本發(fā)明屬于柔性直流裝置改造后的配電網(wǎng)(柔性配電網(wǎng))規(guī)劃領(lǐng)域。提供一種城市電網(wǎng)分區(qū)互聯(lián)裝置的定容方法。

背景技術(shù)：

城市電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市電網(wǎng)對(duì)供電量的需求及可靠性要求也越來(lái)越高。目前大型城市電網(wǎng)多為受端電網(wǎng)，本地電源裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足負(fù)荷需求，區(qū)外來(lái)電比例較高^[1]。為了解決電網(wǎng)短路電流過(guò)大的問(wèn)題，同時(shí)防止500kV/220kV電磁環(huán)網(wǎng)的事故隱患，大型城市電網(wǎng)一般都采取220kV電壓等級(jí)分區(qū)運(yùn)行模式[2][3]，相鄰分區(qū)間互為備用。

然而，隨著城市電網(wǎng)負(fù)荷水平逐年增高，城市電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行面臨電力平衡與N-1故障后潮流過(guò)載的挑戰(zhàn)^[4]，以及暫態(tài)故障下電壓穩(wěn)定的問(wèn)題，分區(qū)間功率的緊急支援顯得非常必要。分區(qū)互聯(lián)裝置不僅能夠在城市電網(wǎng)分區(qū)間靈活地控制有功功率的傳輸，還能快速獨(dú)立地調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)無(wú)功的輸出，這些優(yōu)點(diǎn)能夠很好地解決分區(qū)有功缺額和電壓穩(wěn)定的問(wèn)題，提高城市電網(wǎng)的安全性和可靠性。同時(shí)，裝置換流站結(jié)構(gòu)緊湊占地面積相對(duì)較少，在城市電網(wǎng)互聯(lián)中使用具有很大優(yōu)勢(shì)^[5]。

在柔性直流系統(tǒng)規(guī)劃階段，分區(qū)互聯(lián)裝置的容量大小影響著裝置的造價(jià)，因此研究分區(qū)互聯(lián)裝置的定容方法在電網(wǎng)規(guī)劃階段顯得至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)類似的南京西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)UPFC工程中，在選擇裝置UPFC容量時(shí)主要考察了未來(lái)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷變化情況下裝置消除潮流過(guò)載問(wèn)題的作用^[6]，分區(qū)互聯(lián)裝置還需根據(jù)分區(qū)的潮流、電壓等實(shí)際情況進(jìn)行定容。

參考文獻(xiàn)：

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于柔性直流技術(shù)的城市電網(wǎng)分區(qū)互聯(lián)裝置的定容方法，技術(shù)方案如下：

一種基于柔性直流技術(shù)的城市電網(wǎng)分區(qū)互聯(lián)裝置的定容方法，包括下列步驟：

①求解有功需求

仿真電網(wǎng)N-x故障得到分區(qū)的過(guò)載故障集{f₁，f₂，…，f_k，…，f_m}，k、m分別為過(guò)載故障編號(hào)和總數(shù)，則有功需求P_d可由下式得到：

P_d＝max(P₁,P₂,...,P_k,...,P_m)

式中，P_k表示故障f_k情況下消除元件過(guò)載所需的最小有功支援值；

②求解無(wú)功需求

仿真暫態(tài)故障得到分區(qū)1電壓失穩(wěn)故障集{e₁，e₂，…，e_l}，分區(qū)2電壓失穩(wěn)故障集{g₁，g₂，…，g_n}，l、n分別為兩分區(qū)電壓失穩(wěn)故障總數(shù)，則分區(qū)1和分區(qū)2無(wú)功需求Q_d1和Q_d2可由下式表示：

式中，Q_t(t＝1,2，…，l，l+1，…，l+n)表示兩分區(qū)各故障情況下為穩(wěn)定電網(wǎng)電壓需要分區(qū)互聯(lián)裝置的最小動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償值；

③滿足功率需求的容量設(shè)計(jì)

按照下式得到兩分區(qū)無(wú)功需求Q_d1和Q_d2對(duì)應(yīng)所需的兩端模塊化多電平換流器換流站容量S_Qd1和S_Qd2：

式中，Q_d表示無(wú)功需求，其它參數(shù)通常情況下已知：X_eq表示裝置換流站和換流站公共聯(lián)接點(diǎn)間的等效電抗值，U_s為換流站公共聯(lián)接點(diǎn)母線線電壓幅值，k為聯(lián)接變壓器的變比，I_bN為換流器橋臂電流額定值，M_max為換流器的最大電壓調(diào)制比，Q_tp為轉(zhuǎn)折點(diǎn)無(wú)功功率，其中，轉(zhuǎn)折點(diǎn)無(wú)功功率Q_tp求解如下式：

考慮裝置兩端換流站采用相同的容量設(shè)計(jì)，則分區(qū)互聯(lián)裝置的容量S_r由下式確定：

S_r＝max(P_d,max(S_Qd1,S_Qd1))

④基于模塊化多電平換流器模塊化的容量處理

模塊化多電平換流器功率單元的主電路和控制系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)容量進(jìn)行如下處理：

式中，k為正整數(shù)；S₀為一個(gè)功率單元的額定容量；U_N表示換流器功率單元的額定電壓；

⑤容量取整

對(duì)容量S_r進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜≌幚?，并留一定裕量?/p>

優(yōu)選地，步驟②中，分區(qū)互聯(lián)裝置和靜止同步補(bǔ)償器均補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú)功以穩(wěn)定母線電壓時(shí)，通過(guò)兩者的綜合優(yōu)化得到合理的靜止同步補(bǔ)償器安裝地點(diǎn)和容量，并仿真得到靜止同步補(bǔ)償器配合下兩分區(qū)的無(wú)功需求。

在已知互聯(lián)分區(qū)的基本情況下，本發(fā)明能夠合理地確定分區(qū)互聯(lián)裝置的容量。

附圖說(shuō)明

圖1 MMC接入系統(tǒng)等效電路

圖2穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行范圍

圖3容量和最大無(wú)功輸出關(guān)系Q_max-S_r曲線

圖4(a)(b)分別為變比k和電抗X_ep參數(shù)對(duì)無(wú)功輸出能力的影響

圖5分區(qū)互聯(lián)裝置的定容流程圖

具體實(shí)施方式

在已知互聯(lián)分區(qū)的基本情況下，本發(fā)明能夠合理地確定分區(qū)互聯(lián)裝置的容量，并能根據(jù)需要，基于推導(dǎo)得出的裝置容量和最大無(wú)功輸出的Q_max-S_r曲線，采用調(diào)節(jié)聯(lián)接變壓器變比和減小裝置與交流系統(tǒng)間等效電抗的方法來(lái)提高無(wú)功輸出能力。下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明

首先，分析裝置的穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行范圍。

分區(qū)互聯(lián)裝置采用半橋式模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)實(shí)現(xiàn)高壓分區(qū)間的柔性互聯(lián)。圖1所示為分區(qū)互聯(lián)裝置一側(cè)MMC接入系統(tǒng)的等效電路圖，為交流系統(tǒng)的等值電壓，L_s為交流系統(tǒng)的等值電感；U_dc為裝置直流側(cè)系統(tǒng)的電壓，I_dc為直流電流。圖示變壓器稱為聯(lián)接變壓器，將其等效為一個(gè)變比為k的理想變壓器與漏感L_tr串聯(lián)，L₀為橋臂串聯(lián)電感，忽略MMC與聯(lián)接變之間的電阻，則換流器的等效連接電感L_eq＝L_tr+L₀/2。為換流站公共聯(lián)接點(diǎn)(point of common coupling,PCC)母線線電壓，為聯(lián)接變閥側(cè)電壓，為MMC輸出端的線電壓相量，定義假設(shè)注入交流系統(tǒng)的有功功率為P_s，無(wú)功功率為Q_s，有

根據(jù)式(1)和式(2)得到如下功率方程：

結(jié)合式(3)，裝置功率運(yùn)行范圍受到以下三種運(yùn)行約束(如圖2所示)：

1)最大電壓調(diào)制比約束

其中，M_max為換流器的最大電壓調(diào)制比，

2)最小電壓調(diào)制比約束

其中，M_min為換流器的最小電壓調(diào)制比，

3)橋臂電流約束

P_s²+Q_s²≤S_r² (6)

其中，I_bN為橋臂電流額定值，裝置容量S_r＝3U_dcI_bN。

然后，根據(jù)圖2中A點(diǎn)和C點(diǎn)的大小關(guān)系推導(dǎo)容量和最大無(wú)功輸出之間的關(guān)系。

假設(shè)圖2中A點(diǎn)為(0，Q_A)，C點(diǎn)為(0，Q_C)，有

Q_C＝S_r＝3U_dcI_bN (8)

由式(4)中E_max和M_max的關(guān)系進(jìn)一步得到：

容易得到，PCC點(diǎn)電壓U_s較低，使得：

此時(shí)Q_A始終小于Q_C，最大無(wú)功輸出Q_max為Q_A，即：

由于目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)MMC的推廣應(yīng)用主要集中在高壓直流輸電(high voltage DC transmission，HVDC)領(lǐng)域，電壓U_s較高，以上關(guān)系并不適用于本發(fā)明的220kV示范工程，需對(duì)高壓場(chǎng)合下容量和最大無(wú)功輸出的關(guān)系進(jìn)行求解，以下如無(wú)特殊說(shuō)明，認(rèn)為U_s滿足下式：

當(dāng)Q_A<Q_C時(shí)有

結(jié)合式(9)得到此時(shí)容量S_r的范圍：

可以看出，容量S_r存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)S_tp：

當(dāng)S_r<S_tp時(shí)：

S_r≥S_tp時(shí)：

Q_max＝Q_c＝S_r(17)

綜上所述，滿足式(12)的條件時(shí)分區(qū)互聯(lián)裝置的容量和最大無(wú)功輸出的關(guān)系如下：

繪制Q_max-S_r關(guān)系如圖3所示，得到以下一些結(jié)論：

1)裝置容量S_r和最大無(wú)功輸出Q_max呈分段線性關(guān)系。將轉(zhuǎn)折點(diǎn)t命名為無(wú)功輸出效率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)以前的st段斜率因此st段上設(shè)計(jì)裝置的容量增加一點(diǎn)，無(wú)功輸出能力增加很多，稱st段為無(wú)功輸出的高效率段；相應(yīng)的，該點(diǎn)以后的tb段斜率k₂＝1，稱為無(wú)功輸出的低效率段。假設(shè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)t為(S_tp，Q_tp)，由式(15)可知：

2)s點(diǎn)對(duì)應(yīng)裝置的無(wú)功輸出起步點(diǎn)，表示設(shè)計(jì)容量只有大于該點(diǎn)，裝置才能輸出感性無(wú)功功率，將該點(diǎn)容量命名為起步容量S_sp：

3)圖3表明了Q_max和S_r的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，故已知所需的最大無(wú)功輸出，就可求得對(duì)應(yīng)的裝置容量，求解如下式：

式中，U_s一般取在額定值附近。需要說(shuō)明的是，分區(qū)在發(fā)生暫態(tài)故障時(shí)，U_s通常會(huì)比額定值低，此時(shí)裝置的實(shí)際無(wú)功功率輸出會(huì)更多。因此，取U_s在額定值附近計(jì)算所需裝置容量是具有一定裕度的。

4)為了提高分區(qū)互聯(lián)裝置的無(wú)功輸出能力，可以適當(dāng)減小聯(lián)接變的變比k(圖4(a)中由曲線①逐次變化到曲線④)或者減小裝置與公共聯(lián)接點(diǎn)間的等效電抗X_eq(圖4(b)中斜率增加)。

最后，根據(jù)裝置容量和最大無(wú)功輸出的Q_max-S_r曲線，提出定容方法如圖5所示。以下對(duì)流程圖中的步驟進(jìn)行一些說(shuō)明：

第一步：求解功率需求

在求解分區(qū)動(dòng)態(tài)無(wú)功需求時(shí)考慮了與STATCOM配合，并且由于兩端換流站的設(shè)計(jì)方案可能不同，求解時(shí)兩分區(qū)需單獨(dú)考慮。

第二步：求解裝置容量

首先，按照式(21)可得兩分區(qū)無(wú)功需求Q_d1和Q_d2對(duì)應(yīng)所需的兩端換流站容量S_Qd1和S_Qd2，考慮裝置兩端換流站采用相同的容量設(shè)計(jì)，則分區(qū)互聯(lián)裝置的容量可由下式確定：

S_r＝max(P_d,max(S_Qd1,S_Qd1)) (22)

然后，定容結(jié)果還需依據(jù)MMC的模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范處理。MMC功率單元的主電路和控制系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整功率單元數(shù)量可實(shí)現(xiàn)MMC系統(tǒng)的電壓和功率等級(jí)的靈活配置，便于系統(tǒng)擴(kuò)容。MMC每一相上、下2個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元，每個(gè)相單元含2n個(gè)子模塊，處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)為n個(gè)，n通常為偶數(shù)，因此MMC容量應(yīng)是6個(gè)功率單元容量的整數(shù)倍：

k為正整數(shù)；S₀為一個(gè)功率單元的額定容量；U_N和I_bN分別表示功率單元的額定電壓和橋臂的額定電流。

最后，由于式(23)得到的結(jié)果很可能不是整數(shù)，需對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜≌幚?，并留一定裕量?/p>

第三步：容量校驗(yàn)

在裝置容量確定以后，基于安全性的充分考慮，有必要對(duì)所得容量進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)分為以下四方面：

1)有功需求校驗(yàn)

檢驗(yàn)裝置能夠控制支援的有功功率是否能夠滿足互聯(lián)兩分區(qū)的有功需求。

2)動(dòng)態(tài)無(wú)功需求校驗(yàn)

檢驗(yàn)裝置能夠輸出的動(dòng)態(tài)無(wú)功是否能夠滿足互聯(lián)兩分區(qū)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功的需求。由于裝置兩端換流站的設(shè)計(jì)可能不一樣，需分別計(jì)算兩端的動(dòng)態(tài)無(wú)功輸出范圍。

3)靜態(tài)無(wú)功輸出校驗(yàn)

計(jì)算裝置在聯(lián)接變檔位可調(diào)情況下的無(wú)功輸出范圍，以確定分區(qū)出現(xiàn)低電壓節(jié)點(diǎn)時(shí)裝置的靜態(tài)無(wú)功可調(diào)范圍，便于與電網(wǎng)已有無(wú)功補(bǔ)償裝置配合。

4)送端分區(qū)及聯(lián)絡(luò)線安全性校驗(yàn)

為了避免分區(qū)間的功率支援破壞送端分區(qū)安全性或?qū)е侣?lián)絡(luò)線過(guò)載，需要控制裝置輸出，計(jì)算得到①正常運(yùn)行的有功支援范圍；②N-1安全的有功支援范圍。

下面結(jié)合算例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

1、算例基本情況

示范工程預(yù)計(jì)在2017年底投運(yùn)，此時(shí)北京電網(wǎng)分為八個(gè)分區(qū)。示范工程選址在昌城—城順朝分區(qū)間，將在懷柔220kV變電站擴(kuò)建柔性直流站場(chǎng)，在單回聯(lián)絡(luò)線上安裝分區(qū)互聯(lián)裝置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分區(qū)的柔性互聯(lián)，單回聯(lián)絡(luò)線容量約為478MVA。

裝置采用單變壓器方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，城順朝分區(qū)側(cè)MMC換流站通過(guò)聯(lián)接變接入交流系統(tǒng)，昌城分區(qū)側(cè)換流站直接接入交流系統(tǒng)。MMC接入交流系統(tǒng)的等效電路參數(shù)(對(duì)應(yīng)圖1)取值如下：閥側(cè)額定電壓U_v取200kV，橋臂電抗值為68mH，橋臂額定電流為500A，單臺(tái)變壓器的等效電抗值為9.33Ω，變比為1，變壓器分接頭設(shè)計(jì)在交流系統(tǒng)側(cè)。MMC功率單元的額定電壓為1.6kV，電壓調(diào)制比最大值M_max取0.95，最小值M_min取0.7。

2、本發(fā)明實(shí)施步驟

1)求解功率需求

使用PSD-BPA軟件仿真分區(qū)N-x故障，由于北京電網(wǎng)對(duì)安全性要求較高，考慮N-x故障時(shí)，除了N-1故障，還對(duì)三種N-2故障進(jìn)行校驗(yàn)：①500kV同塔雙回線路N-2故障；②500kV站內(nèi)連于相同母線主變N-2故障；③220kV同塔雙回線路N-2故障。

經(jīng)仿真得到表1所示昌城-城順朝分區(qū)N-x故障后的靜態(tài)安全性分析結(jié)果。發(fā)生表中的靜態(tài)安全性問(wèn)題時(shí)，裝置向故障分區(qū)進(jìn)行緊急功率支援。

表1昌城-城順朝分區(qū)靜態(tài)安全性問(wèn)題及所需分區(qū)互聯(lián)裝置補(bǔ)償

由表1所示各故障下兩分區(qū)所需有功支援的情況可知，昌城分區(qū)有功需求為220MW，城順朝分區(qū)有功需求為0MW。故兩分區(qū)的有功需求P_d為220MW。

仿真示范工程電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性時(shí)，具體設(shè)置的暫態(tài)故障為：①分區(qū)內(nèi)一個(gè)發(fā)電廠全部發(fā)電機(jī)停運(yùn)，500kV站內(nèi)某臺(tái)主變發(fā)生三相短路故障被切除；②分區(qū)內(nèi)一個(gè)發(fā)電廠全部發(fā)電機(jī)停運(yùn)，220kV某母線發(fā)生三相短路故障被切除。

由于示范工程未進(jìn)行STATCOM的規(guī)劃，并且目前國(guó)內(nèi)也較少投入使用，在容量論證中不考慮與STATCOM的配合。表2列出了導(dǎo)致電壓失穩(wěn)的暫態(tài)故障及所需分區(qū)互聯(lián)裝置的無(wú)功補(bǔ)償情況。

表2昌城-城順朝分區(qū)電壓失穩(wěn)故障及所需分區(qū)互聯(lián)裝置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

由表2中兩分區(qū)所需無(wú)功補(bǔ)償情況可知，昌城分區(qū)無(wú)功需求Q_d1為195Mvar；城順朝分區(qū)無(wú)功需求Q_d2為133Mvar。

2)求解裝置容量

首先，根據(jù)容量和最大無(wú)功輸出的Q_max-S_r關(guān)系曲線，由式(21)可得：滿足昌城分區(qū)無(wú)功需求Q_d1所需的裝置容量S_Qd1為543MVA；滿足城順朝分區(qū)無(wú)功需求Q_d2所需的裝置容量S_Qd2為550MVA。然后，由式(22)得到裝置容量S_r為550MVA。根據(jù)式(23)，由MMC功率單元的額定電壓和額定電流得到子模塊容量為0.8MVA，分區(qū)互聯(lián)裝置容量應(yīng)為4.8MVA的整數(shù)倍，因此，定容結(jié)果處理為552MVA。最后，考慮北京電網(wǎng)的后續(xù)發(fā)展以及對(duì)安全性的高要求，裝置容量確定為600MVA，每個(gè)橋臂設(shè)計(jì)250個(gè)功率單元。

3)容量校驗(yàn)

對(duì)600MVA裝置容量進(jìn)行校驗(yàn)得到表3。其中，在計(jì)算吸收的無(wú)功功率時(shí)，各公式中電壓調(diào)制比最大值M_max替換為最小值M_min，分析方法與輸出無(wú)功功率類似，不再贅述。

表3容量校驗(yàn)

首先，兩分區(qū)的有功需求和動(dòng)態(tài)無(wú)功需求均在裝置的功率輸出范圍以內(nèi)且有較大裕度，故有功校驗(yàn)和動(dòng)態(tài)無(wú)功校驗(yàn)通過(guò)。

再次，城順朝分區(qū)側(cè)換流站可通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器檔位(分接頭-5～+5檔)，靜態(tài)無(wú)功輸出范圍將擴(kuò)大為-600～488Mvar；而無(wú)聯(lián)接變側(cè)換流站的靜態(tài)無(wú)功輸出范圍相較動(dòng)態(tài)無(wú)功輸出范圍不變。

最后，通過(guò)送端分區(qū)安全性及聯(lián)絡(luò)線校驗(yàn)可知：①在正常運(yùn)行時(shí)，有功支援都不會(huì)導(dǎo)致送端分區(qū)或聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)過(guò)載；②考慮N-1安全下，向昌城分區(qū)的有功支援可能超出N-1安全范圍(0～51MW)。例如發(fā)生表1所示安全性問(wèn)題1時(shí)，向昌城分區(qū)支援220MW有功會(huì)導(dǎo)致城順朝分區(qū)N-1不安全，但可開(kāi)啟十三陵兩臺(tái)發(fā)電機(jī)以避免該安全隱患。

綜上所述，600MVA的容量設(shè)計(jì)可行。

此外，分析動(dòng)態(tài)無(wú)功輸出范圍還發(fā)現(xiàn)，裝置一側(cè)取消聯(lián)接變后，裝置與交流系統(tǒng)間等效電抗大幅減小，容量和最大無(wú)功輸出Q_max-S_r曲線斜率增加(見(jiàn)圖4(b))，轉(zhuǎn)折容量由695MVA減小為598MVA，最大無(wú)功輸出由327Mvar增加到容量上限600Mvar。這進(jìn)一步驗(yàn)證了Q_max-S_r曲線的正確性。