本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海上風(fēng)電接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)中換流站退出運(yùn)行時(shí)的直流功率再分配方法。

背景技術(shù)：

面對(duì)化石能源的急劇消耗與環(huán)境治理的日益嚴(yán)峻，以風(fēng)電為代表的新能源是實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。隨著土地資源、風(fēng)電資源限制，以及海上風(fēng)電開發(fā)與應(yīng)用取得重要進(jìn)展，海上風(fēng)電已成為風(fēng)電發(fā)展的重要方向。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(European Wind Energy Association)預(yù)測(cè)，歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模在2020年與2030年將分別達(dá)到40GW與150GW。在中國(guó)，國(guó)家能源局發(fā)布了《全國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案(2014-2016)》，涵蓋總裝機(jī)達(dá)10.53GW的44個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)方案，標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)進(jìn)一步提速。

基于電壓源型換流器的多端直流輸電系統(tǒng)(Voltage Source Converter based Multi-Terminal Direct Current，VSC-MTDC)，具有海底輸電、黑啟動(dòng)、連接弱交流電網(wǎng)的能力，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多電源供電，多落點(diǎn)受電，輸電方式靈活可控，是大規(guī)模海上風(fēng)電接入陸上交流系統(tǒng)的有效并網(wǎng)方式。VSC-MTDC系統(tǒng)規(guī)劃應(yīng)用于大西洋風(fēng)電(Atlantic Wind Connection)與歐洲離岸風(fēng)場(chǎng)超級(jí)電網(wǎng)(European Offshore Supergrid)的千萬千瓦級(jí)海上風(fēng)電并網(wǎng)工程。

隨著低慣量的新能源電場(chǎng)在電網(wǎng)中規(guī)模逐步擴(kuò)大，以及采用VSC-HVDC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)分區(qū)的逐步普及，交流系統(tǒng)的慣性水平正在不斷降低。為此，合理設(shè)計(jì)VSC-HVDC系統(tǒng)，提升交直流系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性是未來研究方向。

目前文獻(xiàn)都僅關(guān)注交流系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生有功功率波動(dòng)的情況下，通過換流站的頻率控制提升交流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性能，而鮮有文獻(xiàn)提及換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行對(duì)交直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能的影響。在換流站的傳輸功率較大并且交流系統(tǒng)慣量較小時(shí)，換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行同樣會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，此時(shí)合理地將故障端換流站的功率分配至健全受端換流站能夠有效地減小換流站故障退出對(duì)交流系統(tǒng)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述，本發(fā)明提供了一種海上風(fēng)電接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)中換流站退出運(yùn)行時(shí)的直流功率再分配方法，能夠?qū)SC-MTDC系統(tǒng)岸上換流站退出運(yùn)行時(shí)進(jìn)行直流功率優(yōu)化再分配，有效提高功率轉(zhuǎn)移時(shí)交流系統(tǒng)的頻率特性。

一種海上風(fēng)電接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)中換流站退出運(yùn)行時(shí)的直流功率再分配方法，包括如下步驟：

(1)計(jì)算系統(tǒng)中各換流站與各發(fā)電機(jī)間的靈敏度系數(shù)，構(gòu)建靈敏度系數(shù)矩陣SI并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)幺化；

(2)當(dāng)有換流站x退出運(yùn)行情況下，以換流站x所在受端電網(wǎng)S的頻率特性為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算轉(zhuǎn)移功率分配到受端電網(wǎng)S中各健全換流站上的功率增量；

(3)根據(jù)功率增量通過系統(tǒng)潮流計(jì)算確定各換流站新的直流電壓運(yùn)行點(diǎn)和直流功率運(yùn)行點(diǎn)，以此作為參考值并通過相應(yīng)的控制模式對(duì)各換流站進(jìn)行控制。

所述靈敏度系數(shù)矩陣SI中第j行第i列元素值SI_ji即為第i個(gè)換流站與第j個(gè)發(fā)電機(jī)之間的靈敏度系數(shù)，其計(jì)算表達(dá)式如下：

其中，ΔP_dci為在第i個(gè)換流站上所引入的功率擾動(dòng)量，Δω_j為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)在第i個(gè)換流站上引入功率擾動(dòng)量ΔP_dci的情況下一個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)第j個(gè)發(fā)電機(jī)的機(jī)組轉(zhuǎn)速變化量，靈敏度系數(shù)矩陣SI為M×N維，i和j均為自然數(shù)且1≤i≤N，1≤j≤M，M為系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的數(shù)量，N為系統(tǒng)中換流站的數(shù)量。

所述步驟(1)中對(duì)靈敏度系數(shù)矩陣SI進(jìn)行標(biāo)幺化，即使靈敏度系數(shù)矩陣SI中每個(gè)元素值均除以SI_max，然后將小于0.2的元素值置為0，SI_max為靈敏度系數(shù)矩陣SI中的最大元素值。

所述步驟(2)中通過對(duì)以下目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到受端電網(wǎng)S中各健全換流站的功率增量：

min{cΔω_s+(1-c)||I_f||_∞}

其中：y表示受端電網(wǎng)S中任一健全的換流站，k表示受端電網(wǎng)S中任一發(fā)電機(jī)，Δω_s為因換流站x退出運(yùn)行受端電網(wǎng)S的頻率波動(dòng)量，c為權(quán)重系數(shù)，I_f為受端電網(wǎng)S的頻率波動(dòng)因子向量，|| ||_∞為無窮范數(shù)，Δω_k為因換流站x退出運(yùn)行發(fā)電機(jī)k的機(jī)組轉(zhuǎn)速變化量，P_dcx為轉(zhuǎn)移功率即換流站x退出運(yùn)行前的有功功率，ΔP_dcy為換流站y的功率增量，S_y為換流站y的額定容量，Q_y為換流站y故障前的輸出無功功率，為換流站x退出運(yùn)行前換流站y注入受端電網(wǎng)S的有功功率。

所述頻率波動(dòng)量Δω_s的計(jì)算表達(dá)式如下：

其中：H_k為發(fā)電機(jī)k的慣性時(shí)間常數(shù)。

所述機(jī)組轉(zhuǎn)速變化量Δω_k的計(jì)算表達(dá)式如下：

其中：為換流站x與發(fā)電機(jī)k之間標(biāo)幺化后的靈敏度系數(shù)，為換流站y與發(fā)電機(jī)k之間標(biāo)幺化后的靈敏度系數(shù)。

所述步驟(3)中計(jì)算確定各換流站的直流電壓運(yùn)行點(diǎn)和直流功率運(yùn)行點(diǎn)，具體過程如下：首先，對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的任一換流站，使該換流站在換流站x退出運(yùn)行前的直流功率運(yùn)行點(diǎn)作為其新的直流功率運(yùn)行點(diǎn)；對(duì)于除受端電網(wǎng)S外其他受端電網(wǎng)中的任一換流站，使該換流站在換流站x退出運(yùn)行前的直流功率運(yùn)行點(diǎn)作為其新的直流功率運(yùn)行點(diǎn)；對(duì)于換流站x退出運(yùn)行前受端電網(wǎng)S中處于滿發(fā)狀態(tài)的任一換流站，使該換流站的滿發(fā)功率作為其新的直流功率運(yùn)行點(diǎn)；對(duì)于換流站x退出運(yùn)行前受端電網(wǎng)S中未處于滿發(fā)狀態(tài)的任一換流站，使該換流站新的直流功率運(yùn)行點(diǎn)ΔP_dc為該換流站的功率增量，為該換流站在換流站x退出運(yùn)行前的直流功率運(yùn)行點(diǎn)；對(duì)于受端電網(wǎng)S中最小功率增量對(duì)應(yīng)的換流站，使該換流站在換流站x退出運(yùn)行前的直流電壓運(yùn)行點(diǎn)作為其新的電壓功率運(yùn)行點(diǎn)；

然后，根據(jù)系統(tǒng)中各換流站新的直流電壓運(yùn)行點(diǎn)和直流功率運(yùn)行點(diǎn)中的一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，通過系統(tǒng)潮流計(jì)算確定各換流站的另一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)。

所述步驟(3)中對(duì)于系統(tǒng)任一換流站，若其新的直流功率運(yùn)行點(diǎn)大于等于其功率運(yùn)行上限，則采用滿發(fā)定功率控制模式對(duì)其進(jìn)行控制；除此之外均根據(jù)換流站新的直流電壓運(yùn)行點(diǎn)和直流功率運(yùn)行點(diǎn)采用下垂控制模式對(duì)其進(jìn)行控制。

本發(fā)明直流功率再分配方法可以在岸上換流站退出運(yùn)行時(shí)，通過合理地配置各受端換流站的控制器實(shí)現(xiàn)直流功率重分配，轉(zhuǎn)移功率完全被故障端換流站所在交流電網(wǎng)消納，從而減小了潮流重分配對(duì)交流電網(wǎng)頻率穩(wěn)定影響。使用本發(fā)明方法分析大容量海上風(fēng)電場(chǎng)接入七端柔性直流輸電系統(tǒng)時(shí)岸上換流站退出運(yùn)行情景，所設(shè)計(jì)的直流功率再分配策略對(duì)岸上交流系統(tǒng)頻率穩(wěn)定提升得到了驗(yàn)證。

附圖說明

圖1為海上風(fēng)電場(chǎng)接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)的示意圖。

圖2為本發(fā)明直流功率再分配方法的步驟流程示意圖。

圖3為P-U下垂控制器的原理示意圖。

圖4為下垂控制切換為滿發(fā)定功率控制模式的示意圖。

圖5(a)為自然分配與優(yōu)化分配下39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性對(duì)比示意圖。

圖5(b)為自然分配與優(yōu)化分配下發(fā)電機(jī)G36功角響應(yīng)特性對(duì)比示意圖。

圖5(c)為自然分配與優(yōu)化分配下?lián)Q流站GSVSC25功率響應(yīng)對(duì)比示意圖。

圖5(d)為自然分配與優(yōu)化分配下?lián)Q流站GSVSC17功率響應(yīng)對(duì)比示意圖。

圖5(e)為自然分配與優(yōu)化分配下?lián)Q流站GSVSC14功率響應(yīng)對(duì)比示意圖。

圖5(f)為自然分配與優(yōu)化分配下?lián)Q流站GSVSCb2功率響應(yīng)對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

以圖1所示的海上風(fēng)電場(chǎng)接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)為例，海上風(fēng)電場(chǎng)接入的系統(tǒng)為七端柔性直流輸電系統(tǒng)，四端岸上換流站接入左側(cè)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，容量均為900MVA；另兩端岸上換流站接入右側(cè)四機(jī)系統(tǒng)，容量均為600MVA。風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站容量為4.5GVA。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，岸上換流站均采用下垂控制，VSC-MTDC系統(tǒng)向39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與四機(jī)系統(tǒng)分別送電2000MW與1000MW，岸上換流站下垂控制器的參數(shù)如表1所示，其中直流功率P^*_dc的標(biāo)幺基準(zhǔn)為900MVA，直流電壓U^*_dc標(biāo)幺基準(zhǔn)為640kV。

表1

在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真工具中，搭建圖1所示海上風(fēng)電場(chǎng)接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)，以換流站GSVSC16退出運(yùn)行為例，對(duì)提出的換流站退出時(shí)直流功率重分配策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，具體流程如圖2所示。換流站GSVSC16故障前運(yùn)行直流功率為P_dcx＝600MW。

(1)根據(jù)發(fā)電機(jī)的角速度與換流站功率的變化特性，計(jì)算各岸上換流站與各發(fā)電機(jī)間的靈敏度系數(shù)，構(gòu)成標(biāo)幺化的靈敏度系數(shù)矩陣。

各岸上換流站i與各發(fā)電機(jī)j間的靈敏度系數(shù)(sensitivity index，SI)由以下算式確定：

該靈敏度系數(shù)是在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，在換流站i上引入小量的功率擾動(dòng)ΔP_dci下，計(jì)算一個(gè)仿真步長(zhǎng)的機(jī)組轉(zhuǎn)速變化Δω_j而得，本算例中仿真步長(zhǎng)為10ms。分別計(jì)算N個(gè)岸上換流站與M個(gè)發(fā)電機(jī)間的靈敏度系數(shù)，可得M×N維的SI矩陣。

標(biāo)幺化的靈敏度系數(shù)矩陣NSI(nominalized sensitivity index)由下式確定：

其中，SI_max為SI矩陣中的最大值，以該值為基準(zhǔn)，將SI矩陣中每個(gè)元素標(biāo)幺化得到NSI矩陣。在規(guī)模較大的交流系統(tǒng)中，一般機(jī)組較多，給后續(xù)的優(yōu)化帶來較大的計(jì)算量，因此為了簡(jiǎn)化優(yōu)化計(jì)算過程，我們僅考慮NSI值較大的靈敏機(jī)組，對(duì)于非靈敏的機(jī)組，其對(duì)換流站的靈敏度系數(shù)設(shè)為0，即：

按照上述步驟，可得39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的標(biāo)么化靈敏度系數(shù)矩陣如表2所示：

表2

(2)根據(jù)標(biāo)幺化的靈敏度系數(shù)矩陣，以岸上換流站退出運(yùn)行后交流系統(tǒng)的頻率特性為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算轉(zhuǎn)移功率在健全的岸上換流站間的重分配功率。由于該換流站x退出運(yùn)行，故障前的送電功率P_dcx將在健全的岸上換流站間分配。本算例中受端系統(tǒng)S為左側(cè)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，受端系統(tǒng)S內(nèi)健全的岸上換流站包括GSVSC17，GSVSC14和GSVSC25。轉(zhuǎn)移功率優(yōu)化再分配的方法如下：

在受端系統(tǒng)S中，除換流站x以外的其余換流站y消納的功率ΔP_dcy為優(yōu)化的對(duì)象。受端系統(tǒng)S的頻率波動(dòng)可以用各機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)Δω_j的加權(quán)均值來表示，權(quán)重系數(shù)為機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)H_k，如下式所示：

對(duì)于機(jī)組k，在功率重分配的過程中，其角速度的波動(dòng)可以假定為：

第一個(gè)優(yōu)化思路是將Δω_s最小化設(shè)置為優(yōu)化的目標(biāo)。雖然這一優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)整體頻率的穩(wěn)定性，但是并沒有考慮到如下情況，即有可能局部的某些機(jī)組頻率波動(dòng)較大，導(dǎo)致這些機(jī)組附近對(duì)頻率敏感的負(fù)載受到較大的沖擊。為了考慮如上情況，可以定義系統(tǒng)頻率波動(dòng)因子矢量I_f為：

I_f＝[Δω₁Δω₂...Δω_k...Δω_M],k∈S

在功率優(yōu)化時(shí)，可以考慮最小化系統(tǒng)頻率波動(dòng)因子矢量I_f中數(shù)值最大的機(jī)組。因此，同時(shí)考慮系統(tǒng)頻率偏差Δω_s的最小化以及系統(tǒng)頻率波動(dòng)因子矢量I_f無窮范數(shù)的最小化，優(yōu)化可以采用下列方程表示，即：

Min cΔω_s+(1-c)||I_f||_∞

其中，c為組合優(yōu)化的權(quán)重系數(shù)。其取值和系統(tǒng)中機(jī)組的慣量分布均勻程度有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)每臺(tái)機(jī)組的慣量都基本保持相同水平時(shí)，局部機(jī)組頻率波動(dòng)過大的影響較小，此時(shí)可以考慮c取接近1；否則，c可以考慮接近0。考慮到本測(cè)試系統(tǒng)的慣量分布比較均勻，組合優(yōu)化的權(quán)重系數(shù)c取0.8。

優(yōu)化方程中值得注意的是，等式約束實(shí)際上是簡(jiǎn)化的系統(tǒng)功率平衡約束，在實(shí)際計(jì)算過程中，直流系統(tǒng)潮流重分配需要考慮的因素較多，包括各個(gè)換流站的損耗以及直流線路損耗，換流站損耗的大小又取決于換流站種類，調(diào)制方式，主回路參數(shù)等方面，在優(yōu)化過程中難以完全進(jìn)行討論。而直流線路損耗的變化較小，在潮流進(jìn)行重分配的過程中完全可以忽略不計(jì)；因此為簡(jiǎn)化優(yōu)化的計(jì)算量，在不考慮換流站損耗以及直流線路的損耗變化的前提下，有上述約束條件中的功率平衡等式成立。

39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)各換流站消納的轉(zhuǎn)移功率ΔP_dc如表3所示：

表3

(3)考慮直流電網(wǎng)損耗，計(jì)算功率重分配后直流電網(wǎng)潮流分布，確定各換流站的直流電壓與直流功率運(yùn)行點(diǎn)。

在VSC-MTDC系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，岸上的換流站采用下垂控制方式，因此岸上換流站的潮流是無法簡(jiǎn)單地通過改變功率指令值P^*_dcy來進(jìn)行修改的，而是需要通過同時(shí)修改功率指令值P^*_dcy和直流電壓指令值U^*_dcy來完成的，而直流電壓指令值U^*_dcy的取值需要通過重新計(jì)算系統(tǒng)潮流來確定。

在潮流計(jì)算中，換流站x退出運(yùn)行后設(shè)直流系統(tǒng)的線路導(dǎo)納矩陣為Y，對(duì)直流系統(tǒng)列寫節(jié)點(diǎn)電壓方程，如下：

I_dc＝Y(jié) U_dc

其中，I_dc為各換流站注入到直流系統(tǒng)的直流電流矢量，U_dc為各換流站直流出口處的直流電壓矢量。

設(shè)各換流站注入直流系統(tǒng)的功率矢量為P_dc，其滿足：

P_dc＝U_dcΘI_dc

其中，運(yùn)算符Θ的作用是矢量元素按位相乘。

對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的換流站i而言，此時(shí)保持風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)不變，其注入直流系統(tǒng)的功率不變，即：

其中，為海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站i在故障前的注入直流系統(tǒng)的功率。

對(duì)于不在受端系統(tǒng)S，而在異步的受端交流系統(tǒng)中的換流站i而言，此時(shí)同樣保持其注入交流系統(tǒng)的功率不變，在重新計(jì)算潮流時(shí)，設(shè)定：

對(duì)于受端系統(tǒng)S處于滿發(fā)狀態(tài)的換流站y，故障退出后設(shè)定其直流功率為：

對(duì)于未處于滿發(fā)狀態(tài)的換流站y，故障退出后設(shè)定其直流功率為：

在上述功率重分配優(yōu)化過程中，為了簡(jiǎn)化優(yōu)化方程，不考慮直流線路的損耗變化。然而，在潮流計(jì)算時(shí)，這部分線損變化需要考慮，因此為了能夠獲得新的潮流計(jì)算解，設(shè)定上述優(yōu)化得到的ΔP_dc最小的換流站y的電壓為故障前的運(yùn)行電壓值，即：

聯(lián)立求解上述方程，可以得到優(yōu)化重分配后直流系統(tǒng)潮流，從而確定重分配后各岸上換流站的直流電壓與直流功率運(yùn)行點(diǎn)如表4所示。其中換流站GSVSC14在功率重分配中因已經(jīng)滿功率900MW，不列入表4中。

表4

(4)根據(jù)計(jì)算得到的換流站直流電壓、功率運(yùn)行點(diǎn)，重新配置岸上換流站下垂控制器的參考值，得到功率重分配后的系統(tǒng)。根據(jù)表4中直流潮流計(jì)算結(jié)果，重新配置岸上換流站下垂控制器的功率與電壓參考值，如圖3所示。由于換流站GSVSC14在轉(zhuǎn)移功率重配置的過程中達(dá)到了功率運(yùn)行的上限，此時(shí)需要將這些功率越限換流站的控制模式由下垂控制模式改為滿發(fā)定功率運(yùn)行模式，如圖4所示。

考慮系統(tǒng)發(fā)生故障到各換流站接收到控制器重配置信號(hào)延時(shí)為100ms。GSVSC16故障退出后，轉(zhuǎn)移功率按自然分配和優(yōu)化分配兩種方式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比示意圖如圖5所示。由圖5(a)～圖5(b)可見，優(yōu)化分配下受端交流系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性得到了明顯的改善。在轉(zhuǎn)移功率優(yōu)化分配過程中，相對(duì)功角振蕩最大機(jī)組的G36機(jī)組，功角首擺振蕩減小近半，并且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振蕩過程也較快得以平息。從頻率響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，采用自然分配時(shí)，系統(tǒng)重新分布潮流而出現(xiàn)了較大的頻率振蕩，最大達(dá)到了0.006p.u.，這對(duì)系統(tǒng)頻率帶來了不小的沖擊；采用優(yōu)化分配時(shí)，最大偏移僅為0.002p.u.，頻率的振蕩得到了顯著抑制。從而驗(yàn)證了本發(fā)明海上風(fēng)電接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)中換流站退出運(yùn)行時(shí)直流功率再分配方法的有效性。

上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。