点；j∈(1,2,...,l)为负荷节点的总集合；U_GEweak表示发电机节点中电压薄弱的节点；为矩阵/>的最大值，α为判定发电机节点为薄弱节点的参数，i∈(1,2,...,g)为发电机节点的总集合；U_Σweak(λ,P_Dmax)表示在新能源渗透率为λ且直流最大传输功率P_Dmax下系统的薄弱节点集合。

第五步，当系统的负荷发生波动时系统的状态发生变化。判定系统所处的状态场景，确定当前受端系统的新能源渗透率和直流故障场景。基于当前受端系统的新能源渗透率和直流故障制约，确定该场景下的的直流最大输送能力，进而基于薄弱节点集合得到当前的薄弱的负荷节点和发电机节点。

在薄弱节点设置无功补偿装置SVG，设定控制程序使不同安装位置的SVG保障薄弱节点的电压稳定，将其变成PV节点，即控制节点的电压幅值和有功功率保持不变，保障薄弱点电压不变。将SVG的参数设置为上一时刻相应的节点潮流计算的结果。即针对当前时刻的节点A，根据上一时刻处于受端系统稳定状态时的的节点A电压控制当前时刻电压薄弱的节点A的电压。

具体地，仅针对当前时刻的薄弱节点开启SVG。针对装设有SVG但当前时刻为非薄弱节点的节点选择不开启SVG。

薄弱节点的电压已经通过SVG控制为固定值(即PV节点)，在这个约束下，通过第一步搭建的潮流计算模型采用下式求解其他节点的电压、有功、无功等参数,保障受端系统电压稳定，并将当前时刻稳定的受端系统的各节点参数用于下一时刻薄弱节点的参数控制：

s.t.U_Σweak(λ,P_Dmax)＝U_Σweak

其中U_Σweak(λ,P_Dmax)＝U_Σweak表示利用无功补偿装置，将新能源渗透率λ和直流最大输送能力P_Dmax场景下的薄弱负荷节点和薄弱发电机节点进行电压控制，保障薄弱节点的电压为临界电压U_Σweak。

循环执行第五步，不断基于受端系统的当前状态判定当前时刻的薄弱节点。并采用上一时刻潮流计算的结果使用SVG对薄弱节点进行控制。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种改善特高压直流受端含高比例新能源系统的电压稳定方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立受端系统的电力系统拓扑模型，并计算出受端系统导纳矩阵作为潮流计算模型；

根据受端系统的电力系统拓扑模型进行仿真计算，得到新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系；

根据受端系统的电力系统拓扑模型和潮流计算模型，计算得到受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型，和受端系统的负荷节点电压稳定模型；

根据新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系、发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型，和负荷节点电压稳定模型，定义负荷变化和新能源渗透率双重影响下的受端系统的薄弱节点集合；

基于薄弱节点集合，确定受端系统在当前的新能源渗透率和特高压直流的故障场景下对应的薄弱节点，并在薄弱节点设置静止无功发生器；将静止无功发生器的电压设置为上一时刻潮流计算模型计算得到的相应节点的电压；

根据潮流计算模型计算得到受端系统当前时刻所有节点电压；

新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系如下式：

P_Dmax＝F(λ,X)

其中F(λ,X)为拟合得到的函数关系式，P_Dmax表示直流节点的有功功率最大值矩阵,p_Dimax表示直流节点Di的传输最大功率，系统直流节点共Dt个,p_ni表示新能源厂站ni的有功出力，p_nmax表示新能源厂站ni的最大有功出力值，新能源厂站节点共有nm个，λ为受端系统的新能源渗透率矩阵，λ_i表示新能源厂站ni的渗透率，取值为0～1；X表示直流相关故障集合；

计算受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型的过程包括：基于受端系统发电机节点无功对负荷节点无功增长的灵敏度矩阵，计算得到发电机节点对负荷节点的无功备用的原始权重矩阵；根据受端系统电源的有功出力建立修正系数，通过修正系数修正原始权重矩阵，得到受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型；

受端系统的发电机节点对负荷节点的无功备用权重模型的如下式：

其中，表示修正后的发电机节点对负荷节点的无功备用的权重；q_i为第i个发电机节点的无功出力值；max(Q_j)表示发电机节点无功对负荷节点无功增长的灵敏度矩阵中对负荷节点j的子矩阵中的最大值；s(p_i)表示发电机节点i的有功出力修正函数值,p_i为发电机i的有功出力值，max(p_i)为发电机i的最大有功出力值；

计算受端系统的负荷节点电压稳定模型的过程包括：基于潮流计算模型计算得到负荷节点的负荷阻抗和戴维南等值阻抗，进而通过求取负荷节点的阻抗模裕度，用于评估负荷节点电压的稳定水平；

所述负荷节点电压稳定模型如下式：

其中，μ_j为负荷节点j的阻抗模裕度；Z_jLD表示负荷节点j的负荷阻抗；Z_JTHEV表示受端系统对负荷节点i的戴维南等值阻抗；μ_j＝1表明节点稳定性强；μ_j＝0表明节点在电压稳定临界点；

负荷变化和新能源渗透率双重影响下的受端系统的薄弱节点集合如下式：

U_LDweak＝{j|μ_j＝0,j∈(1,2,...,l)}

U_Σweak(λ,P_Dmax)＝{i,j|U_LDweak∪U_GEweak,s.t.P_Dmax＝F(λ,X)}

式中U_LDweak表示负荷节点中电压薄弱的节点；j∈(1,2,...,l)为负荷节点的总集合；U_GEweak表示发电机节点中电压薄弱的节点；为矩阵/>的最大值，α为判定发电机节点为薄弱节点的参数，i∈(1,2,...,g)为发电机节点的总集合；U_Σweak(λ,P_Dmax)表示在新能源渗透率为λ且直流最大传输功率P_Dmax下系统的薄弱节点集合；g表示发电机节点数量，l表示负荷节点数量。

2.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：建立受端系统的电力系统拓扑模型的过程包括：搜集受端系统含地理信息的火电、风电、光伏基本参数信息，线路的长度和阻抗、电力变压器、并串连电容器静止元件所构成的总体，区域负荷信息及电力电子设备模型参数、特高压交直流线路阻抗以及电力电子原件参数，进而建立受端系统以风电、光伏、火电、负荷以及特高压交直流元件的电力系统拓扑模型。

3.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：根据受端系统的电力系统拓扑模型进行仿真计算的过程包括:针对受端系统特定的电力系统拓扑模型，计算受端系统内部新能源渗透率λ时，运行特高压直流的故障集X，通过电力系统仿真软件进行仿真计算，寻找特高压直流的最大受端传输能力P_Dmax；通过拟合输入集合(λ,X)以及输出集合最大受端传输能力P_Dmax，得到新能源渗透率和特高压直流的故障与特高压直流传输能力之间的函数关系。