一種直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法。包括如下步驟：1）劃分交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)；2）求解孤島交流系統(tǒng)潮流；3）交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)無功功率交換容量越限判定，若無功功率交換超出正常運行設定值，則調整換流母線電壓幅值，轉入步驟2）繼續(xù)進行，否則進行步驟4）；4）確定直流換流器無功功率補償小組數；5）確定直流換流站無功功率消耗；6）換流器觸發(fā)角限幅檢查，若在正常運行范圍限值內，進行步驟7），否則增加無功功率補償小組數，返回步驟5）；7）確定換流變分接頭；8）潮流收斂判定；9）直流頻率限值功能設定。本發(fā)明更準確反映了直流輸電孤島系統(tǒng)的實際情況，能夠更高效的指導直流輸電孤島系統(tǒng)的規(guī)劃和運行。
【專利說明】一種直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，特別是一種適用于直流輸電系統(tǒng)送端孤島運行的考慮直流頻率限制控制的直流輸電送端孤島運行系統(tǒng)潮流分析方法，屬于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析的【技術領域】。
技術背景
[0002]中國煤炭和水電等能源資源主要分布在西部地區(qū)，而電力負荷主要集中在東部沿海經濟發(fā)達的地區(qū)，能源資源和電力負荷呈現逆向分布特征。為有效開發(fā)利用西部豐富的能源資源，滿足經濟社會發(fā)展對電力的需求，中國從上世紀末開始實施了大規(guī)模、遠距離的西電東送工程。
[0003]西電東送輸電工程主要依托西部大型水電基地或火電基地建設而開展。因直流輸電技術在遠距離、大容量電力輸送方面具有技術經濟優(yōu)勢，我國大多數西電東送輸電工程均采用直流輸電外送。因西部大型水電或火電基地通常比較偏僻，當地負荷小，近區(qū)交流電網薄弱，距離骨干網距離較遠。為優(yōu)化電網結構，一些大型水電站孤島運行，即斷開大型水電站與送端電網的交流聯(lián)絡線，水電站、直流整流站、以及水電站至直流整流站的輸電線路共同形成孤立的電網，通過直流與受端電網相聯(lián)。2013年豐期南方電網楚穗直流送端系統(tǒng)成功實施了孤島運行，是我國首個送端系統(tǒng)孤島運行的直流輸電工程。該孤島系統(tǒng)由小灣電站、金安橋電站和楚穗直流送端換流站共同組成，斷開楚穗換流站與云南電網的500kV交流聯(lián)絡線，通過楚穗直流送電廣東電網。
[0004]潮流分析是直流輸電送端孤島系統(tǒng)安全運行的基礎。相比常規(guī)的交直流混合電網，直流輸電送端孤島運行系統(tǒng)具有如下特點:
[0005]I)孤島系統(tǒng)的結構拓撲簡單，通常由直流換流站輻射交聯(lián)輸電線路至一個或幾個電廠，系統(tǒng)潮流分析的重點是直流輸電系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及孤島系統(tǒng)的無功電壓水平。而直流輸電系統(tǒng)中濾波器投入數量、換流變分接頭位置、觸發(fā)角對孤島系統(tǒng)無功電壓具有重要影響。
[0006]2)孤島系統(tǒng)的常規(guī)負荷很小，通常是直流換流站的站用電及發(fā)電廠的站用電，幾乎可以忽略不計，孤島系統(tǒng)內發(fā)電機有功功率主要由直流系統(tǒng)輸送的功率來平衡。相對于發(fā)電機出力容量，直流系統(tǒng)輸送功率規(guī)模大，直流系統(tǒng)的功率變化對孤島系統(tǒng)內頻率變化具有舉足輕重的影響。孤島系統(tǒng)的頻率主要由直流系統(tǒng)的頻率限制功能和發(fā)電機調速系統(tǒng)來控制，通常直流輸電系統(tǒng)頻率限制功能的頻率死區(qū)設置為±0.1Hz，發(fā)電機調速器的頻率死區(qū)設置為±0.5Hz。孤島系統(tǒng)內的擾動導致頻率超出±0.1Hz后，直流頻率限制功能快速動作，在IOOms內調整直流輸送功率，調整幅度較大，一些直流頻率限制功能設置為-50%?20%的直流輸電額定功率；擾動導致孤島頻率超出±0.5Hz后，發(fā)電機調速器動作，通常在6?8秒內可實現額度功率至空載范圍內的功率調整。
[0007]通常的交直流電網潮流分析方法源于交直流混合大電網的物理模型，主要用于分析復雜交流網絡的潮流分布和校核系統(tǒng)電壓水平。采用常規(guī)的交直流電網潮流計算方法分析直流輸電系統(tǒng)孤島運行，存在如下不足:
[0008]I)常規(guī)的交直流電網潮流分析方法未考慮直流輸電系統(tǒng)的頻率限制控制，不能準確模擬直流輸電送端孤島運行系統(tǒng)的潮流特性。
[0009]因交直流大系統(tǒng)中任一機組、線路或變壓器元件輸送規(guī)模相對系統(tǒng)總負荷的比例較小，其故障對整個系統(tǒng)頻率變化影響較小，對直流輸電系統(tǒng)的輸送功率影響不大。故常規(guī)的交直流潮流分析方法均假定直流輸電的頻率限制功能未啟用，潮流計算中認為直流輸電系統(tǒng)的輸送功率不變，采用發(fā)電機作為系統(tǒng)的平衡節(jié)點。
[0010]而直流輸電送端孤島運行系統(tǒng)中機組、線路或變壓器故障，均有可能造成有功擾動，造成系統(tǒng)頻率變化，可能啟動直流輸電的頻率限制功能，有可能改變直流輸電系統(tǒng)的輸送功率，這些潮流特性不能被常規(guī)交直流大電網潮流分析方法準確模擬。
[0011]2)常規(guī)的交直流大電網潮流分析方法未能準確模擬直流輸電系統(tǒng)無功控制功能和換流變分接頭調整功能。
[0012]目前廣泛應用的的商業(yè)化潮流分析程序，例如BPA、PSASP和PSSE，對直流系統(tǒng)的模擬不夠準確和靈活。這些程序通常需要用戶輸入換流站無功補償總量，要求用戶或者指定換流器觸發(fā)角，或者指定換流變分接頭。在用戶輸入的無功補償總量不合理的情況下，有可能出現換流變分接頭超出其檔位范圍或者換流器觸發(fā)角超出正常運行范圍等情況，不能模擬直流輸電系統(tǒng)的無功小組自動投切，流變壓器分接頭自動調整的功能。
[0013]針對直流輸電孤島系統(tǒng)運行需求，提出更準確反映直流輸電孤島系統(tǒng)實際情況的潮流分析方法是提高電網安全運行水平的重要措施。

【發(fā)明內容】

[0014]本發(fā)明的目的在于提出一種更準確反映了直流輸電孤島系統(tǒng)的實際特性，能夠更高效的指導直流孤島系統(tǒng)的規(guī)劃和運行工作的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法。
[0015]本發(fā)明的技術方案是:本發(fā)明直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，在直流輸電系統(tǒng)送端孤島運行系統(tǒng)潮流計算中，計及直流輸電系統(tǒng)頻率限制控制快速控制孤島系統(tǒng)內有功功率平衡的作用，將直流輸電系統(tǒng)送端換流母線節(jié)點選取為平衡(松弛)節(jié)點，包括如下步驟:
[0016]I)劃分交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)；
[0017]2)求解孤島交流系統(tǒng)潮流；
[0018]3)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)無功功率交換容量越限判定，對交流系統(tǒng)通過換流母線注入直流系統(tǒng)的無功功率進行檢查，若無功功率交換超出正常運行設定值，則調整換流母線電壓幅值，轉入步驟2)繼續(xù)進行，否則進行步驟4)；
[0019]4)確定直流換流器無功功率小組數；
[0020]5)確定直流換流站無功功率消耗；
[0021]6)換流器觸發(fā)角限幅檢查，根據換流器消耗無功功率、直流輸送有功功率、給定直流電壓求取換流器觸發(fā)角，若在正常運行范圍限值內，進行步驟7)，否則增加無功功率補償小組數，返回步驟5)；
[0022]7)確定換流變分接頭；
[0023]8)潮流收斂判定，若交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)潮流求解的換流母線電壓幅值差值小于預設值，則潮流收斂，進入步驟9)，否則以直流系統(tǒng)求解的換流母線電壓幅值為交流系統(tǒng)平衡節(jié)點的電壓幅值，返回步驟2)；
[0024]9)直流頻率限值功能設定。
[0025]上述步驟I)中，劃分交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)是將直流輸電送端孤島系統(tǒng)劃分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，換流母線作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的界面；孤島交流系統(tǒng)潮流分析采用換流母線等值直流輸電整流站，并將換流母線作為平衡節(jié)點，直流系統(tǒng)潮流求解中，采用換流母線等值交流系統(tǒng)，將換流母線有功功率和無功功率作為輸入。
[0026]上述步驟2)中，求解孤島交流系統(tǒng)潮流是采用常規(guī)的交流系統(tǒng)潮流計算程序求解孤島交流系統(tǒng)潮流，將換流母線從交流系統(tǒng)吸收的有功功率和無功功率，作為直流系統(tǒng)潮流求解的輸入。
[0027]上述步驟4)中，確定直流換流器無功功率小組數是根據交流系統(tǒng)通過換流母線注入直流系統(tǒng)的有功功率，即根據直流輸送功率，查找直流輸電設計時確定的無功功率補償投切策略表，確定需要投入的最小無功功率補償小組數，準確模擬直流輸電系統(tǒng)對濾波器性能和定值的要求。
[0028]上述步驟5)中，直流換流站無功功率消耗=換流站補償無功功率+交流系統(tǒng)送入直流系統(tǒng)的無功功率。
[0029]上述步驟7)中，確定換流變分接頭的方法是:枚舉換流變分接頭，求解換流母線電壓幅值，最接近交流潮流結果的換流母線電壓幅值為直流系統(tǒng)潮流求解結果，對應的檔位為換流變分接頭檔位求解值，準確模擬直流輸電系統(tǒng)換流變自動調整的控制策略。
[0030]上述步驟2)中交流系統(tǒng)求解過程中設置換流母線為平衡節(jié)點，反映了孤島系統(tǒng)中潮流變化通過直流輸送功率調整予以平衡的實際情況。
[0031]上述步驟6)檢查換流器觸發(fā)角超出正常運行限制值，自動投入無功功率補償小組數，準確模擬直流輸電系統(tǒng)無功功率補償小組自動投切的控制策略。
[0032]上述步驟9)中以交流系統(tǒng)潮流計算的換流母線有功功率注入作為直流輸電的實際輸送功率，并將其與直流參考值的差值作為直流頻率限制功能的調節(jié)量，明確反映了直流輸電系統(tǒng)的頻率控制功能。
[0033]本發(fā)明針對直流輸電孤島系統(tǒng)的運行特點，提出了交直流系統(tǒng)交替求解的方法，在孤島交流系統(tǒng)求解過程中將直流換流站母線作為平衡節(jié)點，采用常規(guī)交流潮流分析方法得到換流母線的有功功率和無功功率潮流。將換流母線的有功功率和無功功率潮流作為直流輸電系統(tǒng)的輸入，求解直流輸電系統(tǒng)內部的運行變量，反推出換流母線電壓，作為交流系統(tǒng)迭代的輸入。本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點:
[0034]I)本發(fā)明針對由發(fā)電機、直流輸電送端換流站、發(fā)電機至直流輸電送端換流站的交流線路組成的孤島系統(tǒng)，充分考慮了直流系統(tǒng)通過其頻率限制控制功能快速提升或降低直流功率來維持直流輸電送端孤島系統(tǒng)有功平衡的作用。
[0035]2)本發(fā)明將直流輸電送端孤島系統(tǒng)劃分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，換流母線作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的界面。不同于常規(guī)的交流系統(tǒng)潮流模型采用發(fā)電機作為平衡節(jié)點，孤島交流系統(tǒng)潮流分析采用換流母線等值直流輸電整流站，并將換流母線作為平衡節(jié)點，采用常規(guī)的交流系統(tǒng)潮流計算程序求解后，將換流母線從交流系統(tǒng)吸收的有功功率和無功功率作為直流系統(tǒng)潮流求解的輸入。[0036]3)本發(fā)明在直流系統(tǒng)潮流求解過程中，根據交流系統(tǒng)通過換流母線注入直流系統(tǒng)的有功功率，查找直流輸電設計時確定的無功功率投切策略表，確定需要投入的最小無功功率補償小組數。根據直流輸送功率、換流器無功功率消耗、直流電壓、直流電流求解送端換流器的觸發(fā)角，并根據其是否超出正常運行限制值，判斷是否需要自動投入無功功率補償小組數。通過枚舉換流變分接頭，求解換流母線電壓幅值，并將其作為交流系統(tǒng)平衡節(jié)點的電壓幅值，返回交流系統(tǒng)迭代求解。
[0037]4)本發(fā)明能夠詳細地模擬直流輸電系統(tǒng)的頻率限制控制功能，換流站無功功率補償小組自動投入的功能，換流變分接頭自動調整的功能，更準確反映了直流輸電孤島系統(tǒng)的實際情況，能夠更高效的指導直流輸電孤島系統(tǒng)的規(guī)劃和運行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是直流輸電送端孤島運行系統(tǒng)中交直流系統(tǒng)劃分示意圖。
[0039]圖中，Ua。為換流母線電壓幅值，Pac和Qa。為換流母線從交流系統(tǒng)吸收的有功功率和無功功率，Qc為濾波器無功功率補償量，Pac為直流系統(tǒng)輸送有功功率，Qac為直流換流器無功功率消耗。
[0040]圖2是本發(fā)明方法的實現流程圖。
【具體實施方式】
[0041]參照附圖1和2，圖1是直流輸電送端孤島運行系統(tǒng)中交直流系統(tǒng)劃分示意圖。將送端孤島系統(tǒng)以換流母線為界面，劃分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)。圖2是本發(fā)明方法的實現流程圖，下面對本發(fā)明的方法進行詳細描述:
[0042]I)劃分交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)
[0043]采用交流系統(tǒng)潮流和直流系統(tǒng)潮流交替迭代求解方法，需要將圖1所示送端孤島系統(tǒng)劃分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，換流母線作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的界面。
[0044]不同于常規(guī)的交流系統(tǒng)潮流模型采用發(fā)電機作為平衡節(jié)點，孤島交流系統(tǒng)潮流分析采用換流母線等值直流輸電整流站，并將換流母線作為平衡節(jié)點。直流系統(tǒng)潮流求解中，采用換流母線等值交流系統(tǒng)，將換流母線有功功率和無功功率作為輸入。
[0045]2)求解孤島交流系統(tǒng)潮流
[0046]設定平衡節(jié)點的電壓相角為0，電壓幅值為11?: (k為迭代次數)，滿足
^mitl ^ ^ ，對于500kV電網，通常Umin=500，Umax=550 ;將孤島系統(tǒng)內所有發(fā)電
機節(jié)點設置為PV節(jié)點，設定發(fā)電機節(jié)點的有功功率出力和端電壓幅值，并以發(fā)電機進相和滯相能力作為無功功率出力上下限值。采用常規(guī)的交流系統(tǒng)潮流計算程序求解孤島交流系統(tǒng)潮流，得到各節(jié)點的有功功率、無功功率、電壓幅值和相角。換流母線從交流系統(tǒng)吸收的
有功功率P|f和無功功率，作為直流系統(tǒng)潮流求解的輸入。
[0047]3)交直流系統(tǒng)無功功率交換容量越限判定
[0048]對交流系統(tǒng)通過換流母線注入直流系統(tǒng)的無功功率_進行檢查，
【權利要求】
1.一種直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于在直流輸電系統(tǒng)送端孤島運行系統(tǒng)潮流計算中，計及直流輸電系統(tǒng)頻率限制控制快速控制孤島系統(tǒng)內有功功率平衡的作用，將直流輸電系統(tǒng)送端換流母線節(jié)點選取為平衡節(jié)點，包括如下步驟: 1)劃分交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)； 2)求解孤島交流系統(tǒng)潮流； 3)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)無功功率交換容量越限判定，對交流系統(tǒng)通過換流母線注入直流系統(tǒng)的無功功率進行檢查，若無功功率交換超出正常運行設定值，則調整換流母線電壓幅值，轉入步驟2)繼續(xù)進行，否則進行步驟4)； 4)確定直流換流器無功功率小組數； 5)確定直流換流站無功功率消耗； 6)換流器觸發(fā)角限幅檢查，根據換流器消耗無功功率、直流輸送有功功率、給定直流電壓求取換流器觸發(fā)角，若在正常運行范圍限值內，進行步驟7)，否則增加無功功率補償小組數，返回步驟5); 7)確定換流變分接頭； 8)潮流收斂判定，若交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)潮流求解的換流母線電壓幅值差值小于預設值，則潮流收斂，進入步驟9)，否則以直流系統(tǒng)求解的換流母線電壓幅值為交流系統(tǒng)平衡節(jié)點的電壓幅值，返 回步驟2); 9)直流頻率限值功能設定。
2.根據權利要求1所述的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟O中，劃分交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)是將直流輸電送端孤島系統(tǒng)劃分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，換流母線作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的界面；孤島交流系統(tǒng)潮流分析采用換流母線等值直流輸電整流站，并將換流母線作為平衡節(jié)點，直流系統(tǒng)潮流求解中，采用換流母線等值交流系統(tǒng)，將換流母線有功功率和無功功率作為輸入。
3.根據權利要求1所述的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟2)中，求解孤島交流系統(tǒng)潮流是采用常規(guī)的交流系統(tǒng)潮流計算程序求解孤島交流系統(tǒng)潮流，將換流母線從交流系統(tǒng)吸收的有功功率和無功功率，作為直流系統(tǒng)潮流求解的輸入。
4.根據權利要求1所述的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟4)中，確定直流換流器無功功率小組數是根據交流系統(tǒng)通過換流母線注入直流系統(tǒng)的有功功率，即根據直流輸送功率，查找直流輸電設計時確定的無功功率補償投切策略表，確定需要投入的最小無功功率補償小組數，準確模擬直流輸電系統(tǒng)對濾波器性能和定值的要求。
5.根據權利要求1所述的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟5)中，直流換流站無功功率消耗=換流站無功功率補償無功+交流系統(tǒng)送入直流系統(tǒng)的無功功率。
6.根據權利要求1所述的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟7)中，確定換流變分接頭的方法是:枚舉換流變分接頭，求解換流母線電壓幅值，最接近交流潮流結果的換流母線電壓幅值為直流系統(tǒng)潮流求解結果，對應的檔位為換流變分接頭檔位求解值，準確模擬直流輸電系統(tǒng)換流變自動調整的控制策略。
7.根據權利要求1所述的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟2)中交流系統(tǒng)求解過程中設置換流母線為平衡節(jié)點，反映了孤島系統(tǒng)中潮流變化通過直流輸送功率調整予以平衡的實際情況。
8.根據權利要求1所述的直流輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟6)檢查換流器觸發(fā)角超出正常運行限制值，自動投入無功功率補償小組數，準確模擬直流輸電系統(tǒng)無功功率補償小組自動投切的控制策略。
9.根據權利要求1所述的直流 輸電送端孤島系統(tǒng)潮流分析方法，其特征在于上述步驟9)中以交流系統(tǒng)潮流計算的換流母線有功功率注入作為直流輸電的實際輸送功率，并將其與直流參考值的差值作為直流頻率限制功能的調節(jié)量，明確反映了直流輸電系統(tǒng)的頻率控制功能。
【文檔編號】H02J3/36GK103904674SQ201310682075
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2013年12月13日
【發(fā)明者】洪潮, 周保榮, 趙勇, 趙利剛, 王長香 申請人:南方電網科學研究院有限責任公司