本發(fā)明涉及風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時換流站穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間方法，屬于電壓源換流器型直流輸電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于電壓源換流器型直流輸電(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，vsc-hvdc)采用可關(guān)斷電力電子器件，這種換流器件是既可以控制導(dǎo)通又可以控制關(guān)斷的雙向可控電力電子器件，不需要利用外部電源便可實現(xiàn)自換相，因此具備向無源網(wǎng)絡(luò)供電的能力。電壓源型換流器向無源網(wǎng)絡(luò)供電包含兩個重要方面的應(yīng)用，第一個方面是純粹的向無源網(wǎng)絡(luò)供電，比如通過柔性直流輸電向城市中心區(qū)供電，或者通過柔性直流輸電向無源海島供電等；第二個方面是風(fēng)電集群通過柔性直流輸電接入電網(wǎng)，這種情況下風(fēng)電場側(cè)等同于無源網(wǎng)絡(luò)，需要電壓源型換流器為風(fēng)電場建立同步電源，否則風(fēng)電場本身就無法運行。

基于可關(guān)斷器件的電壓源型換流器采用pwm控制方式，其調(diào)制比與移相角分別影響換流站吸收或發(fā)出的無功功率和有功功率，其中調(diào)制比表示為交流側(cè)相電壓與直流電壓之比，移相角定義為系統(tǒng)發(fā)電機輸出電壓與柔性直流輸電換流站端電壓間的夾角。通過對這兩個變量的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)系統(tǒng)有功功率和無功功率的獨立控制。當(dāng)與有源網(wǎng)絡(luò)連接時，vsc-hvdc中電壓源換流器的控制方式可以由有功類控制和無功類控制分別組合，可以組成多種控制方式，其中有功類控制包括：交流側(cè)有功功率控制、交流側(cè)頻率控制、直流側(cè)直流電壓控制；無功類控制包括：交流側(cè)無功功率控制，交流側(cè)母線電壓控制。當(dāng)柔性直流輸電系統(tǒng)與無源網(wǎng)絡(luò)連接時，其電壓源換流站的控制方式只能為定交流母線電壓控制、和定交流頻率控制。通過柔性直流輸電并網(wǎng)的風(fēng)電集群，由送端換流站為風(fēng)電集群出口點提供穩(wěn)定的交流電壓和頻率，因此并網(wǎng)點的電壓穩(wěn)定依賴于電壓源換流站的動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，所以在實際應(yīng)用中，柔性直流輸電系統(tǒng)在允許的電壓范圍按照無功功率的補償比例，采用有差的斜率調(diào)節(jié)方式進(jìn)行并網(wǎng)點無功電壓控制。同理，有功頻率控制也采用斜率控制策略，通過引入頻率斜率控制特性，使柔性直流輸電送端站根據(jù)風(fēng)電場輸出功率的大小適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行有功功率控制，從而控制并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的頻率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有的技術(shù)問題，提供風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時換流站穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間方法，目的是對研究送端換流站接入無源電網(wǎng)時的無功電壓運行特性具有重要的意義，擬解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時換流站穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間方法，其包括以下步驟：

(1)風(fēng)電集群為無源電源，建立單端vsc-hvdc等效模型，模型如下：

將流站接入到無源系統(tǒng)中，從無源系統(tǒng)到換流站的輸電通道阻抗為zsys＝rsys+xsys；

風(fēng)電集群出口電壓為

換流站交流母線用公共連接點pcc來表示，從無源系統(tǒng)注入到pcc的功率為ps+jqs；

基于電壓源換流器型直流輸電采用單相基波等效電路來表示，并設(shè)其輸出電壓基波相量為其中，xlink是換流站交流母線pcc與δ之間的連接電抗，xlink＝xt+xl0/2，其中xl0為基頻下的橋臂電抗；

(2)研究注入pcc節(jié)點的有功功率ps和無功功率qs的運行范圍，以v點輸出的有功功率pv和無功功率qv作為中間變量sv＝pv+jqv，對ps和qs的運行范圍進(jìn)行分析，v節(jié)點電壓為電壓源換流站控制的對象，其在無源網(wǎng)絡(luò)中看作平衡節(jié)點即vθ節(jié)點，故有

(3)建立換流站pq運行區(qū)間需要考慮的約束條件；

(4)由步驟(3)的約束條件共同決定的電壓源換流器型直流輸電功率特性的邊界曲線；

(5)根據(jù)步驟(4)的邊界曲線來確定換流站穩(wěn)態(tài)運行范圍。

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，約束條件具體為：

(i)電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比約束：

v節(jié)點電壓和輸出功率已知，可以計算出δ節(jié)點電壓：

uδ∠δδ＝(uv+δu1)+jδu1(1-3)

通常定義電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比m等于δ導(dǎo)航的基波相電壓幅值uδm除以udc/2：

考慮實際運行時換流器的約束條件，需要校驗輸出電壓調(diào)制比

0.85≤m≤1.0(1-6)

(ii)公共連接點節(jié)點電壓約束：計算pcc節(jié)點電壓：

由于風(fēng)電集群內(nèi)電壓的穩(wěn)定依賴于電壓源換流站的動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，故考慮工程中實際運行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍

0.97p.u≤upcc≤1.07p.u(1-12)

(iii)風(fēng)電集群出口節(jié)點電壓約束：計算無源系統(tǒng)等效節(jié)點電壓

ps＝pv(1-13)

同樣考慮工程中實際運行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍：

0.97p.u≤us≤1.07p.u(1-19)

(iv)考慮實際運行時換流器的約束條件，換流站輸出電流約束：

(v)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制

-udimax≤ps≤udimax(1-21)

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，確定換流站穩(wěn)態(tài)運行范圍的步驟可以劃分為：

1)設(shè)已知換流站在v點的額定視在功率為svn，即當(dāng)時，vsc本身是允許運行的。將區(qū)域劃分為若干細(xì)小區(qū)塊，每個區(qū)塊用相應(yīng)的功率點(pv+jqv)表示，對于所有功率點，重復(fù)以下步驟；

2)根據(jù)方程式(1-1到1-4)計算δ節(jié)點電壓，式(1-5)計算調(diào)制比；

3)考慮實際運行時換流站的約束條件，根據(jù)判別式(1-6)判斷輸出電壓調(diào)制比校核所求的δ節(jié)點電壓是否滿足要求，如果滿足要求，表明該功率點是一個合理的功率點，再通過下面的步驟進(jìn)一步校驗；

4)根據(jù)方程式(1-8到1-11)計算pcc節(jié)點電壓。

5)考慮電力系統(tǒng)實際工程中電壓正常偏移量范圍，根據(jù)判別式(1-12)校驗pcc節(jié)點電壓是否滿足電壓約束要求，如果能夠滿足約束，表明該功率點是一個合理的功率點，再進(jìn)行下一步校驗；

6)根據(jù)式(1-14到1-15)計算輸送功率ps和qs，根據(jù)方程式(1-16到1-18)計算節(jié)點電壓。

7)同理考慮電力系統(tǒng)工程中電壓正常偏移量，根據(jù)判別式(1-19)校驗節(jié)點電壓是否滿足電壓約束要求，如果能滿足約束，表明該功率點是一個合理的功率點，再進(jìn)行下一步校驗；

8)根據(jù)判別式(1-20)從換流器輸出電流方面校核電流是否滿足要求。如果滿足要求，進(jìn)行下一步校核；

9)根據(jù)判別式(1-21)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制，進(jìn)行校驗

遍歷區(qū)域內(nèi)所有功率點，其中合理的功率點必定對應(yīng)著pcc處相應(yīng)的功率點ps和qs，這些功率點所覆蓋的范圍就是換流站穩(wěn)態(tài)運行的功率運行范圍。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的可以得出換流站pq運行區(qū)間，基于電壓源換流器的換流站雖能實現(xiàn)有功、無功的解耦，可以分別進(jìn)行控制，但在有功功率變化時，無功功率的運行范圍也隨之改變，在輸送某一有功功率時，無功功率的運行范圍使不對稱的可發(fā)出的無功功率的能力要大于可吸收的無功功率，該方法能夠考慮不同因素改變時，換流站pq運行區(qū)間的變化，可以清楚的了解到不同因素對運行區(qū)間的影響，進(jìn)而為分析送端換流站接入無源電網(wǎng)時的無功電壓運行特性做基礎(chǔ)。本發(fā)明的重點研究的送電端為風(fēng)電集群時的換流站穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間的方法，對研究送端換流站接入無源電網(wǎng)時的無功電壓運行特性具有重要的意義

附圖說明

圖1是單端基于電壓源換流器型直流輸電的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的換流站穩(wěn)態(tài)運行區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的方法的流程結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a是本發(fā)明的不改變抽頭位置時換流站運行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4b是本發(fā)明的最小抽頭時換流站運行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4c是本發(fā)明的最大抽頭時換流站運行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是考慮改變抽頭所有可行運行范圍結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6a是本發(fā)明的輸電距離20km時換流站運行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6b是本發(fā)明的輸電距離40km時換流站運行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6c是本發(fā)明的輸電距離60km時換流站運行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-3，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時換流站穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間方法，風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時換流站穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間方法，其包括以下步驟：

(1)風(fēng)電集群為無源電源，建立單端vsc-hvdc等效模型，模型如下：

將流站接入到無源系統(tǒng)中，從無源系統(tǒng)到換流站的輸電通道阻抗為zsys＝rsys+xsys；

風(fēng)電集群出口電壓為

換流站交流母線用公共連接點pcc來表示，從無源系統(tǒng)注入到pcc的功率為ps+jqs；

基于電壓源換流器型直流輸電采用單相基波等效電路來表示，并設(shè)其輸出電壓基波相量為其中，xlink是換流站交流母線pcc與δ之間的連接電抗，xlink＝xt+xl0/2，其中xl0為基頻下的橋臂電抗；

(2)研究注入pcc節(jié)點的有功功率ps和無功功率qs的運行范圍，以v點輸出的有功功率pv和無功功率qv作為中間變量sv＝pv+jqv，對ps和qs的運行范圍進(jìn)行分析，v節(jié)點電壓為電壓源換流站控制的對象，其在無源網(wǎng)絡(luò)中看作平衡節(jié)點即vθ節(jié)點，故有

(3)建立換流站pq運行區(qū)間需要考慮的約束條件；

(4)由步驟(3)的約束條件共同決定的電壓源換流器型直流輸電功率特性的邊界曲線；

(5)根據(jù)步驟(4)的邊界曲線來確定換流站穩(wěn)態(tài)運行范圍。

其中，所述步驟(3)中，約束條件具體為：

(i)電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比約束：

v節(jié)點電壓和輸出功率已知，可以計算出δ節(jié)點電壓：

uδ∠δδ＝(uv+δu1)+jδu1(1-3)

通常定義電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比m等于δ導(dǎo)航的基波相電壓幅值uδm除以udc/2：

考慮實際運行時換流器的約束條件，需要校驗輸出電壓調(diào)制比

0.85≤m≤1.0(1-6)

(ii)公共連接點節(jié)點電壓約束：計算pcc節(jié)點電壓：

由于風(fēng)電集群內(nèi)電壓的穩(wěn)定依賴于電壓源換流站的動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，故考慮工程中實際運行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍

0.97p.u≤upcc≤1.07p.u(1-12)

(iii)風(fēng)電集群出口節(jié)點電壓約束：計算無源系統(tǒng)等效節(jié)點電壓

ps＝pv(1-13)

同樣考慮工程中實際運行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍：

0.97p.u≤us≤1.07p.u(1-19)

(iv)考慮實際運行時換流器的約束條件，換流站輸出電流約束：

(v)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制

-udimax≤ps≤udimax(1-21)

確定換流站穩(wěn)態(tài)運行范圍的步驟可以劃分為：

1)設(shè)已知換流站在v點的額定視在功率為svn，即當(dāng)時，vsc本身是允許運行的。將區(qū)域劃分為若干細(xì)小區(qū)塊，每個區(qū)塊用相應(yīng)的功率點(pv+jqv)表示，對于所有功率點，重復(fù)以下步驟；

2)根據(jù)方程式(1-1到1-4)計算δ節(jié)點電壓，式(1-5)計算調(diào)制比；

3)考慮實際運行時換流站的約束條件，根據(jù)判別式(1-6)判斷輸出電壓調(diào)制比校核所求的δ節(jié)點電壓是否滿足要求，如果滿足要求，表明該功率點是一個合理的功率點，再通過下面的步驟進(jìn)一步校驗；

4)根據(jù)方程式(1-8到1-11)計算pcc節(jié)點電壓。

5)考慮電力系統(tǒng)實際工程中電壓正常偏移量范圍，根據(jù)判別式(1-12)校驗pcc節(jié)點電壓是否滿足電壓約束要求，如果能夠滿足約束，表明該功率點是一個合理的功率點，再進(jìn)行下一步校驗；

6)根據(jù)式(1-14到1-15)計算輸送功率ps和qs，根據(jù)方程式(1-16到1-18)計算節(jié)點電壓。

7)同理考慮電力系統(tǒng)工程中電壓正常偏移量，根據(jù)判別式(1-19)校驗節(jié)點電壓是否滿足電壓約束要求，如果能滿足約束，表明該功率點是一個合理的功率點，再進(jìn)行下一步校驗；

8)根據(jù)判別式(1-20)從換流器輸出電流方面校核電流是否滿足要求。如果滿足要求，進(jìn)行下一步校核；

9)根據(jù)判別式(1-21)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制，進(jìn)行校驗

遍歷區(qū)域內(nèi)所有功率點，其中合理的功率點必定對應(yīng)著pcc處相應(yīng)的功率點ps和qs，這些功率點所覆蓋的范圍就是換流站穩(wěn)態(tài)運行的功率運行范圍。

vsc-hvdc接入無源網(wǎng)絡(luò)時的穩(wěn)態(tài)運行范圍應(yīng)用分析：

設(shè)電壓源換流站的參數(shù)如表所示，輸電線路電壓等級為230kv，線路單位長度阻抗參數(shù)為j0.306ω/km，忽略線路的電阻和電容效應(yīng)。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示：

表1電壓源換流站的參數(shù)

運用此算法分析調(diào)節(jié)聯(lián)結(jié)變壓器對換流站運行區(qū)間的影響

圖4a-4c是改變抽頭位置時會對換流站pq運行區(qū)間產(chǎn)生影響。隨著聯(lián)結(jié)變壓器的抽頭上調(diào)時，變比增加，換流站pq運行區(qū)間隨著上移，運行區(qū)間變??；聯(lián)結(jié)變壓器的抽頭下調(diào)時，變比減小，換流站pq運行區(qū)間下移，且運行區(qū)間變小，將各抽頭檔位的pq運行區(qū)間疊加形成了最終的vsc-hvdc系統(tǒng)工作范圍，如圖5所示。

運用此算法分析換流站到無源系統(tǒng)距離對運行區(qū)間的影響，利用上述算法，通過matlab編程仿真，改變模型參數(shù)，可以得到以上三種情況的換流站pq運行區(qū)間，由圖6a-6c可見，當(dāng)換流站到無源系統(tǒng)的距離不斷增加時，換流站pq運行區(qū)間范圍會不斷減小，這是由于距離增加時，換流站到無源系統(tǒng)的電抗也隨之增加，會導(dǎo)致無功損耗增加，從而導(dǎo)致一些功率運行點不能滿足約束條件，進(jìn)而pq運行區(qū)間范圍縮減。

通過上述算例驗證，可以得出換流站pq運行區(qū)間：

1)基于電壓源換流器的換流站雖能實現(xiàn)有功、無功的解耦，可以分別進(jìn)行控制，但在有功功率變化時，無功功率的運行范圍也隨之改變。

2)在輸送某一有功功率時，無功功率的運行范圍使不對稱的可發(fā)出的無功功率的能力要大于可吸收的無功功率。

3)該方法能夠考慮不同因素改變時，換流站pq運行區(qū)間的變化，可以清楚的了解到不同因素對運行區(qū)間的影響，進(jìn)而為分析送端換流站接入無源電網(wǎng)時的無功電壓運行特性做基礎(chǔ)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。