一種柔性直流輸電的計算方法及裝置與流程
2023-04-27 01:55:16
本發明涉及電網技術領域，尤其涉及一種柔性直流輸電的計算方法及裝置。
背景技術：
現有技術中，直流輸電技術越來越多的應用於電力傳輸的過程中，但是採用直流輸電技術的直流輸電系統經常會由於在換流器中，退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內未能恢復阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程未進行完畢，則在閥電壓變成正向時，被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相，從而發生換相失敗，甚至導致電網崩潰。
相比於直流輸電技術，柔性直流輸電具有無換相失敗風險、可實現有功無功快速解耦控制和輸出電壓電流諧波含量低等諸多優點，以柔性直流輸電為主的柔性直流輸電裝置在電力傳輸的應用也越來越多。
雖然柔性直流輸電裝置可以輸出一定容量的無功功率用來支撐交流系統電壓，在一些特殊運行方式下(如檢修方式等)，若交流系統發生線路斷線等嚴重故障，此時交流系統與柔性直流輸電裝置組成的輸電系統的系統容量降低，導致柔性直流輸電裝置的系統電壓發生波動，使得柔性直流輸電裝置存在一定的失穩風險；而且柔性直流系統的輸送容量越大，失穩的風險越大。
如何計算輸電系統中柔性直流輸電裝置在極弱的交流輸電系統的影響下的輸電能力極限成為一個亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明的實施例提供一種柔性直流輸電的計算方法及裝置，解決了現有技術中無法計算輸電系統中柔性直流輸電裝置在極弱的交流輸電系統影響下的輸電能力極限問題。
為達到上述目的，本發明的實施例採用如下技術方案：
第一方面、本發明的實施例提供一種柔性直流輸電的計算方法，包括：
獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程；
根據潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組；
根據柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，計算柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數，其中當導數為0時，輸出有功功率為柔性直流輸電的最大輸電極限。
優選的，根據潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組包括：
獲取交流系統的短路比SCR，其中短路比SCR的計算公式包括：
其中，Z表示交流系統的短路阻抗，Zacb表示阻抗基準值，Zpu表示阻抗標么值；
獲取交流系統的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：
其中，Pac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的有功功率，Qac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的無功功率，Pdc表示柔性直流輸電裝置的有功功率，Qdc為表示柔性直流輸電裝置的無功功率，θ表示短路阻抗Z的角度，δ為端電壓U的角度，U為交流系統的端電壓，E為交流系統的內電勢；
根據潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組包括：
根據潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，其中柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組包括：
其中，Id表示柔性直流輸電裝置的有功電流，Iq為表示柔性直流輸電裝置的無功電流。
優選的，根據潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組前，還包括：
獲取等效關係，其中，等效關係包括：將柔性直流輸電裝置等效為可控電流源，並將可控電流源的無功功率參考值設置為0；
獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，還包括：
根據獲取等效關係，轉換潮流平衡方程，其中，轉換後的潮流平衡方程包括：
根據潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組包括：
根據轉換後的潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組。
第二方面、本發明的實施例提供一種柔性直流輸電的計算裝置，包括：
數據獲取單元，用於獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程；
處理單元，用於根據數據獲取單元獲取的潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組；
計算單元，用於根據處理單元計算的柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，計算柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數，其中當導數為0時，輸出有功功率為柔性直流輸電的最大輸電極限。
優選的，
數據獲取單元，還用於獲取交流系統的短路比SCR，其中短路比SCR的計算公式包括：
其中，Z表示交流系統的短路阻抗，Zacb表示阻抗基準值，Zpu表示阻抗標么值；
數據獲取單元，還用於獲取交流系統的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：
其中，Pac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的有功功率，Qac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的無功功率，Pdc表示柔性直流輸電裝置的有功功率，Qdc為表示柔性直流輸電裝置的無功功率，θ表示短路阻抗Z的角度，δ為端電壓U的角度，U為交流系統的端電壓，E為交流系統的內電勢；
處理單元，具體用於根據數據獲取單元獲取的潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，其中柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組包括：
其中，Id表示柔性直流輸電裝置的有功電流，Iq為表示柔性直流輸電裝置的無功電流。
具體的優選的，該裝置還包括：數據參數單元；
數據參數單元，用於獲取等效關係，其中，等效關係包括：將柔性直流輸電裝置等效為可控電流源，並將可控電流源的無功功率參考值設置為0；
數據獲取單元，具體用於根據數據參數單元獲取的等效關係，轉換潮流平衡方程，其中轉換後的潮流平衡方程包括：
處理單元，具體用於根據數據獲取單元獲取的轉換後的潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組。
本發明實施例提供的柔性直流輸電的計算方法及裝置，通過獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，並根據潮流平衡方程計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組；通過對柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組進行求解，當柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數為0時，柔性直流輸電的輸電能力最大，此時柔性直流輸電裝置的輸出有功率即為柔性直流輸電裝置的最大輸電極限，通過分析柔性直流的失穩機理並定量地分析其輸電極限可以為電力系統的安全穩定運行提供理論依據並為電力系統方式安排提供參考，從而解決了現有技術中無法計算輸電系統中柔性直流輸電裝置在極弱的交流輸電系統影響下的輸電能力極限問題。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明的實施例提供的一種柔性直流輸電的計算方法的流程圖；
圖2為本發明的實施例提供的一種柔性直流輸電的計算方法的另一種流程圖；
圖3為實際應用中柔性直流輸電的系統原理圖；
圖4為在實際的應用中柔性直流輸電輸出有功電流與輸出功率、端電壓幅值之間的關係圖；
圖5為本發明的實施例提供的一種柔性直流輸電的計算裝置的結構示意圖；
圖6為本發明的實施例提供的一種柔性直流輸電的計算裝置的另一種結構示意圖。
附圖標記：
柔性直流輸電的計算裝置-10；
數據獲取單元-101；
處理單元-102；
計算單元-103；
數據參數單元-104。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例一、本發明的實施例提供一種柔性直流輸電的計算方法，如圖1所示包括：
S101、獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程。
S102、根據潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組。
S103、根據柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，計算柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數，其中當導數為0時，輸出有功功率為柔性直流輸電的最大輸電極限。
本發明實施例提供的柔性直流輸電的計算方法，通過獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，並根據潮流平衡方程計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組；通過對柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組進行求解，當柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數為0時，柔性直流輸電的輸電能力最大，此時柔性直流輸電裝置的輸出有功率即為柔性直流輸電裝置的最大輸電極限，通過分析柔性直流的失穩機理並定量地分析其輸電極限可以為電力系統的安全穩定運行提供理論依據並為電力系統方式安排提供參考，從而解決了現有技術中無法計算輸電系統中柔性直流輸電裝置在極弱的交流輸電系統影響下的輸電能力極限問題。
實施例二、本發明的實施例提供一種柔性直流輸電的計算方法，如圖2所示包括：
S1010、獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程。
需要說明的是，在實際的應用中建立包含柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程；其中交流系統模型由短路阻抗和內電勢組成，短路阻抗標么值的倒數即是交流系統的短路比，該參數反映此交流系統的強度，內電勢表示交流系統的電壓等級；柔性直流通常採用雙環控制結構即外環為功率控制環，內環為電流控制環，因此其可以等效為可控電流源，其無功電流參考值通常設為0，有功電流值可以由調度人員進行設定。
S1020、獲取交流系統的短路比(英文全稱：short circuit ratio，簡稱：SCR)，其中短路比SCR的計算公式包括：
其中，Z表示交流系統的短路阻抗(英文全稱：impedance)，單位為歐姆，符號為Ω，Zacb表示阻抗基準值，Zpu表示阻抗標么值。
S1030、獲取交流系統的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：
其中，Pac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的有功功率，單位為瓦，符號為W，Qac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的無功功率，單位為瓦，符號為W，Pdc表示柔性直流輸電裝置的有功功率，Qdc為表示柔性直流輸電裝置的無功功率，單位為瓦，符號為W，θ表示短路阻抗Z的角度，δ為端電壓U的角度，U為交流系統的端電壓，E為交流系統的內電勢。
需要說明的是，在實際的應用中交流系統中包含交流電源，其中，E為交流系統中交流電源的內電勢，E為交流電源的端電壓。
S1040、根據轉換後的潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，其中柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組包括：
其中，Id表示柔性直流輸電裝置的有功電流，單位為安培，符號為A，Iq為表示柔性直流輸電裝置的無功電流，單位為安培，符號為A。
S1050、根據柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，計算柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數，其中當導數為0時，輸出有功功率為柔性直流輸電的最大輸電極限。
優選的，根據潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組前，還包括：
獲取等效關係，其中，等效關係包括：將柔性直流輸電裝置等效為可控電流源，並將可控電流源的無功功率參考值設置為0。
獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，還包括：
根據獲取等效關係，轉換潮流平衡方程，其中，轉換後的潮流平衡方程包括：
需要說明的是，為了說明如何在實際的計算場景中運用本發明實施例提供的柔性直流輸電的計算方法，給出如圖3所示的應用場景，具體的實現方式如下：
圖3中E為交流系統的內電勢；Z為交流系統的短路阻抗，θ為其角度；U為柔性直流輸電系統的端電壓，δ為其角度；Pac、Qac為交流系統注入柔性直流輸電系統的有功功率和無功功率；Pdc、Qdc為柔性直流的有功功率和無功功率；Id、Iq為柔性直流的有功電流參考和無功電流參考。
柔性直流輸電極限計算分析用潮流平衡方程由交流系統等效模型和柔性直流等效模型兩部分組成。
其中，短路阻抗Z的另一種表達方式是短路比SCR，短路比SCR的定義為換流站母線的短路容量Sac與額定直流功率PdcN的比值：
選取阻抗基準值為：
則短路比SCR可以表示為：
由交流系統的潮流平衡方程可得(以下功率、電壓、阻抗、電流皆為標么值)
由於柔性直流可以等效為可控電流源，因此其潮流平衡方程如下：
由此可得柔性直流輸電極限計算分析用方程組如下：
假設交流系統短路比為1，即為極弱交流系統；同時設定柔性直流與交流系統交換的無功功率為0，交流系統短路阻抗阻抗角為80度，則可以得到如圖4所示的關係曲線，其中圖4中Pac表示柔性直流裝置的輸出有功功率，u表示交流系統的端電壓幅值，Id表示柔性直流裝置的有功電流值。
由圖4可知，交流系統短路比為1時，若柔性直流輸電有功電流標么值(英文全稱：Per unit，簡稱：pu)Id逐漸增加，則柔性直流輸出有功功率先是增加，當達到最大值0.6pu後又逐漸降低直至系統失穩；由於現有技術中控制器在控制柔性直流輸出有功功率時是根據柔性直流輸電有功電流與柔性直流輸出有功功率的正相關線性關係設計的，當時，滿足柔性直流輸電有功電流與柔性直流輸出有功功率的正相關關係，因此此時系統是保持穩定的；而當時，此時柔性直流輸電有功電流與柔性直流輸出有功功率為負相關關係，因此控制器不能很好的控制柔性直流輸出有功功率，從而導致系統不穩定；當時可以求出此時柔性直流的輸電極限，即交流系統短路比為1時，柔性直流最多只能輸出0.6pu的額定有功功率。
本發明實施例提供的柔性直流輸電的計算方法，通過獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，獲取交流系統的短路比SCR以及潮流平衡方程，根據潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組；通過對柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組進行求解，當柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數為0時，柔性直流輸電的輸電能力最大，此時柔性直流輸電裝置的輸出有功率即為柔性直流輸電裝置的最大輸電極限，通過分析柔性直流的失穩機理並定量地分析其輸電極限可以為電力系統的安全穩定運行提供理論依據並為電力系統方式安排提供參考，從而解決了現有技術中無法計算輸電系統中柔性直流輸電裝置在極弱的交流輸電系統影響下的輸電能力極限問題。
實施例三、本發明的實施例提供一種柔性直流輸電的計算裝置10，如圖5所示包括：
數據獲取單元101，用於獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程。
處理單元102，用於根據數據獲取單元101獲取的潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組。
計算單元103，用於根據處理單元102計算的柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，計算柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數，其中當導數為0時，輸出有功功率為柔性直流輸電的最大輸電極限。
本發明實施例提供的柔性直流輸電的計算裝置，通過數據獲取單元獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，處理單元根據潮流平衡方程計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組；計算單元通過對柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組進行求解，計算當柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數為0時，柔性直流輸電的輸電能力最大，此時柔性直流輸電裝置的輸出有功率即為柔性直流輸電裝置的最大輸電極限，通過分析柔性直流的失穩機理並定量地分析其輸電極限可以為電力系統的安全穩定運行提供理論依據並為電力系統方式安排提供參考，從而解決了現有技術中無法計算輸電系統中柔性直流輸電裝置在極弱的交流輸電系統影響下的輸電能力極限問題。
實施例四、本發明的實施例提供一種柔性直流輸電的計算裝置10，如圖6所示包括：
數據參數單元104，用於獲取等效關係，其中，等效關係包括：將柔性直流輸電裝置等效為可控電流源，並將可控電流源的無功功率參考值設置為0。
數據獲取單元101，用於獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，並根據數據參數單元獲取的等效關係，轉換潮流平衡方程，其中轉換後的潮流平衡方程包括：
優選的，數據獲取單元，還用於獲取交流系統的短路比SCR，其中短路比SCR的計算公式包括：
其中，Z表示交流系統的短路阻抗，Zacb表示阻抗基準值，Zpu表示阻抗標么值。
優選的，數據獲取單元，還用於獲取交流系統的潮流平衡方程，其中潮流平衡方程包括：
其中，Pac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的有功功率，Qac表示柔性直流輸電裝置注入交流系統的無功功率，Pdc表示柔性直流輸電裝置的有功功率，Qdc為表示柔性直流輸電裝置的無功功率，θ表示短路阻抗Z的角度，δ為端電壓U的角度，U為交流系統的端電壓，E為交流系統的內電勢。
處理單元102，具體用於根據數據獲取單元獲取的轉換後的潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，其中柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組包括：
其中，Id表示柔性直流輸電裝置的有功電流，Iq為表示柔性直流輸電裝置的無功電流。
計算單元103，用於根據處理單元102計算的柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，計算柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數，其中當導數為0時，輸出有功功率為柔性直流輸電的最大輸電極限。
需要說明的是，在實際的應用中為了更加直觀的顯示柔性直流輸電的最大輸電極限，也可以通過處理單元計算的柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組，繪製柔性直流有功電流值與輸出有功功率、端電壓幅值的關係曲線；然後通過判斷柔性直流輸出有功功率對其輸出電流的導數符號即可判斷柔性直流的穩定性，若其值為正，則柔性直流可以穩定運行；若其值為負，則柔性直流失穩。同時，求出其等於零時的功率值即是柔性直流的輸電極限。
本發明實施例提供的柔性直流輸電的計算裝置，通過數據獲取單元獲取柔性直流輸電裝置和交流系統的潮流平衡方程，並根據數據參數單元獲取的等效關係，將潮流平衡方程進行轉換；通過數據獲取單元獲取的轉換後的潮流平衡方程、短路比SCR的計算公式以及潮流平衡方程，計算得到柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組；通過計算單元對柔性直流輸電最大輸電極限的分析方程組進行求解，當柔性直流輸電裝置的輸出有功功率對柔性直流輸電裝置的有功電流值的導數為0時，柔性直流輸電的輸電能力最大，此時柔性直流輸電裝置的輸出有功率即為柔性直流輸電裝置的最大輸電極限，通過分析柔性直流的失穩機理並定量地分析其輸電極限可以為電力系統的安全穩定運行提供理論依據並為電力系統方式安排提供參考，從而解決了現有技術中無法計算輸電系統中柔性直流輸電裝置在極弱的交流輸電系統影響下的輸電能力極限問題。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。