本發(fā)明屬于電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種換流站在黑啟動(dòng)過程中考慮無功的有功投入量優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

近年來，國內(nèi)外連續(xù)爆發(fā)多起大面積停電事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和深刻的社會影響，也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行敲響了警鐘。大停電事故發(fā)生后，科學(xué)合理的恢復(fù)方案能在加快系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程的同時(shí)，大幅度地減少大停電事故所造成的損失?，F(xiàn)階段電網(wǎng)恢復(fù)的研究，主要考慮常規(guī)火電、水電機(jī)組的恢復(fù)，而隨著高壓直流輸電技術(shù)的不斷完善，復(fù)奉特高壓直流、德寶直流等工程相繼投運(yùn)，后續(xù)還有數(shù)條特高壓直流輸電工程已進(jìn)入規(guī)劃設(shè)計(jì)階段。高壓直流輸電系統(tǒng)具有傳輸容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低、調(diào)速快、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且其受端電網(wǎng)的停電故障，不會影響送端電網(wǎng)的正常運(yùn)行。在電網(wǎng)恢復(fù)過程中啟動(dòng)直流輸電系統(tǒng)，能快速地為停電電網(wǎng)提供大容量的電能，對加快整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)進(jìn)程具有積極作用，因此，研究直流參與的電網(wǎng)恢復(fù)路徑優(yōu)化問題十分必要。

其中，電壓源換流型的高壓直流輸電采用絕緣柵雙極型晶體管以及脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制。當(dāng)vsc-hvdc逆變站采用定有功功率和定無功功率的控制方式向待恢復(fù)電網(wǎng)供電時(shí)，無功功率沖擊會引起交流母線暫態(tài)電壓的升高，有功沖擊會引起交流電網(wǎng)暫態(tài)頻率的升高，這些因素都會影響弱電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。現(xiàn)有的研究中，一般是將有功沖擊對系統(tǒng)暫態(tài)頻率的影響和無功沖擊對暫態(tài)電壓的影響分開進(jìn)行研究的，在分析頻率響應(yīng)的影響因素時(shí)，通常不考慮無功沖擊量對暫態(tài)頻率的影響，然而，通過仿真發(fā)現(xiàn)，換流站投入運(yùn)行時(shí)的無功沖擊會對暫態(tài)頻率產(chǎn)生影響，需建立基于系統(tǒng)無功—電壓特性的頻率響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，使得暫態(tài)頻率求解的結(jié)果更為精確。

但是，現(xiàn)有技術(shù)中尚無一種方法在確定有功沖擊引起的暫態(tài)頻率響應(yīng)大小時(shí)考慮無功沖擊量的影響，這使得換流站在投入運(yùn)行時(shí)的功率設(shè)定值較為保守。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中尚未用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)關(guān)系式證明發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)以及備用系數(shù)對暫態(tài)頻率穩(wěn)定的影響，使得確定的暫態(tài)頻率響應(yīng)值不夠準(zhǔn)確。由此可見，優(yōu)化有功功率投入量，使換流站在黑啟動(dòng)過程中能提供更多的有功出力，對停電電網(wǎng)的快速恢復(fù)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種換流站在黑啟動(dòng)過程中考慮無功影響的有功投入量優(yōu)化方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種換流站在黑啟動(dòng)過程中考慮無功影響的有功投入量優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟1、確定交流系統(tǒng)參數(shù)，具體包括各母線電壓v、直流換流站接入點(diǎn)短路容量ssc、系統(tǒng)負(fù)荷類型；

步驟2、在黑啟動(dòng)過程中，假設(shè)vsc-hvdc的逆變器測采用定功率控制，直流系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)對交流系統(tǒng)的等效沖擊為p和q，根據(jù)步驟1確定的交流系統(tǒng)參數(shù)確定當(dāng)換流站恢復(fù)時(shí)，逆變側(cè)換流母線的暫態(tài)電壓；

根據(jù)上述確定的交流系統(tǒng)參數(shù)確定當(dāng)換流站恢復(fù)時(shí)，逆變側(cè)換流母線的暫態(tài)電壓所用公式為：

式中，δv——待求值，為換流站接入交流系統(tǒng)時(shí)，逆變側(cè)換流母線的暫態(tài)電壓變化量；

δq——由直流線路注入交流系統(tǒng)的無功功率；

p、δp——換流母線上原有的有功容量和由直流線路注入交流系統(tǒng)的有功功率；

ssc——系統(tǒng)暫態(tài)短路容量。

步驟3、通過阻抗矩陣確定其余母線的暫態(tài)電壓變化量；所用公式為：

其中，ud和ui分別為逆變側(cè)換流母線d和節(jié)點(diǎn)i的暫態(tài)電壓大小，u0.d和u0.i為換流站接入前逆變側(cè)換流母線d和節(jié)點(diǎn)i的電壓大小，zdd為阻抗矩陣中與d相關(guān)的對角線元素，zid為阻抗矩陣中節(jié)點(diǎn)d和節(jié)點(diǎn)i之間的元素。

步驟4、確定不考慮系統(tǒng)無功—電壓特性時(shí)，為保證電網(wǎng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定，直流換流站可投入的最大有功出力量；所用公式為：

求解該微分方程可得：

其中，δf為交流系統(tǒng)暫態(tài)頻率偏移量，t為時(shí)間，m為發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)，k為與系統(tǒng)備用容量相關(guān)的系數(shù)，系統(tǒng)備用容量越大，k值越大。

步驟5、確定考慮無功功率影響的情況下，直流換流站可投入的最大有功出力量；考慮直流換流站無功功率影響時(shí)，有功出力量所引起的頻率響應(yīng)公式為：

式中，δf——待求值，為交流系統(tǒng)暫態(tài)頻率偏移量；

δp"——換流站考慮無功功率影響后的等效有功功率沖擊量，δp"的確定如下式所示：

其中，f1為步驟2中采用的關(guān)系模型，f2為步驟3中采用的關(guān)系模型，f3表示負(fù)荷的電壓特性。

步驟6、根據(jù)4和步驟5得到的結(jié)果，通過擬合得出無功功率對有功投入量優(yōu)化結(jié)果的影響。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明在求解有功沖擊對系統(tǒng)暫態(tài)頻率的影響時(shí)，考慮了系統(tǒng)的無功—電壓特性，可在保證暫態(tài)頻率穩(wěn)定的前提下，盡可能的增到換流站的有功投入量；2)在本發(fā)明中，詳細(xì)考慮發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)以及備用系數(shù)對暫態(tài)頻率穩(wěn)定的影響，使求解暫態(tài)頻率的數(shù)學(xué)模型更加準(zhǔn)確。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明換流站在黑啟動(dòng)過程中考慮無功影響的有功投入量優(yōu)化方法流程圖。

圖2為無功功率投入量對有功功率投入量的優(yōu)化結(jié)果擬合曲線圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種換流站在黑啟動(dòng)過程中考慮無功影響的有功投入量優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟1、確定交流系統(tǒng)參數(shù)，具體包括各母線電壓v、直流換流站接入點(diǎn)暫態(tài)短路容量ssc、系統(tǒng)負(fù)荷類型；

母線電壓由基本交流系統(tǒng)的潮流計(jì)算求得；在計(jì)算暫態(tài)短路容量時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)取暫態(tài)電動(dòng)勢和定子暫態(tài)電抗；為了體現(xiàn)無功—電壓特性對頻率響應(yīng)的影響，本文采用對電壓變化最為敏感的恒阻抗負(fù)荷進(jìn)行分析；

步驟2、根據(jù)步驟1求得的暫態(tài)短路容量即換流母線電壓v，計(jì)算直流換流站接入交流電網(wǎng)后，換流母線的電壓變化量。根據(jù)上述確定的交流系統(tǒng)參數(shù)確定當(dāng)換流站恢復(fù)時(shí)，逆變側(cè)換流母線的暫態(tài)電壓所用公式為：

式中δv——待求值，為換流站接入交流系統(tǒng)時(shí)，逆變側(cè)換流母線的暫態(tài)電壓變化量；

δq——由直流線路注入交流系統(tǒng)的無功功率；

p、δp——換流母線上原有的有功容量和由直流線路注入交流系統(tǒng)的有功功率；

ssc——系統(tǒng)暫態(tài)短路容量。

步驟3、根據(jù)換流母線的電壓變化量，求解其余交流母線的電壓變化量。

通過阻抗矩陣確定其余母線的暫態(tài)電壓變化量所用公式為：

其中，ud和ui分別為逆變側(cè)換流母線d和節(jié)點(diǎn)i的暫態(tài)電壓大小，u0.d和u0.i為換流站接入前的電壓大小，zdd為阻抗矩陣中與d相關(guān)的對角線元素，zid為阻抗矩陣中節(jié)點(diǎn)d和節(jié)點(diǎn)i之間的元素。

步驟4、求解不考慮無功功率影響的情況下暫態(tài)頻率與直流系統(tǒng)注入交流電網(wǎng)的有功功率沖擊大小的關(guān)系。確定直流換流站可投入的最大有功出力量所用公式為：

求解該微分方程可得：

其中，δf為交流系統(tǒng)暫態(tài)頻率偏移量，t為時(shí)間，m為發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)，k為與系統(tǒng)備用容量相關(guān)的系統(tǒng)，系統(tǒng)備用容量越大，k值越大。

步驟5、計(jì)算在考慮無功功率影響的情況下，暫態(tài)頻率與直流系統(tǒng)注入交流電網(wǎng)的有功功率沖擊大小的關(guān)系?？紤]直流換流站無功功率影響時(shí)，有功出力量所引起的頻率響應(yīng)公式為：

式中，δf——待求值，為交流系統(tǒng)暫態(tài)頻率偏移量；

δp"——換流站考慮無功功率影響后的等效有功功率沖擊量，δp"的確定如下式所示：

其中，f1為步驟2中采用的關(guān)系模型，f2為步驟3中采用的關(guān)系模型，f3表示負(fù)荷的電壓特性。

步驟6、根據(jù)4和步驟5得到的結(jié)果，通過擬合得出無功功率對有功投入量優(yōu)化結(jié)果的影響。

本發(fā)明在求解有功沖擊對系統(tǒng)暫態(tài)頻率的影響時(shí)，考慮了系統(tǒng)的無功—電壓特性，可在保證暫態(tài)頻率穩(wěn)定的前提下，盡可能的增到換流站的有功投入量。

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

實(shí)施例1

以標(biāo)準(zhǔn)3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，在8號母線連有vsc-hvdc直流輸電線路，通過pscad仿真得出在不考慮無功功率沖擊量影響因素下的系統(tǒng)暫態(tài)頻率，再采用本發(fā)明的方法進(jìn)行計(jì)算，得出在保證系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定下的有功投入優(yōu)化量，并通過pscad進(jìn)行仿真驗(yàn)證，兩種方法的部分結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1不考慮無功功率影響和采用本文方法的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從上表可以看出，當(dāng)交流系統(tǒng)允許的暫態(tài)頻率變化量固定時(shí)，考慮無功功計(jì)算得到的有功功率投入量要比不考慮無功功率的情況下略大，這一特性在交流系統(tǒng)較弱時(shí)尤為明顯，因此在黑啟動(dòng)過程中，考慮直流輸電新路的無功功率可增大有功功率的投入量。

本發(fā)明保證暫態(tài)頻率保持不變，改變直流系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)的無功功率，得出可允許多投入的有功功率優(yōu)化量。將無功功率作為橫坐標(biāo)，有功功率優(yōu)化量作為縱坐標(biāo)，擬合出優(yōu)化量與無功功率量的關(guān)系曲線，如圖2所示，大致得出為一條直線，因此在實(shí)際操作中，可根據(jù)直流換流站對交流系統(tǒng)的無功功率沖擊成比例的適當(dāng)提高換流站中可投入的有功功率大小，在保證交流電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的前提下，加快停電電網(wǎng)的恢復(fù)速率。