一种确定综合短路比的方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统的技术领域，并且更具体地，涉及一种确定综合短路比的方法及系统。

背景技术

由于我国的新能源富集区域与负荷中心呈逆向分布特征，导致新能源发电并网后本地电网难以消纳，远端的负荷中心又难以接收，这在一定程度上成为制约新能源发电产业进一步发展的因素。为了提高电网新能源消纳能力，缓解弃风弃光现象，把大规模的新能源电力通过直流线路远距离送至负荷中心的方式成为了解决这一问题的关键。目前，我国已建成十条特高压直流线路，在促进新能源发展、提升电网安全水平等方面意义重大。然而高比例新能源汇集的送端系统又存在以下问题：

(1)新能源基地多建设在较为偏远，电网基础建设较不完善的区域，与交流主网联系弱，汇集线路电压稳定性差。

(2)送端常规能源占比少，交流系统强度低，难以为高压直流输电系统提供足够的支撑。

(3)电网换相换流器无功需求大，换流母线电压易于波动，甚至发生电压崩溃。

目前对于高压直流输电系统电压稳定性的研究多关注于受端系统，而随着新能源装机容量的不断提高，弱送端系统的电压稳定性问题同样不容忽视。在新能源场站方面，目前多关注于交流系统对场站自身安全运行的影响，考虑新能源场站对交流系统强度贡献的研究较少，尚缺乏相应的系统强度描述指标。

发明内容

根据本发明，提供了一种确定综合短路比的方法及系统，以解决目前对于高压直流输电系统电压稳定性的研究多关注于受端系统，而随着新能源装机容量的不断提高，弱送端系统的电压稳定性问题同样不容忽视。在新能源场站方面，目前多关注于交流系统对场站自身安全运行的影响，考虑新能源场站对交流系统强度贡献的研究较少，尚缺乏相应的系统强度描述指标的技术问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种确定综合短路比的方法，包括：送端控制器根据功率给定值使送端吸收有功P

根据交流主网等值阻抗X

根据汇集线路的功率损耗

根据所述送端换流器吸收的无功Q

根据有效短路比E

根据所述改进有效短路比M

可选地，送端控制器根据功率给定值使送端吸收有功P

根据以下公式，确定送端换流器吸收的无功Q

其中，φ

可选地，根据交流主网等值阻抗X

设置交流主网等值阻抗Z

消去母线相位差角，可以得出

其中，P

确定汇集线路的功率损耗

其中，

确定光伏电站馈入并网母线的功率

根据汇集线路的功率损耗

可选地，根据所述送端换流器吸收的无功Q

根据以下公式，确定无功补偿设备容量的求导公式：

可选地，根据有效短路比E

确定有效短路比E

其中，S

根据有效短路比E

其中，

将所述变形公式进行简化，确定简化公式为：

根据所述简化公式，确定改进有效短路比M

可选地，根据所述改进有效短路比M

根据以下公式，确定送端综合短路比S

S

可选地，还包括：

当送端综合短路比S

若继续增大光伏出力将导致换流母线静态电压调节灵敏度发生突变，确定造成电压失稳。根据本发明的另一个方面，还提供了一种确定综合短路比的系统，包括：

确定送端换流器吸收无功模块，用于送端控制器根据功率给定值使送端吸收有功P

确定交流主网无功功率模块，用于根据交流主网等值阻抗X

确定光伏发电无功功率模块，用于根据汇集线路的功率损耗

确定无功补偿设备容量模块，用于根据所述送端换流器吸收的无功Q

确定改进有效短路比模块，用于根据有效短路比E

确定送端综合短路比模块，用于根据所述改进有效短路比M

可选地，确定送端换流器吸收无功模块，包括：

确定送端换流器吸收无功子模块，用于根据以下公式，确定送端换流器吸收的无功Q

其中，φ

可选地，确定交流主网无功功率模块，包括：

确定弱交流母线功率子模块，用于设置交流主网等值阻抗Z

消去母线相位差角子模块，用于消去母线相位差角，可以得出

其中，P

确定汇集线路功率损耗子模块，用于确定汇集线路的功率损耗

其中，

确定光伏电站母线功率子模块，用于确定光伏电站馈入并网母线的功率

确定光伏发电无功功率子模块，用于根据汇集线路的功率损耗

可选地，确定无功补偿设备容量模块，包括：

确定无功补偿设备容量子模块，用于根据以下公式，确定无功补偿设备容量的求导公式：

可选地，确定改进有效短路比模块，包括：

确定有效短路比子模块，用于确定有效短路比E

其中，S

确定变形公式子模块，用于根据有效短路比E

其中，

确定简化公式子模块，用于将所述变形公式进行简化，确定简化公式为：

确定改进有效短路比子模块，用于根据所述简化公式，确定改进有效短路比M

可选地，确定送端综合短路比模块，包括：

确定送端综合短路比子模块，用于根据以下公式，确定送端综合短路比S

S

可选地，还包括：

确定临界稳定模块，用于当送端综合短路比SCSCR取值为-1时，确定送端换流母线电压处于临界稳定状态；

确定电压失稳模块，用于若继续增大光伏出力，将导致换流母线静态电压调节灵敏度发生突变，确定造成电压失稳。

从而，送端综合短路比S

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本实施方式所述的一种确定综合短路比的方法的流程示意图；

图2为根据本实施方式所述的大规模光伏交流汇集直流送出系统结构示意图；

图3为根据本实施方式所述的dB

图4为根据本实施方式所述的S

图5为本实施方式所述的一种确定综合短路比的系统的示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

根据本发明的第一个方面，提供了一种确定综合短路比的方法100，参考图1所示，该方法100包括：

S101:送端控制器根据功率给定值使送端吸收有功P

S102:根据交流主网等值阻抗X

S103:根据汇集线路的功率损耗

S104:根据所述送端换流器吸收的无功Q

S105:根据有效短路比E

S106:根据所述改进有效短路比M

具体地，大规模光伏交流汇集直流送出系统的结构如图1所示。光伏电站经交流线路汇集至送端换流母线处，与弱联系的交流主网结合经LCC-HVDC为远端的负荷中心供电。该系统中，交流主网一方面为光伏并网逆变器提供参考电压，一方面为送端LCC提供换相电压。这里采用无穷大电源串联阻抗的戴维南等效电路进行模拟。换流站中的无功补偿设备和交流滤波器统一看作等值并联电容。

图2中，U

LCC-HVDC准稳态模型可由式(1)描述：

式中：下标含R是送端换流站的参数，下标含I是受端换流站参数。以送端为例进行介绍。U

在实际工程中，根据控制目标不同，高压直流输电系统的协调控制可以分为4种方式：送端定电流，受端定电压；送端定有功，受端定电圧；送端定电流，受端定熄弧角；送端定有功，受端定熄弧角。仅讨论弱送端系统的电压稳定性问题，不考虑受端换流母线的电压变动。可以证明，无论采用何种协调控制策略，送端消耗的无功功率Q

在该协调控制策略下，送端控制器根据功率给定值使送端吸收有功P

式中，φ

下一步推导交流主网馈入换流母线的无功。对于一个确定的系统，其戴维南等效电路是固定的，因此电压源电压及等值阻抗为定值。为便于后续的理论分析，假设交流主网等值阻抗Z

消去母线相位差角，可以得出交流主网馈入换流母线的无功功率为：

接着计算光伏汇集线路馈入换流母线的无功功率。首先，汇集线路的功率损耗可以表示为：

式中，

所以光伏电站馈入并网母线的功率

光伏并网逆变器一般通过电流控制方式接入电网，在潮流计算时可以看作PQ节点。其有功P

在换流母线处，由功率平衡关系得：

在大规模光伏外送场景中，光伏电站馈入系统的有功占比高，交流主网提供的有功支撑P

为了维持换流母线电压稳定，送端换流站需投入的无功补偿设备容量如式(9)所示：

忽略光伏交流汇集线路电阻R

将式(10)的倒数定义为送端换流母线静态电压调节灵敏度。这一指标表征了换流母线电压与换流站无功补偿设备容量的关系。正常运行状态时，投入无功补偿设备，换流母线电压上升，系统稳定，灵敏度为正值。若系统强度降低到一定程度，可能造成灵敏度为负值，意味着此时再投入无功补偿设备，换流母线电压反而下降，进而导致电压崩溃，系统失去稳定。因此可以用静态电压调节灵敏度指标反映换流母线处的静态电压稳定性问题。这一指标是光伏并网容量、直流系统输送容量、交流等值电抗的函数，同时也受高压直流输电系统内部参数的影响。分析系统中各部分对换流母线电压稳定性的贡献可以发现，式(10)中涉及到弱交流主网和LCC控制策略的项为正，因此对电压稳定性起积极作用；而涉及光伏交流汇集线路的项为负，对换流母线电压稳定起消极作用。

交流系统对直流系统的支撑强度很大程度上取决于二者容量的相对关系。为了更准确地刻画系统强度，为高压直流输电系统稳定运行提供参考，目前已有相关一些指标进行了定义。

短路比(short circuit ratio，SCR)定义为额定运行时交流系统短路容量与直流系统额定功率的比值，即

式中，S

为了计及换流站内无功补偿设备对交流系统强度的影响，又定义了有效短路比(effective short circuit ratio，ESCR)指标，如式(12)所示：

在大规模光伏并网的弱送端系统中，光伏汇集线路与弱联系的交流主网共同作为送端换流站的交流支撑，影响换流母线电压稳定性。与常规交流系统不同的是，采用电流控制方式的光伏并网逆变器在换流母线短路后失去交流参考电压，无法继续向系统馈入能量，对短路电流没有贡献。因此按照原有短路比S

参照有效短路比的定义对式(10)进行变形，变形结果如式(13)所示：

其中，

式(13)中交流主网对换流母线电压的支撑作用有两部分，分别为等式c的第一项

定义M

定义S

当送端换流母线达到静态电压稳定极限时，式(15)取值为0，此时有：

当送端综合短路比S

S

参考图3所示，图3是不同的光伏出力下，dB

下面分析S

图4结果表明，本专利定义的S

可选地，送端控制器根据功率给定值使送端吸收有功P

根据以下公式，确定送端换流器吸收的无功Q

其中，φ

可选地，根据交流主网等值阻抗X

设置交流主网等值阻抗Z

消去母线相位差角，可以得出

其中，P

确定汇集线路的功率损耗

其中，

确定光伏电站馈入并网母线的功率

根据汇集线路的功率损耗

可选地，根据所述送端换流器吸收的无功Q

根据以下公式，确定无功补偿设备容量的求导公式：

可选地，根据有效短路比E

确定有效短路比E

其中，S

根据有效短路比E

其中，/>

将所述变形公式进行简化，确定简化公式为：

根据所述简化公式，确定改进有效短路比M

可选地，根据所述改进有效短路比M

根据以下公式，确定送端综合短路比S

S

可选地，还包括：

当送端综合短路比S

若继续增大光伏出力将导致换流母线静态电压调节灵敏度发生突变，确定造成电压失稳。从而，送端综合短路比S

根据本发明的另一个方面，还提供了一种确定综合短路比的系统500，参考图5所示，该系统500包括：

确定送端换流器吸收无功模块510，用于送端控制器根据功率给定值使送端吸收有功P

确定交流主网无功功率模块520，用于根据交流主网等值阻抗X

确定光伏发电无功功率模块530，用于根据汇集线路的功率损耗

确定无功补偿设备容量模块540，用于根据所述送端换流器吸收的无功Q

确定改进有效短路比模块550，用于根据有效短路比E

确定送端综合短路比模块560，用于根据所述改进有效短路比M

可选地，确定送端换流器吸收无功模块510，包括：

确定送端换流器吸收无功子模块，用于根据以下公式，确定送端换流器吸收的无功Q

其中，φ

可选地，确定交流主网无功功率模块520，包括：

确定弱交流母线功率子模块，用于设置交流主网等值阻抗Z

消去母线相位差角子模块，用于消去母线相位差角，可以得出

其中，P

可选地，确定光伏发电无功功率模块530，包括：

确定汇集线路功率损耗子模块，用于确定汇集线路的功率损耗

其中，

确定光伏电站母线功率子模块，用于确定光伏电站馈入并网母线的功率

确定光伏发电无功功率子模块，用于根据汇集线路的功率损耗

可选地，确定无功补偿设备容量模块540，包括：

确定无功补偿设备容量子模块，用于根据以下公式，确定无功补偿设备容量的求导公式：

可选地，确定改进有效短路比模块550，包括：

确定有效短路比子模块，用于确定有效短路比E

其中，S

确定变形公式子模块，用于根据有效短路比E

其中，/>

确定简化公式子模块，用于将所述变形公式进行简化，确定简化公式为：

确定改进有效短路比子模块，用于根据所述简化公式，确定改进有效短路比M

可选地，确定送端综合短路比模块560，包括：

确定送端综合短路比子模块，用于根据以下公式，确定送端综合短路比S

S

可选地，还包括：

确定临界稳定模块，用于当送端综合短路比SCSCR取值为-1时，确定送端换流母线电压处于临界稳定状态；

确定电压失稳模块，用于若继续增大光伏出力，将导致换流母线静态电压调节灵敏度发生突变，确定造成电压失稳。

本发明的实施例的一种确定综合短路比的系统500与本发明的另一个实施例的一种确定综合短路比的方法100相对应，在此不再赘述。

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。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

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。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。