一种能源基地高压直流送端孤岛和联网接入模式选择方法与流程

本发明属于电力系统规划与运行领域，涉及一种基于静态稳定分析的能源基地高压直流送端孤岛接入和联网接入模式选择方法。

背景技术：

随着全球能源电网互联，直流输电的重要性不断增加，直流系统接入也对交流系统的设计和运行提出了新的挑战。因为受端条件要求更苛刻，容易发生换相失败，以往对于直流系统的关注多集中在受端，然而近些年来，随着能源基地的建立，一些偏远或当地电网较弱的能源基地接入电网时，也会出现稳定性问题。关于能源基地是选择孤岛方式接入直流系统还是联网方式接入直流系统，国内外对于此的研究比较缺乏。本发明方法首先根据当地电网类型进行定性判断，避免等值建模和复杂计算；在定量判断中，将scr类指标作为dq/dv指标的前置辅助判断，并给出了计及送端当地电网模型的能源基地高压直流外送系统换流母线dq/dv计算公式。该方法为高压直流送端能源基地孤岛接入和联网接入模式选择提供了有效的理论和技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于静态稳定分析的能源基地高压直流送端孤岛接入和联网接入模式选择方法，填补现有直流送端接入模式研究中的空白，以帮助对远离主电网能源基地和当地电网较弱时能源基地接入直流系统的模式进行选择。

本发明的技术方案是这样实现的：

1、分析送端当地电网系统装机容量和负荷容量，明确当地电网类型

统计送端当地电网系统装机容量，记为snet；统计送端当地电网有功负荷容量，记为lnet，系统备用取20％，则可判断送端当地电网类型。

若snet>1.2·lnet，则送端当地电源能满足当地电网负荷需求，且能向外部电网提供能源，其电网类型为电源区；

若snet≤1.2·lnet，则送端当地电网不能向外部电网提供能源，甚至送端当地电源不能满足当地电网负荷需求，还需要外部系统提供能源，其电网类型为自平衡区或负荷区。

2、根据当地电网类型，对接入模式进行定性判断

若当地电网是电源区，能源基地与当地电网相连后，送端交流系统强度增加，直流系统稳态运行裕度增加，系统扰动下的波动幅度更小，故应选择联网接入模式。

若当地电网不是电源区，能源基地与当地电网相连后，直流系统稳态运行点及临界点变化不明确，换流母线静态电压稳定性变化不确定，故需要通过进一步的定量计算进行判断。

3、对能源基地和送端当地电网进行等值，建立能源基地联网接入模式的等效计算电路

step1：交流系统的基准功率和基准电压分别取额定直流功率pdn和换流母线电压的额定值udn；直流系统基准功率和基准电压分别取额定直流功率pdn和额定直流电压udn，将系统参数标幺值化。

假设能源基地有n台发电机，第i台发电机暂态电抗和升压变漏抗为x′dti，能源基地汇集母线到直流系统换流母线的联络线每回阻抗为zl，根据能源基地电网和特高压直流系统实际绘制系统接线图，如图2所示：

将n台能源基地发电机和变压器组等值为1台机，则等值发电机阻抗x′dt为：

忽略线路电容，将两回输电线简化等值为阻抗，则线路等值阻抗zl_base计算式为：

step2：采用恒阻抗模型等值送端当地电网负荷，忽略当地电网内部阻抗，则送端电网当地等效负荷lnet可由下式计算：

其中unet为送端当地电网外送母线电压。

step3：利用上述等值结果，结合直流模型，可得联网接入模式下直流送端等效计算电路如图3

4、基于步骤3中的等效计算电路，求解联网接入模式下送端换流母线短路比scrc。

计算换流母线处发生三相接地短路时的短路电流i3_ph：

计算联网接入模式下送端换流母线短路容量sac：

其中un是换流母线稳态时的额定电压。

计算联网接入模式下送端换流母线短路比scrc

5、计算额定功率下直流系统的临界短路比cscr

stpe1：计算与换流变压器参数和直流系统基准值有关的两个常数c和k：

常数c计算式如下：

其中，st和uk％分别为换流变压器的容量和短路百分比，pdn是直流系统额定功率，τ为变压器分接头。

常数k计算式如下：

其中idn是额定直流电流，其他符号含义与之前相同。

stpe2：计算临界短路比cscr

将使得直流输电系统最大可送功率点与额定工作点重合的短路比记为临界短路比cscr，根据ieeedcguide，

其中

其中，γn为关断角额定值，μn为换相角额定值；qdn为直流系统额定无功，bc为换流母线等效无功补偿电容，θ为交流系统等效阻抗角，μ为换相角。

6、比较scrc与cscr，若scrc<cscr，则联网模式不可行，应选择孤岛模式；若scrc≥cscr，则进入步骤7进行进一步计算；

7、基于步骤3中的等效计算电路，计算联网接入模式额定功率下换流母线无功对换流母线电压的灵敏度

根据步骤3中的等效计算电路，得到qbus表达式

qbus＝-qac-qd+qc

使用差商来近似表示各项导数，可得计算式：

根据步骤3中的等效计算电路，列写交直流相互作用方程：

pd＝cu²[cos2γ-cos(2γ+2μ)]

qd＝cu²[2μ+sin2γ-sin(2γ+2μ)]

id＝ku[cosγ-cos(γ+μ)]

ud＝pd/id

qc＝bcu²

pd-pac_b-pac_n＝0

qd+qac_b+qac_n-qc＝0

根据直流控制系统，增加2个方程。

当整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制时，相应的2个控制方程为

id-idn＝0

γ-γn＝0

当整流侧当整流侧采用定电流控制逆变侧采用定电压控制时，相应的控制方程为

id-idn＝0

ud-udn＝0

当换流母线交流电压ubus有增量δub时，对前9个方程增加相应微增量δ并对各方程泰勒展开，省略各变量增量的二次及以上阶次项，可得到9个的增量方程记为f1～f9；

进行静态电压稳定分析时，假定pd与pac始终保持平衡，则得到第10个增量方程f10:

δpd＝δpac

根据控制系统方程，可得另外2个增量方程，记为f11和f12，

定电流控制下：

δid＝0

δγ＝0

或定功率控制下

δid＝0

δud＝0

因此当换流母线交流电压ubus有增量δub时，总共可得到f1～f12共12个增量方程，其矩阵表达式为:

其中j为12×10阶的雅各比矩阵：

使用消去法，从j矩阵的第10列开始从下往上消元，可得到

从而可得到判据为：

(8)以为判据判断送端交流系统静态电压稳定性，若则选择联网接入模式；否则，选择孤岛接入模式

经过定量计算，若确认送端电网为非电源区时联网接入模式的系统短路比仍然大于临界短路比(即系统工作点位于稳定区域)，且换流母线静态电压稳定，在该情况下选用联网接入模式也可提高交流系统强度，改善系统在交直流故障下的表现，故应该选择联网接入模式。

若换流母线静态电压不稳定，则在该情况下选用联网接入模式对于系统静态电压稳定会有不利影响，故应选择孤岛接入模式。

本发明具有以下创新点：

(1)相关领域中缺乏从静态稳定分析出发，专门针对于高压直流送端能源基地孤岛接入和联网接入模式选择的方法；

(2)本发明给出了计及送端当地电网模型的能源基地高压直流外送系统换流母线dq/dv判据计算公式，并选择送端当地电网类型和scr类指标作为前置辅助判断，构造了一种选择方法。

附图说明

图1为一种基于静态稳定分析的高压直流送端能源基地孤岛接入和联网接入模式选择方法的基本步骤框图；

图2为能源基地电网和特高压直流系统实际绘制系统接线图

图3为能源基地联网直流外送工程示意图；

图4为能源基地联网直流外送系统等效计算电路图。

图中物理量说明(下标加n表示该物理量的额定值)：

ubase能源基地等效发电机出口电压

sbase能源基地装机容量

x′dt能源基地等效发电机暂态电抗和变压器电抗

x′dti能源基地第i台发电机暂态电抗和第i台变压器电抗

zl_base能源基地和换流母线联络线路等效阻抗

pac_b能源基地通过联络线向换流母线输出的有功功率

qac_b能源基地通过联络线向换流母线输出的无功功率

snet送端当地电网的容量

lnet送端当地电网等效阻抗

unet送端当地电网联络母线电压

zl_net送端当地电网和换流母线联络线路等效阻抗

pac_n送端当地电网通过联络线向换流母线输出的有功功率

qac_n送端当地电网通过联络线向换流母线输出的无功功率

ubus换流母线电压

un换流母线电压额定值

pac交流系统向换流母线提供的有功功率

qac交流系统向换流母线提供的无功功率

qc换流母线的无功装置发出的无功功率功率

pd换流母线向直流系统提供的有功功率

qd换流母线向直流系统提供的无功功率

uk％换流变压器短路百分比

τ换流变压器绕组绕组比值

c与换流变压器参数及直流系统基准值有关的常数

k与换流变压器参数及直流系统基准值有关的常数

γ换流器关断角

μ换流器换相角

ud直流电压

id直流电流

具体实施方式

下面结合附图，对优选实例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实例中能源基地直流送出工程为如图3所示。

其中，能源基地有共有6台大型火电机组，总装机容量3600mw，各机组参数如下表1所示：

表1能源基地系统参数

送端当地电网参数如下表

表2送端当地电网参数

结合以上资料，根据附图1中的选择方法基本步骤框图进行选择。

步骤1：分析送端当地电网系统装机容量和负荷容量，根据表1，统计得到能源基地电源总装机容量snet：

snet＝150+100+200＝450(mw)

根据表2，统计得到能源基地有功负荷容量lnet：

lnet＝177+90+198+71＝536(mw)

有snet≤1.2·lnet，判断当地电网类型为自平衡区或负荷区。

步骤2：由于当地电网类型为负荷区，不是电源区，进入权利要求1中的步骤3。

步骤3：对能源基地进行等值处理。

交流系统的基准功率取额定直流功率pdn＝3000mw，基准电压分别和换流母线电压的额定值udn＝500kv；直流系统基准功率取额定直流功率pdn＝3000mw，基准电压额定直流电压udn＝500kv，将系统参数标幺值化。

根据表1，，计算等值机组的次暂态电抗和升压变漏抗

x′dt＝0.1j

根据表2，计算能源基地到换流母线等值线路阻抗:

zl_base＝0.008+j0.076

表2，计算送端当地电网的等效负荷阻抗lnet

lnet＝1.878

送端当地电网距离换流母线67.5km，取500kv线路平均参数进行估算，则送端当地电网到换流母线阻抗：

zl_net＝0.007+j0.066

步骤四：计算短路比

计算换流母线处发生三相接地短路时的短路电流

i3_ph＝12.63

计算联网接入模式下送端换流母线短路容量sac：

sac＝21.88

计算联网接入模式下送端换流母线短路比scrc

scrc＝21.88

步骤五：计算联网接入模式下直流系统的临界短路比。

取换流站设备参数st＝1.15pdn、uk％＝18％、τ＝1,因此可由式计算出

c＝1.53

取γn＝15°，可计算出换流阀熄弧角额定值：

μn＝23.87°

进而可算得常数k：

k＝5.339

可得临界短路比为：

cscr＝2.15

则scrc>cscr，进入步骤7。

步骤7：计算换流母线静态电压稳定判据

列写方程计算雅各比矩阵j并化简，计算出

由则应选择联网接入模式。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。