多端柔性直流输电系统中换流站退出运行时直流功率再分配策略

情景2。同受端系统的其余换流站无法完全消纳,即换流站x的转移功率不能够被其所在受端交流系统内的其余换流站完全消纳。在此情况下,换流站x所在的受端交流系统内的其余换流站有功功率满发运行,剩余转移功率必定会通过其他的换流站转移至异步的交流电网中。此时应该以减少转移功率对异步电网频率稳定性的影响为目标,利用风电场内风机的转子动能和风机的桨距角控制,吸收剩余的转移功率。如图3(b)所示,下文称为无法自消纳情景。

换流站x退出运行后,重分配的第1步就是需要对上述2种情景进行划分。设换流站x馈入受端交流系统S,对于任意受端交流系统S内的其余岸上换流站y,其可调的有功功率裕量为

式中：Sy为换流站y的额定容量;Qy为换流站y的输出无功功率;PpredcyPdcypre则为换流站x故障退出发生前换流站y注入岸上交流系统的功率。在不考虑无功功率Qy变动的情况下,受端交流系统S中的其余岸上换流站总有功功率裕量为

因此当转移功率Pdcx小于总有功功率裕量PrdcSPdcSr时,考虑为自消纳情景;反之,当转移功率Pdcx大于总有功功率裕量PrdcSPdcSr时,则考虑为无法自消纳情景。下文将对上述2种情景分配策略分别研究。

2.2 可以自消纳情况下直流功率的重分配策略

当故障退出换流站x的转移功率能够被同受端交流电网内的其他换流站完全消纳时,即Pdcx小于PrdcSPdcSr,重分配的目标有2个：1）重新调整故障后的换流站控制参数,以避免功率通过其他换流站转移至相互异步的交流电网中,从而减小转移功率的影响范围;2）减小潮流重分配对换流站x所在的受端电网频率稳定性能的影响。此时的重分配策略分为下述3个步骤。

2.2.1 换流站的灵敏机群划分

对岸上的换流站i而言,其有功功率的变动只会对与其电气距离相近机组的角速度产生显著影响。这些机组称为该换流站的灵敏机群(sensitivecluster,SC)。定义灵敏度系数(sensitivityindex,

SI)μSIj,iμSIj,i为发电机j的角速度相对于换流站i的功率变化,即

通常用μSI矩阵中的最大值作为基准进行标幺,即标幺化灵敏度系数：

注意上述灵敏度系数是在系统稳态运行时,在换流站i上引入小量的功率扰动下,计算短时的机组转速变化而得来的。在本文中认为灵敏度系数仅与岸上交流系统结构及机组特性有关,为离线计算量,在后续的暂态行为中根据岸上交流系统的结构以及机组特性的变化通过查表选取,不再重新计算。在界定敏感机群时,若μNSIj,iμNSIj,i大于阈值μNSIthrμNSIthr,则认为机组j是换流站i的灵敏机组,所有这样的机组集合构成换流站i的灵敏机群,记为ΦSCi。μNSIthrμNSIthr取值与系统相关,其取值的基本原则为简化灵敏度矩阵以便于快速在线计算,同时又保留原始矩阵的主要特性。

2.2.2 以增大交流系统频率稳定性为目标的功率优化再分配

即使能够保证转移功率的自消纳,消纳的分配方案依旧存在有优化空间,以图4进行分析。

图4所示的受端交流系统内有3个换流站,分别为x、y1、y2,它们的灵敏机群设定为ΦSCx、ΦSCy1、ΦSCy2。其中,ΦSCx与ΦSCy2有公共灵敏机组,ΦSCx与ΦSCy1没有共有的灵敏机组。在换流站x发生故障退出运行后,换流站x所对应的灵敏机群ΦSCx优先感应功率缺失,这将导致ΦSCx中的机组参与有功功率调节,它们的转速将变慢。此时考虑下述2种功率转移的情况。当转移功率主要由换流站y1消纳时,Pdcy1的增大主要影响ΦSCy1,从而使得ΦSCy1内机组的转速有增大的趋势,然而Pdcy1的增大对ΦSCx中机组的影响较小,这种分配方案将导致ΦSCy1中的机组转速明显地快于ΦSCx中的机组的转速,这将使得2个群中机组的相对功角,尤其是首摆增大。相反地,当转移功率主要由换流站y2消纳时,Pdcy2的增大主要影响ΦSCy2,从而使得ΦSCy2内机组的转速有增大的趋势,由于ΦSCy2与ΦSCx存在有共有的灵敏机组,因此ΦSCy2内机组转速增大的趋势部分抵消了ΦSCx中共有机组转速变慢的趋势。从而使得ΦSCx中机组的功角变化减小,电网频率更快地恢复稳定。从上述分析可得第1个准则,即在分配转移功率时,优先选取对换流站x的敏感机组调节能力强的那些换流站。

综上分析,功率优化再分配的设计思路如下。在受端系统S中,除换流站x以外的其余换流站y消纳的功率ΔPdcy为优化的对象。受端系统S的频率波动可以用各机组转速波动Δωi的加权均值来表示,权重系数为机组的惯量常数Hi,如式(5)所示,

对于ΦSCx中的机组j,在功率重分配的过程中,其角速度的波动可以假定为Δωj=−Pdcxμ∗NSIj,x+∑y∈S,y≠xΔPdcyμ∗NSIj,yΔωj=−PdcxμNSIj,x∗+∑y∈S,y≠xΔPdcyμNSIj,y∗(6)

在规模较大的交流系统中,一般机组较多,给后续的优化带来较大的计算量,因此为简化优化过程,仅考虑灵敏机组,而将小于阈值μNSIthrμNSIthr的非灵敏机组元素μNSIj,iμNSIj,i置零,即

第1个优化思路是将Δfs最小化设置为优化的目标。虽然这一优化目标实现了电网整体频率的稳定性,但并未考虑如下情况,即有可能局部的某些机组频率波动较大,导致这些机组附近对频率敏感的负载受到较大的冲击。为考虑如上情况,可以定义系统频率波动因子矢量If为

在功率优化时,可以考虑最小化系统频率波动因子矢量If中数值最大的机组。因此,同时考虑系统频率偏差Δfs的最小化以及系统频率波动因子矢量If无穷范数的最小化,优化可以采用下列方程表示,即式中c为组合优化的权重系数,其取值和系统中机组的惯量分布均匀程度有关。当系统每台机组的惯量都基本保持相同水平时,局部机组频率波动过大的影响较小,此时可以考虑c取接近1;当系统内机组惯量水平相差较大时,主要目标是降低最大转速偏差,c可以考虑接近0。此外,优化方程中值得注意的是,等式约束实际上是简化的系统功率平衡约束,在实际计算过程中,直流系统潮流重分配需要考虑的因素较多,包括各个换流站的损耗以及直流线路损耗,换流站损耗的大小又取决于换流站种类、调制方式、主回路参数等方面,在优化过程中难以完全进行讨论。而直流线路损耗的变化较小,在潮流进行重分配的过程中完全可以忽略不计;因此为简化优化的计算量,在不考虑换流站损耗以及直流线路的损耗变化的前提下,有上述约束条件中的功率平衡等式成立。