CN203911484U - 基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置，其特点是利用电压控制敏感因子来衡量多馈入直流输电装置中各受端交流系统的强弱及各条直流输电装置间的相互作用，然后将无功补偿装置安装在能够最大限度地提升整个系统的电压稳定水平的位置，从而得到基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置。利用电压控制敏感因子来进行无功补偿装置的布点，不仅考虑到了对本地逆变侧换流母线电压稳定性的影响，而且还考虑到了无功补偿装置对多馈入直流输电系统中其他节点处影响，从而使整体上对电压稳定性的改善最优，经济效益最大化。

Description

基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置，属于高压直流输电领域。

背景技术

与交流输电相比，基于晶闸管换流技术的高压直流输电没有功角稳定问题，功率调节迅速灵活而且能够限制短路容量，故在远距离大容量输电和区域电网互联两方面得到了广泛应用。但是，直流输电装置在提供电能的同时要从交流系统吸收大量的无功，这给交流系统的电压支撑能力带来了巨大压力。与单馈入直流输电装置相比，多馈入直流输电装置输送容量更大、运行方式更为灵活，系统结构及相互作用也更为复杂。由于多条线路落点于同一交流电网，受端系统接受的功率更大，交直流系统间的相互作用将更强。这使得多馈入系统的电压稳定问题变得更为突出和复杂。

在各种提高电压稳定性的措施中，在直流逆变站装设无功补偿装置能有效提升系统的电压稳定性，避免直流系统控制方式不必要的切换，是一种效果显著且得到广泛使用的方法。对于多馈入交直流输电装置，安装无功补偿装置时不仅要考虑节点自身的电压稳定性，同时也要考虑节点间的相互影响。常用的确定无功补偿装置安装位置的方法是寻找电压稳定性较弱的节点。通常，大都选择电压稳定因子(Voltage Stability Factor，VSF)来作为衡量系统弱节点的标准。这种方法只考虑了节点自身的电压稳定性，没有考虑对其他节点的电压支撑作用。而在多馈入交直流输电装置中，各条直流输电线路间的相互作用很强，对系统整体特性影响很大，安装无功补偿装置时必须各条直流输电线路间的相互作用，才能使系统整体性能达到最优。在衡量系统间相互作用的指标中，多馈入相互作用因子(Multi-infeed Interaction Factor，MIIF)物理意义明确，能有效反应各系统间的相互影响，是一种得到广泛认可和使用的指标。因此，考虑将VSF与MIIF进行合理的结合，得到既能体现节点本身的强弱，又能反映其对多馈入系统中其他节点作用的指标，然后利用该指标的来指导多馈入直流输电装置的设计。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术不足而提供一种基于电压控制敏感因子(VoltageControl Sensitive Factor，VCSF)的最优无功补偿多馈入直流输电装置，其特点是利用电压控制敏感因子(VCSF)来衡量多馈入直流输电装置中各受端交流系统的强弱及各条直流输电装置间的相互作用，然后将无功补偿装置安装在能够最大限度地提升整个系统的电压稳定水平的位置，从而得到基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置。

本实用新型的目的由以下技术措施实现：

基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置由各条高压直流输电系统、受端交流系统和无功补偿装置三大部分组成：其中，各条高压直流输电系统将直流电送入到换流器，通过换流变压器与受端交流系统连接，同时无功补偿装置对受端交流系统进行无功补偿；

1)高压直流输电系统

换流器将接收到的直流电逆变为交流电，再通过换流变压器将交流电转换为合适的电压等级馈入到换流母线节点处；

2)受端交流系统

按照戴维南等值原理，电能传输到受端交流系统后，将各条直流的受端交流系统等值为电压源与等值阻抗串联的形式，其等值电压分别为U₁、U₂、……、U_n，等值阻抗分别为Z₁、Z₂、……、Z_n，各条直流输电线路之间的输电网络，等值为耦合阻抗Z₁₂、Z_n1、……、Z_2n；

3)无功补偿装置

确定无功补偿装置的安装位置，首先计算多馈入直流输电系统逆变站换流母线节点i处的电压稳定因子VSF_i，计算公式如下：

${\mathrm{VSF}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_i}{\mathrm{\ΔQ}}---\left(1\right)$

其中，△Q表示无功补偿装置在节点i处所提供无功的变化量，△U_i表示节点i在无功变化量为△Q时节点电压的改变量；

然后，计算节点i处的电压变化对其他节点j的影响，即计算多馈入作用因子MIIF_ji，计算公式如下：

${\mathrm{MIIF}}_{\mathrm{ji}}=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_j}{{\mathrm{\ΔU}}_i}---\left(2\right)$

其中，△U_j表示当节点i处的电压变化量为△U_i时节点j处电压的改变量；

电压稳定因子VSF_i和多馈入作用因子MIIF_ji通过在相应的节点处施加无功和电压扰动，通过仿真的方法按上述公式计算得到；

最后，计算多馈入交直流系统中节点i处的电压控制敏感因子VCSF_i，计算公式如下：

${\mathrm{VCSF}}_i={\mathrm{VSF}}_i\·\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{MIIF}}_{\mathrm{ji}}---\left(3\right)$

按上述方法计算其他节点处的电压控制敏感因子，并将其按照从大到小的顺利依次排列，然后将无功补偿装置安装在电压控制敏感因子最大点处。

本实用新型具有如下优点：

基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置利用电压控制敏感因子来进行无功补偿装置的布点，不仅考虑到了对本地逆变侧换流母线电压稳定性的影响，而且还考虑到了无功补偿装置对多馈入直流输电系统中其他节点处影响，使整体上对电压稳定性的改善最优，经济效益最大化。

附图说明

图1为多馈入直流系统结构框图。

其中，1为换流器，2为换流变压器，3为受端交流系统，4为无功补偿装置。Z₁、Z₂、……、Z_n分别为各交流侧等值系统的等值阻抗；Z₁₂、Z_n1、……、Z_2n分别为各直流系统之间的耦合阻抗。

图2为节点1处安装无功补偿装置时各母线电压波形。

其中，U₁、U₂、U₃分别为节点1处安装无功补偿装置时节点1、节点2、节点3处的电压波形。

图3为节点2处安装无功补偿装置时各母线电压波形。

其中，U₁、U₂、U₃分别为节点2处安装无功补偿装置时节点1、节点2、节点3处的电压波形。

图4为节点3处安装无功补偿装置时各母线电压波形。

其中，U₁、U₂、U₃分别为节点3处安装无功补偿装置时节点1、节点2、节点3处的电压波形。

具体实施方式

下面通过实施例对本实用新型进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述实用新型的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例：

如图1所示，各条高压直流输电系统将直流电送入到换流器1，通过换流变压器2与受端交流系统3连接，同时无功补偿装置4对受端交流系统进行无功补偿。

在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立多馈入直流输电系统仿真模型。PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件是一种电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，EMTDC即直流系统电磁暂态(Electro-Magnetic Transient in DC System)。EMTDC的主要功能是分析电力系统中的各种暂态过程。所搭建的多馈入直流系统模型中，各条直流输电系统的额定直流功率为1000MW，额定直流电压为500kV，采用基于晶闸管技术的单极12脉动换流器。直流系统整流测采用定电流控制方式，逆变侧采用定熄弧角控制。各直流输电子系统间的耦合阻抗为：Z₁₂＝3.7927+j47.124Ω，Z₁₃＝1.2642+j15.708Ω，Z₂₃＝0.25285+j3.1416Ω，各交流系统等值阻抗为：Z₁＝5.4909+j20.435Ω，Z₂＝4.7335+j17.617Ω，Z₃＝5.0841+j18.921Ω。

各节点的电压稳定因子为：VSF₁＝0.0658，VSF₂＝0.0579，VSF₃＝0.0594。换流站间的相互作用因子如表1所示。

表1换流站间的相互作用因子

由此可以计算得到各节点的电压控制敏感因子为：VCSF₁＝0.1388，VCSF₂＝0.1460，VCSF₃＝0.1489。

根据电压稳定因子从大到小对节点进行排序，依次为：1，3，2。根据电压控制敏感因子从大到小排序，依次为：3，2，1。在这三个节点中，节点1最弱，节点2最强。但是节点1对其他节点的影响相对较小，因此从整个系统性能提升的角度来说反而不是无功补偿装置的最佳安装位置。分别在三个节点处安装无功补偿装置，相应的电压波形如图2-图4所示。

当无功补偿装置安装于换流站1时：母线1电压提升3.29kV，母线2提升1.48kV，母线3提升1.98kV，系统电压共提升6.75kV；安装于换流站2时：母线1电压提升2.08kV，母线2提升2.5kV，母线3提升2.31kV，系统电压共提升6.89kV；安装于换流站3时：母线1电压提升2.2kV，母线2提升2.35kV，母线3提升2.7kV，系统电压共提升7.25kV。

由此可见，如果只考虑无功补偿装置安装节点处的电压稳定性，则安装最佳位置依次为：1，3，2，这与电压稳定因子VSF的排序结果一致。但是，若从系统电压稳定性整体效果来看，则安装最佳位置依次为：3，2，1，这与电压控制敏感因子VCSF的排序结果相同。因此，仿真结果充分说明了VCSF的合理性和有效性。相比电压稳定因子VSF，由基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置更有利于系统整体电压稳定性能的改善。

本实用新型提出了一种基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置。然后在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立了仿真模型对所提出的直流输电装置的有效性进行了验证。实施例表明，基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置能够从整体上提高电压稳定水平，是有效且经济的。

Claims (1)

1.基于电压控制敏感因子的最优无功补偿多馈入直流输电装置，其特征在于该装置由各条高压直流输电系统、受端交流系统和无功补偿装置三大部分组成：其中，各条高压直流输电系统将直流电送入到换流器(1)，通过换流变压器(2)与受端交流系统(3)连接，同时无功补偿装置(4)对受端交流系统进行无功补偿；

1)高压直流输电系统

换流器将接收到的直流电逆变为交流电，再通过换流变压器将交流电转换为合适的电压等级馈入到换流母线节点处；

2)受端交流系统

按照戴维南等值原理，电能传输到受端交流系统后，将各条直流的受端交流系统等值为电压源与等值阻抗串联的形式，其等值电压分别为U₁、U₂、……、U_n，等值阻抗分别为Z₁、Z₂、……、Z_n，各条直流输电线路之间的输电网络，等值为耦合阻抗Z₁₂、Z_n1、……、Z_2n；

3)无功补偿装置

确定无功补偿装置的安装位置，首先计算多馈入直流输电系统逆变站换流母线节点i处的电压稳定因子VSF_i，计算公式如下：

${\mathrm{VSF}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_i}{\mathrm{\ΔQ}}---\left(1\right)$

其中，△Q表示无功补偿装置在节点i处所提供无功的变化量，△U_i表示节点i在无功变化量为△Q时节点电压的改变量；

然后，计算节点i处的电压变化对其他节点j的影响，即计算多馈入作用因子MIIF_ji，计算公式如下：

${\mathrm{MIIF}}_{\mathrm{ji}}=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_j}{{\mathrm{\ΔU}}_i}---\left(2\right)$

其中，△U_j表示当节点i处的电压变化量为△U_i时节点j处电压的改变量；

电压稳定因子VSFi和多馈入作用因子MIIF_ji通过在相应的节点处施加无功和电压扰动，通过仿真的方法按上述公式计算得到；

最后，计算多馈入交直流系统中节点i处的电压控制敏感因子VCSF_i，计算公式如下：

${\mathrm{VCSF}}_i={\mathrm{VSF}}_i\·\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{MIIF}}_{\mathrm{ji}}---\left(3\right)$

按上述方法计算其他节点处的电压控制敏感因子，并将其按照从大到小的顺利依次排列，然后将无功补偿装置安装在电压控制敏感因子最大点处。