多类型电源打捆直流外送系统的功率传输能力计算方法

本发明涉及电力系统稳定分析，具体涉及一种多类型电源打捆直流外送系统的功率传输能力计算方法。

背景技术：

1、随着可再生能源的快速发展，多类型电源打捆常规直流外送系统已经成为了新型电力系统中的重要组成部分。然而，当送端电源有功出力配比不同的时候，由于系统稳态运行点发生变化，可能导致系统无法满足维持稳态运行的各类约束；且随着可再生能源大规模并网以及其他大容量电力电子装置的广泛应用，送端交流系统的强度相对减弱，各装备间交互作用愈发强烈，可能会引发新的稳定问题，从而使系统功率传输能力受限甚至出现不稳定现象。

2、针对电力电子化电力系统的功率传输能力研究大多以直流系统、新能源并网系统、新能源经直流送出系统为研究对象。目前已有研究采用临界短路比、最大传输有功功率(maximum available power，map)等指标来衡量电网换相换流器高压直流输电(linecommutated converter based high voltage direct current,lcc-hvdc)的稳定运行极限，研究了静止同步补偿器、电压源换流器型高压直流输电对lcc-hvdc最大可传输功率的影响；且已有研究基于等效同步发电机模型、受控电流源特性，进一步考虑控制环路的动态过程，分析新能源并网变换器的功率传输能力。

3、已有研究讨论了新能源并网变换器有功、无功输出对lcc-hvdc功率传输能力的影响，且有部分研究讨论了风、火两类电源的配比对风火打捆直流外送系统小信号稳定性的影响，然而上述研究均未综合考虑小信号稳定性和多维稳态运行约束条件后的系统功率传输能力，且仅涉及了两类不同电源配比情况。随着高比例新能源接入电力系统，多类型异构电源经直流送出系统快速发展，如风光水打捆经lcc-hvdc外送系统，在送端电源配比不同时，系统功率传输能力不同，尤其在低水电出力情况下系统可能无法稳定运行在额定状态，此时涉及到多类型电源的出力配比优化问题，增加了分析和研究的复杂度。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种多类型电源打捆直流外送系统功率传输能力计算方法，该方法既兼顾了小信号稳定约束和多维稳态运行约束，又考虑了风、光、水等多类型异构电源配比多样性，可以简单高效地定量评估风、光、水等不同电源配比不同时直流外送系统的功率传输能力，从而可以通过优化选取风、光、水等电源的配比来提高系统功率传输能力。

2、为了达成上述目的，本发明采用的具体方案如下：

3、本发明第一方面提出了一种多类型电源打捆直流外送系统的功率传输能力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1：获取稳态数学模型和状态空间模型；

5、步骤2：根据所述稳态数学模型和状态空间模型归纳稳态运行约束条件和小信号稳定性约束条件；

6、步骤3：根据所述稳态运行约束条件和小信号稳定性约束条件组成的多维约束条件搜索得到满足所述多维约束条件的所有功率运行点，共同构成系统稳定运行区域；

7、步骤4：根据所述稳定运行区域得到多类型电源配比与系统功率传输能力的关系。

8、根据本发明的一个实施方式，根据系统潮流方程和lcc-hvdc稳态方程建立系统的稳态数学模型。

9、根据本发明的一个实施方式，根据系统的动态过程建立状态空间模型，其可以表示为：其中，xall、uall分别为系统状态向量、输入向量。

10、根据本发明的一个实施方式，所述稳态运行约束条件包括满足系统潮流的基本约束条件和满足安全运行的附加约束条件。

11、根据本发明的一个实施方式，所述满足安全运行的附加约束条件包括交流母线电压偏移约束和lcc-hvdc安全运行约束；其中，所述交流母线电压偏移约束可以表示为：其中，upccr和upcci分别表示lcc-hvdc整流侧和逆变侧交流母线电压；umin取0.95p.u.；umax取1.05p.u.；所述lcc-hvdc安全运行约束可以表示为：其中，αr和γi分别表示lcc-hvdc整流侧触发角和逆变侧关断角，其中α0取5°，γ0取7.2°。

12、根据本发明的一个实施方式，所述小信号稳定性约束条件可以通过如下方式确定：将所述状态空间模型在平衡点处线性化，得到系统小信号模型，可表示为：其中，aall、ball分别为系统整体状态矩阵、输入矩阵；δxall、δuall分别为系统状态向量增量、输入向量增量；

13、然后通过能量衰减指标μ来衡量系统小信号稳定性，能量衰减指标μ对应小信号稳定性约束条件可以表示为：其中，p为实对称矩阵，q为正定对称矩阵，eig(p-1)表示求取p-1的特征值，μ为能量衰减指标。；

14、根据本发明的一个实施方式，所述多类型电源包括风电、水电和光伏电源。

15、根据本发明的一个实施方式，所述根据所述多维约束条件搜索得到满足多维约束条件的所有功率运行点，共同构成系统稳定运行区域具体包括：

16、步骤1：在给定水电有功出力下，给定直流传输功率pdcr和风光有功配比；

17、步骤2：根据所述稳态数学模型求解得到水电功率运行点和风电、光伏功率运行点，根据所述小信号模型计算对应稳态运行点下的所述状态矩阵aall，判断是否满足系统稳态运行约束条件和小信号稳定性约束条件，若满足则说明所得的水电、风电、光伏功率稳定运行，所述直流传输功率pdcr为满足所述多维约束条件的一组功率运行点；

18、步骤3：改变水电有功出力、直流传输功率或风光有功配比，采用遍历搜索的方式，找出所有满足所述多维约束条件的功率运行点，最终构成系统稳定运行区域。

19、根据本发明的一个实施方式，所述改变水电有功出力、直流传输功率或风光有功配比，通过遍历搜索方式找出所有满足多维约束条件的功率运行点包括以下步骤：

20、步骤1：保持水电有功出力、直流传输功率pdcr不变，改变风光有功配比，并重复计算对应工况下满足所述多维约束条件的功率运行点；若已经搜索完所有风光有功配比，则进入下一步；

21、步骤2：保持水电有功出力不变，改变直流传输功率pdcr，给定一组风光有功配比，并重复计算对应工况下满足所述多维约束条件的功率运行点；若已经搜索完所有直流传输功率pdcr，则进入下一步；

22、步骤3：改变水电有功出力，给定直流传输功率pdcr和风光有功配比，并重复计算对应工况下满足所述多维约束条件的功率运行点；若已经搜索完所有水电有功出力，则得到了所有满足多维约束条件的功率运行点。

23、根据本发明的一个实施方式，根据所述稳定运行区域掌握不同功率水平下系统稳定运行边界的变化特征，最终得到不同水电出力下的直流外送系统功率传输范围、特定传输功率下所允许的水电出力最小值、风光配比与小信号稳定性的定量关系。

技术特征：

1.一种多类型电源打捆直流外送系统的功率传输能力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：根据系统潮流方程和lcc-hvdc稳态方程建立系统的稳态数学模型。

3.如权利要求1所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：根据系统的动态过程建立状态空间模型，其可以表示为：其中，xall、uall分别为系统状态向量、输入向量。

4.如权利要求1所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：所述稳态运行约束条件包括满足系统潮流的基本约束条件和满足安全运行的附加约束条件。

5.如权利要求4所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：所述满足安全运行的附加约束条件包括交流母线电压偏移约束和lcc-hvdc安全运行约束；其中，所述交流母线电压偏移约束可以表示为：其中，upccr和upcci分别表示lcc-hvdc整流侧和逆变侧交流母线电压；umin取0.95p.u.；umax取1.05p.u.；所述lcc-hvdc安全运行约束可以表示为：其中，αr和γi分别表示lcc-hvdc整流侧触发角和逆变侧关断角，其中α0取5°，γ0取7.2°。

6.如权利要求1所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：所述小信号稳定性约束条件可以通过如下方式确定：将所述状态空间模型在平衡点处线性化，得到系统小信号模型，可表示为：其中，aall、ball分别为系统整体状态矩阵、输入矩阵；δxall、δuall分别为系统状态向量增量、输入向量增量；

7.如权利要求6所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：所述多类型电源包括风电、水电和光伏电源。

8.如权利要求7所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：所述根据所述多维约束条件搜索得到满足多维约束条件的所有功率运行点，共同构成系统稳定运行区域具体包括：

9.如权利要求8所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：所述改变水电有功出力、直流传输功率或风光有功配比，通过遍历搜索方式找出所有满足多维约束条件的功率运行点包括以下步骤：

10.如权利要求8所述的功率传输能力计算方法，其特征在于：根据所述稳定运行区域掌握不同功率水平下系统稳定运行边界的变化特征，最终得到不同水电出力下的直流外送系统功率传输范围、特定传输功率下所允许的水电出力最小值、风光配比与小信号稳定性的定量关系。

技术总结
本发明公开一种多类型电源打捆直流外送系统的功率传输能力计算方法，其中，所述方法包括：获取稳态数学模型和状态空间模型；根据所述稳态数学模型和状态空间模型归纳稳态运行约束条件和小信号稳定性约束条件；根据多维的约束条件遍历搜索得到满足多维约束条件的所有功率运行点，共同构成系统稳定运行区域；根据所述稳定运行区域掌握不同功率水平下系统稳定运行边界的变化特征，得到多类型电源配比与系统功率传输能力的关系。该方法定量评估了多类型电源配比不同时直流外送系统的功率传输能力，从而可以通过优化选取多类型电源的配比来提高系统功率传输能力。

技术研发人员：郭春义,刘晓颖
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13