交直流混合电力系统的次同步振荡评估方法

摘要

本发明公开了一种交直流混合电力系统的次同步振荡评估方法，属于电力系统规划和运行技术领域。该方法包括：S1、建立高压直流输电单元HVDC的次同步振荡研究用模型；S2、根据高压直流输电HVDC在电网中的位置以及实际运行时该HVDC的潮流走向，分析该HVDC与电网中各台发电机组的耦合强弱，确定待研发电机组；S3、根据HVDC与待研发电机组所构成的系统的等效边界对交直流混合电力系统进行化简，得到交直流混合电力系统的等效简化系统；S4、根据等效简化系统，计算待研发电机组各固有扭振频率下的电气阻尼和次同步振荡评价指标。本发明还公开了一种交直流混合电力系统的规划设计方法。本发明能够对包含HVDC的交直流混合电力系统的次同步振荡行为进行准确的评估预测。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统规划和运行技术领域，尤其涉及一种交直流混合电力系 统的次同步振荡评估方法。

背景技术

交直流混合输电以其运行方式灵活的特点，使得高压直流输电被广泛运用于 实际电网，在带来巨大经济效益的同时，也给电力系统带来新的挑战。不恰当的 直流输电控制有可能引发次同步振荡，导致整流侧交流系统发电机组转子轴系的 严重破坏。

高压直流输电技术(HVDC)是电力电子技术在电力系统输电领域中应用最 早同时也是较为成熟的技术。高压直流输电单元是由将交流电变换为直流电的整 流器、高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成，从结 构上看，是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路。高压直流输电线路的造价 和运行费用比交流输电低，对于同样输电容量，输送距离越远，直流比交流的经 济性能越好。并且直流输电不存在功角稳定问题，所连两侧电网无须同步运行， 因此直流输电可实现电网的非同步互联，起到频率变换器的作用，可在设备容量 及受端交流系统容量允许的范围内，大容量输送电力。此外直流输电具有潮流快 速可控的特点，可用于所连交流系统的稳定与频率控制，直流输电的换流器为基 于电力电子器件构成的电能控制电路，其对电力潮流的控制迅速而精确，对双端 直流输电而言，可迅速实现潮流的反转。

高压直流手段的合理性和实用性在远距离、大容量输电中得到明显体现。随 着电力电子技术的发展，这一优势更为显著。然而直流输电是一个复杂的系统， 涉及到大量的、品种多样的元器件及设备，其控制系统非常复杂，控制策略多样 化，不恰当的控制策略和控制参数有可能导致次同步振荡的发生，不利于交、直 流系统之间的互联。因此非常有必要对交、直流系统之间的相互作用以及协调控 制进行充分的研究，对于高压直流输电的控制策略和控制参数变化对于次同步振 荡影响等方面进行模型建立及评估分析，以对电力系统的规划运行提供指导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种交直流混合电 力系统的次同步振荡评估方法，能够对包含HVDC的交直流混合电力系统的次 同步振荡行为进行准确的评估预测，进而对电力系统的规划运行提供指导依据。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:

一种交直流混合电力系统的次同步振荡评估方法，所述交直流混合电力系统 包括高压直流输电单元以及若干发电机组；所述评估方法包括以下步骤：

步骤1、建立所述高压直流输电单元的次同步振荡研究用模型；

步骤2、根据所述高压直流输电单元在电网中的位置以及实际运行时该高压直流 输电单元的潮流走向，分析该高压直流输电单元与电网中各台发电机组的耦合强 弱，确定待研发电机组；

步骤3、根据高压直流输电单元与待研发电机组所构成的系统的等效边界对所述 交直流混合电力系统进行化简，得到交直流混合电力系统的等效简化系统；

步骤4、根据所述等效简化系统，计算待研发电机组各固有扭振频率下的电气阻 尼和次同步振荡评价指标，具体步骤如下：

步骤4-1、对所述高压直流输电单元的次同步振荡研究用模型进行线性化，得到 所述高压直流输电单元的状态方程；

步骤4-2、确定所述等效简化系统的公共坐标系xy，将高压直流输电单元两端电 压分解到xy坐标系；

步骤4-3、进行计算消去中间变量，使用复转矩系数法得到待研发电机组的电气 阻尼表达式；

步骤4-4、根据所得到的电气阻尼表达式分析待研发电机组各固有扭振频率下的 系统等效阻抗，并根据下式计算相应的次同步振荡评价指标Index，次同步振荡 评价指标Index的值越小，表明所述交直流混合电力系统发生次同步振荡的风险 越大：

$Index=-\frac{(f-f_n)}{8f_n{H}_n}\left(\frac{R}{R^2+X^2}\right)$

式中，R、X分别为待研发电机组的固有扭振频率f_n下的系统的等效电阻、等效 电抗，f为系统同步频率，H_n为与待研发电机组中与固有扭振频f_n相关联的常 数。

优选地，步骤1中所建立的次同步振荡研究用模型为准稳态模型。

优选地，所述步骤3具体包括以下子步骤：

步骤3-1、以高压直流输电单元和待研发电机组为中心，向外保留距离一个主干 网架电压等级的变电站区域，作为高压直流输电单元与待研发电机组所构成的系 统的等效边界；

步骤3-2、基于所述等效边界，计算高压直流输电单元与待研发电机组所构成的 系统各交流支路的等效阻抗；

步骤3-3、基于交直流混合电力系统的稳定运行状态和潮流，并结合所述等效边 界点的等效阻抗，将所述等效边界之外的外网等值成电源或者负荷，并确定该电 源或负荷的参数。

优选地，步骤2中使用机组作用系数法确定待研发电机组。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种交直流混合电力系统的规划设计方法，所述交直流混合电力系统包括高 压直流输电单元以及若干发电机组；在高压直流输电单元采用不同的控制方式及 参数的情况下，分别利用如上任一技术方案所述方法进行交直流混合电力系统的 次同步振荡评估，并根据评估结果为所述高压直流输电单元选取发生次同步振荡 的风险最小的控制方式及参数。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明实现了在考虑高压直流输电情况下，准确评估电力系统是否会发生次 同步振荡以及次同步振荡强弱，可有效分析高压直流输电对于次同步振荡的影响 程度，对实际电网的规划和运行有着重要的实际意义。

附图说明

图1为HVDC的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明规划设计方法针对包含高压直流输电单元(HVDC)的交直流混合电 力系统，首先对其进行次同步振荡评估，得到待研发电机组各固有扭振频率下的 电气阻尼和次同步振荡评价指标；然后调整HVDC的控制方式及参数，并重复 进行次同步振荡评估，最后根据次同步振荡评估结果选择发生次同步振荡的风险 最小的控制方式及参数。其基本流程具体如下：

步骤1、获取交直流混合电力系统的网架数据、系统内的发电机组数据、 HVDC运行数据(包括控制方式及参数)。

步骤2、建立所述高压直流输电单元的次同步振荡研究用模型；

本发明优选采用的HVDC的次同步振荡研究用模型为准稳态模型。本实施 例中所建立的次同步振荡研究用模型具体如下：

如图1所示的HVDC结构，设HVDC两端分别与交流输电系统的任意两个 节点k和m相连，两节点电压相量分别为和电 流相量分别为和n′为整流侧换流变压器变比，n″为逆变侧换流变压器变比， α为整流器触发角，β为逆变器超前触发角，γ为逆变器的熄弧角，L_d分别为 HVDC线路上的电抗和平波电抗值之和，R_d是HVDC线路的电阻值，C_d是HVDC 线路的对地电容值， X′和X″分别为整流器和逆变器的换相等值电抗，I′_d为整流器输出电流， I″_d为逆变器输入电流，V′_d0整流器理想空载电压，V′_d为实际整流电压，V″_d0为 逆变器理想空载电压，V″_d为实际逆变电压，V_d1为HVDC线路对地电压，和分别为两节点k和m的功率因数，p为微分算子。 K_r,T_d,T_r,K_i,T_i为各种定值控制调节方式参数，Δα₀和Δβ₀分别为整流侧和逆 变侧定值控制调节差值。

在整流侧有：

$V_{d0}^{\prime }=\frac{3\sqrt{2}}{\pi }{n}^{\prime }{V}_k---\left(1\right)$

$V_d^{\prime }=V_{d0}^{\prime }cos\alpha -\frac{3}{\pi }{X}^{\prime }{I^{\prime }}_d---\left(2\right)$

$I_k=\frac{3\sqrt{2}}{\pi }{n}^{\prime }{I^{\prime }}_d---\left(3\right)$

直流输电线路方程为：

L_d·pI′_d＝-R_dI′_d+V′_d-V_d1(8)

C_d·pV_d1＝I′_d-I″_d(9)

L_d·pI″_d＝-R_dI″_d+V_d1-V″_d(10)

在逆变侧有：

$V_{d0}^{\prime \prime }=\frac{3\sqrt{2}}{\pi }{n}^{\prime \prime }{V}_m---\left(11\right)$

$V_d^{\prime \prime }=V_{d0}^{\prime \prime }cos\beta +\frac{3}{\pi }{X}^{\prime \prime }{I^{\prime \prime }}_d---\left(12\right)$

$I_m=\frac{3\sqrt{2}}{\pi }{n}^{\prime \prime }{I^{\prime \prime }}_d---\left(13\right)$

步骤3、根据所述高压直流输电单元在电网中的位置以及实际运行时该高压 直流输电单元的潮流走向，分析该高压直流输电单元与电网中各台发电机组的耦 合强弱，确定待研发电机组；本发明优选采用机组作用系数法确定待研发电机组。

步骤4、根据高压直流输电单元与待研发电机组所构成的系统的等效边界对 所述交直流混合电力系统进行化简，得到交直流混合电力系统的等效简化系统； 本实施例中的系统化简过程具体如下：

步骤4-1、以高压直流输电单元和待研发电机组为中心，向外保留距离一个 主干网架电压等级的变电站区域，作为高压直流输电单元与待研发电机组所构成 的系统的等效边界；

步骤4-2、基于所述等效边界，计算高压直流输电单元与待研发电机组所构 成的系统各交流支路的等效阻抗；

步骤4-3、基于交直流混合电力系统的稳定运行状态和潮流，并结合所述等 效边界点的等效阻抗，将所述等效边界之外的外网等值成电源或者负荷，并确定 该电源或负荷的参数。

步骤5、根据所述等效简化系统，计算待研发电机组各固有扭振频率下的电 气阻尼和次同步振荡评价指标，具体步骤如下：

步骤5-1、对所述高压直流输电单元的次同步振荡研究用模型进行线性化， 得到所述高压直流输电单元的状态方程；对本实施例中所采用的次同步振荡研究 用模型进行线

性化，取状态变量为：

X_DC＝[Δα₀,ΔI′_d,ΔV_d1,ΔI″_d,Δβ₀]^T(17)

得到HVDC状态方程式为：

B_D·pX_DC＝C_DX_DC+D_kV_kDC+D_mV_mDC(18)

R_k·I_kDC＝S_kX_DC+T_kV_kDC(19)

R_m·I_mDC＝S_mX_DC+T_mV_mDC(20)

步骤5-2、确定所述等效简化系统的公共坐标系xy，将高压直流输电单元两 端电压V_k和V_m分解到xy坐标系：

V_k＝E_k·V_kDC，I_k＝F_k·I_kDC(21)

V_m＝E_m·V_mDC，I_m＝F_m·I_mDC(22)

步骤5-3、进行计算消去中间变量，使用复转矩系数法得到待研发电机组的 电气阻尼表达式；本实施例中消去中间变量X_DC后可得：

$\left(\begin{array}{c}{I}_k=Y_{kk}·V_k+Y_{km}{V}_m\\ I_m=Y_{mk}·V_k+Y_{mm}{V}_m\end{array}\right)---\left(23\right)$

将式(23)与系统其它部分联立，用复转矩系数法即可得到待研发电机组的 电气阻尼表达式。

步骤5-4、根据所得到的电气阻尼表达式分析待研发电机组各固有扭振频率 下的系统等效阻抗，并根据下式计算相应的次同步振荡评价指标Index，次同步 振荡评价指标Index的值越小，表明所述交直流混合电力系统发生次同步振荡的 风险越大：

$Index=-\frac{(f-f_n)}{8f_n{H}_n}\left(\frac{R}{R^2+X^2}\right)---\left(24\right)$

式中，R、X分别为待研发电机组的固有扭振频率f_n下的系统的等效电阻、等效 电抗，f为系统同步频率，H_n为与待研发电机组中与固有扭振频f_n相关联的常 数。

步骤6、调整HVDC的控制方式及参数，并重复以上步骤1～5，得到HVDC 在不同控制方式及参数下交直流混合电力系统的次同步振荡评价指标，并通过比 较这些次同步振荡评价指标，为HVDC选取产生次同步振荡风险最小的控制方 式及参数。

为了快速便捷地指导交直流混合电力系统的规划设计，可根据本发明的次同 步振荡评估方法，在MATLAB或SIMULINK中建立交直流混合电力系统的次同 步振荡评估仿真模型，通过调整仿真模型中HVDC的控制方式及参数组合，即 可方便快捷地得到在HVDC不同的控制方式及参数组合下的次同步振荡评估结 果，进而指导交直流混合电力系统的规划设计。