一種考慮受端勵(lì)磁系統(tǒng)的交直流穩(wěn)定性分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電氣工程領(lǐng)域，尤其涉及用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一種考慮受端勵(lì)磁系統(tǒng) 的交直流穩(wěn)定性分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓直流輸電以其傳輸容量大，遠(yuǎn)距離輸電以及連接不同頻率的電網(wǎng)等優(yōu)勢，近 幾年得到快速發(fā)展，我國已經(jīng)形成了交直流混合格局，與此同時(shí)，受端系統(tǒng)的電壓支撐對高 壓直流輸電的穩(wěn)定運(yùn)行的影響引起關(guān)注。
[0003] 專利號(hào)為CN 201310031426.9的中國專利："一種研究交直流相互影響機(jī)理 的分析方法"，給出了交直流相互影響的分析方法，通過時(shí)域數(shù)字仿真系統(tǒng)主要分析了 交流系統(tǒng)發(fā)生大的故障時(shí)導(dǎo)致直流輸電換相失敗以及受端電壓穩(wěn)定的問題。專利號(hào)為 CN201210454137. 5的中國專利："直流輸電系統(tǒng)控制方式下的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的計(jì)算方 法"，分析了不同控制方式下交直流系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，計(jì)算直流輸電系統(tǒng)控制方式下的 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了直流輸電系統(tǒng)控制方式對交直流混合系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影 響程度的準(zhǔn)確評價(jià)。專利號(hào)為CN 201410033099. 5的中國專利："一種風(fēng)光火打捆直流外送 穩(wěn)定性評價(jià)方法"，判斷各接入方案中風(fēng)光火打捆直流外送系統(tǒng)的接入強(qiáng)度，判斷風(fēng)光火打 捆直流外送系統(tǒng)與聯(lián)網(wǎng)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性交互影響，主要依托于受端系統(tǒng)的短路比指標(biāo)。 以上專利所述交直流的穩(wěn)定性分析集中于交流系統(tǒng)的強(qiáng)度而忽略了其強(qiáng)度的根本在于受 端發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁情況、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷的多少，簡單的短路比難以闡述交流系統(tǒng)與直流 輸電穩(wěn)定性關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種考慮受端勵(lì)磁系統(tǒng)的交直流穩(wěn)定 性分析方法。相對于不能反映受端的調(diào)節(jié)能力的固定戴維南等值模型，本發(fā)明考慮受端勵(lì) 磁系統(tǒng)的作用，詳細(xì)分析了其對直流輸電系統(tǒng)的影響，指出勵(lì)磁達(dá)到極限時(shí)，受端系統(tǒng)負(fù)荷 波動(dòng)導(dǎo)致戴維南等值發(fā)生變化較大，隨即影響直流輸電系統(tǒng)的安全性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0006] -種考慮受端勵(lì)磁系統(tǒng)的交直流穩(wěn)定性分析方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一：確定直流輸電系統(tǒng)的控制方式及直流輸電系統(tǒng)的參數(shù)；
[0008] 步驟二：考慮發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁參數(shù)以及其勵(lì)磁環(huán)節(jié)的限幅環(huán)節(jié)，對交直流系統(tǒng)進(jìn)行 擴(kuò)展潮流計(jì)算；
[0009] 步驟三：根據(jù)負(fù)荷的變動(dòng)，利用受端戴維南等值參數(shù)的變化以及直流輸電系統(tǒng)的 參數(shù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟二中，具體包括：建立直流輸電系統(tǒng)的逆變側(cè)等值模型，建立 勵(lì)磁系統(tǒng)的模型，建立同步發(fā)電機(jī)的輸出功率模型，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)功率平衡約束方程，構(gòu)建發(fā)電 機(jī)功率平衡方程，各模型構(gòu)建了系統(tǒng)的平衡方程，在擴(kuò)展潮流方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行潮流計(jì)算 求解未知狀態(tài)量，同時(shí)校驗(yàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)勵(lì)磁是否越限處理，若越限則進(jìn)行處理并重新進(jìn)行潮 流計(jì)算。
[0011] 上述直流輸電系統(tǒng)的逆變側(cè)等值模型、勵(lì)磁系統(tǒng)的模型及同步發(fā)電機(jī)的輸出功率 模型的構(gòu)建均是為了構(gòu)建系統(tǒng)的平衡方程，包括節(jié)點(diǎn)的功率平衡方程、發(fā)電機(jī)的功率平衡 方程。
[0012] 更進(jìn)一步的，直流輸電系統(tǒng)的逆變側(cè)等值模型為：
[0013]
[0014] 式（1)中，Pd為逆變器向交流系統(tǒng)輸送的有功功率；Qd為逆變器從交流側(cè)吸收的 無功功率；I d為直流電流；V d為直流電壓；y為關(guān)斷角；y為換相角；P a。、Qa。分別為母線向 受端交流系統(tǒng)輸送的有功功率、無功功率；B。為交流濾波器和無功補(bǔ)償電容的等效導(dǎo)納；Q。 為等效電容器補(bǔ)償?shù)臒o功功率；V、S分別為母線處電壓幅值和相角；E、巾、|Z|、0分別為 受端系統(tǒng)的戴維南等值電勢幅值及相角、等值阻抗模值、等值阻抗角；K為換流器變壓器參 數(shù)與直流系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值有關(guān)的常數(shù)；C為與換流器變壓器參數(shù)與直流有關(guān)的兩個(gè)常數(shù)。
[0015] 其中，C的表達(dá)式如式⑵所示：
[0016]
[0017] 式（2)中，ST為變壓器的容量；Uk%為變壓器的短路電壓百分比；T為變壓器的變 比，P dN為額定直流功率。
[0018] 進(jìn)一步的，所述勵(lì)磁系統(tǒng)的模型不考慮系統(tǒng)頻率的變化，即二次調(diào)頻后頻率無誤 差調(diào)節(jié)，其模型如下：
[0019]
[0020] 式（3)中，其中VR_、VR_分別表示勵(lì)磁系統(tǒng)限幅環(huán)節(jié)上下限，V RS直流勵(lì)磁機(jī)的 勵(lì)磁電壓；KE為發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁系數(shù)；Efd為勵(lì)磁電壓：V F為勵(lì)磁電壓軟負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸出； KF、TF分別為勵(lì)磁電壓軟負(fù)反饋環(huán)節(jié)的增益和時(shí)間常數(shù)；K A放大環(huán)節(jié)的增益；V"f為參考電 壓A為端電壓的采集值。
[0021] 進(jìn)一步的，不考慮調(diào)速系統(tǒng)，同步發(fā)電機(jī)的輸出功率模型如下所示：
[0022]
[0023] 式⑷中，Pgl、Qgl為同步發(fā)電機(jī)i有功、無功出力；Xdl、Xq#S$發(fā)電機(jī)i的d、 q軸同步電抗及功角；KAl為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器放大環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)；KEl為勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系數(shù) 和9,為發(fā)電機(jī)機(jī)端節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角。其中S^與式1中的等值模型的5、0加 以區(qū)分，避免符號(hào)的混亂性，Vrafl為i勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參考電壓。
[0024] 進(jìn)一步的，節(jié)點(diǎn)功率平衡約束方程：
[0025]
[0026] 式（5)中，APpAQi分別表示節(jié)點(diǎn)i的有功、無功功率不平衡量；若節(jié)點(diǎn)i連接發(fā) 電機(jī)，Pgi、Qgi表達(dá)式如式⑷所示；若節(jié)點(diǎn)i不連接發(fā)電機(jī)，P gi= 〇，Q gi= 〇,若節(jié)點(diǎn)i為直 流輸電的受端母線節(jié)點(diǎn)，則Pdl、Qdl為i節(jié)點(diǎn)的直流有功、無功功率，如（1)、（2)所示的P d、 Qd;若節(jié)點(diǎn)i為交流節(jié)點(diǎn)，P dl= 〇, Q dl= 〇, P u、Qu分別表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功功率和無功功 率，GyBy分別表示節(jié)點(diǎn)i、j的電導(dǎo)、電納，VpVj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓幅值；0^為節(jié)點(diǎn) i、j電壓相角的差值。
[0027] 進(jìn)一步的，發(fā)電機(jī)功率平衡方程：
[0028] 不計(jì)阻尼系數(shù)，經(jīng)二次調(diào)頻后，頻率與參考頻率相同，發(fā)電機(jī)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的原動(dòng)機(jī)有 功功率平衡表達(dá)式為：
[0029] APgi=Pgsi_Pgi= 〇 (6)
[0030] 式（6)中APgsi為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)功率不平衡量；Pgsi為擴(kuò)展潮流的控制量，為各 發(fā)電機(jī)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的原動(dòng)機(jī)輸出功率。
[0031] 進(jìn)一步的，擴(kuò)展潮流方程與未知量：
[0032] 狀態(tài)量為n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和除平衡節(jié)點(diǎn)的n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓相角以及m個(gè)發(fā) 電機(jī)功角，因此未知量的個(gè)數(shù)為2n+m-l，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方程個(gè)數(shù)為2n，發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)除平衡節(jié)點(diǎn) 外，原動(dòng)機(jī)的有功功率平衡方程為m-1個(gè)，系統(tǒng)功率平衡方程總數(shù)為2n+m-l，可聯(lián)立求解 2n+m-l個(gè)狀態(tài)量。
[0033] 進(jìn)一步的，所述勵(lì)磁越限處理：
[0034] 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的約束用AVR(自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器）輸出電壓VRl來表達(dá)，如果 忽略勵(lì)磁系統(tǒng)的飽和作用，在穩(wěn)態(tài)時(shí)AVR的輸出電壓VRl正比于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，因此，轉(zhuǎn) 子電流達(dá)到最大值時(shí)，等價(jià)于AVR的輸出電壓VRl達(dá)到最大值VRl，_并保持不變，即式⑷中 的KAi(Vrefi-Vi)用VRi,max替代。
[0035] 進(jìn)一步的，所述交直流潮流計(jì)算步驟如下：給定電壓幅值、角度初值，根據(jù)直流輸 電系統(tǒng)的控制方式給定直流參量，如定電流定熄弧角控制方式，給定的直流參量為換相角 y ;利用節(jié)點(diǎn)功率平衡約束方程及發(fā)電機(jī)功率平衡方程計(jì)算不平衡量并判斷其是否滿足精 度要求：若不滿足，形成交直流雅可比矩陣，計(jì)算修正量直到滿足；若滿足判斷其受端發(fā)電 機(jī)的勵(lì)磁是否達(dá)到極限值，若達(dá)到，則以AVR的輸出電壓VRl達(dá)到最大值V Rl，_重新進(jìn)行潮 流計(jì)算，否則計(jì)算結(jié)束。
[0036] 所述步驟三中，負(fù)荷增加后引起系統(tǒng)戴維南等值參數(shù)的變化，受端系統(tǒng)的發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁充足，負(fù)荷增加的過程中，V R< V R_，負(fù)荷增加時(shí)受端的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁需要不斷增加，端 電壓降低，直流輸送的功率降低；受端系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁受限，負(fù)荷增長的過程中，取V R = VR_，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁受到限制時(shí)，系統(tǒng)的安全性受到極大的威脅，受端母線電壓及功率持續(xù) 升尚。