一种抑制多直流连锁换相失败的调相机布点方法与流程

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体地说本发明涉及一种抑制多直流连锁换相失败的调相机布点方法。

背景技术：

在多馈入直流系统中，若各直流换流站间电气耦合紧密而接入的交流系统强度不足时，某一条直流近区交流线路发生短路故障很可能引起多条直流同时或相继换相失败，对受端系统产生较大功率冲击，如果直流系统发生长时间、连续的换相失败则可能导致直流系统闭锁，引起直流功率传输的中断，易导致交流系统暂态失稳，甚至引发一系列的连锁故障，最终导致大停电事故的发生。

目前，采用诸如静止无功补偿器(svc)、静止同步补偿器(statcom)等动态无功补偿装置来提高直流近区系统电压稳定性，抑制多馈入直流连锁换相失败是学术界研究和工程应用较为普遍的方法。为了能够充分发挥动态无功补偿装置的效能，使其对抑制多回直流同时或相继换相失败具有综合最优的支撑效果，必须对动态无功补偿装置的布点进行灵敏度分析计算并提出相应的评估指标，选择指标最优点进行配置。

现有的动态无功补偿装置布点方法大多属于静态分析的范畴，无法有效评估包括感应电动机以及直流输电系统在内的快速响应设备的动态过程。某些基于暂态电压稳定的分析方法的文献从多馈入直流交互作用因子出发，提出利用换相失败灵敏度因子(dvsf)定位补偿装置最佳安装地点，但该方法仅仅考虑了换流母线电压跌落幅度，忽略了其跌落持续时间和直流电流上升对直流换相失败的影响。

分析表明，交直流电网在受扰后的暂态过程中换流母线电压和直流电流通常是交互影响的。某些情况下，仅依靠传统的根据换流母线电压幅值的跌落判断换相失败得到的指标难以真实地反映受扰换流母线电压和直流电流之间的动态交互影响，也难以适应系统运行中交直流动态交互行为的变化，从而可能导致采用这些指标得到的结果与实际情况不相符。

因此，传统的动态无功装置布点方法由于没有考虑在交直流电网实际运行中换流母线电压和直流电流之间的动态交互影响，存在导致采用这些布点方法得到的结果与实际情况不相符甚至可能因此恶化交直流电网运行性能的危险，造成电网安全或经济方面的严重后果。为此，需要一种能够在动态无功补偿装置布点指标中计及换流母线电压和直流电流之间交互影响和准确反映连锁换相失败类别，从而有效适应交直流动态交互行为变化的控制布点方法。

技术实现要素：

本发明目的是：针对现有技术的不足，提出一种抑制多直流连锁换相失败的调相机布点方法。该方法旨在根据电压控制灵敏度的原理，计及多回直流交互耦合作用和直流传输功率水平因素影响，并分析换流母线电压跌落幅度、跌落持续时间以及直流电流上升对换相失败的影响，得到能够有效适应交直流动态交互行为变化的调相机的无功提升控制评估指标，使得调相机对多回直流的综合支撑能力得到最大改善。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：

1)确定直流换相失败后导致其他直流同时或相继换相失败风险较高的区域，并将此区域确定为调相机安装区域；

2)对于调相机安装区域内的所有节点，分别计算得到在各节点处安装调相机时的无功提升控制评估指标并排序，将排序首位的节点作为调相机最佳安装地点；

各节点处安装调相机时的无功提升控制评估指标计算公式如下：

其中，eq.i为调相机安装区域内第i个节点处安装调相机时的无功提升控制评估指标，n为直流的总数，zjj为第j回直流的换流站的自阻抗，zkj为第k回直流的换流站和第j回直流的换流站间的互阻抗，pdj为第j回直流输送的额定功率，pdk为第k回直流输送的额定功率，δηvaj、δηvtj、δidj依次为在设定的低电压门槛值ucr和容许低电压的持续时间tcr条件下在调相机安装区域内第i个节点处安装调相机前后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值裕度的变化量、电压跌落持续时间裕度的变化量和直流电流最大值的变化量，kzs为把电压跌落持续时间换算成电压的折算因子，zeqj为将从第j回直流的逆变站换流母线侧向系统看进去的戴维南等值阻抗，δqi为调相机提供的无功变化量；

3)根据节点无功补偿容量上限确定调相机安装容量是否达到预设目标，若达到则结束本方法，若未达到则转至步骤2)，重复布置直至达到预设目标结束。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤1)中确定直流换相失败后导致其他直流同时或相继换相失败风险较高的区域的方法为：

根据机电暂态仿真计算多回直流的多馈入交互作用因子，将第j回直流相对第k回直流的多馈入交互作用因子记为miifkj；如果计算出的miifkj>0.3，则认为当第j回直流发生换相失败时，第k回直流也将同时或相继发生换相失败；如果有母线发生故障时，所有直流系统的换相失败直流比例超过预先设定的门槛值s，则将该母线近区确定为直流换相失败后导致其他直流同时或相继换相失败风险较高的区域。

上述技术方案的进一步特征在于，所述miifkj的计算公式如下：

式中，uj0为投入电抗器前第j回直流的逆变站换流母线的电压，δuk为第k回直流的逆变站换流母线的电压变化量，zjj为第j回直流的换流站的自阻抗，zkj为第k回直流的换流站和第j回直流的换流站间的互阻抗。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中在设定的低电压门槛值ucr和容许低电压的持续时间tcr条件下在调相机安装区域内第i个节点处安装调相机前后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值裕度的变化量δηvaj、电压跌落持续时间裕度的变化量δηvtj和直流电流最大值的变化量δidj的计算公式分别如下：

δηvaj＝u'jmin(t'j)-ujmin(tj)

δηvtj＝tj'-tj

δidj＝i'dj-idj

式中：ujmin(tj)为装调相机前第j回直流逆变侧换流母线电压最小值，u’jmin(t’j)为装调相机后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值，tj为装调相机前第j回直流逆变侧换流母线电压最小值所对应的时间，t’j为装调相机后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值所对应的时间，tj为装调相机前uj≤ucr持续的时间，t’j为装调相机后u’j≤ucr持续的时间，uj为装调相机前第j回直流逆变侧换流母线电压，u’j装调相机后第j回直流逆变侧换流母线电压，idj为装调相机前第j回直流的电流最大值，i’dj为装调相机后第j回直流的电流最大值。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中根据节点无功补偿容量上限确定调相机安装容量是否达到预设目标的方法为：

根据节点无功补偿容量上限确定在相应节点调相机的安装台数，根据调相机的安装台数和单台调相机容量，确定调相机的安装总容量，将调相机的安装总容量与预设目标相比较，确定调相机安装容量是否达到预设目标。

上述技术方案的进一步特征在于，所述在相应节点调相机的安装台数，根据以下方式确定：

设相应节点的无功补偿容量上限为m，单台调相机的容量为n，则在该节点可装设的调相机台数为int(m/n)，其中int为取整函数。

本发明的有益效果如下：本发明中披露的调相机控制布点方法应用于多馈入直流系统中，用于抑制交直流电网连锁换相失败，通过采用可同时反映换流母线电压幅值跌落、跌落持续时间以及直流电流的变化大小的调相机无功提升控制评估指标，及时有效的在受端系统装设调相机，尽可能地减小交直流电网连锁换相失败引起的巨大暂态能量冲击对受端交流系统安全稳定运行产生的不利影响。本方法可有效解决交直流电网因遭受严重故障可能发生的连锁换相失败问题，能够直接根据多馈入交互作用因子的大小筛选出直流耦合作用紧密的区域，并将该区域作为调相机的安装区域，相比传统的将电网中所有母线都作为候选安装点，并根据经验逐个试探来选择最佳调相机安装位置的方法显著提高了效率。本方法还可以有效计及多馈入直流系统暂态过程中换流母线电压和直流电流之间的交互影响，在确保换相失败直流快速恢复的基础上，尽可能的减少调相机的配置容量。采用了本方法，对于调相机的布置，可以不受交直流电网网架结构的限制，工程中可根据直流实际运行功率及落地位置对无功提升控制评估指标灵活计算。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2为基于本发明实施例的调相机控制布点区域示意图。

图3为基于本发明实施例的逆变器熄弧角曲线图。

图4为基于本发明实施例的调相机无功功率曲线图。

图5为基于本发明实施例的逆变侧换流母线电压曲线图。

图6为基于本发明实施例的直流电流曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，该实施例以实际电网为例，针对抑制交直流电网连锁换相失败，主要包括多条直流同时换相失败和相继换相失败进行调相机的控制布点。该实际电网在2016年共有七回直流落点该电网，形成了典型的多馈入直流输电系统，各直流的额定输送功率如表1所示。

表1直流额定传输功率

本实施例进行调相机的布点方法的步骤如图1所示。图1中步骤1描述的是确定直流换相失败后导致其他直流同时或相继换相失败风险较高的区域，并将此区域确定为调相机安装区域，具体为利用机电暂态仿真程序计算多回直流的多馈入交互作用因子，如可依据潮流计算中得到的节点阻抗矩阵求解，将第j回直流相对第k回直流的多馈入交互作用因子记为miifkj，如果计算出的miifkj>0.3，则认为当第j回直流发生换相失败时，第k回直流也将同时或相继发生换相失败；如果有母线发生故障时，所有直流系统的换相失败直流比例超过预先设定的门槛值s(s取典型值75％)，则将该母线近区确定为直流换相失败后导致其他直流同时或相继换相失败风险较高的区域。

所述miifkj的计算公式如下：

式中，uj0为投入电抗器前第j回直流的逆变站换流母线的电压，δuk为第k回直流的逆变站换流母线的电压变化量，zjj为第j回直流的换流站的自阻抗，zkj为第k回直流的换流站和第j回直流的换流站间的互阻抗。

本实施例中根据表一直流功率数据和潮流计算得到的七回直流换流母线节点阻抗矩阵计算典型方式下的七回直流间的多馈入交互作用因子，具体结果如表2所示。

表2多馈入交互作用因子(miif)

由表2可知，dc5、dc6、dc7与馈入该电网的其他四回直流交互作用因子几乎都小于0.15，换流站间的相互作用弱，可看成是互不影响的单馈入直流，而dc1、dc2、dc3和dc4四回直流交互作用因子较大，相互作用明显，其中一回直流发生换相失败导致其他三条直流同时换相失败的概率较大，因此确定该四回直流逆变侧交流母线近区为调相机安装区域，如图2画线区域所示。

图1中步骤2描述的是在调相机安装区域内任取一节点i(i＝1,2,…m),其中m为调相机安装区域内所有可安装调相机的节点总数，求解在设定的低电压门槛值ucr和容许低电压的持续时间tcr条件下在第i个节点处安装调相机前后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值裕度的变化量δηvaj、电压跌落持续时间裕度的变化量δηvtj和直流电流最大值的变化量δidj，并通过将折算因子kzs与δηvtj相乘，将从第j回直流的逆变站换流母线侧向系统看进去的戴维南等值阻抗zeqj与δidj相乘，使其得到的乘积为电压量的形式。将δηvaj、kδηvtj和zeqjδidj三个变量进行加权并与调相机提供的无功变化量δqi相除得到改进的电压稳定性因子ivsfji。具体计算公式如下：

δηvaj＝u'jmin(t'j)-ujmin(tj)

δηvtj＝tj'-tj

δidj＝i'dj-idj

式中：ujmin(tj)为装调相机前第j回直流逆变侧换流母线电压最小值，u’jmin(t’j)为装调相机后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值，tj为装调相机前第j回直流逆变侧换流母线电压最小值所对应的时间，t’j为装调相机后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值所对应的时间，tj为装调相机前uj≤ucr持续的时间，t’j为装调相机后u’j≤ucr持续的时间，uj为装调相机前第j回直流逆变侧换流母线电压，u’j装调相机后第j回直流逆变侧换流母线电压，idj为装调相机前第j回直流的电流最大值，i’dj为装调相机后第j回直流的电流最大值，kzs为把电压跌落持续时间换算成电压的折算因子，zeqj为将从第j回直流的逆变站换流母线侧向系统看进去的戴维南等值阻抗，其与直流电流最大值变化量δidj的乘积构成电压量表征直流电流对换相失败的影响，δqi为调相机提供的无功变化量。

本实施例统一按照典型值设定低电压门槛值ucr为0.80pu，容许低电压的持续时间tcr为0.10s，折算因子kzs为1，无功变化量按照投入300mvar调相机考虑对ivsfji进行计算。

图1中步骤3描述的是定义直流功率比值与miifkj的乘积为第j回直流的权重因子wj，对于具有n回直流馈入馈入的交直流电网，对权重因子wj与改进的电压稳定性因子ivsfji的乘积进行求和得到在第i个节点处安装调相机时的无功提升控制评估指标eq.i，具体公式如下：

其中，eq.i为调相机安装区域内第i个节点处安装调相机时的无功提升控制评估指标，n为直流的总数，zjj为第j回直流的换流站的自阻抗，zkj为第k回直流的换流站和第j回直流的换流站间的互阻抗，pdj为第j回直流输送的额定功率，pdk为第k回直流输送的额定功率，δηvaj、δηvtj、δidj依次为在设定的低电压门槛值ucr和容许低电压的持续时间tcr条件下在调相机安装区域内第i个节点处安装调相机前后第j回直流逆变侧换流母线电压最小值裕度的变化量、电压跌落持续时间裕度的变化量和直流电流最大值的变化量，kzs为把电压跌落持续时间换算成电压的折算因子，zeqj为将从第j回直流的逆变站换流母线侧向系统看进去的戴维南等值阻抗，δqi为调相机提供的无功变化量。

本实施例根据表1和表2数据并代入步骤3)中的公式可得七回直流权重因子，结果如表3所示

表3直流权重因子wj

由表3可知，七回直流权重因子最大的是dc1，其与其他六条直流耦合程度最大，对系统安全性的影响最大，当dc1近区发生交流故障而导致其换相失败时，引发其他直流同时或相继换相失败概率最大。

假设安装区域内都有安装调相机的空间，逐一代入步骤3)中的公式对节点投入调相机后的无功提升控制评估指标进行计算，排序结果如表4所示。

表4无功提升控制评估指标排序

图1中步骤4描述的是对调相机安装区域内所有节点分别计算其无功提升控制评估指标eq并排序，将排序首位的站点作为调相机最佳安装地点。本实施例中可由表4得知，在bus15处装设调相机效果最佳。

图1中步骤5描述的是根据节点无功补偿容量上限确定调相机安装容量是否达到预设目标，即根据节点无功补偿容量上限确定在相应节点调相机的安装台数，根据调相机的安装台数和单台调相机容量，确定调相机的安装总容量，将调相机的安装总容量与预设目标相比较，确定调相机安装容量是否达到预设目标，若达到则结束本方法，若未达到则转至步骤2)，重复布置直至达到预设目标结束。

上述在相应节点调相机的安装台数，按以下确定：设相应节点的无功补偿容量上限为m，单台调相机的容量为n，则在该节点可装设的调相机台数为int(m/n)，其中int为取整函数。

本实施例中节点的无功补偿容量上限都为1000mvar，由于所装设的单台调相机容量为300mvar，因此可确定该实施例中节点调相机安装台数为3台。

以下以具体的对比说明本发明方法的技术效果。以线路bus2-bus3一回线发生三相短路故障为例，故障后dc1在0.01s时发生换相失败，dc2在0.03s时发生换相失败，为抑制dc2在dc1后发生相继换相失败，在bus15处装设三台调相机，仿真可得到直流熄弧角曲线如图3所示。

由图3可知，装设调相机后dc1不会发生换相失败，dc2熄弧角也一直稳定在10°左右，不会发生相继换相失败。图4-图6为通过仿真得到的dc1的部分特性响应曲线。

由图4所示的调相机无功响应曲线可知，在故障发生瞬间，系统电压跌落，调相机能够快速响应进而增加无功功率输出，抑制离调相机装设点最近的dc1换流母线电压跌落(图5)，同时抑制直流电流的上升(图6)，从而dc1熄弧角始终大于8°，不会发生换相失败。

为增加对照效果，选择三种方案对装设调相机后抑制多条直流同时换相失败的作用进行仿真验证。方案一是在安装区域内选择集中布置，即在bus15处集中装设三台容量共计900mvar的调相机；方案二是根据无功投入效果指标顺序采用分散布置的方法，即在bus15处装设一台容量为300mvar的调相机，在bus12装设两台各300mvar的调相机；方案三是在安装区域外随机挑选三个节点(bus18，bus29和bus30)分别布置一台容量为300mvar的调相机，验证在三个布点方案下该电网典型三永故障引发多馈入直流换相失败情况，结果如表5所示。

表5调相机配置方案

由表5可知，对安装调相机前后分别进行安全稳定扫描计算，在安装调相机进行补偿前，该电网500kv及以上线路发生典型三永故障中，导致馈入该电网的七条直流同时换相失败的单一故障场景数量共有14个，分别对应14条线路，这些线路主要集中在特高压和dc1近区。采取方案一、方案二和方案三故障后导致七条直流同时换相失败的单一故障线路数量分别减少为2条、5条和11条。仿真结果表明方案一为最优，在同样的容量下，方案一对直流的恢复速度提升最大，能够最大程度抑制多馈入直流同时换相失败，提高系统稳定水平。从另一个角度来讲，要达到方案一的同等效果，方案二和方案三需要进一步增加调相机的容量，这在一定程度上也体现了方案一的经济性。上述结果表明，采用本发明所提出的调相机控制布点方法可以有效抑制交直流电网连锁换相失败。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。