一种直流输电送端孤岛系统潮流分析方法
【专利摘要】本发明是一种直流输电送端孤岛系统潮流分析方法。包括如下步骤：1）划分交流系统和直流系统；2）求解孤岛交流系统潮流；3）交流系统和直流系统无功功率交换容量越限判定，若无功功率交换超出正常运行设定值，则调整换流母线电压幅值，转入步骤2）继续进行，否则进行步骤4）；4）确定直流换流器无功功率补偿小组数；5）确定直流换流站无功功率消耗；6）换流器触发角限幅检查，若在正常运行范围限值内，进行步骤7），否则增加无功功率补偿小组数，返回步骤5）；7）确定换流变分接头；8）潮流收敛判定；9）直流频率限值功能设定。本发明更准确反映了直流输电孤岛系统的实际情况，能够更高效的指导直流输电孤岛系统的规划和运行。
【专利说明】一种直流输电送端孤岛系统潮流分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，特别是一种适用于直流输电系统送端孤岛运行的考虑直流频率限制控制的直流输电送端孤岛运行系统潮流分析方法，属于电力系统安全稳定分析的【技术领域】。
技术背景
[0002]中国煤炭和水电等能源资源主要分布在西部地区，而电力负荷主要集中在东部沿海经济发达的地区，能源资源和电力负荷呈现逆向分布特征。为有效开发利用西部丰富的能源资源，满足经济社会发展对电力的需求，中国从上世纪末开始实施了大规模、远距离的西电东送工程。
[0003]西电东送输电工程主要依托西部大型水电基地或火电基地建设而开展。因直流输电技术在远距离、大容量电力输送方面具有技术经济优势，我国大多数西电东送输电工程均采用直流输电外送。因西部大型水电或火电基地通常比较偏僻，当地负荷小，近区交流电网薄弱，距离骨干网距离较远。为优化电网结构，一些大型水电站孤岛运行，即断开大型水电站与送端电网的交流联络线，水电站、直流整流站、以及水电站至直流整流站的输电线路共同形成孤立的电网，通过直流与受端电网相联。2013年丰期南方电网楚穗直流送端系统成功实施了孤岛运行，是我国首个送端系统孤岛运行的直流输电工程。该孤岛系统由小湾电站、金安桥电站和楚穗直流送端换流站共同组成，断开楚穗换流站与云南电网的500kV交流联络线，通过楚穗直流送电广东电网。
[0004]潮流分析是直流输电送端孤岛系统安全运行的基础。相比常规的交直流混合电网，直流输电送端孤岛运行系统具有如下特点:
[0005]I)孤岛系统的结构拓扑简单，通常由直流换流站辐射交联输电线路至一个或几个电厂，系统潮流分析的重点是直流输电系统的运行状态以及孤岛系统的无功电压水平。而直流输电系统中滤波器投入数量、换流变分接头位置、触发角对孤岛系统无功电压具有重要影响。
[0006]2)孤岛系统的常规负荷很小，通常是直流换流站的站用电及发电厂的站用电，几乎可以忽略不计，孤岛系统内发电机有功功率主要由直流系统输送的功率来平衡。相对于发电机出力容量，直流系统输送功率规模大，直流系统的功率变化对孤岛系统内频率变化具有举足轻重的影响。孤岛系统的频率主要由直流系统的频率限制功能和发电机调速系统来控制，通常直流输电系统频率限制功能的频率死区设置为±0.1Hz，发电机调速器的频率死区设置为±0.5Hz。孤岛系统内的扰动导致频率超出±0.1Hz后，直流频率限制功能快速动作，在IOOms内调整直流输送功率，调整幅度较大，一些直流频率限制功能设置为-50%?20%的直流输电额定功率；扰动导致孤岛频率超出±0.5Hz后，发电机调速器动作，通常在6?8秒内可实现额度功率至空载范围内的功率调整。
[0007]通常的交直流电网潮流分析方法源于交直流混合大电网的物理模型，主要用于分析复杂交流网络的潮流分布和校核系统电压水平。采用常规的交直流电网潮流计算方法分析直流输电系统孤岛运行，存在如下不足:
[0008]I)常规的交直流电网潮流分析方法未考虑直流输电系统的频率限制控制，不能准确模拟直流输电送端孤岛运行系统的潮流特性。
[0009]因交直流大系统中任一机组、线路或变压器元件输送规模相对系统总负荷的比例较小，其故障对整个系统频率变化影响较小，对直流输电系统的输送功率影响不大。故常规的交直流潮流分析方法均假定直流输电的频率限制功能未启用，潮流计算中认为直流输电系统的输送功率不变，采用发电机作为系统的平衡节点。
[0010]而直流输电送端孤岛运行系统中机组、线路或变压器故障，均有可能造成有功扰动，造成系统频率变化，可能启动直流输电的频率限制功能，有可能改变直流输电系统的输送功率，这些潮流特性不能被常规交直流大电网潮流分析方法准确模拟。
[0011]2)常规的交直流大电网潮流分析方法未能准确模拟直流输电系统无功控制功能和换流变分接头调整功能。
[0012]目前广泛应用的的商业化潮流分析程序，例如BPA、PSASP和PSSE，对直流系统的模拟不够准确和灵活。这些程序通常需要用户输入换流站无功补偿总量，要求用户或者指定换流器触发角，或者指定换流变分接头。在用户输入的无功补偿总量不合理的情况下，有可能出现换流变分接头超出其档位范围或者换流器触发角超出正常运行范围等情况，不能模拟直流输电系统的无功小组自动投切，流变压器分接头自动调整的功能。
[0013]针对直流输电孤岛系统运行需求，提出更准确反映直流输电孤岛系统实际情况的潮流分析方法是提高电网安全运行水平的重要措施。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于提出一种更准确反映了直流输电孤岛系统的实际特性，能够更高效的指导直流孤岛系统的规划和运行工作的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法。
[0015]本发明的技术方案是:本发明直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，在直流输电系统送端孤岛运行系统潮流计算中，计及直流输电系统频率限制控制快速控制孤岛系统内有功功率平衡的作用，将直流输电系统送端换流母线节点选取为平衡(松弛)节点，包括如下步骤:
[0016]I)划分交流系统和直流系统；
[0017]2)求解孤岛交流系统潮流；
[0018]3)交流系统和直流系统无功功率交换容量越限判定，对交流系统通过换流母线注入直流系统的无功功率进行检查，若无功功率交换超出正常运行设定值，则调整换流母线电压幅值，转入步骤2)继续进行，否则进行步骤4)；
[0019]4)确定直流换流器无功功率小组数；
[0020]5)确定直流换流站无功功率消耗；
[0021]6)换流器触发角限幅检查，根据换流器消耗无功功率、直流输送有功功率、给定直流电压求取换流器触发角，若在正常运行范围限值内，进行步骤7)，否则增加无功功率补偿小组数，返回步骤5)；
[0022]7)确定换流变分接头；
[0023]8)潮流收敛判定，若交流系统和直流系统潮流求解的换流母线电压幅值差值小于预设值，则潮流收敛，进入步骤9)，否则以直流系统求解的换流母线电压幅值为交流系统平衡节点的电压幅值，返回步骤2)；
[0024]9)直流频率限值功能设定。
[0025]上述步骤I)中，划分交流系统和直流系统是将直流输电送端孤岛系统划分为交流系统和直流系统，换流母线作为交流系统和直流系统的界面；孤岛交流系统潮流分析采用换流母线等值直流输电整流站，并将换流母线作为平衡节点，直流系统潮流求解中，采用换流母线等值交流系统，将换流母线有功功率和无功功率作为输入。
[0026]上述步骤2)中，求解孤岛交流系统潮流是采用常规的交流系统潮流计算程序求解孤岛交流系统潮流，将换流母线从交流系统吸收的有功功率和无功功率，作为直流系统潮流求解的输入。
[0027]上述步骤4)中，确定直流换流器无功功率小组数是根据交流系统通过换流母线注入直流系统的有功功率，即根据直流输送功率，查找直流输电设计时确定的无功功率补偿投切策略表，确定需要投入的最小无功功率补偿小组数，准确模拟直流输电系统对滤波器性能和定值的要求。
[0028]上述步骤5)中，直流换流站无功功率消耗=换流站补偿无功功率+交流系统送入直流系统的无功功率。
[0029]上述步骤7)中，确定换流变分接头的方法是:枚举换流变分接头，求解换流母线电压幅值，最接近交流潮流结果的换流母线电压幅值为直流系统潮流求解结果，对应的档位为换流变分接头档位求解值，准确模拟直流输电系统换流变自动调整的控制策略。
[0030]上述步骤2)中交流系统求解过程中设置换流母线为平衡节点，反映了孤岛系统中潮流变化通过直流输送功率调整予以平衡的实际情况。
[0031]上述步骤6)检查换流器触发角超出正常运行限制值，自动投入无功功率补偿小组数，准确模拟直流输电系统无功功率补偿小组自动投切的控制策略。
[0032]上述步骤9)中以交流系统潮流计算的换流母线有功功率注入作为直流输电的实际输送功率，并将其与直流参考值的差值作为直流频率限制功能的调节量，明确反映了直流输电系统的频率控制功能。
[0033]本发明针对直流输电孤岛系统的运行特点，提出了交直流系统交替求解的方法，在孤岛交流系统求解过程中将直流换流站母线作为平衡节点，采用常规交流潮流分析方法得到换流母线的有功功率和无功功率潮流。将换流母线的有功功率和无功功率潮流作为直流输电系统的输入，求解直流输电系统内部的运行变量，反推出换流母线电压，作为交流系统迭代的输入。本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0034]I)本发明针对由发电机、直流输电送端换流站、发电机至直流输电送端换流站的交流线路组成的孤岛系统，充分考虑了直流系统通过其频率限制控制功能快速提升或降低直流功率来维持直流输电送端孤岛系统有功平衡的作用。
[0035]2)本发明将直流输电送端孤岛系统划分为交流系统和直流系统，换流母线作为交流系统和直流系统的界面。不同于常规的交流系统潮流模型采用发电机作为平衡节点，孤岛交流系统潮流分析采用换流母线等值直流输电整流站，并将换流母线作为平衡节点，采用常规的交流系统潮流计算程序求解后，将换流母线从交流系统吸收的有功功率和无功功率作为直流系统潮流求解的输入。[0036]3)本发明在直流系统潮流求解过程中，根据交流系统通过换流母线注入直流系统的有功功率，查找直流输电设计时确定的无功功率投切策略表，确定需要投入的最小无功功率补偿小组数。根据直流输送功率、换流器无功功率消耗、直流电压、直流电流求解送端换流器的触发角，并根据其是否超出正常运行限制值，判断是否需要自动投入无功功率补偿小组数。通过枚举换流变分接头，求解换流母线电压幅值，并将其作为交流系统平衡节点的电压幅值，返回交流系统迭代求解。
[0037]4)本发明能够详细地模拟直流输电系统的频率限制控制功能，换流站无功功率补偿小组自动投入的功能，换流变分接头自动调整的功能，更准确反映了直流输电孤岛系统的实际情况，能够更高效的指导直流输电孤岛系统的规划和运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是直流输电送端孤岛运行系统中交直流系统划分示意图。
[0039]图中，Ua。为换流母线电压幅值，Pac和Qa。为换流母线从交流系统吸收的有功功率和无功功率，Qc为滤波器无功功率补偿量，Pac为直流系统输送有功功率，Qac为直流换流器无功功率消耗。
[0040]图2是本发明方法的实现流程图。
【具体实施方式】
[0041]参照附图1和2，图1是直流输电送端孤岛运行系统中交直流系统划分示意图。将送端孤岛系统以换流母线为界面，划分为交流系统和直流系统。图2是本发明方法的实现流程图，下面对本发明的方法进行详细描述:
[0042]I)划分交流系统和直流系统
[0043]采用交流系统潮流和直流系统潮流交替迭代求解方法，需要将图1所示送端孤岛系统划分为交流系统和直流系统，换流母线作为交流系统和直流系统的界面。
[0044]不同于常规的交流系统潮流模型采用发电机作为平衡节点，孤岛交流系统潮流分析采用换流母线等值直流输电整流站，并将换流母线作为平衡节点。直流系统潮流求解中，采用换流母线等值交流系统，将换流母线有功功率和无功功率作为输入。
[0045]2)求解孤岛交流系统潮流
[0046]设定平衡节点的电压相角为0，电压幅值为11?: (k为迭代次数)，满足
^mitl ^ ^ ，对于500kV电网，通常Umin=500，Umax=550 ;将孤岛系统内所有发电
机节点设置为PV节点，设定发电机节点的有功功率出力和端电压幅值，并以发电机进相和滞相能力作为无功功率出力上下限值。采用常规的交流系统潮流计算程序求解孤岛交流系统潮流，得到各节点的有功功率、无功功率、电压幅值和相角。换流母线从交流系统吸收的
有功功率P|f和无功功率，作为直流系统潮流求解的输入。
[0047]3)交直流系统无功功率交换容量越限判定
[0048]对交流系统通过换流母线注入直流系统的无功功率_进行检查，
【权利要求】
1.一种直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于在直流输电系统送端孤岛运行系统潮流计算中，计及直流输电系统频率限制控制快速控制孤岛系统内有功功率平衡的作用，将直流输电系统送端换流母线节点选取为平衡节点，包括如下步骤: 1)划分交流系统和直流系统； 2)求解孤岛交流系统潮流； 3)交流系统和直流系统无功功率交换容量越限判定，对交流系统通过换流母线注入直流系统的无功功率进行检查，若无功功率交换超出正常运行设定值，则调整换流母线电压幅值，转入步骤2)继续进行，否则进行步骤4)； 4)确定直流换流器无功功率小组数； 5)确定直流换流站无功功率消耗； 6)换流器触发角限幅检查，根据换流器消耗无功功率、直流输送有功功率、给定直流电压求取换流器触发角，若在正常运行范围限值内，进行步骤7)，否则增加无功功率补偿小组数，返回步骤5); 7)确定换流变分接头； 8)潮流收敛判定，若交流系统和直流系统潮流求解的换流母线电压幅值差值小于预设值，则潮流收敛，进入步骤9)，否则以直流系统求解的换流母线电压幅值为交流系统平衡节点的电压幅值，返 回步骤2); 9)直流频率限值功能设定。
2.根据权利要求1所述的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤O中，划分交流系统和直流系统是将直流输电送端孤岛系统划分为交流系统和直流系统，换流母线作为交流系统和直流系统的界面；孤岛交流系统潮流分析采用换流母线等值直流输电整流站，并将换流母线作为平衡节点，直流系统潮流求解中，采用换流母线等值交流系统，将换流母线有功功率和无功功率作为输入。
3.根据权利要求1所述的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤2)中，求解孤岛交流系统潮流是采用常规的交流系统潮流计算程序求解孤岛交流系统潮流，将换流母线从交流系统吸收的有功功率和无功功率，作为直流系统潮流求解的输入。
4.根据权利要求1所述的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤4)中，确定直流换流器无功功率小组数是根据交流系统通过换流母线注入直流系统的有功功率，即根据直流输送功率，查找直流输电设计时确定的无功功率补偿投切策略表，确定需要投入的最小无功功率补偿小组数，准确模拟直流输电系统对滤波器性能和定值的要求。
5.根据权利要求1所述的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤5)中，直流换流站无功功率消耗=换流站无功功率补偿无功+交流系统送入直流系统的无功功率。
6.根据权利要求1所述的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤7)中，确定换流变分接头的方法是:枚举换流变分接头，求解换流母线电压幅值，最接近交流潮流结果的换流母线电压幅值为直流系统潮流求解结果，对应的档位为换流变分接头档位求解值，准确模拟直流输电系统换流变自动调整的控制策略。
7.根据权利要求1所述的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤2)中交流系统求解过程中设置换流母线为平衡节点，反映了孤岛系统中潮流变化通过直流输送功率调整予以平衡的实际情况。
8.根据权利要求1所述的直流输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤6)检查换流器触发角超出正常运行限制值，自动投入无功功率补偿小组数，准确模拟直流输电系统无功功率补偿小组自动投切的控制策略。
9.根据权利要求1所述的直流 输电送端孤岛系统潮流分析方法，其特征在于上述步骤9)中以交流系统潮流计算的换流母线有功功率注入作为直流输电的实际输送功率，并将其与直流参考值的差值作为直流频率限制功能的调节量，明确反映了直流输电系统的频率控制功能。
【文档编号】H02J3/36GK103904674SQ201310682075
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】洪潮, 周保荣, 赵勇, 赵利刚, 王长香 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司