特高压直流分层接入的稳定裕度及其灵敏度分析方法与流程

本发明涉及电气
技术领域：
，特别是涉及基于关键特征值评估特高压直流分层接入的稳定裕度及其灵敏度的分析方法。
背景技术：
：高压直流输电(hvdc)作为一种有效的远距离大容量输电方式，近年来在我国大型电源基地向负荷中心的“点对点”输电工程中发挥了重要作用。随着电能需求的快速增长，多直流密集馈入受端电网，受端交流系统不可避免地面临着电压支撑能力变弱以及潮流灵活控制困难的问题。当系统发生故障时，交直流系统间的耦合关系可能引起复杂的连锁反应，对系统的安全性和运行稳定性产生了威胁。为采取有效方法解决这个难题，现有技术中，提出了特高压直流分层接入的新型模式。特高压直流分层接入的高端换流器与低端换流器分别接入1000kv与500kv交流电网中。在这种模式下，不仅交直流系统间存在电气耦合关系，不同电压等级的交流系统间也存在着耦合关系，除此之外，直流侧高低端换流站之间也存在着强相互作用关系。目前，许多规划中的高压直流输电工程计划采用特高压直流分层接入交流电网的运行模式，随着技术的进一步成熟，特高压直流分层接入将在未来中国特高压直流输电工程得到广泛应用。作为一种新型技术，特高压直流分层接入模式具有一些新的电气耦合特点，并逐渐成为研究热点。以实际电网为例，现有文献对特高压直流分层接入模式的运行特点和控制模式进行了分析。为了充分利用特高压直流分层接入模式的潮流疏散能力，现有文献提出了一种协同控制策略。另有部分文献对特高压分层接入模式下的无功和电压耦合关系进行了分析。基于传统多馈入电压稳定性指标(mvsi)，现有文献对特高压直流分层接入换流母线处静态电压稳定性的影响因素进行了讨论，其结果表明，受端系统的系统参数、两交流系统间等效阻抗以及有功传输功率等因素对电压稳定性有着重要的影响作用。现有部分文献提出了特高压直流分层接入模式的消纳能力以及相关评价指标。现有文献采用小干扰分析方法研究特高压交直流系统间的相互作用关系。另有文献进一步分析了锁相环(pll)对系统振荡模式、阻尼以及参与因子指标的影响。部分文献指出，系统动力学行为对静态最大功率曲线也有着一定的影响。许多相关研究已经说明了特高压直流分层接入模式在潮流优化中的作用，并且设计了一些工具用来分析典型多馈入直流系统的耦合关系，但针对特高压直流分层接入模式稳定裕度的量化评估及其灵敏度分析还需进一步深入研究。技术实现要素：为了解决现有评估技术的不足，本发明提供了特高压直流分层接入的稳定裕度及灵敏度分析方法，与现有评估技术相比，该方法将特高压直流分层接入模式的复杂电气耦合关系考虑在内，定量地分析特高压直流分层接入的输电工程距离失稳临界点的距离，即稳定裕度。基于该量化评估方法，可有效分析稳定性对系统参数的敏感度，为系统设计提供依据。特高压直流分层接入的稳定裕度及灵敏度分析方法，包括：对高低端换流站分别采用微分-代数方程建模，得到特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型，用以描述特高压直流分层接入模式下的多种耦合关系；针对上述小干扰分析模型，将距离虚轴最近的特征值定义为关键特征值，利用关键特征值判断系统的稳定性；利用关键特征值判断系统的稳定性，具体而言：对于同一个系统而言，关键特征值的实部为正数，表示系统不稳定；关键特征值的实部为负数，表示系统稳定，距离虚轴越近，系统距离不稳定状态越近，即稳定裕度越小；关键特征值的实部为负数，距离虚轴越远，系统稳定程度越高，即稳定裕度越大；连续调节直流系统pi控制环节的积分系数或微分系数，得到相应状态矩阵的特征值，根据状态矩阵的关键特征值判断系统稳定性的灵敏程度，其中，根据对灵敏度的分析可得，直流系统pi控制环节的积分系数或微分系数的增加不利于系统的稳定性。进一步的，特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型中，每个换流器，选取直流pi控制环节积分器输出量x、直流电流id为状态变量。进一步的，特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型中，包括高端换流器与低端换流器的微分方程及代数方程。代数方程组由两部分组成，第一部分描述了换流站内各控制参数的代数关系以及交直流系统间的联系；代数方程组的第二部分表示各逆变端交流系统间的耦合关系。进一步的，高端换流器与低端换流器的微分方程如下所示：其中，id：直流系统电流；udr：直流系统整流侧电压；udi：直流系统逆变侧电压；r：直流线路电阻；l：直流线路电感；xr：整流侧控制环节中pi控制的积分量；kri：整流侧控制环节中pi控制积分环节系数；kid：整流控制系统惯性环节系数；idref：直流电流整定值；γ1，γ2：高低端逆变侧关断越前角；γref1,γref2：高低端逆变侧关断越前角整定值。进一步的，描述换流站内各控制参数的代数关系以及交直流系统间联系的代数方程为：α＝-xr-krp(idref-id)+αref(9)β1＝xi1+kip1(γref1-γ1)(10)β2＝xi2+kip2(γref2-γ2)(11)udi＝udi1+udi2(17)其中，xi1,xi2：高低端逆变侧控制环节中pi控制的积分量；kii1,kii2：高低端逆变侧pi控制积分环节系数；α：整流侧触发延迟角；krp：整流侧pi控制微分环节系数；αref：整流侧触发延迟角整定值；β1,β2：高低端逆变侧触发越前角；kip1,kip2：高低端逆变侧pi控制微分环节系数；xci1，xci2：高低端逆变侧换相电抗；vi1，vi2：高低端逆变侧换流母线的线电压有效值；n：6脉动换流桥的个数；kr：整流侧换流变变比；vr：整流侧换流母线的线电压有效值；xcr：整流侧换相电抗；ki1,ki2：高低端逆变侧换流变变比。进一步的，表示各逆变端交流系统间的耦合关系的代数方程为：pdi1＝udi1id(22)pdi2＝udi2id(24)其中，ei1,ei2：高低端交流系统发电机电势；zi1,zi2：高低端交流系统等效阻抗；δi1',δi2'：高低端逆变侧换流母线的线电压相角；ξ1,ξ2：高低端逆变侧换流母线电压相角；pdi1,pdi2：高低端逆变侧传输有功功率；p12：高低端之间交换有功；bci1,bci2：高低端逆变侧母线无功补偿电导；qdi1,qdi2：高低端逆变侧无功功率；q12：高低端逆变侧之间交换无功；高低端逆变器功率因数角。进一步的，假设特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型所对应的直流系统采用整流侧定电流、逆变侧定关断角控制模式。进一步的，特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型中，高端换流器与低端换流器的微分方程以微分方程组形式表示得状态变量，代数方程以代数方程组形式表示得中间变量。进一步的，对微分方程组及代数方程组进行线性化处理。本发明的第二目的是提供特高压直流分层接入的稳定性分析系统。为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：特高压直流分层接入的稳定性分析系统，包括：模型建立单元，对高低端换流站分别采用微分-代数方程建模，可得到特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型，用来描述特高压直流分层接入模式下的多种耦合关系；稳定性分析单元，针对上述小干扰分析模型，将距离虚轴最近的特征值定义为关键特征值，利用关键特征值判断系统的稳定性；利用关键特征值判断系统的稳定性，具体而言：对于同一个系统而言，关键特征值的实部为正数，表示系统不稳定；关键特征值的实部为负数，表示系统稳定，距离虚轴越近，系统距离不稳定状态越近，即稳定裕度越小；关键特征值的实部为负数，距离虚轴越远，系统稳定程度越高，即稳定裕度越大；灵敏程度分析单元，连续调节直流系统pi控制环节的积分系数或微分系数，得到相应状态矩阵的特征值，根据状态矩阵的关键特征值判断系统稳定性的灵敏程度，其中，直流系统pi控制环节的积分系数或微分系数的增加不利于系统的稳定性。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将特高压直流分层接入模式的复杂电气耦合关系考虑在内，定量地分析了特高压直流分层接入工程距离失稳临界点的距离，即稳定裕度。并基于该量化评估方法，有效分析了稳定性对系统参数的敏感度，为系统设计提供依据。通过本发明提供的方法分析可得，与多直流馈入同一电压等级的模式相比，特高压直流分层接入模式具有更高的稳定性，能提供更强的交流系统支撑能力。同时，直流控制系统参数设置的不合理，将恶化系统的稳定性。通过交流系统的耦合并非影响换流器之间相互作用关系的唯一因素，通过特高压直流分层接入，直流系统间的耦合关系也起着重要作用，因此对这种模式下直流间的耦合也值得更多的关注与研究。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为特高压直流分层接入方式下的单极结构示意图；图2为直流电流在1％扰动情况下的时域响应；图3随kii增加的特征值灵敏度；图4随kip增加的特征值灵敏度；图5不同kii对应的时域响应；图6关键特征值实部与miif对比。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本申请实施例子中，特高压直流分层接入的稳定裕度及灵敏度分析方法，首先，建立系统微分-代数方程组(dae方程组)用来描述特高压直流分层接入模式下的多种耦合关系。然后，分析交流系统强度以及典型cigre控制模型参数(采用整流侧定电流，逆变侧定关断角控制方式)对系统稳定性的影响，并在pscad建立仿真模型。具体的，本申请在特高压直流分层接入动态模型时采用小干扰分析方法。关于小干扰分析方法，具体介绍如下：数学上讲，每个包含独立控制的换流器都属于典型的动力系统，其动态行为可采用如下所示微分-代数方程进行描述：0＝g(y,z)(2)其中y为表征系统状态的状态向量，向量z包含其余中间变量。微分方程刻画系统的动态特性，代数方程则描述了直流和交流电气量之间的耦合关系。依据小干扰分析方法的思想，对式(1)(2)在平衡点处线性化得到如下所示方程组：消去δz可得其中a为系统的状态矩阵，ga,gb,gc,gd分别为线性化得微分代数方程的子块。具体的，a是系统的状态矩阵，其特征信息可提供系统状态变量在受到扰动时的时域响应信息。基于矩阵a的特征分析，特征值的实部代表着系统的振荡模式，若为负数代表系统稳定，若为正数代表系统不稳定。参与因子pki用来度量状态变量和相关模态间的关联程度。为方便说明，本申请将距离虚轴最近的特征值定义为关键特征值。基于上述小干扰分析方法的思想，根据特高压直流分层接入的单极示意图，如图1所示，假设直流系统采用整流侧定电流、逆变侧定关断角控制模式。交流系统以戴维南形式简化，此形式适用于以同步旋转机为代表的交流电压控制设备响应之前，相应电气量标识于图中。各换流站的微分方程形式类似，在每个换流器中，选取直流pi控制环节积分器输出量x、直流电流id为状态变量。以高端逆变器为例，考虑高压直流输电传输线路与控制器的动态过程，换流器的微分方程如下所示：代数方程组由两部分组成，第一部分描述了换流站内各控制参数的代数关系以及交直流系统间的联系：α＝-xr-krp(idref-id)+αref(9)β1＝xi1+kip1(γref1-γ1)(10)β2＝xi2+kip2(γref2-γ2)(11)udi＝udi1+udi2(17)代数方程的第二部分表示各逆变端交流系统间的耦合关系：pdi1＝udi1id(22)pdi2＝udi2id(24)其中δi1＝δi1′-ξ1,δi2＝δi2′-ξ2，δ12＝δi1′-δi2′.对各符号代表含义说明：id：直流系统电流；udr：直流系统整流侧电压；udi：直流系统逆变侧电压；r：直流线路电阻；l：直流线路电感；xr：整流侧控制环节中pi控制的积分量；kri：整流侧控制环节中pi控制积分环节系数；kid：整流控制系统惯性环节系数；idref：直流电流整定值；γ1，γ2：高低端逆变侧关断越前角；γref1,γref2：高低端逆变侧关断越前角整定值；xi1,xi2：高低端逆变侧控制环节中pi控制的积分量；kii1,kii2：高低端逆变侧pi控制积分环节系数；α：整流侧触发延迟角；krp：整流侧pi控制微分环节系数；αref：整流侧触发延迟角整定值；β1,β2：高低端逆变侧触发越前角；kip1,kip2：高低端逆变侧pi控制微分环节系数；xci1，xci2：高低端逆变侧换相电抗；vi1，vi2：高低端逆变侧换流母线的线电压有效值；n：6脉动换流桥的个数；kr：整流侧换流变变比；vr：整流侧换流母线的线电压有效值；xcr：整流侧换相电抗；ki1,ki2：高低端逆变侧换流变变比；ei1,ei2：高低端交流系统发电机电势；zi1,zi2：高低端交流系统等效阻抗；δi1',δi2'：高低端逆变侧换流母线的线电压相角；ξ1,ξ2：高低端逆变侧换流母线电压相角；pdi1,pdi2：高低端逆变侧传输有功功率；p12：高低端之间交换有功；bci1,bci2：高低端逆变侧母线无功补偿电导；qdi1,qdi2：高低端逆变侧无功功率；q12：高低端逆变侧之间交换无功；高低端逆变器功率因数角。对高低端换流站分别采用上述方式进行微分-代数方程建模，可得到特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型。对于一回特高压分层接入模型来说，只具备一个整流侧方程组，逆变侧有高端和低端，上述方程中下标r表示整流侧的相关方程，下标带有i及数字1、2分别代表逆变侧高低端的相关方程。高低端逆变侧的方程具有相似的形式，因此，将式(5)-(8)以微分方程组(1)形式表示得状态变量记为yh＝[idxrxi1xi2]t，式(8)-(27)以代数方程组(2)形式表示得中间变量记为zh＝[udrudiudi1udi2aγ1γ2β1β2vi1δi1vi2δi2]t。对微分-代数方程组进行线性化处理，得到形如(3)的方程组如下所示其中本实施例2的目的是提供特高压直流分层接入的稳定性分析系统。为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：特高压直流分层接入的稳定性分析系统，包括：模型建立单元，对高低端换流站分别采用微分-代数方程建模，可得到特高压直流分层接入模式下的小干扰分析模型，用来描述特高压直流分层接入模式下的多种耦合关系；稳定性分析单元，针对上述小干扰分析模型，将距离虚轴最近的特征值定义为关键特征值，利用关键特征值判断系统的稳定性。应当注意，尽管在上文的详细描述中提及了设备的若干单元或子单元，但是这种划分仅仅是示例性而非强制性的。实际上，根据本公开的实施例，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。反之，上文描述的一个单元的特征和功能可以进一步划分为由多个单元来具体化。为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。下面通过实际案例说明本发明提出的特高压分层接入稳定裕度与灵敏度分析方法的有效性，并验证特高压直流分层接入模式的稳定性优势。(1)案例分析1本案例中，通过对比特高压直流分层接入模式与多直流接入同一电压等级模式两种情况下的稳定性水平，说明特高压直流分层接入所具有的优势。系统的部分参数列于表1中。建立直流输送容量全部馈入500kv交流电网的方式作为对比，直流系统参数与特高压直流分层接入时一致，受端交流系统参数按照保持短路电流水平不变考虑。表1.特高压特高压直流分层接入模式部分参数直流系统参数vrn525kvvi1n525kvvi2n1050kvud800kvpd5000mwxci120％xci220％交流系统参数|zi1|414.6|zi2|84.8借助模态分析方法，可获得特高压直流分层接入模式和全部馈入500kv模式的状态变量模态信息及其参与因子，如表2、表3所示。表中id、xr、xi分别代表直流电流以及整流侧定电流控制、逆变侧定关断角控制引入的状态变量。下标1、2表示分别为高端和低端换流站的相关变量。结果表明，每一种模式都以不同的方式与状态变量相关联。关键特征值对应的模态主要体现在状态变量id和xr中。通过比较表2和表3相关数据发现，关键特征值实部由全部馈入500kv模式时的-3.59变为特高压直流分层接入时的-5.24，更加远离虚轴，说明特高压直流分层接入方式更为稳定。表2特高压直流分层接入模式的参与因子表3全部馈入500kv交流电网时的参与因子图2显示了直流电流施加1％扰动情况下的时域响应，仿真结果显示，2种馈入模式下，直流电流在扰动后都能保持稳定。对于相同的扰动量，特高压直流分层接入模式的状态变量在扰动后衰减快于容量全部馈入500kv模式，系统稳定性相对较好。(2)案例分析2本案例研究了特高压直流分层接入模式下，系统稳定性对直流控制系统参数变化的灵敏程度。连续调节直流系统pi控制环节的kii或kip，所得状态矩阵的特征值分别如图3、图4所示，其中实线代表了特征值变化，虚线指示变量kii或kip的变化趋势。从中可知，直流控制系统的参数对系统稳定性有着影响，kii或kip的增加对系统稳定性产生了不利影响。图5给出了在相同扰动下，不同kii的系统的时域响应曲线，衰减时间的变化同样证明了kii增加时，系统的稳定程度变差。(3)案例3本案例将通过与传统多馈入直流系统形成对比，分析不同参数对特高压直流分层接入的影响。换流器间分别通过直流系统和交流系统耦合在一起，后者间的耦合在很多文献中得到了研究讨论，而针对前者的考虑较少。如2008年国际大电网组织提出的多直流交互作用因子(miif)，仅考虑通过交流系统的耦合关系。图6描述了随交流系统耦合阻抗z12增加，miif与关键特征值之间的关系。z12直接反映了交流系统间的耦合程度，因此随着z12增加，miif将下降。但关键特征值，即系统稳定性的量度，考虑了交流与直流两个系统的耦合关系，因此图6所示曲线为非单调曲线。在曲线最大值右侧，z12对换流器之间耦合程度起主导作用，耦合程度越大，对应miif值越大，同时关键特征值距虚轴越近。然而，在曲线最大值左侧，miif变化与关键特征值实部变化与右侧曲线呈相反的趋势，z12对换流器之间耦合程度起到的作用变小。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页12