一种柔性直流输电的计算方法及装置与流程

本发明涉及电网技术领域，尤其涉及一种柔性直流输电的计算方法及装置。

背景技术：

现有技术中，直流输电技术越来越多的应用于电力传输的过程中，但是采用直流输电技术的直流输电系统经常会由于在换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，从而发生换相失败，甚至导致电网崩溃。

相比于直流输电技术，柔性直流输电具有无换相失败风险、可实现有功无功快速解耦控制和输出电压电流谐波含量低等诸多优点，以柔性直流输电为主的柔性直流输电装置在电力传输的应用也越来越多。

虽然柔性直流输电装置可以输出一定容量的无功功率用来支撑交流系统电压，在一些特殊运行方式下(如检修方式等)，若交流系统发生线路断线等严重故障，此时交流系统与柔性直流输电装置组成的输电系统的系统容量降低，导致柔性直流输电装置的系统电压发生波动，使得柔性直流输电装置存在一定的失稳风险；而且柔性直流系统的输送容量越大，失稳的风险越大。

如何计算输电系统中柔性直流输电装置在极弱的交流输电系统的影响下的输电能力极限成为一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种柔性直流输电的计算方法及装置，解决了现有技术中无法计算输电系统中柔性直流输电装置在极弱的交流输电系统影响下的输电能力极限问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面、本发明的实施例提供一种柔性直流输电的计算方法，包括：

获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程；

根据潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组；

根据柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，计算柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数，其中当导数为0时，输出有功功率为柔性直流输电的最大输电极限。

优选的，根据潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组包括：

获取交流系统的短路比SCR，其中短路比SCR的计算公式包括：

其中，Z表示交流系统的短路阻抗，Z_acb表示阻抗基准值，Z_pu表示阻抗标幺值；

获取交流系统的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：

其中，P_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的有功功率，Q_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的无功功率，P_dc表示柔性直流输电装置的有功功率，Q_dc为表示柔性直流输电装置的无功功率，θ表示短路阻抗Z的角度，δ为端电压U的角度，U为交流系统的端电压，E为交流系统的内电势；

根据潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组包括：

根据潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，其中柔性直流输电最大输电极限的分析方程组包括：

其中，I_d表示柔性直流输电装置的有功电流，I_q为表示柔性直流输电装置的无功电流。

优选的，根据潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组前，还包括：

获取等效关系，其中，等效关系包括：将柔性直流输电装置等效为可控电流源，并将可控电流源的无功功率参考值设置为0；

获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，还包括：

根据获取等效关系，转换潮流平衡方程，其中，转换后的潮流平衡方程包括：

根据潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组包括：

根据转换后的潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组。

第二方面、本发明的实施例提供一种柔性直流输电的计算装置，包括：

数据获取单元，用于获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程；

处理单元，用于根据数据获取单元获取的潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组；

计算单元，用于根据处理单元计算的柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，计算柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数，其中当导数为0时，输出有功功率为柔性直流输电的最大输电极限。

优选的，

数据获取单元，还用于获取交流系统的短路比SCR，其中短路比SCR的计算公式包括：

其中，Z表示交流系统的短路阻抗，Z_acb表示阻抗基准值，Z_pu表示阻抗标幺值；

数据获取单元，还用于获取交流系统的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：

其中，P_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的有功功率，Q_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的无功功率，P_dc表示柔性直流输电装置的有功功率，Q_dc为表示柔性直流输电装置的无功功率，θ表示短路阻抗Z的角度，δ为端电压U的角度，U为交流系统的端电压，E为交流系统的内电势；

处理单元，具体用于根据数据获取单元获取的潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，其中柔性直流输电最大输电极限的分析方程组包括：

其中，I_d表示柔性直流输电装置的有功电流，I_q为表示柔性直流输电装置的无功电流。

具体的优选的，该装置还包括：数据参数单元；

数据参数单元，用于获取等效关系，其中，等效关系包括：将柔性直流输电装置等效为可控电流源，并将可控电流源的无功功率参考值设置为0；

数据获取单元，具体用于根据数据参数单元获取的等效关系，转换潮流平衡方程，其中转换后的潮流平衡方程包括：

处理单元，具体用于根据数据获取单元获取的转换后的潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组。

本发明实施例提供的柔性直流输电的计算方法及装置，通过获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，并根据潮流平衡方程计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组；通过对柔性直流输电最大输电极限的分析方程组进行求解，当柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数为0时，柔性直流输电的输电能力最大，此时柔性直流输电装置的输出有功率即为柔性直流输电装置的最大输电极限，通过分析柔性直流的失稳机理并定量地分析其输电极限可以为电力系统的安全稳定运行提供理论依据并为电力系统方式安排提供参考，从而解决了现有技术中无法计算输电系统中柔性直流输电装置在极弱的交流输电系统影响下的输电能力极限问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例提供的一种柔性直流输电的计算方法的流程图；

图2为本发明的实施例提供的一种柔性直流输电的计算方法的另一种流程图；

图3为实际应用中柔性直流输电的系统原理图；

图4为在实际的应用中柔性直流输电输出有功电流与输出功率、端电压幅值之间的关系图；

图5为本发明的实施例提供的一种柔性直流输电的计算装置的结构示意图；

图6为本发明的实施例提供的一种柔性直流输电的计算装置的另一种结构示意图。

附图标记：

柔性直流输电的计算装置-10；

数据获取单元-101；

处理单元-102；

计算单元-103；

数据参数单元-104。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一、本发明的实施例提供一种柔性直流输电的计算方法，如图1所示包括：

S101、获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程。

S102、根据潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组。

S103、根据柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，计算柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数，其中当导数为0时，输出有功功率为柔性直流输电的最大输电极限。

本发明实施例提供的柔性直流输电的计算方法，通过获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，并根据潮流平衡方程计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组；通过对柔性直流输电最大输电极限的分析方程组进行求解，当柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数为0时，柔性直流输电的输电能力最大，此时柔性直流输电装置的输出有功率即为柔性直流输电装置的最大输电极限，通过分析柔性直流的失稳机理并定量地分析其输电极限可以为电力系统的安全稳定运行提供理论依据并为电力系统方式安排提供参考，从而解决了现有技术中无法计算输电系统中柔性直流输电装置在极弱的交流输电系统影响下的输电能力极限问题。

实施例二、本发明的实施例提供一种柔性直流输电的计算方法，如图2所示包括：

S1010、获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程。

需要说明的是，在实际的应用中建立包含柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程；其中交流系统模型由短路阻抗和内电势组成，短路阻抗标幺值的倒数即是交流系统的短路比，该参数反映此交流系统的强度，内电势表示交流系统的电压等级；柔性直流通常采用双环控制结构即外环为功率控制环，内环为电流控制环，因此其可以等效为可控电流源，其无功电流参考值通常设为0，有功电流值可以由调度人员进行设定。

S1020、获取交流系统的短路比(英文全称：short circuit ratio，简称：SCR)，其中短路比SCR的计算公式包括：

其中，Z表示交流系统的短路阻抗(英文全称：impedance)，单位为欧姆，符号为Ω，Z_acb表示阻抗基准值，Z_pu表示阻抗标幺值。

S1030、获取交流系统的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：

其中，P_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的有功功率，单位为瓦，符号为W，Q_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的无功功率，单位为瓦，符号为W，P_dc表示柔性直流输电装置的有功功率，Q_dc为表示柔性直流输电装置的无功功率，单位为瓦，符号为W，θ表示短路阻抗Z的角度，δ为端电压U的角度，U为交流系统的端电压，E为交流系统的内电势。

需要说明的是，在实际的应用中交流系统中包含交流电源，其中，E为交流系统中交流电源的内电势，E为交流电源的端电压。

S1040、根据转换后的潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，其中柔性直流输电最大输电极限的分析方程组包括：

其中，I_d表示柔性直流输电装置的有功电流，单位为安培，符号为A，I_q为表示柔性直流输电装置的无功电流，单位为安培，符号为A。

S1050、根据柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，计算柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数，其中当导数为0时，输出有功功率为柔性直流输电的最大输电极限。

优选的，根据潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组前，还包括：

获取等效关系，其中，等效关系包括：将柔性直流输电装置等效为可控电流源，并将可控电流源的无功功率参考值设置为0。

获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，还包括：

根据获取等效关系，转换潮流平衡方程，其中，转换后的潮流平衡方程包括：

需要说明的是，为了说明如何在实际的计算场景中运用本发明实施例提供的柔性直流输电的计算方法，给出如图3所示的应用场景，具体的实现方式如下：

图3中E为交流系统的内电势；Z为交流系统的短路阻抗，θ为其角度；U为柔性直流输电系统的端电压，δ为其角度；P_ac、Q_ac为交流系统注入柔性直流输电系统的有功功率和无功功率；P_dc、Q_dc为柔性直流的有功功率和无功功率；I_d、I_q为柔性直流的有功电流参考和无功电流参考。

柔性直流输电极限计算分析用潮流平衡方程由交流系统等效模型和柔性直流等效模型两部分组成。

其中，短路阻抗Z的另一种表达方式是短路比SCR，短路比SCR的定义为换流站母线的短路容量S_ac与额定直流功率P_dcN的比值：

选取阻抗基准值为：

则短路比SCR可以表示为：

由交流系统的潮流平衡方程可得(以下功率、电压、阻抗、电流皆为标幺值)

由于柔性直流可以等效为可控电流源，因此其潮流平衡方程如下：

由此可得柔性直流输电极限计算分析用方程组如下：

假设交流系统短路比为1，即为极弱交流系统；同时设定柔性直流与交流系统交换的无功功率为0，交流系统短路阻抗阻抗角为80度，则可以得到如图4所示的关系曲线，其中图4中P_ac表示柔性直流装置的输出有功功率，u表示交流系统的端电压幅值，I_d表示柔性直流装置的有功电流值。

由图4可知，交流系统短路比为1时，若柔性直流输电有功电流标幺值(英文全称：Per unit，简称：pu)I_d逐渐增加，则柔性直流输出有功功率先是增加，当达到最大值0.6pu后又逐渐降低直至系统失稳；由于现有技术中控制器在控制柔性直流输出有功功率时是根据柔性直流输电有功电流与柔性直流输出有功功率的正相关线性关系设计的，当时，满足柔性直流输电有功电流与柔性直流输出有功功率的正相关关系，因此此时系统是保持稳定的；而当时，此时柔性直流输电有功电流与柔性直流输出有功功率为负相关关系，因此控制器不能很好的控制柔性直流输出有功功率，从而导致系统不稳定；当时可以求出此时柔性直流的输电极限，即交流系统短路比为1时，柔性直流最多只能输出0.6pu的额定有功功率。

本发明实施例提供的柔性直流输电的计算方法，通过获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，获取交流系统的短路比SCR以及潮流平衡方程，根据潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组；通过对柔性直流输电最大输电极限的分析方程组进行求解，当柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数为0时，柔性直流输电的输电能力最大，此时柔性直流输电装置的输出有功率即为柔性直流输电装置的最大输电极限，通过分析柔性直流的失稳机理并定量地分析其输电极限可以为电力系统的安全稳定运行提供理论依据并为电力系统方式安排提供参考，从而解决了现有技术中无法计算输电系统中柔性直流输电装置在极弱的交流输电系统影响下的输电能力极限问题。

实施例三、本发明的实施例提供一种柔性直流输电的计算装置10，如图5所示包括：

数据获取单元101，用于获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程。

处理单元102，用于根据数据获取单元101获取的潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组。

计算单元103，用于根据处理单元102计算的柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，计算柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数，其中当导数为0时，输出有功功率为柔性直流输电的最大输电极限。

本发明实施例提供的柔性直流输电的计算装置，通过数据获取单元获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，处理单元根据潮流平衡方程计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组；计算单元通过对柔性直流输电最大输电极限的分析方程组进行求解，计算当柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数为0时，柔性直流输电的输电能力最大，此时柔性直流输电装置的输出有功率即为柔性直流输电装置的最大输电极限，通过分析柔性直流的失稳机理并定量地分析其输电极限可以为电力系统的安全稳定运行提供理论依据并为电力系统方式安排提供参考，从而解决了现有技术中无法计算输电系统中柔性直流输电装置在极弱的交流输电系统影响下的输电能力极限问题。

实施例四、本发明的实施例提供一种柔性直流输电的计算装置10，如图6所示包括：

数据参数单元104，用于获取等效关系，其中，等效关系包括：将柔性直流输电装置等效为可控电流源，并将可控电流源的无功功率参考值设置为0。

数据获取单元101，用于获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，并根据数据参数单元获取的等效关系，转换潮流平衡方程，其中转换后的潮流平衡方程包括：

优选的，数据获取单元，还用于获取交流系统的短路比SCR，其中短路比SCR的计算公式包括：

其中，Z表示交流系统的短路阻抗，Z_acb表示阻抗基准值，Z_pu表示阻抗标幺值。

优选的，数据获取单元，还用于获取交流系统的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：

其中，P_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的有功功率，Q_ac表示柔性直流输电装置注入交流系统的无功功率，P_dc表示柔性直流输电装置的有功功率，Q_dc为表示柔性直流输电装置的无功功率，θ表示短路阻抗Z的角度，δ为端电压U的角度，U为交流系统的端电压，E为交流系统的内电势。

处理单元102，具体用于根据数据获取单元获取的转换后的潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，其中柔性直流输电最大输电极限的分析方程组包括：

其中，I_d表示柔性直流输电装置的有功电流，I_q为表示柔性直流输电装置的无功电流。

计算单元103，用于根据处理单元102计算的柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，计算柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数，其中当导数为0时，输出有功功率为柔性直流输电的最大输电极限。

需要说明的是，在实际的应用中为了更加直观的显示柔性直流输电的最大输电极限，也可以通过处理单元计算的柔性直流输电最大输电极限的分析方程组，绘制柔性直流有功电流值与输出有功功率、端电压幅值的关系曲线；然后通过判断柔性直流输出有功功率对其输出电流的导数符号即可判断柔性直流的稳定性，若其值为正，则柔性直流可以稳定运行；若其值为负，则柔性直流失稳。同时，求出其等于零时的功率值即是柔性直流的输电极限。

本发明实施例提供的柔性直流输电的计算装置，通过数据获取单元获取柔性直流输电装置和交流系统的潮流平衡方程，并根据数据参数单元获取的等效关系，将潮流平衡方程进行转换；通过数据获取单元获取的转换后的潮流平衡方程、短路比SCR的计算公式以及潮流平衡方程，计算得到柔性直流输电最大输电极限的分析方程组；通过计算单元对柔性直流输电最大输电极限的分析方程组进行求解，当柔性直流输电装置的输出有功功率对柔性直流输电装置的有功电流值的导数为0时，柔性直流输电的输电能力最大，此时柔性直流输电装置的输出有功率即为柔性直流输电装置的最大输电极限，通过分析柔性直流的失稳机理并定量地分析其输电极限可以为电力系统的安全稳定运行提供理论依据并为电力系统方式安排提供参考，从而解决了现有技术中无法计算输电系统中柔性直流输电装置在极弱的交流输电系统影响下的输电能力极限问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。