一种换相失败预测控制启动电压值优化方法

摘要

本发明公开了一种换相失败预测控制启动电压值优化方法，包括：仿真计算各回直流一次换相失败的功率冲击，计算功率冲击贡献度指标；根据直流运行状态和受端交流电网等值阻抗矩阵计算无功影响度指标；计算参数设置优先级指标，并由大到小进行排序；确定各回直流的换相失败预测控制启动电压值。本发明方法能在有效降低换相失败整体功率冲击的同时，避免多回直流无功需求过大而给受端交流电网的电压稳定性造成不利影响。

权利要求

1.一种换相失败预测控制启动电压值优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)仿真计算各回直流一次换相失败的功率冲击，计算功率冲击贡献度指标；

其中，计算功率冲击贡献度指标的方法为：换相失败对受端交流电网的影响可视作短暂的功率冲击，如下式所示：其中，t0、t1分别表示换相失败时刻和直流功率恢复至稳态时刻，Pd0、Pd分别表示直流初始功率和实时功率；

采用多馈入有效短路比来衡量受端交流电网强度，多馈入有效短路比由下式近似计算：

其中，PdNi、PdNj分别为第i、j回直流额定功率，Saci为换流母线i的短路容量，Qci为换流站i的无功补偿容量，Zij表示受端交流电网等值阻抗矩阵中节点i、j的互阻抗，Zii表示节点i的自阻抗；

基于功率冲击计算公式和多馈入有效短路比计算公式，计算换相失败功率冲击贡献度指标，以衡量多回直流同时换相失败时某回直流的影响占比，功率冲击贡献度指标计算公式为：

其中，MIESCRi和△Ei分别表示第i回直流的多馈入有效短路比及一次换相失败的功率冲击，n为直流总回数；

(2)根据直流运行状态和受端交流电网等值阻抗矩阵计算无功影响度指标；

(3)计算参数设置优先级指标，并由大到小进行排序；

(4)确定各回直流的换相失败预测控制启动电压值。

2.根据权利要求1所述的一种换相失败预测控制启动电压值优化方法，其特征在于，步骤(2)中计算无功影响度指标的方法为：以直流稳态运行时消耗的无功功率来大致衡量其受扰后的无功需求，则各回直流无功需求占比由下式计算：

其中，Pi、Qi、βi、γi分别表示第i回直流稳态运行时的有功功率、无功功率、触发超前角和熄弧角，n为直流回数；

评估各回直流近区对其他直流落点的耦合程度，受端交流电网中两节点间电气距离如下式所示：

Zj→k＝Zjj+Zkk‑2Zjk；

其中，Zjk表示受端交流电网等值阻抗矩阵中节点j、k的互阻抗，Zjj和Zkk分别表示节点j、k的自阻抗；

进一步计算直流近区三级断面内所有节点对其他直流换流母线的电气耦合度，如下式所示：

其中，m、n分别表示近区节点数和直流回数；

进一步计算各回直流的无功影响度指标为：ξi2＝ηi·Di。

3.根据权利要求1所述的一种换相失败预测控制启动电压值优化方法，其特征在于，步骤(3)中各回直流的参数优先级指标计算公式为：ξi＝ξi1/ξi2；

其中，ξi1为各回直流的功率冲击贡献度指标，ξi2为各回直流的无功影响度指标；将各回直流的参数优先级指标从大到小进行排序，其值越大，表明直流i换相失败功率冲击的影响越强，则换相失败预测控制启动电压值应相对较高。

4.根据权利要求1所述的一种换相失败预测控制启动电压值优化方法，其特征在于，步骤(4)中各回直流的换相失败预测控制启动电压值的计算方法为：根据各回直流的参数优先级指标确定各回直流的换相失败预测控制启动电压值，排在第x位的直流换相失败预测控制启动电压值设置如下式所示：Ucrx＝0.85‑0.02(x‑1)                     (9)。

说明书

一种换相失败预测控制启动电压值优化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统稳定分析与控制研究领域，特别涉及一种换相失败预测控制启动电压值优化方法。

背景技术

[0002] 为满足负荷中心日益增长的用电需求，通过具备大容量、远距离输电优势的高压直流输电工程接纳外来电力，从而实现能源跨区优化配置，是缓解负荷中心地区能源供应
压力的有效手段。但多回直流馈入交流电网形成的多馈入直流系统，给电网安全稳定带来
了新的问题。受端交流电网故障引起多回直流换相失败是多馈入直流系统的重要问题之
一，其造成的功率冲击和电压波动严重威胁电网的稳定运行。

[0003] 研究表明，可通过优化直流系统控制保护策略减小换相失败风险。换相失败预测控制则是其中的重要环节，其可通过控制逆变器提前触发直接提升换相裕度，从而抑制换
相失败。目前针对换相失败预测控制的研究相对较少，且主要基于单回直流的改进，均未考
虑多回直流对受端交流电网无功功率和电压稳定的整体影响。而相关研究表明，换相失败
预测控制参数变化对交直流系统无功交互特性具有重要影响，严重情况下甚至会引起受端
电网电压失稳。

[0004] 由此可见，当前研究中综合考虑功率冲击和无功需求，对多回直流的换相失败预测控制进行协调优化的方法仍面临空白。

发明内容

[0005] 发明目的：为解决上述问题，本发明提供了一种换相失败预测控制优化方法，该方法能在有效降低换相失败整体功率冲击的同时，避免多回直流无功需求过大而给受端交流
电网的电压稳定性造成不利影响。

[0006] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 首先，综合考虑功率冲击和无功需求，对各回直流的影响程度进行评估；然后，将影响程度指标进行排序，根据评估结果差异化设置换相失败预测控制参数。具体为：

[0008] 一种换相失败预测控制启动电压值优化方法，包括以下步骤：

[0009] (1)仿真计算各回直流一次换相失败的功率冲击，计算功率冲击贡献度指标；

[0010] (2)根据直流运行状态和受端交流电网等值阻抗矩阵计算无功影响度指标；

[0011] (3)计算参数设置优先级指标，并由大到小进行排序；

[0012] (4)确定各回直流的换相失败预测控制启动电压值。

[0013] 进一步的，步骤(1)中计算功率冲击贡献度指标的方法为：

[0014] 换相失败对受端交流电网的影响可视作短暂的功率冲击，如下式所示：

[0015]

[0016] 其中，t0、t1分别表示换相失败时刻和直流功率恢复至稳态时刻，Pd0、Pd分别表示直流初始功率和实时功率；

[0017] 采用多馈入有效短路比来衡量受端交流电网强度，多馈入有效短路比由下式近似计算：

[0018]

[0019] 其中，PdNi、PdNj分别为第i、j回直流额定功率，Saci为换流母线i的短路容量，Qci为换流站i的无功补偿容量，Zij表示受端交流电网等值阻抗矩阵中节点i、j的互阻抗，Zii表示节
点i的自阻抗；

[0020] 基于功率冲击计算公式和多馈入有效短路比计算公式，计算换相失败功率冲击贡献度指标，以衡量多回直流同时换相失败时某回直流的影响占比，功率冲击贡献度指标计
算公式为：

[0021]

[0022] 其中，MIESCRi和△Ei分别表示第i回直流的多馈入有效短路比及一次换相失败的功率冲击，n为直流总回数。

[0023] 进一步的，步骤(2)中计算无功影响度指标的方法为：

[0024] 以直流稳态运行时消耗的无功功率来大致衡量其受扰后的无功需求，则各回直流无功需求占比由下式计算：

[0025]

[0026] 其中，Pi、Qi、βi、γi分别表示第i回直流稳态运行时的有功功率、无功功率、触发超前角和熄弧角，n为直流回数；

[0027] 评估各回直流近区对其他直流落点的耦合程度，受端交流电网中两节点间电气距离如下式所示：

[0028] Zj→k＝Zjj+Zkk‑2Zjk；

[0029] 其中，Zjk表示受端交流电网等值阻抗矩阵中节点j、k的互阻抗，Zjj和Zkk分别表示节点j、k的自阻抗；

[0030] 进一步计算直流近区三级断面内所有节点对其他直流换流母线的电气耦合度，如下式所示：

[0031]

[0032] 其中，m、n分别表示近区节点数和直流回数；

[0033] 进一步计算各回直流的无功影响度指标为：

[0034] ξi2＝ηi·Di。

[0035] 进一步的，步骤(3)中各回直流的参数优先级指标计算公式为：

[0036] ξi＝ξi1/ξi2；

[0037] 其中，ξi1为各回直流的功率冲击贡献度指标，ξi2为各回直流的无功影响度指标；将各回直流的参数优先级指标从大到小进行排序，其值越大，表明直流i对受端交流电网功
率冲击的影响越强，则换相失败预测控制启动电压值应相对较高。

[0038] 进一步的，步骤(4)中各回直流的换相失败预测控制启动电压值的计算方法为：

[0039] 根据各回直流的参数优先级指标确定各回直流换相失败预测控制的启动电压值，排在第x位的直流换相失败预测控制启动电压值设置如下式所示：

[0040] Ucrx＝0.85‑0.02(x‑1)                     (9)。

[0041] 有益效果：与现有技术相比，本发明综合考虑功率冲击和无功需求对多直流的换相失败预测控制进行协调优化，能在有效降低换相失败整体功率冲击的同时，避免多回直
流无功需求过大而给受端交流电网的电压稳定性造成不利影响。

附图说明

[0042] 图1为本发明方法流程图；

[0043] 图2为采用现有方法的多回直流无功需求分布；

[0044] 图3为采用本发明方法的多回直流无功需求分布；

[0045] 图4为无功功率需求对比曲线；

[0046] 图5为换流母线电压对比曲线；

[0047] 图6为熄弧角对比曲线。

具体实施方式

[0048] 以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

[0049] 换相失败预测控制是减小换相失败风险的重要环节，但当前研究主要基于单回直流的优化改进，未考虑多回直流对受端交流电网无功功率和电压稳定性的重要影响。针对
这一问题，本发明提供了一种换相失败预测控制启动电压值优化方法。首先，综合考虑功率
冲击和无功需求，对各回直流的影响程度进行评估；然后，将影响程度指标进行排序，根据
评估结果差异化设置换相失败预测控制参数。与现有方法相比，本发明能在有效降低换相
失败整体功率冲击的同时，避免多回直流无功需求过大而给受端交流电网的电压稳定性造
成不利影响。

[0050] 如图1所示，一种换相失败预测控制启动电压值优化方法，包括以下步骤：

[0051] (1)仿真计算各回直流一次换相失败的功率冲击，计算功率冲击贡献度指标；

[0052] 换相失败对受端交流电网的影响可视作短暂的功率冲击，如式(1)所示：

[0053]

[0054] 其中，t0、t1分别表示换相失败时刻和直流功率恢复至稳态时刻，Pd0、Pd分别表示直流初始功率和实时功率。

[0055] 另一方面，直流功率冲击对受端交流电网的影响程度不仅与直流功率有关，受端交流电网强度越弱，则功率冲击对其影响越严重。当前研究通常用短路比指标来衡量受端
交流电网强度，考虑到各回直流落点无功补偿装置的作用及差异，本发明采用多馈入有效
短路比(multi‑infeed effective short circuit ratio，MIESCR)来衡量受端交流电网强
度，其可近似由式(2)计算：

[0056]

[0057] 其中，PdNi、PdNj分别为第i、j回直流额定功率，Saci为换流母线i的短路容量，Qci为换流站i的无功补偿容量。Zij表示受端交流电网等值阻抗矩阵中节点i、j的互阻抗，Zii表示节
点i的自阻抗。

[0058] 基于式(1)和(2)计算换相失败功率冲击贡献度指标，以衡量多回直流同时换相失败时某回直流的影响占比，如式(3)所示：

[0059]

[0060] 其中，MIESCRi和△Ei分别表示第i回直流的多馈入有效短路比及一次换相失败的功率冲击，n为直流总回数。

[0061] (2)根据直流运行状态和受端交流电网等值阻抗矩阵计算无功影响度指标；

[0062] 以直流稳态运行时消耗的无功功率来大致衡量其受扰后的无功需求，则各回直流无功需求占比可由式(4)计算：

[0063]

[0064] 其中，Pi、Qi、βi、γi分别表示第i回直流稳态运行时的有功功率、无功功率、触发超前角和熄弧角，n为直流回数。

[0065] 显然地，各回直流无功需求占比ηi越大，直流对受端交流电网的无功影响程度越大。但由于电气距离相对较小，一回直流近区故障常常引起其他直流换流母线电压较大幅
度跌落，导致多回直流的无功需求同时增加，其可等效视作该直流对受端交流电网的无功
影响。因此有必要评估各回直流近区对其他直流落点的耦合程度，受端交流电网中两节点
间电气距离如式(5)所示：

[0066] Zj→k＝Zjj+Zkk‑2Zjk                       (5)；

[0067] 其中，Zjk表示受端交流电网等值阻抗矩阵中节点j、k的互阻抗，Zjj和Zkk分别表示节点j、k的自阻抗。

[0068] 进一步计算直流近区三级断面内所有节点对其他直流换流母线的电气耦合度，如式(6)所示：

[0069]

[0070] 其中，m、n分别表示近区节点数和直流回数。

[0071] 基于式(4)‑(6)可计算各回直流的无功影响度指标，如式(7)所示：

[0072] ξi2＝ηi·Di                            (7)。

[0073] (3)计算各回直流的参数设置优先级指标，并由大到小进行排序；

[0074] 根据式(3)和式(7)计算各回直流的参数优先级指标，如式(8)所示：

[0075] ξi＝ξi1/ξi2                                (8)；

[0076] 将各回直流的参数优先级指标从大到小进行排序，其值越大，表明直流i对受端交流电网功率冲击的影响越强，则换相失败预测控制启动电压值应相对较高。

[0077] (4)确定各回直流的换相失败预测控制启动电压值；

[0078] 根据各回直流的参数优先级指标的大小排序情况设定其换相失败预测控制的启动电压门槛值，实际工程中换相失败预测控制启动电压值上限通常设为0.85p.u.，本发明
依据工程经验，将排在第x位的直流换相失败预测控制启动电压门槛值设置如式(9)所示：

[0079] Ucrx＝0.85‑0.02(x‑1)                     (9)。

[0080] 本实施例采用中国电科院开发的PSD‑BPA作为仿真工具，基于某实际电网数据进行仿真分析，该数据中包括FF、JS、LZ、LF、YH、BJ、LS、JN共计八回直流。

[0081] 根据上述步骤，计算各回直流的参数优先级指标和换相失败预测控制启动电压值，如表1所示：

[0082] 表1 换相失败预测控制启动电压值

[0083]

[0084]

[0085] 对各回直流近区三级断面内所有线路进行三相永久性短路N‑1故障扫描，以式(10)计算多回直流对受端交流电网造成的功率冲击评估指标I，其值越大则多回直流整体
的功率冲击越大：

[0086]

[0087] 其中，n为直流回数，Pi为第i回直流稳态运行时的有功功率，Mi为故障集内第i回直流的最大连续换相失败次数，λki为第i回直流发生k次换相失败的概率，Ti表示一次换相失
败功率波动时间(此处根据直流功率波动规律简化取为200ms)。

[0088] 依据式(10)计算本发明方法、现有方法和未优化时的功率冲击评估指标I分别为0.0764、0.0757和0.0822。与优化前相比，本发明能大幅减小换相失败功率冲击；与现有方
法相比，本发明换相失败功率冲击评估指标略高，但多回直流整体的无功需求得到有效改
善。对比图2和图3可知，采用本发明方法对换相失败预测控制参数进行优化后，多回直流从
受端交流电网吸收无功超过4500Mvar的故障比例由11％下降至4％，且未出现吸收无功超
过5500Mvar的严重情况。

[0089] 进一步以某一具体故障下JS直流为例进行对比分析，由图4和图5可知，采用本发明方法(实验组)JS直流的换相失败预测控制启动电压值设置较低，改善了其无功需求，与
采用现有方法的对照组相比，更有利于抑制无功波动、促进电压恢复。且由图6所示的熄弧
角曲线可知，本发明方法的实验组在减小无功需求的同时，JS直流换相失败情况并未恶化，
与采用现有方法的对照组相比，同样都只发生一次换相失败。

[0090] 综上可知，本发明所提供的换相失败预测控制优化方法能在有效降低换相失败功率冲击的同时，避免多回直流无功需求过大，与现有方法相比有利于减小受端交流电网的
无功缺额和电压波动，降低电压失稳风险。