一种分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法

1.本发明涉及交直流电网安全运行领域，具体是一种分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法。


背景技术：

2.新能源和特高压交直流输电工程呈快速发展态势。另一方面随着新能源加速替代化石能源，电力供给侧的清洁型转型将是未来的大方向，火电机组利用小时数未来将呈逐步下降趋势，部分火电机组将停备甚至提前退役，“火电空心化”、“弱同步支撑”等特点将愈发显著；对于电网将导致系统动态无功调节能力下降、电压稳定问题凸显，对于电厂将造成资产的浪费和闲置、并影响火电厂的经济效益。如何高效利用好现有电源侧资产和发电能力，同时实现对电力系统大容量无功、尤其是动态无功支撑需求，以适应新型电力系统发展需求对于电网和电厂双方既是机遇更是巨大挑战。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述补不足，本发明提供一种分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法。
4.一种分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，包括如下步骤：
5.(1)建立机组灵活性改造后机组数学模型，所述机组数学模型包括转子运动方程、电压电流方程以及电磁暂态过程方程；
6.(2)利用步骤(1)建立的机组灵活化改造后机组数学模型，得到机组暂态无功出力表达式；
7.(3)根据高压直流输电工程，建立直流换相失败数学关系，所述直流换相失败数学关系包括直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的数学关系；
8.(4)利用步骤(3)建立的直流换相失败数学关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压；
9.(5)构建含机组灵活化改造的动态模拟试验平台，利用步骤(2)得到的机组暂态无功出力表达式及步骤(4)得到的直流换相失败对应交流系统临界电压确定灵活化改造机组对大容量直流换相失败的影响；
10.(6)利用动态模拟试验平台验证机组灵活化改造后对大容量直流受端动态无功支撑效果。
11.进一步的，步骤1建立机组灵活性改造后转子运动方程、电压电流方程以及电磁暂态过程方程，其中转子运动方程计算公式如下：
[0012][0013]
其中j为调相化改造机组转动惯量，ω为调相化改造机组的机械角速度，t为时间，tm为机械转矩，te为电磁转矩；
[0014]
机组灵活化改造后，在dq0坐标系中的基本电压电流方程和电磁暂态过程方程如下：
[0015][0016][0017]
式中，ud、uq为d、q轴定子电压，uf为励磁绕组电压；id、iq为d、q轴定子电流，if为励磁绕组电流，id、iq为d、q轴阻尼绕组电流；ψd、ψq为d、q轴定子绕组磁链，ψf为励磁绕组磁链，ψd、ψq为d、q轴阻尼绕组磁链；r为定子绕组电阻，rf为励磁绕组电阻，rd、rq为d、q轴阻尼绕组电阻；x
ad
、x
aq
为d、q轴电枢反应电抗，xd、xq为d、q轴同步电抗，xf为励磁绕组电抗，xd、xq为d、q轴阻尼绕组电抗。
[0018]
进一步的，步骤(2)利用步骤(1)建立的机组灵活化改造后机组数学模型，得到机组暂态无功出力表达式，具体包括：
[0019]
当系统发生故障，电压跌落的瞬间，将转子绕组等效为超导体电路，即令转子电阻为零，则考虑转子上的励磁绕组、纵轴阻尼绕组及横轴阻尼绕组后，纵轴运算电抗xd(p)，横轴运算电抗xq(p)表示为：
[0020][0021]
其中x
l
为定子绕组漏抗，x
ad
、x
aq
为d、q轴电枢反应电抗，x
fl
为励磁绕组漏抗，x
dl
、x
ql
分别为d轴，q轴阻尼绕组漏抗；
[0022]
得到暂态运算电抗xd(p)、xq(p)后，根据机组灵活化改造后,转子运动方程、电压
电流方程以及电磁暂态过程方程式(1)、(2)、(3)，计算出机组灵活化改造后暂态功率s及暂态无功功率q：
[0023]
s＝(ud+juq)(i
d-jiq)＝(udid+u
qiq
)+j(u
qid-udiq)
ꢀꢀ
(5)
[0024]
q＝u
qid-udiqꢀꢀ
(6)
[0025]
式中，ud、uq为d、q轴定子电压，id、iq为d、q轴定子电流。
[0026]
进一步的，步骤(3)根据高压直流输电工程，建立直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的关系，具体包括：
[0027][0028][0029][0030]
其中，u
ac
为交流系统中a相与c相的线电压，ua为交流系统中a相电压，uc为交流系统中c相电压，ik为a相与c相之间电流，l为换流站每相换相电感，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，ω为交流系统角频率，u为交流系统线电压有效值，id为直流系统额定电流。
[0031]
进一步的，步骤(4)利用步骤(3)建立的直流换相失败数学关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压；具体包括：
[0032]
根据已建立换相电流与换相电压、换相电抗及换相角度之间的关系，直流逆变侧系统电压与换相角、换相电流关系如下：
[0033][0034][0035]
其中，uk％为换流站换流变压器阻抗百分比，in为交流系统每相额定电流有效值，x
t
为换流变压器短路阻抗，un为交流系统额定线电压有效值，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，u为交流系统实际运行线电压有效值，id为直流系统额定电流。由于α+μ之和对应直流换相失败极限角度，因此根据公式(11)就可计算电网中直流工程换相失败对应的交流系统实际运行线电压有效值u，即直流换相失败对应交流系统临界电压。
[0036]
进一步的，步骤(5)中的动态模拟试验平台包括灵活化改造后机组缩比模型、励磁系统、等值网络以及故障模拟装置，利用步骤(2)得到的机组暂态无功出力表达式，计算出机组无功出力对系统电压的影响，结合步骤(4)得到的直流换相失败对应交流系统临界电压，判断直流系统是否避免了换相失败，进一步确定灵活化改造机组对大容量直流换相失败的支撑效果。
[0037]
进一步的，步骤(6)具体包括：
[0038]
通过动态模拟试验平台，验证机组灵活化改造后机组稳态无功调节能力、机组暂态电压支撑能力，对系统电压的提升效果，判断直流系统是否避免了换相失败，从而得到灵活化改造机组对大容量直流受端动态无功支撑效果。
[0039]
本发明通过推导机组灵活性改造后暂态无功出力表达式；建立直流换相失败对应交流系统临界电压；构建含机组灵活化改造的动态模拟试验平台，验证机组灵活化改造后对大容量直流受端动态无功支撑效果。本发明对增强机组灵活化改造后，充分利用机组暂态无功支撑能力，加强对大容量直流受端电网电压稳定水平提升，具有极大的理论指导意义。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施例逆变侧阀5向阀1换相示意图；
[0041]
图2是本发明实施例换相过程电压变化曲线图；
[0042]
图3是本发明实施例交流系统电压对换相过程的影响；
[0043]
图4是本发明实施例换相失败对应交流系统临界电压示意图；
[0044]
图5是本发明实施例换流站近区含机组灵活化改造的动模试验平台；
[0045]
图6是本发明实施例灵活化改造机组励磁电流变化特性图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
参见图1至图6，本发明实施例提供一种一种分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤1、建立机组灵活性改造后转子运动方程、电压电流方程以及电磁暂态过程方程，其中转子运动方程计算公式如下：
[0049][0050]
其中j为调相化改造机组转动惯量，ω为调相化改造机组的机械角速度，t为时间，tm为机械转矩，te为电磁转矩；
[0051]
机组灵活化改造后，在dq0坐标系中的基本电压电流方程和电磁暂态过程方程如下：
[0052]
[0053][0054]
式中，ud、uq为d、q轴定子电压，uf为励磁绕组电压；id、iq为d、q轴定子电流，if为励磁绕组电流，id、iq为d、q轴阻尼绕组电流；ψd、ψq为d、q轴定子绕组磁链，ψf为励磁绕组磁链，ψd、ψq为d、q轴阻尼绕组磁链；r为定子绕组电阻，rf为励磁绕组电阻，rd、rq为d、q轴阻尼绕组电阻；x
ad
、x
aq
为d、q轴电枢反应电抗，xd、xq为d、q轴同步电抗，xf为励磁绕组电抗，xd、xq为d、q轴阻尼绕组电抗。
[0055]
步骤2、利用已建立的机组灵活化改造后机组数学模型，得到机组暂态无功出力表达式，具体步骤为：
[0056]
当系统发生故障，电压跌落的瞬间，将转子绕组等效为超导体电路，即令转子电阻为零，则考虑转子上的励磁绕组、纵轴阻尼绕组及横轴阻尼绕组后，纵轴运算电抗xd(p)，横轴运算电抗xq(p)可以表示为：
[0057][0058]
x
l
为定子绕组漏抗，x
ad
、x
aq
为d、q轴电枢反应电抗，x
fl
为励磁绕组漏抗，x
dl
、x
ql
分别为d轴，q轴阻尼绕组漏抗；
[0059]
得到暂态运算电抗xd(p)、xq(p)后，根据机组灵活化改造后,转子运动方程、电压电流方程以及电磁暂态过程方程式(1)、(2)、(3)，就可计算出机组灵活化改造后，暂态功率s及暂态无功功率q：
[0060]
s＝(ud+juq)(i
d-jiq)＝(udid+u
qiq
)+j(u
qid-udiq)#(5)
[0061]
q＝u
qid-udiq#(6)
[0062]
式中，ud、uq为d、q轴定子电压，id、iq为d、q轴定子电流。
[0063]
步骤3、根据高压直流输电工程，建立直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的关系。
[0064]
图1中阀5向阀1换相，电势u
a-uc产生环流ik，电流流过la、lc，环流从0增加到id的暂态过程，即完成了阀5向阀1换相过程，换相电流与换相电压、换相电抗及换相角度之间的关系计算公式如下：
[0065][0066][0067][0068]
其中，u
ac
为交流系统中a相与c相的线电压，ua为交流系统中a相电压，uc为交流系
统中c相电压，ik为a相与c相之间电流，l为换流站每相换相电感，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，ω为交流系统角频率，u为交流系统线电压有效值，id为直流系统额定电流。
[0069]
步骤4、利用建立的直流换相失败数学关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压，具体步骤包括：
[0070]
根据已建立换相电流与换相电压、换相电抗及换相角度之间的关系，直流逆变侧系统电压与换相角、换相电流关系如下：
[0071][0072][0073]
其中，uk％为换流站换流变压器阻抗百分比，in为交流系统每相额定电流有效值，x
t
为换流变压器短路阻抗，un为交流系统额定线电压有效值，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，u为交流系统实际运行线电压有效值，id为直流系统额定电流。
[0074]
如图2、图3所示，由于直流工程逆变侧关断角γ＝180-(α+μ)，
[0075]
当逆变侧关断角γ小于7度时，直流逆变侧换相过程无法正常完成，即发生换相失败。根据公式(11)对应具体直流输电工程，当交流系统运行电压下降时，直流工程(α+μ)的运行角度会逐步增大，逆变侧关断角γ运行值就会逐步减小，当关断角γ小于7度时，直流工程逆变侧即发生换相失败，此时交流系统实际运行线电压有效值u，即直流换相失败对应交流系统临界电压，如图4所示。
[0076]
以典型特高压工程为例，计算交流系统发生三相故障，直流系统发生换相失败对应换流站交流系统母线临界电压值。典型特高压直流工程逆变侧换流站换流变容量：(12+2)*490mva、(12+2)*490mva，分别接入2个电压等级；换流变阻抗百分比uk％：22.7％、22.7％；换流变额定电压un：1050kv、520kv；换流变抽头型式：-7/+27*0.65％、-5/+25*1.25％。
[0077]
当交流系统发生三相对称故障，换流站交流母线电压跌落到0.78pu时，利用式(11)计算得到：
[0078][0079]
μ＝33.2
[0080]
γ＝6.8
[0081]
对于交流系统三相对称故障，不同换流站交流电压对应换相角见表1。
[0082]
表1不同换流站交流母线电压对应换相角
[0083]
u(pu)uk％β(度)μ(度)γ(度)0.900.22614024.315.70.890.22614024.815.20.880.22614025.314.70.870.22614025.814.20.860.22614026.413.60.850.22614027.013.0
0.840.22614027.612.40.830.22614028.311.70.820.22614029.110.90.810.22614029.910.10.800.22614030.89.20.790.22614031.98.10.780.22614033.26.80.770.22614034.75.30.760.22614037.12.9
[0084]
步骤5、构建含机组灵活化改造的动态模拟试验平台，利用得到的临界电压值确定灵活化改造机组对大容量直流换相失败的影响。
[0085]
如图5所示动态模拟试验平台中，包含灵活化改造后机组缩比模型、详细励磁系统、等值网络以及故障模拟装置，利用步骤(2)得到的机组暂态无功出力表达式及步骤(4)得到直流换相失败对应交流系统临界电压，反应灵活化改造机组对大容量直流换相失败的影响，原型机与动态模拟试验机组参数对比如表2所示。
[0086]
表2原型机与动态模拟试验机组参数对比表
[0087]
原型机参数模拟试验机组额定容量711mva7.11kva额定有功640mw6.4kw机端电压20kv363.7v额定电流20528a11.2a励磁电压454.3v17.5v励磁电流4448a0.9a
[0088]
步骤6、利用动态模拟试验平台验证机组灵活化改造后对大容量直流受端动态无功支撑效果。
[0089]
如图5动态模拟试验平台中所示，灵活化改造后机组通过中间节点接入换流站500kv交流母线，d11和d12为模拟故障点，可以模拟换流站交流系统可能发生的各种类型的故障，并可根据试验测试需要调节故障点位置及故障类型，表3中列出了本发明考虑的主要试验方案，表中k1、k2、k3、k4、k5分别对应不同比例阻抗值，故障类型采用abc三相接地故障，机组灵活化改造后最小有功出力为额定30％。
[0090]
表3动态模拟试验主要试验方案
[0091]
[0092][0093]
表4动态模拟试验主要试验结果
[0094][0095]
从表4的试验结果来看，灵活化改造后机组通过中间节点接入换流站500kv交流母线，对直流系统安全稳定提供了较好的动态无功支撑效果，励磁电流的变化曲线如图6所示。对比方式1与方式4，相同的网络结构及相同的故障，方式4直流发生换相失败，方式1避免了换相失败，可见机组灵活化改造后提供直流受端电网较好的动态无功支撑，特别有利于新型电力系统对动态无功的需求。
[0096]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立机组灵活性改造后机组数学模型，所述机组数学模型包括转子运动方程、电压电流方程以及电磁暂态过程方程；(2)利用步骤(1)建立的机组灵活化改造后机组数学模型，得到机组暂态无功出力表达式；(3)根据高压直流输电工程，建立直流换相失败数学关系，所述直流换相失败数学关系包括直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的数学关系；(4)利用步骤(3)建立的直流换相失败数学关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压；(5)构建含机组灵活化改造的动态模拟试验平台，利用步骤(2)得到的机组暂态无功出力表达式及步骤(4)得到的直流换相失败对应交流系统临界电压确定灵活化改造机组对大容量直流换相失败的影响；(6)利用动态模拟试验平台验证机组灵活化改造后对大容量直流受端动态无功支撑效果。2.权利要求1所述的分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，其特征在于，步骤1建立机组灵活性改造后转子运动方程、电压电流方程以及电磁暂态过程方程，其中转子运动方程计算公式如下：其中j为调相化改造机组转动惯量，ω为调相化改造机组的机械角速度，t为时间，t
m
为机械转矩，t
e
为电磁转矩；机组灵活化改造后，在dq0坐标系中的基本电压电流方程和电磁暂态过程方程如下：在dq0坐标系中的基本电压电流方程和电磁暂态过程方程如下：
式中，ud、uq为d、q轴定子电压，uf为励磁绕组电压；id、iq为d、q轴定子电流，if为励磁绕组电流，id、iq为d、q轴阻尼绕组电流；ψd、ψq为d、q轴定子绕组磁链，ψf为励磁绕组磁链，ψd、ψq为d、q轴阻尼绕组磁链；r为定子绕组电阻，rf为励磁绕组电阻，rd、rq为d、q轴阻尼绕组电阻；xad、xaq为d、q轴电枢反应电抗，xd、xq为d、q轴同步电抗，xf为励磁绕组电抗，xd、xq为d、q轴阻尼绕组电抗。3.权利要求1所述的分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，其特征在于，步骤(2)利用步骤(1)建立的机组灵活化改造后机组数学模型，得到机组暂态无功出力表达式，具体包括：当系统发生故障，电压跌落的瞬间，将转子绕组等效为超导体电路，即令转子电阻为零，则考虑转子上的励磁绕组、纵轴阻尼绕组及横轴阻尼绕组后，纵轴运算电抗xd(p)，横轴运算电抗xq(p)表示为：其中x1为定子绕组漏抗，x
ad
、x
aq
为d、q轴电枢反应电抗，x
f1
为励磁绕组漏抗，x
d1
、x
q1
分别为d轴，q轴阻尼绕组漏抗；得到暂态运算电抗xd(p)、xq(p)后，根据机组灵活化改造后，转子运动方程、电压电流方程以及电磁暂态过程方程式(1)、(2)、(3)，计算出机组灵活化改造后暂态功率s及暂态无功功率q：s＝(u
d
+ju
q
)(i
d-ji
q
)＝(u
d
i
d
+u
q
i
q
)+j(u
q
i
d-u
d
i
q
) (5)q＝u
q
i
d-u
d
i
q (6)式中，u
d
、u
q
为d、q轴定子电压，i
d
、i
q
为d、q轴定子电流。4.权利要求1所述的分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，其特征在于，步骤(3)根据高压直流输电工程，建立直流换相失败中逆变侧换相电压与换相电流、换相电抗及换相角度之间的关系，具体包括：具体包括：具体包括：其中，u
ac
为交流系统中a相与c相的线电压，u
a
为交流系统中a相电压，u
c
为交流系统中c相电压，i
k
为a相与c相之间电流，l为换流站每相换相电感，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，ω为交流系统角频率，u为交流系统线电压有效值，i
d
为直流系统额定电流。5.权利要求1所述的分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，其特征在于，步骤(4)利用步骤(3)建立的直流换相失败数学关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压；具体包括：根据已建立换相电流与换相电压、换相电抗及换相角度之间的关系，直流逆变侧系统
电压与换相角、换相电流关系如下：换相电流关系如下：其中，u
k
％为换流站换流变压器阻抗百分比，i
n
为交流系统每相额定电流有效值，x
t
为换流变压器短路阻抗，u
n
为交流系统额定线电压有效值，α为换流站触发角，μ为换流站换相角，u为交流系统实际运行线电压有效值，i
d
为直流系统额定电流。由于α+μ之和对应直流换相失败极限角度，因此根据公式(11)就可计算电网中直流工程换相失败对应的交流系统实际运行线电压有效值u，即直流换相失败对应交流系统临界电压。6.权利要求1所述的分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，其特征在于，步骤(5)中的动态模拟试验平台包括灵活化改造后机组缩比模型、励磁系统、等值网络以及故障模拟装置，利用步骤(2)得到的机组暂态无功出力表达式，计算出机组无功出力对系统电压的影响，结合步骤(4)得到的直流换相失败对应交流系统临界电压，判断直流系统是否避免了换相失败，进一步确定灵活化改造机组对大容量直流换相失败的支撑效果。7.权利要求1所述的分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，其特征在于，步骤(6)具体包括：通过动态模拟试验平台，验证机组灵活化改造后机组稳态无功调节能力、机组暂态电压支撑能力，对系统电压的提升效果，判断直流系统是否避免了换相失败，从而得到灵活化改造机组对大容量直流受端动态无功支撑效果。

技术总结
本发明提供一种分析机组灵活性改造后对大容量直流受端电网动态无功支撑方法，包括：建立机组灵活性改造后机组数学模型；利用已建立的机组灵活化改造后机组数学模型，得到机组暂态无功出力表达式；根据高压直流输电工程，建立直流换相失败数学关系；利用建立的直流换相失败数学关系，得到直流换相失败对应交流系统临界电压；构建含机组灵活化改造的动态模拟试验平台，利用得到的机组暂态无功出力表达式以及临界电压值确定灵活化改造机组对大容量直流换相失败的影响；利用动态模拟试验平台验证机组灵活化改造后对大容量直流受端动态无功支撑。本发明可充分利用机组暂态无功支撑能力，加强对大容量直流受端电网电压稳定水平提升。升。升。


技术研发人员：王涛 韩刚 王宇 蔡德福 黄文涛 孙冠群 张凤鸽 李嘉泽 王晋 周理兵 肖繁 张侃君 阮羚 万黎 陈汝斯 王尔玺
受保护的技术使用者：国家电网有限公司 华中科技大学 湖北工业大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/12