换流站在黑启动过程中考虑无功的有功投入量优化方法与流程

本发明属于电网技术领域，特别是一种换流站在黑启动过程中考虑无功的有功投入量优化方法。

背景技术：

近年来，国内外连续爆发多起大面积停电事故，造成了巨大的经济损失和深刻的社会影响，也给电力系统的安全稳定运行敲响了警钟。大停电事故发生后，科学合理的恢复方案能在加快系统恢复进程的同时，大幅度地减少大停电事故所造成的损失。现阶段电网恢复的研究，主要考虑常规火电、水电机组的恢复，而随着高压直流输电技术的不断完善，复奉特高压直流、德宝直流等工程相继投运，后续还有数条特高压直流输电工程已进入规划设计阶段。高压直流输电系统具有传输容量大、距离远、损耗低、调速快、可控性强等优点，且其受端电网的停电故障，不会影响送端电网的正常运行。在电网恢复过程中启动直流输电系统，能快速地为停电电网提供大容量的电能，对加快整个系统的恢复进程具有积极作用，因此，研究直流参与的电网恢复路径优化问题十分必要。

其中，电压源换流型的高压直流输电采用绝缘栅双极型晶体管以及脉冲宽度调制技术，可以实现有功功率和无功功率的独立控制。当vsc-hvdc逆变站采用定有功功率和定无功功率的控制方式向待恢复电网供电时，无功功率冲击会引起交流母线暂态电压的升高，有功冲击会引起交流电网暂态频率的升高，这些因素都会影响弱电网的暂态稳定性。现有的研究中，一般是将有功冲击对系统暂态频率的影响和无功冲击对暂态电压的影响分开进行研究的，在分析频率响应的影响因素时，通常不考虑无功冲击量对暂态频率的影响，然而，通过仿真发现，换流站投入运行时的无功冲击会对暂态频率产生影响，需建立基于系统无功—电压特性的频率响应数学模型，使得暂态频率求解的结果更为精确。

但是，现有技术中尚无一种方法在确定有功冲击引起的暂态频率响应大小时考虑无功冲击量的影响，这使得换流站在投入运行时的功率设定值较为保守。同时，现有技术中尚未用严谨的数学关系式证明发电机惯性时间常数以及备用系数对暂态频率稳定的影响，使得确定的暂态频率响应值不够准确。由此可见，优化有功功率投入量，使换流站在黑启动过程中能提供更多的有功出力，对停电电网的快速恢复具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种换流站在黑启动过程中考虑无功影响的有功投入量优化方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种换流站在黑启动过程中考虑无功影响的有功投入量优化方法，包括如下步骤：

步骤1、确定交流系统参数，具体包括各母线电压v、直流换流站接入点短路容量ssc、系统负荷类型；

步骤2、在黑启动过程中，假设vsc-hvdc的逆变器测采用定功率控制，直流系统恢复时对交流系统的等效冲击为p和q，根据步骤1确定的交流系统参数确定当换流站恢复时，逆变侧换流母线的暂态电压；

根据上述确定的交流系统参数确定当换流站恢复时，逆变侧换流母线的暂态电压所用公式为：

式中，δv——待求值，为换流站接入交流系统时，逆变侧换流母线的暂态电压变化量；

δq——由直流线路注入交流系统的无功功率；

p、δp——换流母线上原有的有功容量和由直流线路注入交流系统的有功功率；

ssc——系统暂态短路容量。

步骤3、通过阻抗矩阵确定其余母线的暂态电压变化量；所用公式为：

其中，ud和ui分别为逆变侧换流母线d和节点i的暂态电压大小，u0.d和u0.i为换流站接入前逆变侧换流母线d和节点i的电压大小，zdd为阻抗矩阵中与d相关的对角线元素，zid为阻抗矩阵中节点d和节点i之间的元素。

步骤4、确定不考虑系统无功—电压特性时，为保证电网暂态频率稳定，直流换流站可投入的最大有功出力量；所用公式为：

求解该微分方程可得：

其中，δf为交流系统暂态频率偏移量，t为时间，m为发电机组惯性时间常数，k为与系统备用容量相关的系数，系统备用容量越大，k值越大。

步骤5、确定考虑无功功率影响的情况下，直流换流站可投入的最大有功出力量；考虑直流换流站无功功率影响时，有功出力量所引起的频率响应公式为：

式中，δf——待求值，为交流系统暂态频率偏移量；

δp"——换流站考虑无功功率影响后的等效有功功率冲击量，δp"的确定如下式所示：

其中，f1为步骤2中采用的关系模型，f2为步骤3中采用的关系模型，f3表示负荷的电压特性。

步骤6、根据4和步骤5得到的结果，通过拟合得出无功功率对有功投入量优化结果的影响。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明在求解有功冲击对系统暂态频率的影响时，考虑了系统的无功—电压特性，可在保证暂态频率稳定的前提下，尽可能的增到换流站的有功投入量；2)在本发明中，详细考虑发电机惯性时间常数以及备用系数对暂态频率稳定的影响，使求解暂态频率的数学模型更加准确。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明换流站在黑启动过程中考虑无功影响的有功投入量优化方法流程图。

图2为无功功率投入量对有功功率投入量的优化结果拟合曲线图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种换流站在黑启动过程中考虑无功影响的有功投入量优化方法，包括如下步骤：

步骤1、确定交流系统参数，具体包括各母线电压v、直流换流站接入点暂态短路容量ssc、系统负荷类型；

母线电压由基本交流系统的潮流计算求得；在计算暂态短路容量时，发电机应取暂态电动势和定子暂态电抗；为了体现无功—电压特性对频率响应的影响，本文采用对电压变化最为敏感的恒阻抗负荷进行分析；

步骤2、根据步骤1求得的暂态短路容量即换流母线电压v，计算直流换流站接入交流电网后，换流母线的电压变化量。根据上述确定的交流系统参数确定当换流站恢复时，逆变侧换流母线的暂态电压所用公式为：

式中δv——待求值，为换流站接入交流系统时，逆变侧换流母线的暂态电压变化量；

δq——由直流线路注入交流系统的无功功率；

p、δp——换流母线上原有的有功容量和由直流线路注入交流系统的有功功率；

ssc——系统暂态短路容量。

步骤3、根据换流母线的电压变化量，求解其余交流母线的电压变化量。

通过阻抗矩阵确定其余母线的暂态电压变化量所用公式为：

其中，ud和ui分别为逆变侧换流母线d和节点i的暂态电压大小，u0.d和u0.i为换流站接入前的电压大小，zdd为阻抗矩阵中与d相关的对角线元素，zid为阻抗矩阵中节点d和节点i之间的元素。

步骤4、求解不考虑无功功率影响的情况下暂态频率与直流系统注入交流电网的有功功率冲击大小的关系。确定直流换流站可投入的最大有功出力量所用公式为：

求解该微分方程可得：

其中，δf为交流系统暂态频率偏移量，t为时间，m为发电机组惯性时间常数，k为与系统备用容量相关的系统，系统备用容量越大，k值越大。

步骤5、计算在考虑无功功率影响的情况下，暂态频率与直流系统注入交流电网的有功功率冲击大小的关系。考虑直流换流站无功功率影响时，有功出力量所引起的频率响应公式为：

式中，δf——待求值，为交流系统暂态频率偏移量；

δp"——换流站考虑无功功率影响后的等效有功功率冲击量，δp"的确定如下式所示：

其中，f1为步骤2中采用的关系模型，f2为步骤3中采用的关系模型，f3表示负荷的电压特性。

步骤6、根据4和步骤5得到的结果，通过拟合得出无功功率对有功投入量优化结果的影响。

本发明在求解有功冲击对系统暂态频率的影响时，考虑了系统的无功—电压特性，可在保证暂态频率稳定的前提下，尽可能的增到换流站的有功投入量。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例1

以标准3机9节点系统为例，在8号母线连有vsc-hvdc直流输电线路，通过pscad仿真得出在不考虑无功功率冲击量影响因素下的系统暂态频率，再采用本发明的方法进行计算，得出在保证系统暂态频率稳定下的有功投入优化量，并通过pscad进行仿真验证，两种方法的部分结果统计如表1所示。

表1不考虑无功功率影响和采用本文方法的结果统计

从上表可以看出，当交流系统允许的暂态频率变化量固定时，考虑无功功计算得到的有功功率投入量要比不考虑无功功率的情况下略大，这一特性在交流系统较弱时尤为明显，因此在黑启动过程中，考虑直流输电新路的无功功率可增大有功功率的投入量。

本发明保证暂态频率保持不变，改变直流系统注入交流系统的无功功率，得出可允许多投入的有功功率优化量。将无功功率作为横坐标，有功功率优化量作为纵坐标，拟合出优化量与无功功率量的关系曲线，如图2所示，大致得出为一条直线，因此在实际操作中，可根据直流换流站对交流系统的无功功率冲击成比例的适当提高换流站中可投入的有功功率大小，在保证交流电网频率稳定的前提下，加快停电电网的恢复速率。