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

小型地方电网与能源基地直流外送***接入模式选择方法 Download PDF

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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

小型地方电网与能源基地直流外送***接入模式选择方法
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。
CN201710247749.XA 2017-04-17 2017-04-17 小型地方电网与能源基地直流外送***接入模式选择方法 Active CN106972518B (zh)

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