一種基于換流站本地信息的直流功率能量面積補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力系統技術領域，具體涉及一種基于換流站本地信息的直流功率能 量面積補償方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國直流輸電的快速發展，特高壓大容量直流饋入或送出比例越來越高，交 直流系統之間的耦合關系和相互影響日益顯著，在交直流系統發生較嚴重故障時，可能導 致系統出現持續振蕩或失穩的現象。過去已開展的研宄多集中在兩個方面，一是利用直流 功率調制功能的交直流協調控制，算法相對復雜，在實現時需要依托系統層進行通信，存在 一定延遲，并且需單獨研發執行協調控制的設備；二是利用安全穩定控制裝置執行切機或 切負荷等操作，會損失部分電源或負荷，產生一定的經濟損失。
[0003] 事實上，在系統故障及恢復過程中，換流母線電壓、直流輸送功率等直流換流站本 地測量數據能在一定程度上反映系統故障特征，利用直流的快速可控能力及本地信息，采 取相適應的控制方法，調整直流在故障過程中的控制特性，能在一定程度上改善整個系統 的故障恢復特性。
[0004] 以典型±500kV超高壓直流輸電工程作為說明對象，建立交直流混聯運行的網架 結構，如圖1所示，送端系統包括4個電廠1?1、1?2、1?3、1?4和交流網架，短路比50? = 3.1;每 個電廠含有2-3臺等值機，共10臺等值發電機；受端包含3個電廠II、12、13和交流網架， SCR = 2. 8,每個電廠含有2臺等值機，共6臺等值發電機。
[0005] 穩態運行時直流系統輸送功率3000MW，系統內發電機組均處于運行狀態，發電機 輸出功率分布在0. 8~0. 9p. u.，與直流線路并列運行的交流線路潮流調整至其暫態穩定 極限。設定節點A到整流站之間的線路上發生N-1故障，故障恢復后系統頻率振蕩和直流 功率振蕩如圖2和圖3所示，圖中從上至下分別為系統頻率、直流功率、整流側交流系統電 壓有效值。可見，故障后系統頻率、交流電壓和直流功率在一個較長時間內一直處于振蕩過 程。
[0006] 針對上面問題，目前采用的方法主要是利用安全穩定控制裝置執行相應動作，避 免系統失穩，但會產生一定的經濟損失。如果基于交直流協調控制，利用直流功率快速提升 /回降或功率調制功能，又存在通訊問題、單獨研發設備的問題，實現起來相對復雜。
[0007] 分析上面故障過程可借助于功率特性曲線，如圖4所示。h為穩態運行時發電機 功率特性曲線。發生故障后，三相接地故障期間發電機的輸出功率pn基本為0。在過剩轉 矩的作用下發電機轉子加速，左下陰影為加速面積；在C點故障清除，發電機功率特性變回 P m，運行點跳變至e點，但此時轉子速度已經大于同步轉速，轉子在開始減速的同時，相對 角度還繼續增大。當系統運行點由f點返回后，轉子繼續減速，運行點沿功率特性P m* f 點向e，k點轉移，到達k點之前轉子一直減速，k點雖然機械功率和電磁功率平衡，但由于 此時轉子速度低于同步轉速，相對角度S繼續減小；但越過k點之后機械功率又大于電磁 功率，轉子加速，轉速恢復同步轉速后又開始增大，此后運行點沿著P m開始第二次振蕩。如 果振蕩過程中沒有能量損耗，則第二次S又將增大至f點的對應角度，以后就一直至沿著 pm往復振蕩；如果損耗較小，則振蕩持續地時間也會較長。本算例中，由于交流電壓恢復情 況很差，直流功率難以恢復，發電機和直流系統無法提供足夠的減速面積，導致故障清除之 后系統無法恢復穩定運行。
[0008] 出現這種情況的原因為振蕩過程的能量損耗較小，為了能夠為系統提供一定的減 速面積，考慮采取在系統恢復過程中提升直流輸送功率的方法，增大直流系統的正阻尼作 用。如果在故障前穩態時直流系統已經處于l.Opu，則需要通過過負荷控制來完成這一過 程。
【發明內容】
[0009] 為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種基于換流站本地信息的直流功率 能量面積補償方法，以改善交流系統故障后的頻率和電壓恢復特性為目的，不依賴遠方測 量信號和系統層的安控、協控裝置，能基于換流站本地信息準確計算出在線調整系統減速 面積的直流功率補償量和持續時間，在整流側交流系統嚴重故障后抑制振蕩過程，加速系 統恢復穩態；對于逆變側交流故障，能改善系統頻率和電壓的恢復特性，避免連續換相失敗 的發生。
[0010] 為了實現上述發明目的，本發明采取如下技術方案：
[0011] 本發明提供一種基于換流站本地信息的直流功率能量面積補償方法，所述方法包 括以下步驟：
[0012] 步驟1 :判斷是否需要啟動直流功率能量面積補償功能；
[0013] 步驟2 :計算直流功率能量補償量；
[0014] 步驟3 :計算發生交流故障后直流功率能量補償面積。
[0015] 所述步驟1具體包括以下步驟：
[0016] 步驟1-1 :整流側發生交流故障后，判定是否需要啟動直流功率能量面積補償功 能。
[0017] 步驟1-2 :逆變側發生交流故障后，判定是否需要啟動直流功率能量面積補償功 能。
[0018] 所述步驟1-1中，整流側交流故障包括三相故障，對換流母線三相相電壓進行 a 0變換，有：
[0019]
[0020] Ua p_2s_Uap^ 〇. 14 X max (0. 7, UAC2s) (2)
[0021] 其中，為對換流母線三相相電壓進行a 0變換后得到的在兩相靜止坐標系 下的值，且有中間I
Uap_2s表示U ap的2s濾波值，UAe_2s表示換流母線線 電壓有效值的2s濾波值，UAe_a、UAe b、UA。。分別表示換流站本地測量得到的換流母線A、B、C 相相電壓；
[0022] 設定整流側故障判定狀態變量為UacjOT，當式（2)滿足時，Uae lOT即為1，整流側啟 動直流功率能量面積補償功能。
[0023] 所述步驟1-2中，發生在逆變側的交流故障包括三相故障和單相故障，以換流母 線三相相電壓的零序分量作為主要判定條件，有：
[0024] | UAC-a+UAC-b+UAC- c | 彡 0? 15 X max (0? 7, UAC-2s) (3)
[0025] 其中，UAC a、UAC b、UAC。分別表示換流站本地測量得到的換流母線A、B、C相相電壓； UAe_ 2s表示換流母線線電壓有效值的2s濾波值；
[0026] 設定逆變側故障判定狀態變量為U' ac; lOT，當式（2)或式（3)滿足時，逆變側啟動 直流功率能量面積補償功能。
[0027] 所述步驟2中，直流功率能量補償量用Pramp表示，有：
[0028] 在±500kV直流電壓等級下，有：
[0029]
(4)
[0030] 在±800kV直流電壓等級下，有：
[0031]
C5)
[0032] 其中，匕#為發生交流故障前直流系統原功率指令值。
[0033] 所述步驟3具體包括以下步驟：
[0034] 步驟3-1 :計算整流側發生交流故障后的直流功率能量補償面積；
[0035] 步驟3-2 :計算逆變側發生交流故障后的直流功率能量補償面積。
[0036] 所述步驟3-1中，設P(t)為關于整流側直流功率Pd。的函數，直流系統原功率指 令值為P Mf，整流側發生交流故障及故障清除后交直流系統恢復過程中能量缺失面積S1 = cjt)，則有：
[0037]
(6)
[0038] 其中，h表示整流側交流故障開始時刻，t 2表示整流側交流故障清除后P d。恢復至 PMf的時刻；
[0039] 12時刻之后，直流系統實際功率指令值P Mfl= P Mf+Pramp，令整流側直流功率能量補 償面積為S2= c 2(t) = SjlJ有：
[0040]
(7)
[0041] 其中，t3表示整流側退出直流功率能量面積補償功能的時刻；且t 3時刻時直流系 統實際功率指令值PMfl變回直流系統原功率指令值P Mf。
[0042] 所述步驟3-2中，設P' (t)為關于逆變側直流功率P' d。的函數，直流系統原功 率指令值為PMf，逆變側發生交流故障及故障清除后交直流系統恢復過程中能量缺失面積 S/ = c/⑴，則有：
[0043]
(8)
[0044]其中，t(/表示逆變側交流故障開始時刻，t2'表示逆變側交流故障清除后P'd。 恢復至PMf的時刻；
[0045] t2'時刻之后，直流系統實際功率指令值PMfl=PMf_Pramp，令逆變側直流功率能量 補償面積為S2' =c2' (t) =S/，則有：
[0046]
(9)
[0047] 其中，P1()SS表示直流輸電線路的損耗功率，t 3'表示逆變側退出直流功率能量面積 補償功能的時刻；且V時刻時直流系統實際功率指令值pMfl變回直流系統原功率指令值 PrefO
[0048] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于：