一种直流送端电网短路比取值计算方法和系统
阅读说明：本技术 一种直流送端电网短路比取值计算方法和系统 (Direct-current transmission end power grid short-circuit ratio value calculation method and system ) 是由 潘尔生 刘建琴 安之 王智冬 戚庆茹 齐芳 周明 李庚银 张天舒 陆明璇 宋新甫 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种直流送端电网短路比取值计算方法和系统,其包括以下步骤：根据直流实际运行要求确定直流送端电网的最大传输功率；根据所述最大传输功率以及预先确定的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系,得到直流送端电网的最小短路比；其中,所述直流送端电网短路比与最大传输功率的关系为根据预先确定的直流送端电网整流站定电流控制运行特性以及直流送端电网电网的短路比的计算公式计算得到。本发明基于直流最大传输功率确定送端短路比的最小取值,解决了直流送端电网与受端电网控制方式不同,导致电网短路比取值不同的问题,可以广泛应用于直流送端电网短路比计算领域。(The invention relates to a method and a system for calculating a short-circuit ratio value of a direct-current transmission end power grid, which comprise the following steps: determining the maximum transmission power of a direct current transmitting end power grid according to the actual direct current operation requirement; obtaining the minimum short-circuit ratio of the direct-current transmission end power grid according to the maximum transmission power and the relationship between the predetermined direct-current transmission end power grid short-circuit ratio and the maximum transmission power; the relation between the short-circuit ratio of the direct-current transmission end power grid and the maximum transmission power is calculated according to a predetermined constant-current control operation characteristic of the direct-current transmission end power grid rectifying station and a calculation formula of the short-circuit ratio of the direct-current transmission end power grid. The method and the device determine the minimum value of the sending-end short-circuit ratio based on the DC maximum transmission power, solve the problem that the control modes of a DC sending-end power grid and a receiving-end power grid are different, so that the values of the power grid short-circuit ratio are different, and can be widely applied to the field of calculation of the DC sending-end power grid short-circuit ratio.)
技术领域
本发明属于电力系统领域，主要针对电力系统安全品质评价，特别是关于一种直流送端电网短路比取值计算方法和系统。
背景技术
随着我国未来能源开发重心逐步西移、北移，远距离、大容量特/超高压直流输电将在我国跨区域的电力互联网中发挥愈发重要的作用。我国后续规划开发的能源基地也大多在西部、北部等地理位置边远地区，所属交流电网相对薄弱，并且还面临多回直流送出、新能源占比高等特点，导致电网运行特性复杂，存在电网可靠性低的直流弱送端电网特征。
目前我国通过研究已得到短路比这个能够表征交直流并列系统电网结构品质的指标。CIGRE(国际大电网会议)将交流系统的短路容量和直流额定功率的比值作为短路比。且传统确定受端电网短路比的方法是采用数学公式推导，并作出不同短路比下直流功率和直流电流关系的曲线，得到短路比在3以上为强电网，2到3为弱系统，2以下为极弱系统。
短路比可以用来反应交流系统相对于直流系统的强弱以及换流母线处电压支撑情况，但仍存在3个问题：一、现有的短路比取值确定方法仅仅是基于受端电网，而直流输电一般整流侧采取定电流控制，逆变侧采用定电压控制，所以送端电网短路比取值与受端电网有很大不同；二、现有的针对短路比取值的确定方法仅是针对于单馈入情况，多馈入短路比取值还没有方法能够确定；三、短路比指标仅针对交直流输电通道，并没有考虑到交流系统其他断面对其取值的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种直流送端电网短路比取值计算方法和系统，充分考虑了由于直流送端电网与受端电网控制方式的不同，而导致电网短路比取值不同的问题，同时也涵盖了单条直流送出和多条直流送出两种情况，使得短路比取值计算结果更加精确。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供一种直流送端电网短路比取值计算方法，其包括以下步骤：
根据直流实际运行要求确定直流送端电网的最大传输功率；
根据所述最大传输功率以及预先确定的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系，得到直流送端电网的最小短路比；
其中，所述直流送端电网短路比与最大传输功率的关系为根据预先确定的直流送端电网整流站定电流控制运行特性以及直流送端电网电网的短路比的计算公式计算得到。
进一步的，所述直流送端电网短路比包括单直流送出和多直流送出两种工况，其中，单直流送出的直流送端电网的短路比ISCR的计算公式为：
式中，SC表示换流站交流母线的短路容量，PdcN表示直流额定功率；
多直流送出的直流送端电网的短路比MESCR的计算公式为：
式中，MIIFmn为多馈入相互作用因子，Sn为换流站交流母线的短路容量，Qtn为换流站处无功补偿的容量，Pdn为直流传输功率的额定值，N为直流传输的数量。
进一步的，所述直流送端电网整流站定电流控制运行特性的确定方法，包括以下步骤：
首先，根据单馈入交直流系统模型，建立单直流送出和多直流送出的直流送端电网模型；
其次，基于建立的单直流送出和多直流送出的直流送端电网模型，确定整流站定电流控制运行特性表达式:
Pd＝CU2(cos2α-cos(2α+2μ))，
Qd＝CU2(2μ+sin2α-sin(2α+2μ))，
Id＝KU(cosα-cos(α+μ))，
Qc＝BcU2，
Pd-Pac＝0，
Qd-Qac-Qc＝0，
式中，Pd和Qd表示直流换流站交流侧的有功和无功功率；Id表示直流电流；Ud表示直流电压；Pac和Qac表示交流有功和无功功率；U和δ分别表示送端交流母线电压幅值和相角；Bc表示交流滤波器和无功补偿电容的等效电纳；Qc表示无功补偿容量；Z和θ表示交流系统的等效阻抗大小和相位；E表示交流系统等效电动势的幅值；K和C分别为与整流侧换流变压器参数及与直流系统基准值有关的两个常数；Ui表示受端换流母线电压；γ表示受端逆变站熄弧角；α为触发延迟角；μ为换相角，Xd为直流输电线路阻抗。
进一步的，根据预先确定的直流送端电网整流站定电流控制运行特性以及直流送端电网的短路比的计算公式，计算得到直流送端电网短路比与最大传输功率的关系的方法，包括以下步骤：
根据整流站定电流控制运行特性，作出不同送端短路比下，单直流送出的直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线；
作出在不同送端短路比下，换相角μ随直流电流Id变化的曲线；
根据不同送端短路比下单直流送出直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线和换相角μ随直流电流Id变化的曲线，拟合出单直流送出的直流送端电网的短路比与最大传输功率的关系式；
根据所述短路比与最大传输功率的关系式，计算出多直流送出的直流送端电网中各单条直流的最大传输功率；
根据多直流送出的送端电网中各单条直流的最大传输功率，计算多直流送出的直流送端电网的最大传输功率；
改变多直流送出的直流送端电网的短路比，作出不同多直流送出短路比下，多直流送出的送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线；
根据不同多直流送出短路比下多直流送出的送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线，拟合出多直流送出的直流送端电网的最大传输功率Zmax和短路比的关系式。
进一步的，所述单直流送出的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系如下：
Pdm1＝-0.0049ISCR 2+0.0653ISCR+0.9812，
式中，Pdm1表示直流功率传输的极限，ISCR为送端系统的短路比。
进一步的，所述步骤2.5)中，根据多直流送出的送端电网中各条直流的最大传输功率，计算多条直流送出的直流送端电网的最大传输功率时，采用的目标函数为：
式中，Zmax表示多条直流的最大传输功率，N表示直流传输的数量，Pi为第i条直流的功率传输极限；
约束条件为达到最大传输功率时，各交流潮流通道不越限。
进一步的，多直流送出的直流送端电网的最大传输功率Zmax和短路比的关系式为：
式中，MESCRi为每条直流的传输短路比。
本发明的第二个方面是提供一种直流送端电网短路比取值计算系统，其包括：
最大传输功率确定模块，用于根据直流实际运行要求确定直流送端电网的最大传输功率；
最小短路比确定模块，用于根据所述最大传输功率以及预先确定的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系，得到直流送端电网的最小短路比；其中，所述直流送端电网短路比与最大传输功率的关系为根据预先确定的直流送端电网整流站定电流控制运行特性以及直流送端电网电网的短路比的计算公式计算得到。进一步的，所述最小短路比确定模块确定的直流送端电网的短路比计算公式包括单直流送出和多直流送出两种工况，其中，单直流送出的直流送端电网的短路比ISCR的计算公式为：
式中，SC表示换流站交流母线的短路容量，PdcN表示直流额定功率；
多直流送出的直流送端电网的短路比MESCR的计算公式为：
式中，MIIFmn为多馈入相互作用因子，Sn为换流站交流母线的短路容量，Qtn为换流站处无功补偿的容量，Pdn为直流传输功率的额定值，N为直流传输的数量。
进一步的，所述最小短路比确定模块包括：
最小短路比计算模块，用于根据所述最大传输功率以及预先确定的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系，得到直流送端电网的最小短路比；
短路比与直流传输极限确定模块，用于根据预先确定的直流送端电网整流站定电流控制运行特性以及直流送端电网电网的短路比的计算公式计算得到所述直流送端电网短路比与最大传输功率的关系；
所述短路比与直流传输极限确定模块包括：
有功功率变化曲线绘制模块，用于根据整流站定电流控制运行特性，作出不同送端短路比下，单直流送出的直流送端电网直流换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线；
换相角变化曲线绘制模块，用于作出在不同送端短路比下，换相角μ随直流电流Id变化的曲线；
单直流短路比与最大直流传输功率关系拟合模块，用于拟合出单直流送出的直流送端电网的短路比与最大传输功率的关系式；
单条直流最大直流传输功率计算模块，用于根据确定的短路比与最大传输功率的关系式，计算出多直流送出的直流送端电网中各单条直流的最大传输功率；
送端电网最大直流传输功率计算模块，用于根据多直流送出的送端电网中各单条直流的最大传输功率，计算多直流送出的直流送端电网的最大传输功率；
有功功率变化曲线绘制模块，用于作出不同多送出短路比情况下，多直流送出的直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线；
多直流短路比与最大直流传输功率关系拟合模块，用于根据多直流送出的直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线，拟合出多直流送出的直流送端电网的最大传输功率Zmax和直流短路比的关系式。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明的有益效果在于：1)本发明基于直流最大传输功率确定送端短路比的最小取值，解决了直流送端电网与受端电网控制方式不同，导致电网短路比取值不同的问题。2)本发明基于直流最大传输功率确定送端短路比的最小取值，能够对一个具体的直流送端电网进行评价，并指导电网规划。因此，本发明可以广泛应用于电力系统安全品质评价领域。
附图说明
图1是本发明直流送端电网短路比取值计算方法流程图；
图2是本发明单条直流送出的送端电网模型；
图3是本发明多直流送出的直流送端电网模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种直流送端电网短路比取值计算方法，包括以下步骤：
1)建立直流送端电网模型，并根据该直流送端电网模型确定整流站运行特性表达式。具体的，包括以下步骤：
1.1)借鉴传统单馈入交直流系统模型，建立单直流送出和多直流送出的直流送端电网模型。
如图2和图3所示，分别为建立的单直流送出和多直流送出的直流送端电网模型。以单直流送出的直流送端电网模型为例，该模型中：E∠0°为交流系统等值电势；|Z|∠θ为交流系统等值阻抗；Pac和Qac分别为交流系统有功功率和无功功率；Pd和Qd分别为直流换流变压器网侧有功功率和无功功率；XT为换流变压器等效电抗；U∠δ为换流站交流母线电压；Bc为交流滤波器和无功补偿电容的等值导纳；Ud和Id分别为直流电压和直流电流；τ为换流变压器变比。
1.2)基于建立的单直流送出和多直流送出的直流送端电网模型，建立整流站定电流控制运行特性表达式。
整流侧采用定电流控制，并且假设逆变侧所连交流系统足够强大，能够保证逆变侧换流母线电压为额定值，则建立的整流站定电流控制运行特性表达式为:
Pd＝CU2(cos2α-cos(2α+2μ)) (1)
Qd＝CU2(2μ+sin2α-sin(2α+2μ)) (2)
Id＝KU(cosα-cos(α+μ)) (3)
Qc＝BcU2 (7)
Pd-Pac＝0 (8)
Qd-Qac-Qc＝0 (9)
式中，Pd和Qd表示直流换流站交流侧的有功和无功功率；Id表示直流电流；Ud表示直流电压；Pac和Qac表示交流有功和无功功率；U和δ分别表示送端交流母线电压幅值和相角；Bc表示交流滤波器和无功补偿电容的等效电纳；Qc表示无功补偿容量；Z和θ表示交流系统的等效阻抗大小和相位；E表示交流系统等效电动势的幅值；K和C分别为与整流侧换流变压器参数及与直流系统基准值有关的两个常数；Ui表示受端换流母线电压；γ表示受端逆变站熄弧角；α为触发延迟角；μ为换相角，Xd为直流输电线路阻抗。
2)根据现有受端电网短路比取值计算公式，确定直流送端电网的短路比取值的数学表达式。
直流送端电网的短路比包括单直流送出和多直流送出两种工况，根据受端电网短路比取值计算公式，可以得到：
单直流送出的直流送端电网的短路比ISCR的计算公式为：
式中，SC表示换流站交流母线的短路容量，PdcN表示直流额定功率。
多直流送出的直流送端电网的短路比MESCR的计算公式为：
式中，MIIFmn为多馈入相互作用因子，主要用于衡量多馈入系统中任意2个换流站之间的电压相互影响强度，可定量描述为换流母线电压跌落对于其他换流母线的影响。Sn为换流站交流母线的短路容量，Qtn为换流站处无功补偿的容量，Pdn为直流传输功率的额定值，N为直流传输的数量。
3)根据步骤1)确定的整流站定电流控制运行特性以及步骤2)中确定的直流送端电网的短路比的计算公式，计算得到该短路比与最大传输功率的关系。
具体的，包括以下步骤：
3.1)由步骤1)中整流站运行特性，作出不同送端短路比数值下，单直流送出的直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线。本发明通过对该曲线进行分析，得出结论，对于送端电网来说，整流侧额定运行点总是处于功率曲线的上升沿。
3.2)作出在不同送端短路比下，换相角μ随直流电流Id变化的曲线。本发明通过对该曲线进行分析，发现换相角μ达到30°时总是处于定电流控制，并且达到30°时的运行点在额定运行点右侧。也就是说，在定电流控制方式下，还有发生一次控制方式的切换(由定电流控制转化为定最小触发角控制)，才能达到直流功率传输的极限。
3.3)根据步骤3.1)和步骤3.2)得到的变化曲线，拟合出单直流送出的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系如下：
Pdm1＝-0.0049ISCR 2+0.0653ISCR+0.9812 (13)
式中，Pdm1表示直流功率传输的极限，ISCR为送端系统的短路比。
3.4)根据步骤3.3)中确定的短路比与最大传输功率的关系式，计算出多直流送出的直流送端电网中各单条直流的最大传输功率。
3.5)根据多直流送出的送端电网中各单条直流的最大传输功率，计算多直流送出的直流送端电网的最大传输功率。
在考虑多直流送出的交互作用因子以及交流潮流通道不越限的约束条件的情况下，每一条直流的最大传输功率Pi，目标函数为
式中，Zmax表示多直流送出的直流送端电网的最大传输功率，N表示直流传输的数量，Pi为第i条直流的功率传输极限。
3.6)改变多直流送出的直流送端电网的短路比，作出不同多送出短路比情况下，多直流送出的直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线。
3.7)通过对多送出直流的最大传输功率Zmax和多送出短路比的变化关系，拟合出Zmax和MESCR的关系：
式中，MESCRi为每条直流的传输短路比。
4)根据直流实际运行要求(通常限定直流应有10％的功率提升能力)以及步骤3)得到的短路比与极限传输功率的关系，得到直流送端电网的最小短路比。
本发明还提供一种直流送端电网短路比取值计算系统，其包括：
最大传输功率确定模块，用于根据直流实际运行要求确定直流送端电网的最大传输功率；
最小短路比确定模块，用于根据所述最大传输功率以及预先确定的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系，得到直流送端电网的最小短路比；其中，所述直流送端电网短路比与最大传输功率的关系为根据预先确定的直流送端电网整流站定电流控制运行特性以及直流送端电网电网的短路比的计算公式计算得到。
进一步的，最小短路比确定模块确定的直流送端电网的短路比计算公式包括单直流送出和多直流送出两种工况，其中，单直流送出的直流送端电网的短路比ISCR的计算公式为：
式中，SC表示换流站交流母线的短路容量，PdcN表示直流额定功率；
多直流送出的直流送端电网的短路比MESCR的计算公式为：
式中，MIIFmn为多馈入相互作用因子，Sn为换流站交流母线的短路容量，Qtn为换流站处无功补偿的容量，Pdn为直流传输功率的额定值，N为直流传输的数量。
进一步的，最小短路比确定模块包括：最小短路比计算模块，用于根据所述最大传输功率以及预先确定的直流送端电网短路比与最大传输功率的关系，得到直流送端电网的最小短路比；短路比与直流传输极限确定模块，用于根据预先确定的直流送端电网整流站定电流控制运行特性以及直流送端电网电网的短路比的计算公式计算得到所述直流送端电网短路比与最大传输功率的关系。
进一步的，短路比与直流传输极限确定模块包括：有功功率变化曲线绘制模块，用于根据整流站定电流控制运行特性，作出不同送端短路比下，单直流送出的直流送端电网直流换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线；换相角变化曲线绘制模块，用于作出在不同送端短路比下，换相角μ随直流电流Id变化的曲线；单直流短路比与最大直流传输功率关系拟合模块，用于拟合出单直流送出的直流送端电网的短路比与最大传输功率的关系式；单条直流最大直流传输功率计算模块，用于根据确定的短路比与最大传输功率的关系式，计算出多直流送出的直流送端电网中各单条直流的最大传输功率；送端电网最大直流传输功率计算模块，用于根据多直流送出的送端电网中各单条直流的最大传输功率，计算多直流送出的直流送端电网的最大传输功率；有功功率变化曲线绘制模块，用于作出不同多送出短路比情况下，多直流送出的直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线；多直流短路比与最大直流传输功率关系拟合模块，用于根据多直流送出的直流送端电网换流站交流侧的有功功率Pd随直流电流Id变化的曲线，拟合出多直流送出的直流送端电网的最大传输功率Zmax和直流短路比的关系式。
下面结合一个实例，对具体实施方式作详细说明。
1)如图2所示，构造一个交直流系统相互作用的模型，其中交流系统为戴维南等值定理得到的等效阻抗来表示，改变该阻抗的模，相角不改变，即可达到改变送端系统强度的效果；
2)确定模型中的参数值。为了计算方便，下述的计算均采用标幺值。借鉴较为常规的换流变压器取值，ST＝1.15PdN，XC＝0.18,τ＝1,由此可计算出：
另取交流系统等值阻抗角θ＝90°，取整流站运行在额定状态，取整流站额定触发角为15°，且达到最小触发角5°时发生控制方式的切换，由定电流控制转变为定最小触发角控制。
为了更加方便的改变送端系统的短路比，短路比的公式可变形为：
当电压和功率都取标幺值1时，短路比的公式即为：
3)根据式(1)和式(2)，计算在不同短路比时，该短路比下的直流功率传输极限。
计算所得，单直流送出情况下：短路比为0.7时，最大传输功率为1；多直流送出情况下，短路比为5时，最大传输功率可达到1.194。
4)为保证在直流在实际运行中，能有1.1倍的紧急功率提升能力，即需要满足直流的最大传输功率至少为额定值的1.1倍，经过分析，对于单直流送出的送端系统短路比不能小于1.6。
同理多直流送出的系统短路比取值也可以算出。需要注意的是，多送出直流短路比需要考虑的是多直流之间相互影响，即相互作用因子，为了方便计算，相互作用因子可采用等值节点阻抗的比值来表示。
值得一提的是，本发明的短路比取值计算方法不局限于简单的系统，可以拓展到任意实际的电网中。因此，以上实施步骤仅用以说明而非限制本发明的技术方法，不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖本发明的权利要求范围当中。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。