一種直流系統(tǒng)動態(tài)無功幅值的評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)，更具體地說，涉及一種直流系統(tǒng)動態(tài)無功幅值的 評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 交直流混聯(lián)電網(wǎng)已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的主要發(fā)展模式。交直流混聯(lián) 系統(tǒng)在增加系統(tǒng)運(yùn)行方式和電源安排靈活性、擴(kuò)大輸送容量的同時，也增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新挑戰(zhàn)。尤其是高壓直流輸電系統(tǒng)所帶來的動 態(tài)無功變化成為影響交直流混聯(lián)電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題的關(guān)鍵因素。
[0003] 高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流裝置自身需要消耗大量的無功功率，其動態(tài)無功變化 繁雜，在逆變側(cè)尤為突出，其復(fù)雜性可以體現(xiàn)在下述幾個方面：（1)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，由于電 容器補(bǔ)償?shù)臒o功多于受端換流器消耗的無功，直流系統(tǒng)向交流系統(tǒng)注入無功，對交流系統(tǒng) 而言，此時的直流系統(tǒng)相當(dāng)于無功電源，但無功幅值較小。（2)故障期間，由于換流母線電壓 降低，電容器補(bǔ)償?shù)臒o功減小，但換流器依然會消耗大量的無功，此時電容器補(bǔ)償?shù)臒o功無 法滿足換流器消耗的無功，直流系統(tǒng)將從交流系統(tǒng)吸收無功。此時對于交流系統(tǒng)來說，直流 系統(tǒng)無功的性質(zhì)發(fā)生變化，直流系統(tǒng)相當(dāng)于無功負(fù)荷。（3)故障切除后，換流母線電壓開始 恢復(fù)，電容器無功也隨之恢復(fù)，在直流系統(tǒng)控制的作用下直流電流恢復(fù)有所延遲，導(dǎo)致?lián)Q流 器消耗的無功也無法在故障切除后立即開始恢復(fù)，電容器補(bǔ)償?shù)臒o功將流向交流系統(tǒng)。對 交流系統(tǒng)而言，此時的直流系統(tǒng)相當(dāng)于無功電源。（4)當(dāng)直流電流開始恢復(fù)后，換流器消耗 的無功逐漸增大，直流系統(tǒng)又開始從交流系統(tǒng)吸收無功，此時的直流系統(tǒng)又相當(dāng)于無功負(fù) 荷。
[0004] 由以上分析可知，對交流系統(tǒng)而言，從故障發(fā)生到故障切除系統(tǒng)恢復(fù)的過程中，直 流系統(tǒng)無功動態(tài)變化過程迅速，其角色在無功電源和無功負(fù)荷之間不斷變化，且變化幅度 大。而交流系統(tǒng)故障引起直流換相失敗是交直流動態(tài)相互作用最為常見的形式，且高壓直 流輸電系統(tǒng)的逆變側(cè)多位于負(fù)荷中心地區(qū)，受端交流系統(tǒng)的無功儲備能力往往不足，直流 系統(tǒng)在故障期間及其后續(xù)恢復(fù)階段的無功動態(tài)響應(yīng)更容易對受端交流系統(tǒng)造成沖擊，因 此，對該過程中的直流系統(tǒng)換流器動態(tài)無功幅值進(jìn)行評估，有助于運(yùn)行人員分析暫態(tài)過程 中直流系統(tǒng)對受端交流系統(tǒng)的沖擊強(qiáng)弱程度，以便及時采取相應(yīng)措施及制定緊急預(yù)案。
[0005] 目前，直流系統(tǒng)換流器動態(tài)無功幅值的評估完全依賴于仿真方式，即通過電磁暫 態(tài)仿真程序或者機(jī)電暫態(tài)仿真程序，建立的交直流系統(tǒng)模型并設(shè)置各類故障進(jìn)行窮舉式仿 真計算，從而觀察換流器無功幅值變化范圍。尚無一套系統(tǒng)化的可用來評估直流系統(tǒng)換流 器動態(tài)無功幅值的直接方法。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案：
[0007] 1、方案一
[0008] 基于PSCAD/EMTDC、RTDS等電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序，對交流系統(tǒng)進(jìn)行一定程 度的等值后，建立交直流互聯(lián)電網(wǎng)的詳細(xì)電磁暫態(tài)模型，其中直流系統(tǒng)換流器的詳細(xì)模型 可以仿真實際換流閥的換相動態(tài)過程。在受端交流系統(tǒng)設(shè)置故障后，通過監(jiān)測換流裝置消 耗的無功曲線可以得到換流器動態(tài)無功的幅值變化特性，從而確定故障期間及后續(xù)恢復(fù)過 程中直流系統(tǒng)換流器動態(tài)無功幅值的變化范圍。其缺點(diǎn)是：利用PSCAD/EMTDC、RTDS等電磁 暫態(tài)仿真程序來確定故障期間及后續(xù)恢復(fù)過程中直流系統(tǒng)換流器動態(tài)無功幅值的變化范 圍，是建立在對交直流系統(tǒng)詳細(xì)建模的基礎(chǔ)上的，然而其模型規(guī)模大，建模所需收集的運(yùn)行 參數(shù)等信息多、工作量大，且詳細(xì)建模后，由于模型復(fù)雜、儲存數(shù)據(jù)多，導(dǎo)致其計算量大，仿 真耗時長，無法滿足工程化的快速判別要求。
[0009] 2、方案二
[0010] 基于PSD-BPA等電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真程序，對交流系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的等值 后，建立交直流互聯(lián)電網(wǎng)的機(jī)電暫態(tài)模型，其中直流系統(tǒng)換流器模型采用的是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。 在受端交流系統(tǒng)設(shè)置故障后，通過監(jiān)測換流裝置消耗的無功曲線可以得到換流器動態(tài)無功 的幅值變化特性，從而確定故障期間及后續(xù)恢復(fù)過程中直流系統(tǒng)換流器動態(tài)無功幅值的變 化范圍。其缺點(diǎn)是：PSD-BPA等機(jī)電暫態(tài)仿真程序由于其直流系統(tǒng)換流器采用的是較為簡 單的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，無法仿真實際換流閥的換相動態(tài)過程，導(dǎo)致故障期間其直流系統(tǒng)所發(fā)生 的換相失敗、故障切除后的恢復(fù)換相及后續(xù)恢復(fù)等與實際過程差異性較大。因此，其計算所 得的直流系統(tǒng)換流器消耗無功與電磁暫態(tài)模型或者實際模型的仿真結(jié)果存在較大誤差，無 法滿足工程實用性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于：為了評估暫態(tài)過程中直流系統(tǒng)對受端交流系統(tǒng)的沖擊，以便 根據(jù)沖擊強(qiáng)弱程度及時采取相應(yīng)措施，提出直流系統(tǒng)動態(tài)無功幅值的評估方法，使得直流 系統(tǒng)無功動態(tài)特性具有直觀性和實用性，為設(shè)計和運(yùn)行人員評估交直流系統(tǒng)的動態(tài)無功配 置提供一種簡單高效的工程實用方法，對受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的評估有重要的指導(dǎo)意 義。
[0012] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種直流系統(tǒng)動態(tài)無功幅值的評估方法。
[0013] 其一，故障期間評估方法原理；
[0014] 在實際交直流系統(tǒng)中，受端交流系統(tǒng)的動態(tài)無功儲備往往不足，所以逆變側(cè)直流 系統(tǒng)的無功動態(tài)特性更受關(guān)注。交直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，如果不考慮諧波分量，并將換流變 壓器的漏抗折算到閥側(cè)，則直流系統(tǒng)消耗的無功功率可由式（1)求得：
[0015]
[0016] 式中PjPQd為直流輸送功率和換流器消耗無功功率；UdcI為逆變側(cè)直流電壓；E為 逆變側(cè)換流母線電壓；Id為直流電流；X。為逆變側(cè)換相電抗；k為逆變側(cè)換流變壓器變比； ，為功率因數(shù)角；y為熄弧角；y為換相角；0為超前角；a為觸發(fā)角。
[0017] 首先，假設(shè)某一直流系統(tǒng)在臨界換相失敗時的換流母線電壓為Edp.d，換相失敗 期間逆變側(cè)熄弧角y=〇,由式（1)即可計算出在換相失敗期間且出現(xiàn)2倍額定直流電流 情況下的直流電壓。然后，根據(jù)所需進(jìn)行評估的真實直流系統(tǒng)實際運(yùn)行情況估算逆變側(cè)觸 發(fā)角變化范圍，同樣由式（1)利用該范圍下限計算出功率因數(shù)角上限。
[0018] 最后，由以上所計算的直流電壓、直流電流以及功率因數(shù)角可通過式（2)算得故 障期間換流器消耗無功幅值的上限：
[0019] (2)
[0020] 式中QdupS故障期間換流器無功幅值的上限；PdupS故障期間無功幅值達(dá)到上限 時的直流有功功率；為功率因數(shù)角上限。
[0021] 其二，故障恢復(fù)期間評估方法原理如下：
[0022] -般來說，換流器的功率因數(shù)角^在擾動消除后的變化區(qū)間約為[30°，50° ]， 即tan#為[0. 58, 1. 2]。擾動消除后，若直流電壓、直流電流以及直流有功功率恢復(fù)到額定 值，則直流無功功率的變化范圍在其輸送有功功率的〇. 58倍到1. 2倍之間。
[0023] 正常運(yùn)行時，逆變側(cè)直流系統(tǒng)消耗的無功功率約為直流有功功率的60%，根據(jù)上 述結(jié)果，在擾動消除后，直流系統(tǒng)恢復(fù)的過程中，直流系統(tǒng)無功的最大值約為額定值的1 _ 2倍。然而實際運(yùn)行中，在故障切除后，雖然換流母線電壓立刻開始恢復(fù)，但往往無法立刻恢 復(fù)到額定值，導(dǎo)致直流電壓和直流輸送功率也無法立刻恢復(fù)到額定值。在直流控制的作用 下，熄弧角逐漸恢復(fù)，超前觸發(fā)角減小，換相重疊角在換流器恢復(fù)換相時恢復(fù)到正常值，而 直流電流卻由于直流控制的作用恢復(fù)有所延遲，導(dǎo)致?lián)Q流器消耗無功也無法在故障切除后 立即開始恢復(fù)，直至直流電流開始恢復(fù)后換流器消耗無功才逐漸恢復(fù)。進(jìn)而可由式（3)計 算出功率因數(shù)角：
[0024] (3)
[0025] 式中y為正常換相角。
[0026] 因此，在直流系統(tǒng)換流器消耗無功達(dá)到最大值時，估算直流恢復(fù)輸送的有功功率 約為，并進(jìn)一步考慮直流控制動作，即逆變側(cè)觸發(fā)角的增大所引起功率因數(shù)角上 限的變化，對直流系統(tǒng)的換流器無功幅值上限做出如下修正：
[0027]
(4)
[0028] 式中Q'dup為故障恢復(fù)期間無功幅值的上限；P 為換流器消耗無功達(dá)到最 大值時直流恢復(fù)輸送的有功功率標(biāo)么值；Ap為考慮直流控制動作的功率因數(shù)角上限。
[0029] 本發(fā)明的實現(xiàn)流程如下；
[0030] 其一，故障期間評估方法的基本步驟；
[0031] 故障期間直流系統(tǒng)換流器動態(tài)無功幅值評估方法的