一种考虑受端励磁系统的交直流稳定性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电气工程领域，尤其涉及用于电力系统稳定的一种考虑受端励磁系统 的交直流稳定性分析方法。
【背景技术】
[0002] 高压直流输电以其传输容量大，远距离输电以及连接不同频率的电网等优势，近 几年得到快速发展，我国已经形成了交直流混合格局，与此同时，受端系统的电压支撑对高 压直流输电的稳定运行的影响引起关注。
[0003] 专利号为CN 201310031426.9的中国专利："一种研究交直流相互影响机理 的分析方法"，给出了交直流相互影响的分析方法，通过时域数字仿真系统主要分析了 交流系统发生大的故障时导致直流输电换相失败以及受端电压稳定的问题。专利号为 CN201210454137. 5的中国专利："直流输电系统控制方式下的系统暂态稳定性的计算方 法"，分析了不同控制方式下交直流系统发生故障的概率，计算直流输电系统控制方式下的 系统暂态稳定性，该发明实现了直流输电系统控制方式对交直流混合系统暂态稳定性的影 响程度的准确评价。专利号为CN 201410033099. 5的中国专利："一种风光火打捆直流外送 稳定性评价方法"，判断各接入方案中风光火打捆直流外送系统的接入强度，判断风光火打 捆直流外送系统与联网交流系统的稳定性交互影响，主要依托于受端系统的短路比指标。 以上专利所述交直流的稳定性分析集中于交流系统的强度而忽略了其强度的根本在于受 端发电机的励磁情况、电网结构以及负荷的多少，简单的短路比难以阐述交流系统与直流 输电稳定性关系。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种考虑受端励磁系统的交直流稳定 性分析方法。相对于不能反映受端的调节能力的固定戴维南等值模型，本发明考虑受端励 磁系统的作用，详细分析了其对直流输电系统的影响，指出励磁达到极限时，受端系统负荷 波动导致戴维南等值发生变化较大，随即影响直流输电系统的安全性。
[0005] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0006] -种考虑受端励磁系统的交直流稳定性分析方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一：确定直流输电系统的控制方式及直流输电系统的参数；
[0008] 步骤二：考虑发电机的励磁参数以及其励磁环节的限幅环节，对交直流系统进行 扩展潮流计算；
[0009] 步骤三：根据负荷的变动，利用受端戴维南等值参数的变化以及直流输电系统的 参数分析系统的稳定性。
[0010] 进一步的，所述步骤二中，具体包括：建立直流输电系统的逆变侧等值模型，建立 励磁系统的模型，建立同步发电机的输出功率模型，构建节点功率平衡约束方程，构建发电 机功率平衡方程，各模型构建了系统的平衡方程，在扩展潮流方程的基础上进行潮流计算 求解未知状态量，同时校验调节系统励磁是否越限处理，若越限则进行处理并重新进行潮 流计算。
[0011] 上述直流输电系统的逆变侧等值模型、励磁系统的模型及同步发电机的输出功率 模型的构建均是为了构建系统的平衡方程，包括节点的功率平衡方程、发电机的功率平衡 方程。
[0012] 更进一步的，直流输电系统的逆变侧等值模型为：
[0013]
[0014] 式（1)中，Pd为逆变器向交流系统输送的有功功率；Qd为逆变器从交流侧吸收的 无功功率；I d为直流电流；V d为直流电压；y为关断角；y为换相角；P a。、Qa。分别为母线向 受端交流系统输送的有功功率、无功功率；B。为交流滤波器和无功补偿电容的等效导纳；Q。 为等效电容器补偿的无功功率；V、S分别为母线处电压幅值和相角；E、巾、|Z|、0分别为 受端系统的戴维南等值电势幅值及相角、等值阻抗模值、等值阻抗角；K为换流器变压器参 数与直流系统标准值有关的常数；C为与换流器变压器参数与直流有关的两个常数。
[0015] 其中，C的表达式如式⑵所示：
[0016]
[0017] 式（2)中，ST为变压器的容量；Uk%为变压器的短路电压百分比；T为变压器的变 比，P dN为额定直流功率。
[0018] 进一步的，所述励磁系统的模型不考虑系统频率的变化，即二次调频后频率无误 差调节，其模型如下：
[0019]
[0020] 式（3)中，其中VR_、VR_分别表示励磁系统限幅环节上下限，V RS直流励磁机的 励磁电压；KE为发电机的自励磁系数；Efd为励磁电压：V F为励磁电压软负反馈环节的输出； KF、TF分别为励磁电压软负反馈环节的增益和时间常数；K A放大环节的增益；V"f为参考电 压A为端电压的采集值。
[0021] 进一步的，不考虑调速系统，同步发电机的输出功率模型如下所示：
[0022]
[0023] 式⑷中，Pgl、Qgl为同步发电机i有功、无功出力；Xdl、Xq#S$发电机i的d、 q轴同步电抗及功角；KAl为励磁调节器放大环节的放大倍数；KEl为励磁机的励磁系数 和9,为发电机机端节点电压幅值和相角。其中S^与式1中的等值模型的5、0加 以区分，避免符号的混乱性，Vrafl为i励磁调节系统的参考电压。
[0024] 进一步的，节点功率平衡约束方程：
[0025]
[0026] 式（5)中，APpAQi分别表示节点i的有功、无功功率不平衡量；若节点i连接发 电机，Pgi、Qgi表达式如式⑷所示；若节点i不连接发电机，P gi= 〇，Q gi= 〇,若节点i为直 流输电的受端母线节点，则Pdl、Qdl为i节点的直流有功、无功功率，如（1)、（2)所示的P d、 Qd;若节点i为交流节点，P dl= 〇, Q dl= 〇, P u、Qu分别表示负荷节点的有功功率和无功功 率，GyBy分别表示节点i、j的电导、电纳，VpVj分别为节点i、j的电压幅值；0^为节点 i、j电压相角的差值。
[0027] 进一步的，发电机功率平衡方程：
[0028] 不计阻尼系数，经二次调频后，频率与参考频率相同，发电机对应节点的原动机有 功功率平衡表达式为：
[0029] APgi=Pgsi_Pgi= 〇 (6)
[0030] 式（6)中APgsi为发电机转子运动功率不平衡量；Pgsi为扩展潮流的控制量，为各 发电机对应节点的原动机输出功率。
[0031] 进一步的，扩展潮流方程与未知量：
[0032] 状态量为n个节点的电压幅值和除平衡节点的n-1个节点电压相角以及m个发 电机功角，因此未知量的个数为2n+m-l，传统网络方程个数为2n，发电机节点除平衡节点 外，原动机的有功功率平衡方程为m-1个，系统功率平衡方程总数为2n+m-l，可联立求解 2n+m-l个状态量。
[0033] 进一步的，所述励磁越限处理：
[0034] 同步发电机转子电流的约束用AVR(自动电压调节器）输出电压VRl来表达，如果 忽略励磁系统的饱和作用，在稳态时AVR的输出电压VRl正比于发电机的转子电流，因此，转 子电流达到最大值时，等价于AVR的输出电压VRl达到最大值VRl，_并保持不变，即式⑷中 的KAi(Vrefi-Vi)用VRi,max替代。
[0035] 进一步的，所述交直流潮流计算步骤如下：给定电压幅值、角度初值，根据直流输 电系统的控制方式给定直流参量，如定电流定熄弧角控制方式，给定的直流参量为换相角 y ;利用节点功率平衡约束方程及发电机功率平衡方程计算不平衡量并判断其是否满足精 度要求：若不满足，形成交直流雅可比矩阵，计算修正量直到满足；若满足判断其受端发电 机的励磁是否达到极限值，若达到，则以AVR的输出电压VRl达到最大值V Rl，_重新进行潮 流计算，否则计算结束。
[0036] 所述步骤三中，负荷增加后引起系统戴维南等值参数的变化，受端系统的发电机 励磁充足，负荷增加的过程中，V R< V R_，负荷增加时受端的发电机励磁需要不断增加，端 电压降低，直流输送的功率降低；受端系统的发电机励磁受限，负荷增长的过程中，取V R = VR_，发电机的励磁受到限制时，系统的安全性受到极大的威胁，受端母线电压及功率持续 升尚。