特高压交直流电网稳定性同质化评估方法与流程

1.本发明涉及配电网评估技术领域，特别涉及特高压交直流电网稳定性同质化评估方法。


背景技术：

2.特高压交直流输电可实现大规模、长距离、大容量的能量传输和跨区域异步组网。随着特高压交直流电网在整个电力系统中所占比例的增加，研究直流电网对整个输电系统的影响，实现对整个交直流系统可靠性的快速评估和薄弱环节判别显得尤为重要。近年来，研究人员对特高压电网的安全稳定及稳定性评估的关注度逐渐提升。目前有双脉冲超高压直流输电系统的稳定性评估模型，但未全面考虑交流系统的影响。同时研究了特高压主网架下全部电压等级的电力网络的稳定性评估，但其在可靠性评估指标方面未对特高压交直流系统建立较为全面模型。截至目前，特高压交流直流混合系统可靠性评估还没有较为成熟全面的指标体系和评估方法。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种特高压交直流电网稳定性同质化评估方法，其技术方案如下：
4.特高压交直流电网稳定性同质化评估方法，包括以下步骤：
5.1)交直流电网模型，系统状态方程的表达式如下：
[0006][0007]
式中，a＝g
a-gbg
d-1
gc；
[0008]
2)稳定性同质化能量函数，系统的总能量表达式如下：
[0009]vn
＝vk v
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-2)
[0010]
式中，vk为系统的总动能，表达式如如下：
[0011][0012]vp
为系统的总势能，表达式如下：
[0013][0014]
3)交直流电网稳定性影响因素分析，包括直流控制参数对系统稳定性的影响、交流系统强度对系统稳定性的影响以及联络耦合阻抗对系统稳定性的影响；
[0015]
4)交直流电网稳定性评估指标，包括电压相互作用指标、短路比指标以及换相失败免疫指标；
[0016]
5)稳定性评估直流落点时序优化。
[0017]
步骤3)所述直流控制参数对系统稳定性的影响，是指当参数变化时逆变侧定关断
角控制器比例环节常数k
p
增大或积分环节时间常数ki减小时特征值将靠近虚轴，不利于系统稳定性；整流侧定电流控制器比例环节常数k
p
增大或积分环节时间常数k
p
减小时，特征值将远离虚轴，有利于系统稳定性。
[0018]
步骤3)所述交流系统强度对系统稳定性的影响，是指交流系统等值阻抗越小，换流母线距离发电机等值电动势的电气距离越近，交流系统强度越大，对直流系统的支撑能力也越好；交流系统等值阻抗越大，换流母线距离发电机等值电动势的电气距离越远，交流系统强度越小，对直流系统的支撑能力也越小。
[0019]
步骤3)所述联络耦合阻抗对系统稳定性的影响，是指多直流馈入系统中，各直流之间的耦合阻抗z
ij
增大，直流系统之间电气距离增大，耦合减弱，系统稳定性弱；各直流之间的耦合阻抗z
ij
减小，直流系统之间电气距离缩短，耦合增强，系统稳定性强。
[0020]
步骤4)所述电压相互作用指标，表达式如下：
[0021][0022]
式中，miif为多馈入相互作用因子，当换流母线i受到小扰动时，其电压幅值下降δvi,换流母线j处电压幅值下降δvj，两者的比值δvj/δvi反应各回直流系统换流站间的相互作用，指标量化了各换流站换流母线之间的电压相互影响，miif越大，则说明两个直流祸合越紧密，反之越小；当两个直流之间无电气祸合时，miif＝0；当两条直流系统电气距离非常近或者馈入同一母线时，miif＝1；miif≥0.6认为表征两直流系统之间存在强相互作用，miif≤0.15认为两直流系统换流母线电气距离较远，可以忽略两直流系统之间的相互作用；在工程应用方面，从各换流母线处对交直流系统进行多端口戴维南等效，使用阻抗矩阵法来近似计算各直流系统之间相互作用，z
eqii
为第i回换流母线节点自阻抗，z
eqij
为第i回和第j回换流母线之间的互阻抗。
[0023]
步骤4)所述短路比指标，表达式如下：
[0024][0025]
式中：式中scr是母线处的短路容量和设备的额定容量的比值，能够衡量设备投入时对电力系统影响的大小，从而可以检验系统的强弱，设备可以是负荷，hvdc换流器或者静止无功补偿器；在交直流混联系统中，短路比指标用于评估交流系统对直流系统的接纳能力，指标越大，交流系统所能接纳直流传输的功率越大，系统电压稳定性越好，s
aci
为换流母线处的短路容量；p
din
为直流额定功率。zi为交流系统的等值阻抗；v
in
为换流母线额定电压。
[0026]
步骤4)所述换相失败免疫指标，表达式如下：
[0027][0028]
式中，cfii为换相失败免疫因子，是指当交流系统故障距离换流站电气距离较近或故障较为严重时，会导致直流系统发生换相失败现象，为对交流系统故障情况下直流系统抵御换相失败风险的能力有一个认识，采用换相失败免疫因子cfii来衡量交流系统故障时直流系统抵御换相失败的免疫水平，z
fault
为换流母线h相感性接地短路时引起直流系统临界换相失败的阻抗。对于直流来说，cfii越大越好，cfii越大表明直流系统越不易在交流
系统故障时而发生换相失败。
[0029]
步骤5)所述稳定性评估直流落点时序优化，包括如下步骤：
[0030]
5.1)开始，确定k种直流落点及接入方式方案；
[0031]
5.2)计算所有方案下多馈入短路比指标；
[0032]
5.3)再次形成直流落点及接入方式方案；
[0033]
5.4)判断，当满足k≤2条件时，返回步骤5.2继续执行；当不满足k≤2条件时，执行步骤5.5；
[0034]
5.5)形成直流落点及接入方案时序优化结果，停止。
[0035]
与现有技术相比，其有益效果在于：通过建立交直流电网微分－代数模型，稳定性同质化能量函数，交直流电网稳定性评估指标，分析交直流电网稳定性影响因素，稳定性评估直流落点时序优化，能有效提高系统的稳定性。
附图说明
[0036]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0037]
图1交直流电网结构示意图；
[0038]
图2直流落点及接入方案时序优化流程图。
具体实施方式
[0039]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0040]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0041]
实施例1
[0042]
交直流混联系统根据所研究的问题，在系统建模过程中，状态变量选择可以是直流电流，直流电压等物理量，也可以是数学上抽象的变量，这里选取直流电流id和直流定电流和定关断角控制控制系统中积分环节后的变量xr和x
t
为状态变量建立直流输电系统微分代数模型。
[0043]
换流器的主要作用为实现电能转换，根据电力电子知识，直流电压及关断角可以用以下代数方程描述：
[0044][0045][0046]
[0047]
特高压远距离直流输电系统其直流输电线路一般由架空线路组成，对地电容较小，在系统受到扰动造成直流电流波动时，其动态方程简写为：
[0048][0049]
当n条直流馈入系统时，各直流的整流侧与逆变侧均具有独立的控制系统，若各直流系统采用相同控制方式，则其方程形成过程与单直流馈入类似且在表达式上具有相同部分，因此描述状态变量动态变化的微分方程线性化后的方程应具有以下形式：
[0050][0051]
因各直流系统通过受端交流电网存在耦合作用，矩阵gd将不再是对角阵。矩阵gd的非对角元素体现了各直流换流母线之间通过交流电网形成的耦合作用，因此描述系统约束关系的代数方程线性化后的方程应具有以下形式：
[0052][0053]
式(1-12)，(1-13)构成了多直流馈入系统模态分析模型，消去中间变量后可得到系统状态方程的标准形式其中a＝g
a-gbg
d-1
gc。
[0054]
实施例2
[0055]
如图1所示，由同质化能量函数可知，在系统发生故障情况下，与采用同步坐标相比，采用惯量坐标时系统总动能减少了该值与负荷动能和支路电阻的动能相关。
[0056]
由于电阻只与系统的有功功率相关，所以支路电阻的动能不会影响系统的稳定。因此，只有电抗的动能对系统的稳定性有决定性的影响。
[0057]
另外，系统的稳定性还与各发电机是否同步有关，即与不同的发电机间角度差是否一致有关，因此，可以忽略负荷的影响。则此时，系统的总能量为
[0058]vn
＝vk v
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-2)
[0059]
其中；vk为系统的总动能；v
p
为系统的总势能。
[0060]
与交流输电方式相比，直流输电方式灵活经济，但直流系统非线性快速动态元件和控制器调节作用也增加了系统结构的复杂性，故障条件下，交直流及直流系统之间相互作用使得系统无功电压耦合特性变得更为复杂。在交直流混联系统电压稳定机理探究方面，直流控制参数不当是造成交直流混联系统电压失稳的因素之一。
[0061]
交直流电网稳定性量化在多直流馈入系统中，各直流之间互相耦合紧密，相互作用复杂，在大规模交直流混联系统量化评估方面，从衡量直流系统之间相互作用及定义多馈入短路比角度进行深入研究。
[0062]
实施例3
[0063]
直流控制系统参数的好坏将直接影响直流系统的动态特性，以单直流馈入系统为例分析控制器中的比例积分环节参数变化对系统稳定性的影响，当参数变化时逆变侧定关断角控制器比例环节常数k
p
增大或积分环节时间常数ki减小时特征值将靠近虚轴，不利于系统稳定性；整流侧定电流控制器比例环节常数k
p
增大或积分环节时间常数k
p
减小时，特征值将远离虚轴，有利于系统稳定性，但过大的比例环节或者过小的积分环节同样不利于系统稳定性
[0064]
实施例4
[0065]
交流系统等值阻抗越小，换流母线距离发电机等值电动势的电气距离越近，交流系统强度越大，对直流系统的支撑能力也越好，反之，则越弱。通过调整逆变侧交流系统等值阻抗即可获得不同强度下的交直流系统运行信息，结合电网运行信息及相关理论可求取不同运行场景下系统特征值。单直流馈入系统交流侧等值阻抗时系统特征值变化情况，交流系统等值电感(对应于阻抗4)在38.3mh至76.62mh范围变化，模态分析方法所得关键特征值实部在-9.4至-0.62范围内变化，逐渐增大交流系统等值阻抗时，意味着交流系统对直流系统的支撑能力减弱，关键特征值(实部)逐步靠近零点，代表系统稳定性减弱。
[0066]
实施例5
[0067]
多直流馈入系统中，各直流之间的耦合阻抗z
ij
能够在一定程度上表征各直流之间耦合紧密程度，对系统稳定性也有着一定的影响，同样以两直流馈入系统为例，在保持各换流母线短路容量不变的前提下，通过增大其交流系统联络阻抗z
12
来分析交流系统耦合阻抗变化对系统稳定性的影响，交流系统联络阻抗z
12
等值电感从30mh变化为120mh。随着交流系统联络阻抗的增大，两直流系统之间电气距离不断增大，耦合减弱。两直流系统多馈入短路比也同时不断增大。
[0068]
实施例6
[0069]
考虑到miif为实验型参数，需要基于时域仿真来求取，在仿真过程中，耗时长且存在误差，在大规模交直流混联系统工程应用中实施较为困难。在工程应用方面，一般从各换流母线处对交直流系统进行多端口戴维南等效，使用阻抗矩阵法来近似计算各直流系统之间相互作用。
[0070][0071]
其中z
eqii
为第i回换流母线节点自阻抗，z
eqij
为第i回和第j回换流母线之间的互阻抗。
[0072]
实施例7
[0073]
结合lcc-hvdc直流输电具体特性，可推得短路比与换相角关系式为：
[0074][0075]
当直流输电功率p
di
增大时，若换流母线电压v
in
不变，直流电流id将增大，从而逆变
器换相角μ增大，单馈入短路比减小。
[0076]
关于高压直流电网另一个经常使用的是有效短路比(effective short circuit ratio,escr)，escr剔除了换流站内滤波器和无功补偿设备的影响，仅考虑交流系统的支撑能力，有效短路比的定义为：
[0077][0078]
多馈入系统中，考虑直流换流站之间的相互作用，定义第i回直流的多馈入短路比(multi-infeed short circuit ratio，miscr)为：
[0079][0080]
同样若剔除换流站内滤波器和无功补偿设备的影响，多馈入有效短路比(multi-infeed effective short circuit ratio,miescr)定义为：
[0081][0082]
考虑到交直流系统运行方式变化，多馈入运行短路比(multi-infeed operation short circuit ratio,mioscr)定义为：
[0083][0084]
其中：vi为换流母线处实际运行电压；p
di
和p
dj
为直流输电系统i和j实际运行方式下传输功率；z
bci
为换流母线处无功补偿装置等值阻抗；
[0085]
实施例8
[0086]
如图2所示，短路比指标计算简单快捷并可以快速评估交直流混联系统安全稳定性，针对k种直流落点接入方案，将产生k个多馈入短路比，每种方案下，各回直流多馈入短路比中总有一个最小，是系统薄弱区。在所有方案中最小多馈入短路比越大，表明在该方案下直流系统馈入交流系统后稳定性越好，该接入方案为最优接入方案，在该方案直流落点及接入方式基础下，重复上述流程，直至确定所有方案，形成直流落点及接入方案时序优化结果。
[0087]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0088]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0089]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0090]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0091]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。