一種抑制多直流連鎖換相失敗的調相機布點方法與流程
2023-12-12 23:20:52
本發明屬於電力系統自動化技術領域，具體地說本發明涉及一種抑制多直流連鎖換相失敗的調相機布點方法。
背景技術：
在多饋入直流系統中，若各直流換流站間電氣耦合緊密而接入的交流系統強度不足時，某一條直流近區交流線路發生短路故障很可能引起多條直流同時或相繼換相失敗，對受端系統產生較大功率衝擊，如果直流系統發生長時間、連續的換相失敗則可能導致直流系統閉鎖，引起直流功率傳輸的中斷，易導致交流系統暫態失穩，甚至引發一系列的連鎖故障，最終導致大停電事故的發生。
目前，採用諸如靜止無功補償器(svc)、靜止同步補償器(statcom)等動態無功補償裝置來提高直流近區系統電壓穩定性，抑制多饋入直流連鎖換相失敗是學術界研究和工程應用較為普遍的方法。為了能夠充分發揮動態無功補償裝置的效能，使其對抑制多回直流同時或相繼換相失敗具有綜合最優的支撐效果，必須對動態無功補償裝置的布點進行靈敏度分析計算並提出相應的評估指標，選擇指標最優點進行配置。
現有的動態無功補償裝置布點方法大多屬於靜態分析的範疇，無法有效評估包括感應電動機以及直流輸電系統在內的快速響應設備的動態過程。某些基於暫態電壓穩定的分析方法的文獻從多饋入直流交互作用因子出發，提出利用換相失敗靈敏度因子(dvsf)定位補償裝置最佳安裝地點，但該方法僅僅考慮了換流母線電壓跌落幅度，忽略了其跌落持續時間和直流電流上升對直流換相失敗的影響。
分析表明，交直流電網在受擾後的暫態過程中換流母線電壓和直流電流通常是交互影響的。某些情況下，僅依靠傳統的根據換流母線電壓幅值的跌落判斷換相失敗得到的指標難以真實地反映受擾換流母線電壓和直流電流之間的動態交互影響，也難以適應系統運行中交直流動態交互行為的變化，從而可能導致採用這些指標得到的結果與實際情況不相符。
因此，傳統的動態無功裝置布點方法由於沒有考慮在交直流電網實際運行中換流母線電壓和直流電流之間的動態交互影響，存在導致採用這些布點方法得到的結果與實際情況不相符甚至可能因此惡化交直流電網運行性能的危險，造成電網安全或經濟方面的嚴重後果。為此，需要一種能夠在動態無功補償裝置布點指標中計及換流母線電壓和直流電流之間交互影響和準確反映連鎖換相失敗類別，從而有效適應交直流動態交互行為變化的控制布點方法。
技術實現要素：
本發明目的是：針對現有技術的不足，提出一種抑制多直流連鎖換相失敗的調相機布點方法。該方法旨在根據電壓控制靈敏度的原理，計及多回直流交互耦合作用和直流傳輸功率水平因素影響，並分析換流母線電壓跌落幅度、跌落持續時間以及直流電流上升對換相失敗的影響，得到能夠有效適應交直流動態交互行為變化的調相機的無功提升控制評估指標，使得調相機對多回直流的綜合支撐能力得到最大改善。
具體地說，本發明是採用以下技術方案實現的，包括以下步驟：
1)確定直流換相失敗後導致其他直流同時或相繼換相失敗風險較高的區域，並將此區域確定為調相機安裝區域；
2)對於調相機安裝區域內的所有節點，分別計算得到在各節點處安裝調相機時的無功提升控制評估指標並排序，將排序首位的節點作為調相機最佳安裝地點；
各節點處安裝調相機時的無功提升控制評估指標計算公式如下：
其中，eq.i為調相機安裝區域內第i個節點處安裝調相機時的無功提升控制評估指標，n為直流的總數，zjj為第j回直流的換流站的自阻抗，zkj為第k回直流的換流站和第j回直流的換流站間的互阻抗，pdj為第j回直流輸送的額定功率，pdk為第k回直流輸送的額定功率，δηvaj、δηvtj、δidj依次為在設定的低電壓門檻值ucr和容許低電壓的持續時間tcr條件下在調相機安裝區域內第i個節點處安裝調相機前後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值裕度的變化量、電壓跌落持續時間裕度的變化量和直流電流最大值的變化量，kzs為把電壓跌落持續時間換算成電壓的折算因子，zeqj為將從第j回直流的逆變站換流母線側向系統看進去的戴維南等值阻抗，δqi為調相機提供的無功變化量；
3)根據節點無功補償容量上限確定調相機安裝容量是否達到預設目標，若達到則結束本方法，若未達到則轉至步驟2)，重複布置直至達到預設目標結束。
上述技術方案的進一步特徵在於，所述步驟1)中確定直流換相失敗後導致其他直流同時或相繼換相失敗風險較高的區域的方法為：
根據機電暫態仿真計算多回直流的多饋入交互作用因子，將第j回直流相對第k回直流的多饋入交互作用因子記為miifkj；如果計算出的miifkj>0.3，則認為當第j回直流發生換相失敗時，第k回直流也將同時或相繼發生換相失敗；如果有母線發生故障時，所有直流系統的換相失敗直流比例超過預先設定的門檻值s，則將該母線近區確定為直流換相失敗後導致其他直流同時或相繼換相失敗風險較高的區域。
上述技術方案的進一步特徵在於，所述miifkj的計算公式如下：
式中，uj0為投入電抗器前第j回直流的逆變站換流母線的電壓，δuk為第k回直流的逆變站換流母線的電壓變化量，zjj為第j回直流的換流站的自阻抗，zkj為第k回直流的換流站和第j回直流的換流站間的互阻抗。
上述技術方案的進一步特徵在於，所述步驟2)中在設定的低電壓門檻值ucr和容許低電壓的持續時間tcr條件下在調相機安裝區域內第i個節點處安裝調相機前後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值裕度的變化量δηvaj、電壓跌落持續時間裕度的變化量δηvtj和直流電流最大值的變化量δidj的計算公式分別如下：
δηvaj＝u'jmin(t'j)-ujmin(tj)
δηvtj＝tj'-tj
δidj＝i'dj-idj
式中：ujmin(tj)為裝調相機前第j回直流逆變側換流母線電壓最小值，u』jmin(t』j)為裝調相機後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值，tj為裝調相機前第j回直流逆變側換流母線電壓最小值所對應的時間，t』j為裝調相機後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值所對應的時間，tj為裝調相機前uj≤ucr持續的時間，t』j為裝調相機後u』j≤ucr持續的時間，uj為裝調相機前第j回直流逆變側換流母線電壓，u』j裝調相機後第j回直流逆變側換流母線電壓，idj為裝調相機前第j回直流的電流最大值，i』dj為裝調相機後第j回直流的電流最大值。
上述技術方案的進一步特徵在於，所述步驟3)中根據節點無功補償容量上限確定調相機安裝容量是否達到預設目標的方法為：
根據節點無功補償容量上限確定在相應節點調相機的安裝臺數，根據調相機的安裝臺數和單臺調相機容量，確定調相機的安裝總容量，將調相機的安裝總容量與預設目標相比較，確定調相機安裝容量是否達到預設目標。
上述技術方案的進一步特徵在於，所述在相應節點調相機的安裝臺數，根據以下方式確定：
設相應節點的無功補償容量上限為m，單臺調相機的容量為n，則在該節點可裝設的調相機臺數為int(m/n)，其中int為取整函數。
本發明的有益效果如下：本發明中披露的調相機控制布點方法應用於多饋入直流系統中，用於抑制交直流電網連鎖換相失敗，通過採用可同時反映換流母線電壓幅值跌落、跌落持續時間以及直流電流的變化大小的調相機無功提升控制評估指標，及時有效的在受端系統裝設調相機，儘可能地減小交直流電網連鎖換相失敗引起的巨大暫態能量衝擊對受端交流系統安全穩定運行產生的不利影響。本方法可有效解決交直流電網因遭受嚴重故障可能發生的連鎖換相失敗問題，能夠直接根據多饋入交互作用因子的大小篩選出直流耦合作用緊密的區域，並將該區域作為調相機的安裝區域，相比傳統的將電網中所有母線都作為候選安裝點，並根據經驗逐個試探來選擇最佳調相機安裝位置的方法顯著提高了效率。本方法還可以有效計及多饋入直流系統暫態過程中換流母線電壓和直流電流之間的交互影響，在確保換相失敗直流快速恢復的基礎上，儘可能的減少調相機的配置容量。採用了本方法，對於調相機的布置，可以不受交直流電網網架結構的限制，工程中可根據直流實際運行功率及落地位置對無功提升控制評估指標靈活計算。
附圖說明
圖1是本發明的流程圖。
圖2為基於本發明實施例的調相機控制布點區域示意圖。
圖3為基於本發明實施例的逆變器熄弧角曲線圖。
圖4為基於本發明實施例的調相機無功功率曲線圖。
圖5為基於本發明實施例的逆變側換流母線電壓曲線圖。
圖6為基於本發明實施例的直流電流曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例並參照附圖對本發明作進一步詳細描述。
實施例1：
本發明的一個實施例，該實施例以實際電網為例，針對抑制交直流電網連鎖換相失敗，主要包括多條直流同時換相失敗和相繼換相失敗進行調相機的控制布點。該實際電網在2016年共有七回直流落點該電網，形成了典型的多饋入直流輸電系統，各直流的額定輸送功率如表1所示。
表1直流額定傳輸功率
本實施例進行調相機的布點方法的步驟如圖1所示。圖1中步驟1描述的是確定直流換相失敗後導致其他直流同時或相繼換相失敗風險較高的區域，並將此區域確定為調相機安裝區域，具體為利用機電暫態仿真程序計算多回直流的多饋入交互作用因子，如可依據潮流計算中得到的節點阻抗矩陣求解，將第j回直流相對第k回直流的多饋入交互作用因子記為miifkj，如果計算出的miifkj>0.3，則認為當第j回直流發生換相失敗時，第k回直流也將同時或相繼發生換相失敗；如果有母線發生故障時，所有直流系統的換相失敗直流比例超過預先設定的門檻值s(s取典型值75％)，則將該母線近區確定為直流換相失敗後導致其他直流同時或相繼換相失敗風險較高的區域。
所述miifkj的計算公式如下：
式中，uj0為投入電抗器前第j回直流的逆變站換流母線的電壓，δuk為第k回直流的逆變站換流母線的電壓變化量，zjj為第j回直流的換流站的自阻抗，zkj為第k回直流的換流站和第j回直流的換流站間的互阻抗。
本實施例中根據表一直流功率數據和潮流計算得到的七回直流換流母線節點阻抗矩陣計算典型方式下的七回直流間的多饋入交互作用因子，具體結果如表2所示。
表2多饋入交互作用因子(miif)
由表2可知，dc5、dc6、dc7與饋入該電網的其他四回直流交互作用因子幾乎都小於0.15，換流站間的相互作用弱，可看成是互不影響的單饋入直流，而dc1、dc2、dc3和dc4四回直流交互作用因子較大，相互作用明顯，其中一回直流發生換相失敗導致其他三條直流同時換相失敗的概率較大，因此確定該四回直流逆變側交流母線近區為調相機安裝區域，如圖2畫線區域所示。
圖1中步驟2描述的是在調相機安裝區域內任取一節點i(i＝1,2,…m),其中m為調相機安裝區域內所有可安裝調相機的節點總數，求解在設定的低電壓門檻值ucr和容許低電壓的持續時間tcr條件下在第i個節點處安裝調相機前後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值裕度的變化量δηvaj、電壓跌落持續時間裕度的變化量δηvtj和直流電流最大值的變化量δidj，並通過將折算因子kzs與δηvtj相乘，將從第j回直流的逆變站換流母線側向系統看進去的戴維南等值阻抗zeqj與δidj相乘，使其得到的乘積為電壓量的形式。將δηvaj、kδηvtj和zeqjδidj三個變量進行加權並與調相機提供的無功變化量δqi相除得到改進的電壓穩定性因子ivsfji。具體計算公式如下：
δηvaj＝u'jmin(t'j)-ujmin(tj)
δηvtj＝tj'-tj
δidj＝i'dj-idj
式中：ujmin(tj)為裝調相機前第j回直流逆變側換流母線電壓最小值，u』jmin(t』j)為裝調相機後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值，tj為裝調相機前第j回直流逆變側換流母線電壓最小值所對應的時間，t』j為裝調相機後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值所對應的時間，tj為裝調相機前uj≤ucr持續的時間，t』j為裝調相機後u』j≤ucr持續的時間，uj為裝調相機前第j回直流逆變側換流母線電壓，u』j裝調相機後第j回直流逆變側換流母線電壓，idj為裝調相機前第j回直流的電流最大值，i』dj為裝調相機後第j回直流的電流最大值，kzs為把電壓跌落持續時間換算成電壓的折算因子，zeqj為將從第j回直流的逆變站換流母線側向系統看進去的戴維南等值阻抗，其與直流電流最大值變化量δidj的乘積構成電壓量表徵直流電流對換相失敗的影響，δqi為調相機提供的無功變化量。
本實施例統一按照典型值設定低電壓門檻值ucr為0.80pu，容許低電壓的持續時間tcr為0.10s，折算因子kzs為1，無功變化量按照投入300mvar調相機考慮對ivsfji進行計算。
圖1中步驟3描述的是定義直流功率比值與miifkj的乘積為第j回直流的權重因子wj，對於具有n回直流饋入饋入的交直流電網，對權重因子wj與改進的電壓穩定性因子ivsfji的乘積進行求和得到在第i個節點處安裝調相機時的無功提升控制評估指標eq.i，具體公式如下：
其中，eq.i為調相機安裝區域內第i個節點處安裝調相機時的無功提升控制評估指標，n為直流的總數，zjj為第j回直流的換流站的自阻抗，zkj為第k回直流的換流站和第j回直流的換流站間的互阻抗，pdj為第j回直流輸送的額定功率，pdk為第k回直流輸送的額定功率，δηvaj、δηvtj、δidj依次為在設定的低電壓門檻值ucr和容許低電壓的持續時間tcr條件下在調相機安裝區域內第i個節點處安裝調相機前後第j回直流逆變側換流母線電壓最小值裕度的變化量、電壓跌落持續時間裕度的變化量和直流電流最大值的變化量，kzs為把電壓跌落持續時間換算成電壓的折算因子，zeqj為將從第j回直流的逆變站換流母線側向系統看進去的戴維南等值阻抗，δqi為調相機提供的無功變化量。
本實施例根據表1和表2數據並代入步驟3)中的公式可得七回直流權重因子，結果如表3所示
表3直流權重因子wj
由表3可知，七回直流權重因子最大的是dc1，其與其他六條直流耦合程度最大，對系統安全性的影響最大，當dc1近區發生交流故障而導致其換相失敗時，引發其他直流同時或相繼換相失敗概率最大。
假設安裝區域內都有安裝調相機的空間，逐一代入步驟3)中的公式對節點投入調相機後的無功提升控制評估指標進行計算，排序結果如表4所示。
表4無功提升控制評估指標排序
圖1中步驟4描述的是對調相機安裝區域內所有節點分別計算其無功提升控制評估指標eq並排序，將排序首位的站點作為調相機最佳安裝地點。本實施例中可由表4得知，在bus15處裝設調相機效果最佳。
圖1中步驟5描述的是根據節點無功補償容量上限確定調相機安裝容量是否達到預設目標，即根據節點無功補償容量上限確定在相應節點調相機的安裝臺數，根據調相機的安裝臺數和單臺調相機容量，確定調相機的安裝總容量，將調相機的安裝總容量與預設目標相比較，確定調相機安裝容量是否達到預設目標，若達到則結束本方法，若未達到則轉至步驟2)，重複布置直至達到預設目標結束。
上述在相應節點調相機的安裝臺數，按以下確定：設相應節點的無功補償容量上限為m，單臺調相機的容量為n，則在該節點可裝設的調相機臺數為int(m/n)，其中int為取整函數。
本實施例中節點的無功補償容量上限都為1000mvar，由於所裝設的單臺調相機容量為300mvar，因此可確定該實施例中節點調相機安裝臺數為3臺。
以下以具體的對比說明本發明方法的技術效果。以線路bus2-bus3一回線發生三相短路故障為例，故障後dc1在0.01s時發生換相失敗，dc2在0.03s時發生換相失敗，為抑制dc2在dc1後發生相繼換相失敗，在bus15處裝設三臺調相機，仿真可得到直流熄弧角曲線如圖3所示。
由圖3可知，裝設調相機後dc1不會發生換相失敗，dc2熄弧角也一直穩定在10°左右，不會發生相繼換相失敗。圖4-圖6為通過仿真得到的dc1的部分特性響應曲線。
由圖4所示的調相機無功響應曲線可知，在故障發生瞬間，系統電壓跌落，調相機能夠快速響應進而增加無功功率輸出，抑制離調相機裝設點最近的dc1換流母線電壓跌落(圖5)，同時抑制直流電流的上升(圖6)，從而dc1熄弧角始終大於8°，不會發生換相失敗。
為增加對照效果，選擇三種方案對裝設調相機後抑制多條直流同時換相失敗的作用進行仿真驗證。方案一是在安裝區域內選擇集中布置，即在bus15處集中裝設三臺容量共計900mvar的調相機；方案二是根據無功投入效果指標順序採用分散布置的方法，即在bus15處裝設一臺容量為300mvar的調相機，在bus12裝設兩臺各300mvar的調相機；方案三是在安裝區域外隨機挑選三個節點(bus18，bus29和bus30)分別布置一臺容量為300mvar的調相機，驗證在三個布點方案下該電網典型三永故障引發多饋入直流換相失敗情況，結果如表5所示。
表5調相機配置方案
由表5可知，對安裝調相機前後分別進行安全穩定掃描計算，在安裝調相機進行補償前，該電網500kv及以上線路發生典型三永故障中，導致饋入該電網的七條直流同時換相失敗的單一故障場景數量共有14個，分別對應14條線路，這些線路主要集中在特高壓和dc1近區。採取方案一、方案二和方案三故障後導致七條直流同時換相失敗的單一故障線路數量分別減少為2條、5條和11條。仿真結果表明方案一為最優，在同樣的容量下，方案一對直流的恢復速度提升最大，能夠最大程度抑制多饋入直流同時換相失敗，提高系統穩定水平。從另一個角度來講，要達到方案一的同等效果，方案二和方案三需要進一步增加調相機的容量，這在一定程度上也體現了方案一的經濟性。上述結果表明，採用本發明所提出的調相機控制布點方法可以有效抑制交直流電網連鎖換相失敗。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但實施例並不是用來限定本發明的。在不脫離本發明之精神和範圍內，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬於本發明之保護範圍。因此本發明的保護範圍應當以本申請的權利要求所界定的內容為標準。