CN106972518B - 小型地方电网与能源基地直流外送***接入模式选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,包括以下步骤:1)对能源基地直流外送***和地方电网进行等值建模;2)计算联网和孤岛接入模式下送端电网的***单位调节功率;3)计算地方电网可用供电能力ASC,根据ASC指标判断地方电网类型;4)地方电网为供电区时,能源基地直流外送***应选择联网接入模式;5)地方电网为受电区时,改变断路器状态,将能源基地直流外送***切换至联网运行模式;6)设置直流闭锁故障,进行频率校验;7)设置短路故障,进行短路校验。本发明可为能源基地直流外送***规划建设时接入模式选择提供依据,具有工程使用价值。
Description
技术领域
本发明属于电力***稳定控制领域,具体涉及一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法。
背景技术
随着“一带一路”倡议和“全球能源战略”的实施,推动各大洲大型能源基地开发和电网跨国互联,实现能源大规模、大范围、高效率优化配置,是今后一段时期内电网发展的重要方向。特高压直流输电***具备输电距离远、输送容量大等优势,在大容量远距离输电、电网异步互联等方面已有广泛应用。
我国新建的能源基地一般地理位置偏远,远离负荷中心,与送端主网电气联系薄弱。以中蒙±660kV直流输电***为例,由于蒙古电网规模小,为避免“大机小网”问题,直流送端电厂不并入蒙古电网,采取直流孤岛运行方式。对于一般能源基地直流外送***,采用孤岛接入时,如果直流线路发生单/双极闭锁故障,大规模功率波动不会对地方电网造成影响;但由于缺少地方电网支撑,直流***容易出现过电压和高频问题。采用联网接入时,如果直流线路发生单/双极闭锁故障,地方电网可以消纳一部分机组的出力(消纳程度与电网可用供电能力有关);但送端***功率过剩超过一定限度时,可能引起送端***暂态高频问题,对地方电网造成较大冲击。
当前对能源基地直流外送***的研究主要集中在受端,对送端研究多为孤岛接入方式下暂态稳定性分析,送端发电机组以及直流调制***的协调控制策略方面。一部分学者对联网接入模式进行了相关研究,但由于地方电网规模大,对直流外送***有较强的支撑能力。相比孤岛接入,与大型地方电网联网接入具有较强优势,不存在接入模式选择问题。
现在规划设计中出现了新的难题:新建能源基地地理位置偏远,近能源基地的地方电网规模较小,一般为远离负荷中心的弱电网。工程上构建能源基地直流外送***时,需要考虑此类地方电网是否接入外送***,即选择联网接入模式或者孤岛接入模式。
发明内容
为了克服现有研究的不足,本发明考虑不同地方电网规模,采用可用供电能力参数将地方电网划分为供电区或受电区,对联网接入模式下地方电网有功频率、短路电流进行校验,提出一种考虑地方电网的能源基地直流外送***接入模式选择方法。本发明采用的方法具有工程使用价值。
本发明的创新点有:本专利研究能源基地直流外送***与近端小型地方电网的接入模式选择方法,这是规划设计中面临的新课题,目前未见有相关研究成果。本专利考虑能源基地直流外送***近端的小型地方电网规模,采用可用供电能力参数将地方电网划分为供电区或受电区,考察送端电网的有功频率水平、短路电流水平,提出一种小型地方电网和能源基地直流外送***的接入模式选择方法。本发明具有原创性。
本发明提供了一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法。
本发明内容说明如下:
1、一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,其所述方法包括以下步骤:
步骤一:对能源基地直流外送***和地方电网进行等值建模。
(1)对能源基地外送***进行等值建模,包括送端火电机组、12脉动换流器、交直流滤波器、直流线路、受端无穷大***等。
(2)采用同调等值法对送端地方电网进行等值建模。
同调等值法采用恒等功率技术对同调组内发电机母线进行化简,保证等值前后各边界母线的注入功率不变,同调机群发出的功率也恒定不变。将某电压等级下地方电网内所有发电机聚合成一台等值发电机,其额定容量和有功功率分别为:
发电机相关参数的等值方法由公式(3)表示:
l为送端电网中包含发电机组的台数;Si为第i(i=1,2,...l)台发电机组的容量,Meq表示电网等值后发电机组的以下参数之一:转动惯量、惯性时间常数、阻尼系数、同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗等,Meq是以等值后发电机容量为基准值的标幺值,Mi表示电网第i台发电机对应所表示参数的标幺值,该标幺值以第i台发电机组自身容量为基准值。
根据地方电网的潮流数据确定等值负荷,确保等值前后负荷的静特性、感应电动机负荷所占比例不变,保证等值前后主干网节点的电压、短路电流不变。
(3)搭建考虑地方电网的能源基地直流外送模型。
图1考虑地方电网的能源基地直流外送***模型图
等值建模完成后,考虑地方电网的能源基地直流外送***模型图如图1所示,其中区域A表示能源基地发电机组;区域B表示送端地方电网;区域C表示直流线路与受端无穷大***。模型图中断路器BRK用于联网和孤岛两种接入模式的切换。
步骤二:计算联网和孤岛接入模式下送端***的***单位调节功率。
图1中能源基地直流外送***(区域A)***单位调节功率为KA,地方电网(区域B)***单位调节功率为KB。不考虑直流调制作用,当断路器断开时,***运行于孤岛接入模式,送端***频率特性系数K∑_ios=KA;当断路器闭合时,***运行于联网接入模式,送端***频率特性系数K∑_con=KA+KB。
步骤三:计算地方电网可用供电能力ASC,根据ASC指标判断地方电网区域类型。
(1)计算地方电网可用供电能力ASC。
在步骤一中对地方电网进行了简单等值,等值后地方电网由于可用供电能力不同,直流闭锁后可接纳的转移功率量也不同。可用供电能力(ASC)是指保证N-1安全条件下,一定供电区域内电网在现有负荷的基础上可以增加的供电能力,即:
ASC=TSC-Lmax (4)
TSC表示电网最大供电能力,即现有电网的最大负荷供应量,Lmax表示电网现有的全部负荷,ASC指标反应了电网的负荷供应裕度,也反应了接纳送端火电机组过剩出力的能力。
(2)根据ASC指标判断地方电网类型。
当ASC>0时,地方电网(区域B)为供电区,不能消纳额外功率;当ASC<0时,地方电网(区域B)为受电区,可以消纳功率,参与直流外送***送端频率调节过程。
步骤四:地方电网为供电区时,能源基地直流外送***选择联网接入模式。
根据步骤三可判断地方电网为供电区时,能源基地直流外送***应选择联网接入模式,分析如下:
设△f为***实际频率与额定频率之差,即:
Δf=f-fN (5)
其中f为***实测频率,fN为***额定频率。
图2地方电网与能源基地直流外送***区域互联简图
地方电网与能源基地直流外送***区域互联简图如图2所示,联网运行时由联络线功率调节理论可得:
图2中△PGA为区域A中能源基地发电机功率变化量;△PGB和△PLB分别为地方电网中发电机和负荷的功率变化量;△PT为联络线功率偏差。K∑为送端***单位调节功率。
若ASC>0,可判断B为供电区,即不能消纳额外功率。根据步骤二分析可知K∑_con>K∑_ios显然成立,又由(7)式可知当联网下***的***单位调节功率大,调频能力强;区域B与区域A、C不存在功率交换,不需进行校验。能源基地直流外送***送端联网接入明显优于孤岛接入,故当地方电网为供电区时应选择联网接入模式。
步骤五:
根据步骤三可判断地方电网为受电区时,联络线功率偏差△PT≠0,地方电网可以参与直流外送***送端频率调节过程。由于联网模式下区域B与区域A、C存在功率交换,***动态特性复杂,需要通过频率稳定校验和短路校验进行模式选择。
闭合断路器,将能源基地直流外送***切换至联网运行模式。
步骤六:设置直流闭锁故障,进行频率稳定校验。
模拟能源基地直流外送***联网运行模式稳态运行过程,运行方式采用双极全压运行,双极功率控制,双极功率为额定功率PN。当***运行到某一时刻(t=t0)时,模拟控制***发出闭锁信号,使HVDC***工作于单极运行状态,此时联络线功率偏差△PT=0.5PN。
检测整流侧换流站母线实时频率f1,得到频率偏差△f1。根据若△f∈[-0.5Hz,0.5Hz],说明联网接入方式下送端***频率稳定,否则应选择孤岛接入模式。
步骤七:设置短路故障,进行短路水平校验。
(1)计算地方电网发生三相短路时的短路电流。
模拟地方电网主变母线侧发生三相短路故障,计算故障短路电流,用于短路水平校验。
(2)判断短路水平是否超标并进行模式选择。
判断短路电流是否满足《城市电网规划设计导则》的要求。结合步骤五中的校验结果,若地方电网满足频率稳定校验和短路水平校验,应选择联网接入模式,否则应选择孤岛接入模式。
本专利由于采取以上技术方案,具有以下创新点:1、本专利研究能源基地直流外送***与近端小型地方电网的接入模式选择方法,这是规划设计中面临的新课题,目前未见有相关研究成果。2、本专利考虑能源基地直流外送***近端的小型地方电网规模,采用可用供电能力参数将地方电网划分为供电区或受电区,考察送端电网的有功频率水平、短路电流水平,提出一种小型地方电网和能源基地直流外送***的接入模式选择方法。本专利可以广泛应用于特高压直流工程的规划过程中。
附图说明
图1为小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法基本步骤框图。
图2为考虑地方电网的能源基地直流外送***模型图。
图3为地方电网与能源基地直流外送***区域互联简图。其中(a)孤岛接入模式;(b)联网接入模式。
具体实施方式
下面结合附图,对优选实例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1为地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法基本步骤框图。图1中所述方法,其特征包括下列步骤:
步骤一:对能源基地直流外送***和地方电网进行等值建模。
(1)对能源基地外送***进行等值建模,包括送端火电机组、12脉动换流器、交直流滤波器、直流线路、受端无穷大***等。
(2)采用同调等值法对送端地方电网进行等值建模。
同调等值法采用恒等功率技术对同调组内发电机母线进行化简,保证等值前后各边界母线的注入功率不变,同调机群发出的功率也恒定不变。将某电压等级下地方电网内所有发电机聚合成一台等值发电机,其额定容量和有功功率分别为:
发电机相关参数的等值方法由公式(3)表示:
l为送端电网中包含发电机组的台数;Si为第i(i=1,2,...l)台发电机组的容量,Meq表示电网等值后发电机组的以下参数之一:转动惯量、惯性时间常数、阻尼系数、同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗等,Meq是以等值后发电机容量为基准值的标幺值,Mi表示电网第i(i=1,2,...l)台发电机对应Meq所表示参数的标幺值,该标幺值以第i台发电机组自身容量为基准值。
根据地方电网的潮流数据确定等值负荷,确保等值前后负荷的静特性、感应电动机负荷所占比例不变,保证等值前后主干网节点的电压、短路电流不变。
(3)搭建考虑地方电网的能源基地直流外送模型。
等值建模完成后,考虑地方电网能源基地直流外送***模型图如图2所示,其中区域A表示能源基地发电机组;区域B表示送端地方电网;区域C表示直流线路与受端无穷大***。模型图中断路器BRK用于联网和孤岛两种接入模式的切换。
步骤二:计算直流外送***不同接入模式下的***单位调节功率。
图2中能源基地直流外送***(区域A)***单位调节功率为KA,地方电网(区域B)***单位调节功率为KB。不考虑直流调制作用,当断路器断开时,***运行于孤岛接入模式,送端***频率特性系数KΣ_ios=KA;当断路器闭合时,***运行于联网接入模式,送端***频率特性系数KΣ_con=KA+KB。
步骤三:计算地方电网可用供电能力ASC,根据ASC指标判断地方电网区域类型。
(1)计算地方电网可用供电能力ASC。
在步骤一中对地方电网进行了简单等值,等值后地方电网由于可用供电能力不同,直流闭锁后可接纳的转移功率量也不同。可用供电能力(ASC)是指保证N-1安全条件下,一定供电区域内电网在现有负荷的基础上可以增加的供电能力,即:
ASC=TSC-Lmax (4)
TSC表示电网最大供电能力,即现有电网的最大负荷供应量,Lmax表示电网现有的全部负荷,ASC指标反应了电网的负荷供应潜力,即接纳送端火电机组过剩出力的能力。
(2)根据ASC指标判断地方电网类型。
当ASC>0时,地方电网(区域B)为供电区,不能消纳额外功率;当ASC<0时,地方电网(区域B)为受电区,可以消纳功率,参与直流外送***送端频率调节过程。
步骤四:地方电网为供电区时,能源基地直流外送***应选择联网接入模式。
根据步骤三可判断地方电网为供电区(ASC>0)时,能源基地直流外送***应选择联网接入模式,分析如下:
设Δf为***实际频率与额定频率之差,即:
Δf=f-fN (5)
其中f为***实测频率,fN为***额定频率。
地方电网与能源基地直流外送***区域互联简图如图3所示,由区域电网联络线功率调节理论可得:
图3中ΔPGA为区域A中能源基地发电机功率变化量;ΔPGB和ΔPLB分别为交流电网中发电机和负荷的功率变化量;ΔPT为联络线功率偏差。KΣ为送端***单位调节功率。
若ASC>0,可判断B为供电区,ΔPT=0,地方电网不能消纳额外功率。根据步骤二分析可知KΣ_con>KΣ_ios显然成立,又由(7)式可知当联网下***的单位调节功率大,调频能力强;区域B与区域A、C不存在功率交换,不需进行校验。能源基地直流外送***送端联网接入明显优于孤岛接入,故当地方电网为供电区时应选择联网接入模式。
步骤五:若ASC<0,可判断B为受电区,ΔPT≠0,地方电网可以参与直流外送***送端频率调节过程。由于联网模式下送端火电机组与地方电网存在功率交换,***动态特性复杂,需要通过频率稳定校验和短路水平校验进行模式选择。
闭合断路器,将能源基地直流外送***切换至联网运行模式。
步骤六:设置直流闭锁故障,进行频率稳定校验。
模拟能源基地直流外送***联网运行模式稳态运行过程,运行方式采用双极全压运行,双极功率控制,双极功率为额定功率PN。当***运行到某一时刻(t=t0)时,模拟控制***发出闭锁信号,使HVDC***工作于单极运行状态,此时联络线功率偏差ΔPT=0.5PN。
检测整流侧换流站母线实时频率f1,得到频率偏差Δf1。根据若Δf1∈[-0.5,0.5]Hz,说明联网接入方式下送端***频率稳定,否则应选择孤岛接入模式。(3)根据上述步骤,地方电网为受电区时,如果能源基地直流外送联网***满足频率稳定及短路电流阈值要求,应选择联网运行模式,否则应选择孤岛运行模式。
步骤七:设置短路故障,进行短路水平校验。
(1)计算地方电网发生三相短路时的短路电流。
模拟地方电网主变母线侧发生三相短路,计算故障短路电流Iif,用于短路水平校验。
(2)判断短路水平是否超标并进行模式选择。
判断短路电流是否满足《城市电网规划设计导则》的要求。结合步骤五中的校验结果,若地方电网满足频率稳定性校验和短路水平校验,应选择联网接入模式,否则应选择孤岛接入模式。
下面通过一个实际火电直流外送***来说明本发明能源基地直流外送***送端接入模式选择方法。
HVDC***模型图如图2所示。在PSCAD软件中搭建仿真模型,仿真时间设为50s。区域A表示某地区实际火电外送***,该火电外送***送端共6台额定功率600MW的火电机组,直流线路额定电压为±500kV,双极额定功率3000MW。
区域B表示送端地方电网,等值后的电网由发电机、变压器组成。发电机考虑自动励磁调节装置、调速器作用,机组阻尼系数D取0;负荷采用60%感应电动机+40%恒阻抗静态ZIP的综合阻抗模型。交流电网最大供电能力为3000MW,负荷供应潜力为5000MW,由(4)式计算出该电网可用供电能力ASC<0,为受电区。根据(5)-(7)式可知区域B为受电区时,可以选择联网接入模式,但要进行稳定性校验。
t=10s时,模拟控制***发出闭锁信号,使HVDC***工作于单极运行状态。测量实时频率并由(5)式计算可得送端交流电网频率偏差峰值为0.42HZ,满足频率偏差限值要求。
模拟地方电网母线侧发生三相接地短路故障,计算短路电流Iif。计算各电源对短路点的转移阻抗,求得计算电抗,查运算曲线得到以发电机额定功率为基准值的短路电流标幺值。求得各电源电流对短路点有名值之和即为短路电流。计算得到该220kV区域短路电流为48.23kA。
表1各电压等级的短路电流限定值
表1为《城市电网规划设计导则》中对城网各级电压的短路水平要求。由该表可知联网接入模式满足导则要求。
能源基地直流外送***在联网接入模式下满足稳定性校验,因此该送端地区宜选择联网接入模式。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,其特征在于所述方法包括以下步骤:
步骤一:对能源基地直流外送***和地方电网进行等值建模;所述步骤一的具体步骤是:
S1:对能源基地直流外送***进行等值建模,包括送端火电机组、12脉动换流器、交直流滤波器、直流线路、受端无穷大***等;
S2:采用同调等值法对送端地方电网进行等值建模;
根据地方电网的潮流数据确定等值负荷,确保等值前后负荷静特性、感应电动机负荷所占比例不变,保证等值前后主干网节点的电压、短路电流不变;
S3:搭建考虑地方电网的能源基地直流外送***模型;
等值建模完成后,考虑地方电网的能源基地直流外送***模型图,其中区域A表示能源基地直流外送***;区域B表示送端地方电网;区域C表示直流线路与受端无穷大***;模型图中断路器BRK用于联网和孤岛两种接入模式的切换;
步骤二:计算联网和孤岛接入模式下送端***的***单位调节功率;
步骤三:计算地方电网可用供电能力ASC,根据ASC指标判断地方电网类型;所述步骤三的具体步骤是:
S1:计算地方电网可用供电能力ASC;
在步骤一中,对地方电网进行了简单等值,等值后地方电网由于可用供电能力不同,直流闭锁后接纳的功率也不同;
ASC=TSC-Lmax(1)
TSC表示电网最大供电能力,即现有电网的最大负荷供应量,Lmax表示电网现有的全部负荷,ASC指标反应了电网的负荷供给应有一定裕度,也反应了电网接纳送端火电机组过剩出力的能力;
S2:根据ASC指标判断地方电网类型;
当ASC>0时,地方电网区域B为供电区,不能消纳额外功率;当ASC<0时,地方电网区域B为受电区,以消纳功率,参与直流外送***送端频率调节过程;
步骤四:地方电网为供电区时,能源基地直流外送***应选择联网接入模式;
步骤五:地方电网为受电区时,改变断路器状态,将能源基地直流外送***切换至联网运行模式;
步骤六:设置直流闭锁故障,进行频率校验;
步骤七:设置短路故障,进行短路校验。
2.根据权利要求1所述的一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,其特征在于所述步骤二的具体步骤是:
能源基地直流外送***区域A***单位调节功率为KA,地方电网区域B***单位调节功率为KB;不考虑直流调制作用,当断路器断开时,***运行于孤岛接入模式,送端***频率特性系数KΣ_ios=KA;当断路器闭合时,***运行于联网接入模式,送端***频率特性系数KΣ_con=KA+KB。
3.根据权利要求1所述的一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,其特征在于所述步骤四的具体步骤是:
根据步骤三中判断地方电网为供电区即ASC>0时,能源基地直流外送***应选择联网接入模式,分析如下:
设Δf为送端***实际频率与额定频率之差,即:
Δf=f-fN(2)
其中f为***实测频率,fN为***额定频率;
联网运行时由联络线功率调节理论可得:
其中ΔPGA为区域A中能源基地发电机功率变化量;ΔPGB和ΔPLB分别为地方电网中发电机和负荷的功率变化量;ΔPT为联络线功率偏差;KΣ为送端***单位调节功率;KA为能源基地直流外送***区域A***单位调节功率,KB为地方电网区域B***单位调节功率;
若ASC>0,判断区域B为供电区,ΔPT=0,即不能消纳额外功率;根据步骤二分析可知KΣ_con>KΣ_ios显然成立,又由(4)式可知当联网下***的***单位调节功率大,调频能力强;区域B与区域A、C不存在功率交换,不需进行校验;能源基地直流外送***送端联网接入明显优于孤岛接入,故当地方电网为供电区时应选择联网接入。
4.根据权利要求1所述的一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,其特征在于所述步骤五的具体步骤是:
若ASC<0,可判断地方电网为受电区,联络线功率偏差ΔPT≠0,地方电网参与直流外送***送端频率调节过程;由于联网模式下区域B与区域A、C存在功率交换,***动态特性复杂,需要通过频率校验和短路校验进行模式选择;
闭合断路器,将能源基地直流外送***切换至联网运行模式。
5.根据权利要求1所述的一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,其特征在于所述步骤六的具体步骤是:
模拟能源基地直流外送***联网运行模式稳态运行过程,运行方式采用双极全压运行,双极功率控制,双极功率为额定功率PN;当***运行到t=t0时,模拟控制***发出闭锁信号,使HVDC***工作于单极运行状态,此时联络线功率偏差ΔPT=0.5PN;
检测整流侧换流站母线实时频率f1,得到频率偏差Δf1;若Δf1∈[-0.5,0.5]Hz,则联网接入方式下送端***频率稳定,应继续进行短路校验,否则应选择孤岛接入模式。
6.根据权利要求1所述的一种小型地方电网与能源基地直流外送***的接入模式选择方法,其特征在于所述步骤七的具体步骤是:
S1:计算地方电网发生三相短路时的短路电流;
模拟地方电网主变母线侧发生三相短路故障,计算故障短路电流Iif,用于短路校验;
S2:判断短路电流是否超标并进行模式选择;
结合步骤五中的校验结果,若地方电网满足频率校验和短路校验,应选择联网接入模式否则应选择孤岛接入模式。
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