本發(fā)明涉及風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時(shí)換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間方法，屬于電壓源換流器型直流輸電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于電壓源換流器型直流輸電(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，vsc-hvdc)采用可關(guān)斷電力電子器件，這種換流器件是既可以控制導(dǎo)通又可以控制關(guān)斷的雙向可控電力電子器件，不需要利用外部電源便可實(shí)現(xiàn)自換相，因此具備向無源網(wǎng)絡(luò)供電的能力。電壓源型換流器向無源網(wǎng)絡(luò)供電包含兩個(gè)重要方面的應(yīng)用，第一個(gè)方面是純粹的向無源網(wǎng)絡(luò)供電，比如通過柔性直流輸電向城市中心區(qū)供電，或者通過柔性直流輸電向無源海島供電等；第二個(gè)方面是風(fēng)電集群通過柔性直流輸電接入電網(wǎng)，這種情況下風(fēng)電場(chǎng)側(cè)等同于無源網(wǎng)絡(luò)，需要電壓源型換流器為風(fēng)電場(chǎng)建立同步電源，否則風(fēng)電場(chǎng)本身就無法運(yùn)行。

基于可關(guān)斷器件的電壓源型換流器采用pwm控制方式，其調(diào)制比與移相角分別影響換流站吸收或發(fā)出的無功功率和有功功率，其中調(diào)制比表示為交流側(cè)相電壓與直流電壓之比，移相角定義為系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸出電壓與柔性直流輸電換流站端電壓間的夾角。通過對(duì)這兩個(gè)變量的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制。當(dāng)與有源網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，vsc-hvdc中電壓源換流器的控制方式可以由有功類控制和無功類控制分別組合，可以組成多種控制方式，其中有功類控制包括：交流側(cè)有功功率控制、交流側(cè)頻率控制、直流側(cè)直流電壓控制；無功類控制包括：交流側(cè)無功功率控制，交流側(cè)母線電壓控制。當(dāng)柔性直流輸電系統(tǒng)與無源網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，其電壓源換流站的控制方式只能為定交流母線電壓控制、和定交流頻率控制。通過柔性直流輸電并網(wǎng)的風(fēng)電集群，由送端換流站為風(fēng)電集群出口點(diǎn)提供穩(wěn)定的交流電壓和頻率，因此并網(wǎng)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定依賴于電壓源換流站的動(dòng)態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，所以在實(shí)際應(yīng)用中，柔性直流輸電系統(tǒng)在允許的電壓范圍按照無功功率的補(bǔ)償比例，采用有差的斜率調(diào)節(jié)方式進(jìn)行并網(wǎng)點(diǎn)無功電壓控制。同理，有功頻率控制也采用斜率控制策略，通過引入頻率斜率控制特性，使柔性直流輸電送端站根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的大小適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行有功功率控制，從而控制并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的頻率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)問題，提供風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時(shí)換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間方法，目的是對(duì)研究送端換流站接入無源電網(wǎng)時(shí)的無功電壓運(yùn)行特性具有重要的意義，擬解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時(shí)換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間方法，其包括以下步驟：

(1)風(fēng)電集群為無源電源，建立單端vsc-hvdc等效模型，模型如下：

將流站接入到無源系統(tǒng)中，從無源系統(tǒng)到換流站的輸電通道阻抗為zsys＝rsys+xsys；

風(fēng)電集群出口電壓為

換流站交流母線用公共連接點(diǎn)pcc來表示，從無源系統(tǒng)注入到pcc的功率為ps+jqs；

基于電壓源換流器型直流輸電采用單相基波等效電路來表示，并設(shè)其輸出電壓基波相量為其中，xlink是換流站交流母線pcc與δ之間的連接電抗，xlink＝xt+xl0/2，其中xl0為基頻下的橋臂電抗；

(2)研究注入pcc節(jié)點(diǎn)的有功功率ps和無功功率qs的運(yùn)行范圍，以v點(diǎn)輸出的有功功率pv和無功功率qv作為中間變量sv＝pv+jqv，對(duì)ps和qs的運(yùn)行范圍進(jìn)行分析，v節(jié)點(diǎn)電壓為電壓源換流站控制的對(duì)象，其在無源網(wǎng)絡(luò)中看作平衡節(jié)點(diǎn)即vθ節(jié)點(diǎn)，故有

(3)建立換流站pq運(yùn)行區(qū)間需要考慮的約束條件；

(4)由步驟(3)的約束條件共同決定的電壓源換流器型直流輸電功率特性的邊界曲線；

(5)根據(jù)步驟(4)的邊界曲線來確定換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍。

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，約束條件具體為：

(i)電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比約束：

v節(jié)點(diǎn)電壓和輸出功率已知，可以計(jì)算出δ節(jié)點(diǎn)電壓：

uδ∠δδ＝(uv+δu1)+jδu1(1-3)

通常定義電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比m等于δ導(dǎo)航的基波相電壓幅值uδm除以u(píng)dc/2：

考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)換流器的約束條件，需要校驗(yàn)輸出電壓調(diào)制比

0.85≤m≤1.0(1-6)

(ii)公共連接點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓約束：計(jì)算pcc節(jié)點(diǎn)電壓：

由于風(fēng)電集群內(nèi)電壓的穩(wěn)定依賴于電壓源換流站的動(dòng)態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，故考慮工程中實(shí)際運(yùn)行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍

0.97p.u≤upcc≤1.07p.u(1-12)

(iii)風(fēng)電集群出口節(jié)點(diǎn)電壓約束：計(jì)算無源系統(tǒng)等效節(jié)點(diǎn)電壓

ps＝pv(1-13)

同樣考慮工程中實(shí)際運(yùn)行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍：

0.97p.u≤us≤1.07p.u(1-19)

(iv)考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)換流器的約束條件，換流站輸出電流約束：

(v)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制

-udimax≤ps≤udimax(1-21)

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，確定換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍的步驟可以劃分為：

1)設(shè)已知換流站在v點(diǎn)的額定視在功率為svn，即當(dāng)時(shí)，vsc本身是允許運(yùn)行的。將區(qū)域劃分為若干細(xì)小區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊用相應(yīng)的功率點(diǎn)(pv+jqv)表示，對(duì)于所有功率點(diǎn)，重復(fù)以下步驟；

2)根據(jù)方程式(1-1到1-4)計(jì)算δ節(jié)點(diǎn)電壓，式(1-5)計(jì)算調(diào)制比；

3)考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)換流站的約束條件，根據(jù)判別式(1-6)判斷輸出電壓調(diào)制比校核所求的δ節(jié)點(diǎn)電壓是否滿足要求，如果滿足要求，表明該功率點(diǎn)是一個(gè)合理的功率點(diǎn)，再通過下面的步驟進(jìn)一步校驗(yàn)；

4)根據(jù)方程式(1-8到1-11)計(jì)算pcc節(jié)點(diǎn)電壓。

5)考慮電力系統(tǒng)實(shí)際工程中電壓正常偏移量范圍，根據(jù)判別式(1-12)校驗(yàn)pcc節(jié)點(diǎn)電壓是否滿足電壓約束要求，如果能夠滿足約束，表明該功率點(diǎn)是一個(gè)合理的功率點(diǎn)，再進(jìn)行下一步校驗(yàn)；

6)根據(jù)式(1-14到1-15)計(jì)算輸送功率ps和qs，根據(jù)方程式(1-16到1-18)計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓。

7)同理考慮電力系統(tǒng)工程中電壓正常偏移量，根據(jù)判別式(1-19)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)電壓是否滿足電壓約束要求，如果能滿足約束，表明該功率點(diǎn)是一個(gè)合理的功率點(diǎn)，再進(jìn)行下一步校驗(yàn)；

8)根據(jù)判別式(1-20)從換流器輸出電流方面校核電流是否滿足要求。如果滿足要求，進(jìn)行下一步校核；

9)根據(jù)判別式(1-21)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制，進(jìn)行校驗(yàn)

遍歷區(qū)域內(nèi)所有功率點(diǎn)，其中合理的功率點(diǎn)必定對(duì)應(yīng)著pcc處相應(yīng)的功率點(diǎn)ps和qs，這些功率點(diǎn)所覆蓋的范圍就是換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的功率運(yùn)行范圍。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的可以得出換流站pq運(yùn)行區(qū)間，基于電壓源換流器的換流站雖能實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦，可以分別進(jìn)行控制，但在有功功率變化時(shí)，無功功率的運(yùn)行范圍也隨之改變，在輸送某一有功功率時(shí)，無功功率的運(yùn)行范圍使不對(duì)稱的可發(fā)出的無功功率的能力要大于可吸收的無功功率，該方法能夠考慮不同因素改變時(shí)，換流站pq運(yùn)行區(qū)間的變化，可以清楚的了解到不同因素對(duì)運(yùn)行區(qū)間的影響，進(jìn)而為分析送端換流站接入無源電網(wǎng)時(shí)的無功電壓運(yùn)行特性做基礎(chǔ)。本發(fā)明的重點(diǎn)研究的送電端為風(fēng)電集群時(shí)的換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間的方法，對(duì)研究送端換流站接入無源電網(wǎng)時(shí)的無功電壓運(yùn)行特性具有重要的意義

附圖說明

圖1是單端基于電壓源換流器型直流輸電的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的方法的流程結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a是本發(fā)明的不改變抽頭位置時(shí)換流站運(yùn)行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4b是本發(fā)明的最小抽頭時(shí)換流站運(yùn)行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4c是本發(fā)明的最大抽頭時(shí)換流站運(yùn)行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是考慮改變抽頭所有可行運(yùn)行范圍結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6a是本發(fā)明的輸電距離20km時(shí)換流站運(yùn)行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6b是本發(fā)明的輸電距離40km時(shí)換流站運(yùn)行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6c是本發(fā)明的輸電距離60km時(shí)換流站運(yùn)行區(qū)間結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-3，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時(shí)換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間方法，風(fēng)電集群孤網(wǎng)接入柔直電網(wǎng)時(shí)換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間方法，其包括以下步驟：

(1)風(fēng)電集群為無源電源，建立單端vsc-hvdc等效模型，模型如下：

將流站接入到無源系統(tǒng)中，從無源系統(tǒng)到換流站的輸電通道阻抗為zsys＝rsys+xsys；

風(fēng)電集群出口電壓為

換流站交流母線用公共連接點(diǎn)pcc來表示，從無源系統(tǒng)注入到pcc的功率為ps+jqs；

基于電壓源換流器型直流輸電采用單相基波等效電路來表示，并設(shè)其輸出電壓基波相量為其中，xlink是換流站交流母線pcc與δ之間的連接電抗，xlink＝xt+xl0/2，其中xl0為基頻下的橋臂電抗；

(2)研究注入pcc節(jié)點(diǎn)的有功功率ps和無功功率qs的運(yùn)行范圍，以v點(diǎn)輸出的有功功率pv和無功功率qv作為中間變量sv＝pv+jqv，對(duì)ps和qs的運(yùn)行范圍進(jìn)行分析，v節(jié)點(diǎn)電壓為電壓源換流站控制的對(duì)象，其在無源網(wǎng)絡(luò)中看作平衡節(jié)點(diǎn)即vθ節(jié)點(diǎn)，故有

(3)建立換流站pq運(yùn)行區(qū)間需要考慮的約束條件；

(4)由步驟(3)的約束條件共同決定的電壓源換流器型直流輸電功率特性的邊界曲線；

(5)根據(jù)步驟(4)的邊界曲線來確定換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍。

其中，所述步驟(3)中，約束條件具體為：

(i)電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比約束：

v節(jié)點(diǎn)電壓和輸出功率已知，可以計(jì)算出δ節(jié)點(diǎn)電壓：

uδ∠δδ＝(uv+δu1)+jδu1(1-3)

通常定義電壓源換流站的輸出電壓調(diào)制比m等于δ導(dǎo)航的基波相電壓幅值uδm除以u(píng)dc/2：

考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)換流器的約束條件，需要校驗(yàn)輸出電壓調(diào)制比

0.85≤m≤1.0(1-6)

(ii)公共連接點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓約束：計(jì)算pcc節(jié)點(diǎn)電壓：

由于風(fēng)電集群內(nèi)電壓的穩(wěn)定依賴于電壓源換流站的動(dòng)態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，故考慮工程中實(shí)際運(yùn)行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍

0.97p.u≤upcc≤1.07p.u(1-12)

(iii)風(fēng)電集群出口節(jié)點(diǎn)電壓約束：計(jì)算無源系統(tǒng)等效節(jié)點(diǎn)電壓

ps＝pv(1-13)

同樣考慮工程中實(shí)際運(yùn)行情況，電壓應(yīng)滿足正常電壓偏移范圍：

0.97p.u≤us≤1.07p.u(1-19)

(iv)考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)換流器的約束條件，換流站輸出電流約束：

(v)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制

-udimax≤ps≤udimax(1-21)

確定換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍的步驟可以劃分為：

1)設(shè)已知換流站在v點(diǎn)的額定視在功率為svn，即當(dāng)時(shí)，vsc本身是允許運(yùn)行的。將區(qū)域劃分為若干細(xì)小區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊用相應(yīng)的功率點(diǎn)(pv+jqv)表示，對(duì)于所有功率點(diǎn)，重復(fù)以下步驟；

2)根據(jù)方程式(1-1到1-4)計(jì)算δ節(jié)點(diǎn)電壓，式(1-5)計(jì)算調(diào)制比；

3)考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)換流站的約束條件，根據(jù)判別式(1-6)判斷輸出電壓調(diào)制比校核所求的δ節(jié)點(diǎn)電壓是否滿足要求，如果滿足要求，表明該功率點(diǎn)是一個(gè)合理的功率點(diǎn)，再通過下面的步驟進(jìn)一步校驗(yàn)；

4)根據(jù)方程式(1-8到1-11)計(jì)算pcc節(jié)點(diǎn)電壓。

5)考慮電力系統(tǒng)實(shí)際工程中電壓正常偏移量范圍，根據(jù)判別式(1-12)校驗(yàn)pcc節(jié)點(diǎn)電壓是否滿足電壓約束要求，如果能夠滿足約束，表明該功率點(diǎn)是一個(gè)合理的功率點(diǎn)，再進(jìn)行下一步校驗(yàn)；

6)根據(jù)式(1-14到1-15)計(jì)算輸送功率ps和qs，根據(jù)方程式(1-16到1-18)計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓。

7)同理考慮電力系統(tǒng)工程中電壓正常偏移量，根據(jù)判別式(1-19)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)電壓是否滿足電壓約束要求，如果能滿足約束，表明該功率點(diǎn)是一個(gè)合理的功率點(diǎn)，再進(jìn)行下一步校驗(yàn)；

8)根據(jù)判別式(1-20)從換流器輸出電流方面校核電流是否滿足要求。如果滿足要求，進(jìn)行下一步校核；

9)根據(jù)判別式(1-21)考慮柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β适茏畲笾绷骶€路電流限制，進(jìn)行校驗(yàn)

遍歷區(qū)域內(nèi)所有功率點(diǎn)，其中合理的功率點(diǎn)必定對(duì)應(yīng)著pcc處相應(yīng)的功率點(diǎn)ps和qs，這些功率點(diǎn)所覆蓋的范圍就是換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的功率運(yùn)行范圍。

vsc-hvdc接入無源網(wǎng)絡(luò)時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍應(yīng)用分析：

設(shè)電壓源換流站的參數(shù)如表所示，輸電線路電壓等級(jí)為230kv，線路單位長度阻抗參數(shù)為j0.306ω/km，忽略線路的電阻和電容效應(yīng)。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示：

表1電壓源換流站的參數(shù)

運(yùn)用此算法分析調(diào)節(jié)聯(lián)結(jié)變壓器對(duì)換流站運(yùn)行區(qū)間的影響

圖4a-4c是改變抽頭位置時(shí)會(huì)對(duì)換流站pq運(yùn)行區(qū)間產(chǎn)生影響。隨著聯(lián)結(jié)變壓器的抽頭上調(diào)時(shí)，變比增加，換流站pq運(yùn)行區(qū)間隨著上移，運(yùn)行區(qū)間變小；聯(lián)結(jié)變壓器的抽頭下調(diào)時(shí)，變比減小，換流站pq運(yùn)行區(qū)間下移，且運(yùn)行區(qū)間變小，將各抽頭檔位的pq運(yùn)行區(qū)間疊加形成了最終的vsc-hvdc系統(tǒng)工作范圍，如圖5所示。

運(yùn)用此算法分析換流站到無源系統(tǒng)距離對(duì)運(yùn)行區(qū)間的影響，利用上述算法，通過matlab編程仿真，改變模型參數(shù)，可以得到以上三種情況的換流站pq運(yùn)行區(qū)間，由圖6a-6c可見，當(dāng)換流站到無源系統(tǒng)的距離不斷增加時(shí)，換流站pq運(yùn)行區(qū)間范圍會(huì)不斷減小，這是由于距離增加時(shí)，換流站到無源系統(tǒng)的電抗也隨之增加，會(huì)導(dǎo)致無功損耗增加，從而導(dǎo)致一些功率運(yùn)行點(diǎn)不能滿足約束條件，進(jìn)而pq運(yùn)行區(qū)間范圍縮減。

通過上述算例驗(yàn)證，可以得出換流站pq運(yùn)行區(qū)間：

1)基于電壓源換流器的換流站雖能實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦，可以分別進(jìn)行控制，但在有功功率變化時(shí)，無功功率的運(yùn)行范圍也隨之改變。

2)在輸送某一有功功率時(shí)，無功功率的運(yùn)行范圍使不對(duì)稱的可發(fā)出的無功功率的能力要大于可吸收的無功功率。

3)該方法能夠考慮不同因素改變時(shí)，換流站pq運(yùn)行區(qū)間的變化，可以清楚的了解到不同因素對(duì)運(yùn)行區(qū)間的影響，進(jìn)而為分析送端換流站接入無源電網(wǎng)時(shí)的無功電壓運(yùn)行特性做基礎(chǔ)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。