一种分析机组灵活性改造后励磁系统对直流受端电网动态无功支撑影响的方法与流程

本发明涉及交直流电网安全运行领域，更具体涉及一种分析机组灵活性改造后励磁系统对直流受端电网动态无功支撑影响的方法。

背景技术：

1、随着构建以新能源为主体的新型电力系统，新能源和特高压交直流输电工程呈快速发展态势。另一方面随着新能源加速替代化石能源，电力供给侧的清洁型转型将是未来的大方向，火电机组利用小时数未来将呈逐步下降趋势，部分火电机组将停备甚至提前退役，“火电空心化”、“弱同步支撑”等特点将愈发显著；对于电网将导致系统动态无功调节能力下降、电压稳定问题凸显，对于电厂将造成资产的浪费和闲置、并影响火电厂的经济效益。如何高效利用好现有电源侧资产和发电能力，同时实现对电力系统大容量无功、尤其是动态无功支撑需求，以适应新型电力系统发展需求对于电网和电厂双方既是机遇更是巨大挑战。

2、发电机励磁系统对交流电网支撑研究已广泛开展，但随着新型电力系统发展，大容量直流投产时间较短，机组灵活性、调相化改造目前才刚刚开始，针对大容量直流受端动态无功支撑的灵活性改造机组励磁系统研究处于起步阶段，如何确定对大容量直流无功支撑起关键作用的励磁系统参数、如何提升灵活性、调相化机组励磁系统性能，目前缺少行之有效方法。本专利提出了一种分析机组灵活性改造后励磁系统对直流受端电网动态无功支撑影响的方法，针对机组灵活化改造励磁系统对受端直流换相失败影响，对确定灵活化改造机组的励磁系统更换必要性，提升励磁系统改造效果，具有极大的理论指导意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，从而提供一种分析机组灵活性改造后励磁系统对直流受端电网动态无功支撑影响的方法，对分析机组灵活化改造励磁系统对受端直流换相失败影响，确定励磁系统改造必要性，提升励磁系统改造效果。

2、一种分析机组灵活性改造后励磁系统对直流受端电网动态无功支撑影响的方法，包括以下步骤：

3、(1)根据灵活性改造后机组的励磁系统结构，建立对应的励磁系统数学模型；

4、(2)计算励磁系统数学模型中的换弧压降系数、调节器输出最大限幅、调节器输出最小限幅及励磁系统放大倍数，得到励磁系统数学模型参数；

5、(3)利用励磁系统模型参数，在励磁系统结构与模型的基础上，得到励磁系统传递函数及励磁电压变化规律；

6、(4)建立灵活性改造后机组的励磁电压与励磁电流关系式，利用励磁电压变化规律，根据同步电机运动方程组，得到灵活性改造后机组的暂态无功出力表达式；

7、(5)根据高压直流输电工程，建立直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压；

8、(6)利用机组暂态无功出力表达式及直流换相失败对应交流系统临界电压，确定灵活化改造机组励磁系统对大容量直流受端动态无功支撑效果。

9、所述灵活性改造改造后机组的励磁系统结构包括发电机电压测量装置、励磁变压器、可控硅整流器、控制器、励磁绕组。

10、步骤1中，根据灵活性改造后机组的励磁系统结构，建立对应的励磁系统数学模型，具体为：

11、根据励磁系统结构的发电机电压测量装置及控制器构建励磁系统测量环节数学模型，根据励磁系统结构的励磁变压器及可控硅整流器构建励磁系统放大环节数学模型，根据励磁系统结构的控制器及励磁绕组构建励磁系统反馈环节数学模型，通过已建成励磁系统测量环节、放大环节、反馈环节数学模型，形成对应于灵活性改造后机组励磁系统结构的励磁系统数学模型。

12、步骤2中，计算励磁系统数学模型中的换弧压降系数、调节器输出最大限幅、调节器输出最小限幅及励磁系统放大倍数，具体为：

13、

14、式中：kc—换弧压降系数；

15、vetk—励磁变压器短路电压；

16、vet—励磁变压器二次侧额定电压；

17、vfb—磁场电压基准值；

18、ifb—磁场电流基准值；

19、setn—励磁变压器额定容量；

20、vrmax＝1.35vetcosαrmin/vfb    (2

21、vrmin＝1.35vetcosαrmax/vfb    (3

22、式中：vrmax—调节器输出电压最大限值；

23、vrmin—调节器输出电压最小限值；

24、αrmax—可控硅整流器的最大控制角；

25、αrmin—可控硅整流器的最小控制角；

26、

27、式中：vfceiling—励磁系统顶值电压；

28、vfrated—额定磁场电压；

29、kar—励磁系统放大倍数。

30、步骤3中，利用励磁系统模型参数，在励磁系统结构与模型的基础上，得到励磁系统传递函数及励磁电压变化规律，具体为：

31、灵活性改造后机组的励磁系统传递函数为：

32、

33、g(s)—综合传递函数；

34、h(s)—正向通道传递函数；

35、f(s)—反馈通道传递函数；

36、

37、efd—灵活化改造机组励磁电压；

38、vref—灵活化改造机组机端电压整定值；

39、其中h(s)为典型自并励励磁系统正向通道传递函数综合值，f(s)为典型自并励励磁系统反馈通道传递函数值；

40、对公式(6)进行时域数学模型转换，得到时域励磁电压变化规律。

41、步骤4中，建立灵活性改造后机组的励磁电压与励磁电流关系式，利用励磁电压变化规律，根据同步电机运动方程组，得到灵活性改造后机组的暂态无功出力表达式，具体为：

42、灵活性改造后机组励磁电压关系式为：

43、

44、uf—励磁绕组电压；

45、ψf—励磁绕组磁链；

46、rf—励磁绕组电阻；

47、if—励磁绕组电流；

48、灵活性改造后机组励磁电流关系式为：

49、

50、xad—d轴电枢反应电抗；

51、xf—励磁绕组电抗；

52、id—d轴定子电流；

53、id—d轴阻尼绕组电流；

54、同步电机运行方程组为：

55、

56、j为灵活性改造机组转动惯量，ω为灵活性改造机组的机械角速度，t为时间，tm为机械转矩，te为电磁转矩；ud、uq为灵活性改造机组的d、q轴定子电压；id、iq为灵活性改造机组的d、q轴定子电流，id、iq为灵活性改造机组的d、q轴阻尼绕组电流；ψd、ψq为灵活性改造机组的d、q轴定子绕组磁链，ψd、ψq为灵活性改造机组的d、q轴阻尼绕组磁链；r为灵活性改造机组的定子绕组电阻，rd、rq为灵活性改造机组的d、q轴阻尼绕组电阻；xad、xaq为灵活性改造机组的d、q轴电枢反应电抗，xd、xq为灵活性改造机组的d、q轴同步电抗，xd、xq为灵活性改造机组的d、q轴阻尼绕组电抗；

57、利用灵活性改造后机组的励磁电压关系式(7)与励磁电流关系式(8)，根据同步电机运动方程组(9)，得到机组灵活化改造后，暂态功率s及暂态无功功率q：

58、s＝(ud+juq)(id-jiq)＝(udid+uqiq)+j(uqid-udiq)    (10)

59、q＝uqid-udiq    (11)。

60、步骤5中，根据高压直流输电工程，建立直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压，具体如下：

61、根据高压直流输电工程，建立直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的关系为：

62、

63、

64、

65、其中，uac为交流系统中a相与c相的线电压，ua为交流系统中a相电压，uc为交流系统中c相电压，ik为a相与c相之间电流，l为换流站每相换相电感，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，ω为交流系统角频率，t代表时间，u为交流系统线电压有效值，id为直流系统额定电流；

66、根据已建立的直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的关系，及阻抗百分比计算公式(15)，得到直流换相失败对应交流系统临界电压计算公式(16)：

67、

68、

69、式中，u为交流系统实际运行线电压有效值，uk％为换流站换流变压器阻抗百分比，in为交流系统每相额定电流有效值，xt为换流变压器短路阻抗，un为交流系统额定线电压有效值，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，id为直流系统额定电流。

70、步骤6具体为：

71、构建含灵活化改造机组的动态模拟试验平台；

72、在动态模拟试验平台，利用灵活化改造机组暂态无功表达式，得到不同励磁系统模型参数下机组暂态无功；

73、根据不同励磁系统模型参数下机组暂态无功，得到交流系统电压提升的百分点及对应的灵活化改造机组电压；

74、将灵活化改造机组电压交流系统临界电压比对，分析灵活化改造机组对换相失败提升程度，最后确定灵活化改造机组励磁系统对大容量直流受端动态无功支撑效果。

75、本发明根据灵活性改造后机组的励磁系统结构，建立对应的励磁系统数学模型，计算励磁系统数学模型中换弧压降系数、调节器输出最大限幅、调节器输出最小限幅、励磁系统放大倍数等关键参数，在此基础上得到励磁系统传递函数及励磁电压变化规律，最后构建含灵活化改造机组的动态模拟试验平台，验证机组灵活化改造后励磁系统对大容量直流受端动态无功支撑效果。本发明对分析机组灵活化改造励磁系统对受端直流换相失败影响，确定励磁系统改造必要性，提升励磁系统改造效果，具有极大的理论指导意义。