快速启动LCC‑HVDC的系统恢复方法与流程

本发明涉及一种系统恢复方法，尤其涉及一种快速启动lcc-hvdc的系统恢复方法，属于电力系统安全防御与恢复控制技术领域。

背景技术：

作为电力系统安全防御的重要措施之一，研究电力系统大停电后的黑启动恢复问题对于减轻恢复控制负担、加快系统恢复速度、减小经济损失及社会影响具有重要意义。近年来，高压直流输电凭借其传输容量大、控制灵活迅速和经济性方面的优势在国内外得到了大力推广。考虑到大停电事故的发生不可能完全避免，现代社会对电力需求的依赖程度不断提高，大停电的发生对社会造成的影响会更加严重，因此高压直流输电线路的恢复及功率支援成为电力系统恢复过程中一个不可回避的问题，快速可靠的直流通道恢复及其功率支援将有效地加快整个电网的恢复进程。

现有的电力系统黑启动恢复决策方法主要针对不包含高压直流输电线路的交流系统进行。考虑外网直流功率支援时电力系统恢复方案的制定和实现方法将明显有别于已有研究成果。首先，可将具有自启动能力的柔性直流输电系统(vsc-hvdc)纳入到黑启动电源中，将其作为一种外网功率支援对待恢复电网进行黑启动。其次，对于高压直流输电通道(lcc-hvdc)而言，受端交流系统的转动惯量和换流站母线处的短路容量大小是判断直流能否可靠接入以实现功率支援的关键指标，而由于恢复初期待恢复电网转动惯量和短路容量普遍偏小，常规直流送电通道无法迅速接入，影响了其功率支援能力的发挥。在电力系统恢复初期，采用合适的恢复策略能促进直流系统的快速启动，进而对交流系统提供功率支援，有效加快系统整体恢复的进程。因此，从交直流系统的交互作用出发，研究以较小的操作代价支持传统直流较快可靠启动的方法就十分必要。

当前，利用柔性直流输电进行黑启动的研究多集中在vsc-hvdc自身的仿真模型搭建或启动控制策略的制定上，缺少与待恢复电网黑启动操作相结合的深入研究。而常规直流不能作为黑启动电源，它的启动需要受端交流系统进行支持。现有提升待恢复电网强度以使高压直流可靠接入的研究以机组的启动顺序为依据，而机组的启动、爬坡时间较长，且往往在这一恢复过程中待恢复电网的短路容量和转动惯量均会增大。因此，现有排序并不能有针对性地快速精准提升其转动惯量或短路容量；此外，在直流恢复过程中，如果待恢复电网在换流母线处的短路容量不足，可以采取投入并联双回线以及对已恢复线路进行合环操作的方式快速提升其在换流站母线处的短路容量，此时如果再考虑机组恢复往往会使直流接入交流系统的时间延后，不利于高压直流输电自身优势的有效发挥，贻误恢复时机。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种快速启动lcc-hvdc的系统恢复方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种快速启动lcc-hvdc的系统恢复方法，将具有自启动能力的vsc-hvdc纳入到黑启动电源中，将其作为一种外网的功率支援通道对待恢复电网进行黑启动。

当待恢复电网的转动惯量不满足所述lcc-hvdc启动要求时，在已启动机组的输出功率达到额定值之前令其继续爬坡增大出力，同时按照待恢复机组的转动惯量增加率对待恢复机组进行优先级排序，由高到低依次启动可恢复机组；对转动惯量值间隔相等时段进行核验，直至系统转动惯量满足约束条件为止。

当待恢复电网在换流母线处的短路容量不满足所述lcc-hvdc启动要求时，按照并联双回线路的短路容量增加量f△scr,l的大小依次投入并联双回线路，直到待恢复电网在换流母线处的短路容量满足所述lcc-hvdc启动要求为止。

当并联双回线路全部投入完毕后，待恢复电网在换流母线处的短路容量不满足所述lcc-hvdc启动要求时，按照短路容量贡献度fscr,g的大小依次启动待恢复机组，直到待恢复电网在换流母线处的短路容量满足所述lcc-hvdc启动要求为止。

所述的快速启动lcc-hvdc的系统恢复方法，还包括潮流校验步骤，如果待恢复电网满足安全运行约束则结束；否则，进行恢复方案调整，恢复方案调整包括调整发电机出力、变压器变比以及带电线路上感性负荷的投入。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：

1、本发明分别考虑柔性直流输电通道作为黑启动电源和常规直流输电通道启动的功率支援，针对受端交流系统的短路容量和转动惯量两个指标，分别给出系统强度提升策略，较早实现常规高压直流输电通道快速启动并可靠接入待恢复电网。

2、本发明综合考虑柔性直流和常规直流通道的功率支援作用，充分发挥高压直流输电传输容量大、调节速度快等特点，可以加快后续恢复进程，降低大停电带来的经济损失和社会影响。

3、本发明在引入vsc-hvdc作为黑启动电源的同时，提供了一种有针对性地提升交流系统强度以使常规高压直流通道快速启动的系统恢复方案的生成方法，使直流功率更早且更可靠地支援交流系统，使待恢复电网实现更快更有效的恢复，降低经济损失，减轻社会影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例1的流程图；

图2是本发明实施例1的机组出力曲线图；

图3是本发明实施例1的vsc-hvdc逆变站第ⅱ象限p-q功率曲线。

具体实施方式

实施例1：

一种快速启动lcc-hvdc的系统恢复方法，将具有自启动能力的vsc-hvdc纳入到黑启动电源中，将其作为一种外网的功率支援通道对待恢复电网进行黑启动。

当待恢复电网的转动惯量不满足所述lcc-hvdc启动要求时，在已启动机组的输出功率达到额定值之前令其继续爬坡增大出力，同时按照待恢复机组的转动惯量增加率对待恢复机组进行优先级排序，由高到低依次启动可恢复机组；对转动惯量值间隔相等时段进行核验，直至系统转动惯量满足约束条件为止。

当待恢复电网在换流母线处的短路容量不满足所述lcc-hvdc启动要求时，按照并联双回线路的短路容量增加量f△scr,l的大小依次投入并联双回线路，直到待恢复电网中交流系统的短路容量满足所述lcc-hvdc启动要求为止。

当并联双回线路全部投入完毕后，待恢复电网在换流母线处的的短路容量不满足所述lcc-hvdc启动要求时，按照短路容量贡献度fscr,g的大小依次启动待恢复机组，直到待恢复电网中交流系统的短路容量满足所述lcc-hvdc启动要求为止。

所述的快速启动lcc-hvdc的系统恢复方法，还包括潮流校验步骤，如果待恢复电网满足安全运行约束则结束；否则，进行恢复方案调整，恢复方案调整包括调整发电机出力、变压器变比以及带电线路上感性负荷的投入。

大停电发生后，将vsc-hvdc作为外网的功率支援通道与传统黑启动机组共同对待恢复电网进行恢复，考虑到系统恢复初期待恢复电网在换流母线处的短路容量和转动惯量普遍偏小，为使lcc-hvdc的接入不至引起交流系统的频率偏差和电压波动越限，针对上述两表征交流系统强度的指标分别有针对性地给出了具体的提升策略，以尽早发挥高压直流输电传输容量大、调节速度快、控制灵活等特点，加快后续恢复进程，降低大停电带来的经济损失和社会影响。

本发明分别考虑柔性直流输电通道作为黑启动电源和常规直流输电通道启动的功率支援，针对待恢复电网在换流母线处的短路容量和转动惯量两个指标，分别有针对性地给出其强度提升策略，以较早实现常规高压直流输电通道可靠接入待恢复电网。当与交流系统频率波动情况密切相关的转动惯量这一指标不满足lcc-hvdc启动要求时，采取的策略为：在已启动机组的输出功率达到额定值之前令其继续爬坡增大出力，同时按照待恢复机组的转动惯量增加率(该值反映机组投入对转动惯量增加的贡献水平)对待恢复机组进行优先级排序，依据所得排序由高到低依次启动可恢复机组，以快速增大交流系统的转动惯量。对转动惯量值进行隔时段核验，每个时段设置为0.25h，直至系统转动惯量满足约束条件为止。

考虑到实际中机组启动和爬坡时间远大于线路和变压器支路投入时间，当lcc-hvdc启动时，若与交流系统电压波动情况密切相关的短路容量这一指标不满足要求，优先采用投入并联双回线路或进行合环操作的方式快速减小换流站母线与交流系统间的等效电抗，以较快地提升短路容量，其中，可投线路的优先级序列通过线路短路容量增加量f△scr,l的大小确定。若在当前时步无上述操作可以进行，则考虑启动短路容量贡献度fscr,g最大的待恢复机组来实现短路容量的快速提升。

在每步操作进行过程中对得到的恢复方案进行潮流校验，只有潮流校验通过或在进行恢复方案调整后潮流校验满足约束的方案才被视为可行方案。

本实施例中由以下具体步骤组成：

步骤1：判断当前系统是否有vsc-hvdc送电通道，如果是，转向步骤2，否则转向步骤3；

步骤2：使vsc-hvdc送电通道接入交流系统；

步骤3：传统黑启动电源启动；

步骤4：利用dijkstra算法搜索从带电区域到待恢复目标节点的最优送点路径；

步骤5：对待恢复电网进行送电恢复；

vsc-hvdc作为黑启动电源需采用合理的控制策略：整流侧采用定直流电压、定无功功率控制，以利于黑启动前期直流电压的稳定和柔性直流系统的稳定运行；逆变侧换流器采用定交流母线电压和频率限制控制，以维持受端交流系统的电压稳定和频率稳定。

vsc-hvdc既可以向有源网络供电也可以向无源网络供电，但是在本实施例中因为vsc-hvdc直接接入待恢复电网了，待恢复电网其实就是无源网络了。

当vsc-hvdc向待恢复电网供电时，逆变侧换流器工作在图3所示的第ⅱ象限。黑启动过程中，换流站工作点的改变一般由投入被启动机组辅机、投入重要负荷和投入空载线路三种情况引起，变化后换流站新的稳定工作点也应满足其稳态运行特性的要求。因此，在制定黑启动方案时，需对被启动机组和恢复路径进行优化选取，保证其总功率满足vsc-hvdc稳态运行特性的限制。采用vsc-hvdc向待恢复电网提供启动功率不存在自励磁问题，因此只需满足：机组启动约束、交流系统运行约束和vsc-hvdc稳态运行约束。

1)机组启动功率约束

式中，t为总优化时间，p0为优化时间内黑启动电源的启动功率；ng为已并网机组的数量；pgi(t)为已并网机组在优化时间内增发的有功功率；pcr,i为机组i所需的启动功率；ci表示机组i是否投入。

2)机组启动时间约束

机组i的最大临界热启动时间约束

0＜tsi＜tch,i

式中tch,i为机组i的最大临界热启动时间。

机组i的最小临界启动时间约束

tsi＞tcc,i

式中tcc,i为机组i的最小临界启动时间。

3)在机组的大型辅机启动时，需要考虑暂态电压跌落和频率下降情况是否超过限值。

4)潮流和节点电压约束

模型中已恢复的电网需满足交流潮流约束：

式中，n0为已恢复系统中发电机的总台数；pi为支路i流过的有功功率；nl为已恢复系统中线路的总数；ui为节点i的电压；nb为已恢复系统中的节点总数。

5)vsc-hvdc运行约束

vsc-hvdc的换流器应满足其稳态运行特性：

式中，x为等效换流电抗；μ为直流电压利用率；m为调制比；udc为直流电压额定值；us为交流侧母线基波电压；idc,max为最大支流线路电流。

步骤6：判断要启动的lcc-hvdc的换流站是否已经带电；如果否，转至步骤7；否则，转到步骤9；

步骤7：利用dijkstra算法搜索带电区域到目标换流站的路径；

步骤8：使带电区域给目标换流站送电；转向步骤6；

步骤9：提升待恢复电网的交流系统强度，使转动惯量满足所述lcc-hvdc的启动要求；由以下具体步骤组成：

步骤9-a：判断待恢复电网中交流系统的转动惯量是否满足所述lcc-hvdc的启动要求，如果是，转向步骤10，否则转向步骤9-b；

步骤9-b：判断待恢复电网中已启动机组的输出功率是否达到额定值，如果是，转向步骤9-d，否则转向步骤9-c；

步骤9-c：令待恢复电网中已启动机组继续爬坡增大出力；转向步骤9-b；

步骤9-d：按照待恢复电网中待恢复机组的转动惯量增加率对待恢复机组进行优先级排序，启动优先级最大的待恢复电网中可恢复机组；

步骤9-e：设置时段核验间隔，启用时段核验间隔定时器；

步骤9-f：判断是否到达时段核验间隔，如果是，转向步骤9-a，否则转向步骤9-f；

本实施例中，所述lcc-hvdc的启动要求待恢复电网中交流系统的转动惯量满足：j≥70pd，以使lcc-hvdc送电通道接入时待恢复电网的频率偏差满足稳定要求；式中，j为待恢复电网的转动惯量，pd为lcc-hvdc启动时lcc-hvdc的传输容量。

本实施例中，所述时段核验间隔设置为0.25小时。

步骤10：提升待恢复电网的强度，使待恢复电网的短路容量满足所述lcc-hvdc的启动要求；由以下具体步骤组成：

步骤10-a：判断待恢复电网换流母线处的短路容量是否满足所述lcc-hvdc的启动要求，如果是，转向步骤11，否则转向步骤10-b；

步骤10-b：判断是否有并联双回线路可以投入；如果是，转向步骤10-c，否则转向步骤10-e；

步骤10-c：按并联双回线路的短路容量增加量f△scr,l的大小排序待恢复电网中并联双回线路；

fδscr,l＝scrl,after-scrl,before，式中scrl,brfore与scrl,after分别为待恢复线路投入前后换流站交流母线处的短路容量值。

步骤10-d：投入优先级最高的并联双回线路；转向步骤10-a；

步骤10-e：按短路容量贡献度fscr,g的大小对待恢复电网中的待恢复机组进行排序；

式中kpi为机组i的爬坡速率，zi为待恢复机组i到直流换流站交流母线最短路径的阻抗值；

步骤10-f：启动优先级最大的待恢复机组；转向步骤10-a；

待恢复电网中交流系统的短路容量满足ssc≥10(2qfilter-0.03pdn)，满足所述lcc-hvdc的启动要求。式中，ssc为换流站母线处的短路容量，qfilter为单组滤波器的容量，pdn为lcc-hvdc的额定传输功率；该约束使直流通道启动过程滤波器投入时，待恢复电网中节点电压波动程度满足要求。

步骤11：启动lcc-hvdc的换流站，将lcc-hvdc接入待恢复电网；

1)为了防止直流电流出现断续现象，需要在选择直流电流数值时留有足够裕度以保证系统安全稳定运行。通常直流输电工程的最小直流电流选择为其额定直流电流的10％。

2)在直流启动过程中，采用70％降压的运行方式来增加换流器无功功率的消耗，以减小滤波器投入造成的待恢复电网节点电压波动。

3)直流接入交流系统参与恢复支援时选取整流侧定电流、逆变侧定电压的控制模式，有利于交流系统的安全稳定运行。

步骤12：潮流校验：如果满足安全运行约束则结束；否则，进行恢复方案调整，包括调整发电机出力、变压器变比以及带电线路上感性负荷的投入。

已恢复的电网需满足的交流潮流约束如下所示：

式中，n0为已恢复系统中发电机的总台数；pi为支路i流过的有功功率；nl为已恢复系统中线路的总数；ui为节点i的电压；nb为已恢复系统中的节点总数。

本实施例以新英格兰10机39节点为例：

节点33为抽水蓄能电厂，作为黑启动电源，其装机容量为3×200mw，机组空载时所吸收的最大无功功率为0.3sn，其余机组的参数如表1所示；vsc-hvdc换流站为逆变站，其交流母线为33号母线，额定传输功pd＝100mw；将39节点设置为传统高压直流送电通道接入点，此送电通道正常双极运行时传输功率为2000mw，采用单极70％降压启动时，最小传输功率为70mw，单组滤波器容量为70mvar；每时步可投入的线路数l取5；假设3-18、1-2和9-39之间存在并联双回线路；各支路之间的参数如表2所示；设所有输电线路的启动时间为5分钟，变压器的启动时间为10分钟。vsc-hvdc由33节点母线注入功率到交流系统，同时与33号节点相连的机组启动，共同恢复交流系统。利用迪杰斯特拉算法搜索从33号节点到39节点的最短路径为33-19-16-17-18-3-2-1-39。单组滤波器容量为70mvar，满足直流启动的短路容量条件为ssc≥805mva，当前已恢复系统提供的短路容量ssc＝529.4mva，lcc-hvdc无法启动；首先投入3-18和1-2之间的并联双回线路，此时无并联双回线可以投入、无合环操作可以进行，根据优先级别，启动30号节点机组，通过2-30送电到30号节点机组，计算此时的短路容量为988.2mva。短路容量条件满足，高压直流送电通道接入交流系统。进行潮流校验，使已恢复系统满足安全稳定运行的约束条件。

表1待恢复机组参数

表2系统中各支路参数