本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制，具體為一種多新能源場站協(xié)同的電壓緊急控制方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、風電、光伏等新能源并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)增大，大容量特高壓直流輸電應用逐漸增多，是當前交直流混聯(lián)大電網(wǎng)發(fā)展的兩個重要趨勢和特征，深度改變著電源結(jié)構(gòu)和輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其影響主要體現(xiàn)在兩方面：

2、（1）受端電網(wǎng)負荷集中，新能源與負荷耦合緊密。新能源發(fā)電設備耐頻耐壓能力較弱，受端電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障后，可能進入低電壓穿越或引發(fā)低電壓保護動作，進而大面積脫網(wǎng)，導致受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)。

3、（2）由于多直流的饋入和大規(guī)模新能源并網(wǎng)，等容量的同步機組被替代而退出運行，負荷中心“空心化”的特征更加明顯，受端電網(wǎng)暫態(tài)無功支撐能力和等效慣量降低，暫態(tài)低壓低頻問題日益突出。此外，直流受端電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障后，直流功率恢復過程中逆變站將從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，加之重載感應電動機負荷在轉(zhuǎn)速恢復過程中的低功率因數(shù)運行，均進一步加劇了系統(tǒng)的暫態(tài)電壓問題。

4、緊急控制作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的第二道防線，是針對預先考慮的故障形式和運行方式，由故障事件觸發(fā)預定的控制策略，綜合協(xié)調(diào)全系統(tǒng)緊急控制措施投入的數(shù)量和實施地點，對需要采取切機或切負荷控制的子站發(fā)出控制命令。通常的緊急控制措施包括快關汽門、切機/切負荷、制動電阻等。由于不需要系統(tǒng)頻率等反饋信號觸發(fā)，可以在監(jiān)測到故障后的百毫秒尺度快速動作，統(tǒng)籌全網(wǎng)可用資源，使得系統(tǒng)在嚴重故障后快速達到新的平衡狀態(tài)。

5、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定緊急控制裝置一直是工業(yè)界和學術界研究的重點，但由于實際系統(tǒng)參數(shù)和模型的不確定性以及故障條件和穩(wěn)定邊界計算的復雜性，存在因誤判系統(tǒng)穩(wěn)定性而導致緊急控制措施誤動的可能，同時電力電子設備的暫態(tài)特性時間常數(shù)較小，當前緊急控制在利用電力電子設備的快速調(diào)節(jié)特性方面仍有較多的改進空間。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為解決高比例新能源電網(wǎng)的暫態(tài)電壓安全問題，本發(fā)明提出了一種多新能源場站協(xié)同的電壓緊急控制方法及系統(tǒng)。

2、技術方案：第一種方案為：一種多新能源場站協(xié)同的電壓緊急控制方法，包括以下步驟：

3、當出現(xiàn)三相短路故障時，確定故障點以及該故障點所在支路連接的母線，將該母線記為待支撐母線；將與待支撐母線直接連接且連接阻抗小于設定閾值的母線定義為近端母線，將其他接入新能源場站的母線定義為遠端母線；

4、對于任意一遠端母線而言，其當前電壓值與穩(wěn)態(tài)時的電壓值的差的絕對值定義為受擾程度，當發(fā)生三相短路故障時，將受擾程度超過受擾程度閾值的遠端母線所接的新能源場站作為預備調(diào)節(jié)資源，從而形成場站集合s1；計算場站集合s1中每個新能源場站的可調(diào)節(jié)容量，按照可調(diào)節(jié)容量從大到小，對場站集合s1中的新能源場站進行排序，形成新的場站集合s2；根據(jù)故障點以及該故障點所在支路連接的母線，估算暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，以及估算近端母線所能提供的短路支路無功電流和估算遠端母線所需提供的短路支路無功電流；

5、估算新的場站集合s2中第一個新能源場站所能提供的短路支路無功電流；將新的場站集合s2中的第一個新能源場站所能提供的短路支路無功電流與遠端母線所需提供的短路支路無功電流進行比較，若滿足需求，則確定第一個新能源場站參加緊急控制；若不滿足需求，則估算新的場站集合s2中第二個新能源場站所能提供的短路支路無功電流，將其與第一個新能源場站所能提供的短路支路無功電流進行相加，相加后的值與遠端母線所需提供的短路支路無功電流進行比較，若滿足需求，則確定第一個新能源場站和第二個新能源場站參加緊急控制；若不滿足需求，則按順序繼續(xù)計算新的場站集合s2中其他新能源場站所能提供的短路支路無功電流，累加直至滿足遠端母線所需提供的短路支路無功電流的需求，得到確定參加緊急控制的新能源場站；

6、向與近端母線連接的新能源場站和確定參加緊急控制的新能源場站下達電壓緊急控制命令；

7、各新能源場站根據(jù)電壓緊急控制命令，將控制策略切換為暫態(tài)電壓緊急控制，為待支撐母線提供無功支撐；待三相短路故障消除后，各新能源場站解除暫態(tài)電壓緊急控制，轉(zhuǎn)為控制策略。

8、進一步的，采用新能源場站總電流限值作為新能源場站的可調(diào)節(jié)容量；所述新能源場站總電流限值按照下式計算得到：

9、；

10、式中， i cmax為新能源場站總電流限值，nc為新能源場站中變流器數(shù)目，icmaxi為第i個變流器的電流限值。

11、進一步的，當兩個新能源場站的可調(diào)節(jié)容量相等時，按照調(diào)節(jié)速度快慢決定排序；

12、所述調(diào)節(jié)速度快慢按照下式計算得到：

13、；

14、式中，kpi、kii分別為新能源場站中第i個變流器的比例和積分系數(shù)，nc為新能源場站中變流器數(shù)目，kavr為新能源場站的調(diào)節(jié)速度。

15、進一步的，所述的根據(jù)故障點以及該故障點所在支路連接的母線，估算暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，具體計算包括：

16、；

17、式中，is為暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，utar為暫態(tài)電壓工況下待支撐母線的目標電壓值，z0為故障點所在支路的阻抗。

18、進一步的，所述的估算近端母線所能提供的短路支路無功電流，具體計算包括：

19、按照近端母線所接電源的類型，估算所能提供的短路支路無功電流；所述電源的類型包括同步發(fā)電機和新能源場站；

20、對于多個近端母線，把各近端母線所能提供的短路支路無功電流相加。

21、進一步的，當近端母線所接為同步發(fā)電機時，按照下式估算得到近端母線所能提供的短路支路無功電流：

22、；

23、式中，isng為近端母線所接同步發(fā)電機能提供的短路支路無功電流，eg為同步發(fā)電機額定工況下的內(nèi)電勢，zgs為同步發(fā)電機內(nèi)電勢與母線間的阻抗，z0為短路故障點所在的支路阻抗；

24、當近端母線所接為新能源場站時，將該新能源場站中的變流器的輸出電流限制值作為計算依據(jù)，此時，按照下式估算得到近端母線所能提供的短路支路無功電流：

25、；

26、其中，isnc為近端母線所接新能源場站能提供的短路支路無功電流，kc為電流系數(shù)，icmaxf為變流器的輸出電流限制值，ncf為新能源場站變流器數(shù)目。

27、進一步的，所述的估算遠端母線所需提供的短路支路無功電流，具體計算包括：

28、；

29、式中，isf為遠端母線所需提供的短路支路無功電流，is為暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，isn為近端母線所能提供的短路支路無功電流。

30、進一步的，估算新的場站集合s2中新能源場站所能提供的短路支路無功電流，具體計算包括：

31、；

32、式中，utar為暫態(tài)電壓工況下待支撐母線的目標電壓值，isfm為新的場站集合s2中第m個新能源場站所能提供的短路支路無功電流；isn為近端母線所能提供的短路支路無功電流；zm0min為待支撐母線到新的場站集合s2中第m個新能源場站所在母線最短路徑的阻抗值和內(nèi)阻之和；zfs為新的場站集合s2中第m個新能源場站到其所接母線的連接阻抗，z0為短路故障點所在的支路阻抗。

33、進一步的，所述的各新能源場站根據(jù)電壓緊急控制命令，將控制策略切換為暫態(tài)電壓緊急控制，為待支撐母線提供無功支撐，具體操作包括：

34、對于任意一個新能源場站，其內(nèi)部包括：有功功率控制回路和無功功率控制回路；在所述有功功率控制回路中，采用有功外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在控制信號en下，生成用于控制變流器的d軸電壓 u d；在所述無功功率控制回路中，采用無功外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在控制信號en下，生成用于控制變流器的q軸電壓 u q；

35、當任意一個新能源場站收到電壓緊急控制命令時，控制信號en=1，將生成的用于控制變流器的d軸電壓 u d和用于控制變流器的q軸電壓 u q變換成三相電壓信號，將該三相電壓信號作為調(diào)制波電壓，對變流器進行pwm控制。

36、第二種方案為：一種多新能源場站協(xié)同的電壓緊急控制系統(tǒng)，包括：

37、故障點以及該故障點所在支路連接的母線確認模塊，用于當出現(xiàn)三相短路故障時，確定故障點以及該故障點所在支路連接的母線，將該母線記為待支撐母線；將與待支撐母線直接連接且連接阻抗小于設定閾值的母線定義為近端母線，將其他接入新能源場站的母線定義為遠端母線；

38、場站集合形成模塊，用于對于任意一遠端母線而言，其當前電壓值與穩(wěn)態(tài)時的電壓值的差的絕對值定義為受擾程度，當發(fā)生三相短路故障時，將受擾程度超過受擾程度閾值的遠端母線所接的新能源場站作為預備調(diào)節(jié)資源，從而形成場站集合s1；計算場站集合s1中每個新能源場站的可調(diào)節(jié)容量，按照可調(diào)節(jié)容量從大到小，對場站集合s1中的新能源場站進行排序，形成新的場站集合s2；

39、短路支路無功電流估算模塊，用于根據(jù)故障點以及該故障點所在支路連接的母線，估算暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，以及估算近端母線所能提供的短路支路無功電流和估算遠端母線所需提供的短路支路無功電流；

40、參加緊急控制的新能源場站確定模塊，用于估算新的場站集合s2中第一個新能源場站所能提供的短路支路無功電流；將新的場站集合s2中的第一個新能源場站所能提供的短路支路無功電流與遠端母線所需提供的短路支路無功電流進行比較，若滿足需求，則確定第一個新能源場站參加緊急控制；若不滿足需求，則估算新的場站集合s2中第二個新能源場站所能提供的短路支路無功電流，將其與第一個新能源場站所能提供的短路支路無功電流進行相加，相加后的值與遠端母線所需提供的短路支路無功電流進行比較，若滿足需求，則確定第一個新能源場站和第二個新能源場站參加緊急控制；若不滿足需求，則按順序繼續(xù)計算新的場站集合s2中其他新能源場站所能提供的短路支路無功電流，累加直至滿足遠端母線所需提供的短路支路無功電流的需求，得到確定參加緊急控制的新能源場站；

41、電壓緊急控制命令下發(fā)模塊，用于向與近端母線連接的新能源場站和確定參加緊急控制的新能源場站下達電壓緊急控制命令；

42、控制切換模塊，用于根據(jù)電壓緊急控制命令，將控制策略切換為暫態(tài)電壓緊急控制，為待支撐母線提供無功支撐；待三相短路故障消除后，各新能源場站解除暫態(tài)電壓緊急控制，轉(zhuǎn)為控制策略。

43、進一步的，采用新能源場站總電流限值作為新能源場站的可調(diào)節(jié)容量；所述新能源場站總電流限值按照下式計算得到：

44、；

45、式中， i cmax為新能源場站總電流限值，nc為新能源場站中變流器數(shù)目，icmaxi為第i個變流器的電流限值。

46、進一步的，當兩個新能源場站的可調(diào)節(jié)容量相等時，按照調(diào)節(jié)速度快慢決定排序；

47、所述調(diào)節(jié)速度快慢按照下式計算得到：

48、；

49、式中，kpi、kii分別為新能源場站中第i個變流器的比例和積分系數(shù)，nc為新能源場站中變流器數(shù)目，kavr為新能源場站的調(diào)節(jié)速度。

50、進一步的，所述的根據(jù)故障點以及該故障點所在支路連接的母線，估算暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，具體計算包括：

51、；

52、式中，is為暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，utar為暫態(tài)電壓工況下待支撐母線的目標電壓值，z0為故障點所在支路的阻抗。

53、進一步的，所述的估算近端母線所能提供的短路支路無功電流，具體計算包括：

54、按照近端母線所接電源的類型，估算所能提供的短路支路無功電流；所述電源的類型包括同步發(fā)電機和新能源場站；

55、對于多個近端母線，把各近端母線所能提供的短路支路無功電流相加。

56、進一步的，當近端母線所接為同步發(fā)電機時，按照下式估算得到近端母線所能提供的短路支路無功電流：

57、；

58、式中，isng為近端母線所接同步發(fā)電機能提供的短路支路無功電流，eg為同步發(fā)電機額定工況下的內(nèi)電勢，zgs為同步發(fā)電機內(nèi)電勢與母線間的阻抗，z0為短路故障點所在的支路阻抗；

59、當近端母線所接為新能源場站時，將該新能源場站中的變流器的輸出電流限制值作為計算依據(jù)，此時，按照下式估算得到近端母線所能提供的短路支路無功電流：

60、；

61、其中，isnc為近端母線所接新能源場站能提供的短路支路無功電流，kc為電流系數(shù)，icmaxf為變流器的輸出電流限制值，ncf為新能源場站變流器數(shù)目。

62、進一步的，所述的估算遠端母線所需提供的短路支路無功電流，具體計算包括：

63、；

64、式中，isf為遠端母線所需提供的短路支路無功電流，is為暫態(tài)電壓支撐所需的短路支路無功電流，isn為近端母線所能提供的短路支路無功電流。

65、進一步的，估算新的場站集合s2中新能源場站所能提供的短路支路無功電流，具體計算包括：

66、；

67、式中，utar為暫態(tài)電壓工況下待支撐母線的目標電壓值，isfm為新的場站集合s2中第m個新能源場站所能提供的短路支路無功電流；isn為近端母線所能提供的短路支路無功電流；zm0min為待支撐母線到新的場站集合s2中第m個新能源場站所在母線最短路徑的阻抗值和內(nèi)阻之和；zfs為新的場站集合s2中第m個新能源場站到其所接母線的連接阻抗，z0為短路故障點所在的支路阻抗。

68、進一步的，所述的各新能源場站根據(jù)電壓緊急控制命令，將控制策略切換為暫態(tài)電壓緊急控制，為待支撐母線提供無功支撐，具體操作包括：

69、對于任意一個新能源場站，其內(nèi)部包括：有功功率控制回路和無功功率控制回路；在所述有功功率控制回路中，采用有功外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在控制信號en下，生成用于控制變流器的d軸電壓 u d；在所述無功功率控制回路中，采用無功外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在控制信號en下，生成用于控制變流器的q軸電壓 u q；

70、當任意一個新能源場站收到電壓緊急控制命令時，控制信號en=1，將生成的用于控制變流器的d軸電壓 u d和用于控制變流器的q軸電壓 u q變換成三相電壓信號，將該三相電壓信號作為調(diào)制波電壓，對變流器進行pwm控制。

71、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

72、（1）本發(fā)明方法針對持續(xù)時間較長的嚴重三相短路故障，將故障支路所接母線中距離故障點較遠的母線作為待支撐母線，將與該母線相連且連接阻抗較小的母線定義為近端母線，電網(wǎng)中其他接入新能源場站的母線定義為遠端母線，依據(jù)遠端母線受擾程度篩選可進行暫態(tài)電壓支撐的新能源場站，并依據(jù)可調(diào)容量和調(diào)節(jié)速度指標對目標場站進行排序；基于提升暫態(tài)電壓所需無功電流估算遠端新能源場站所需提供的無功電流，并按順序估算計算各遠端場站所能提供支撐電流，直至各遠端場站支撐電流累加后滿足無功電流需求，并向相關場站下達緊急控制命令；選定場站變流器啟動緊急電壓控制，由原來的功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制變?yōu)殡娏鲉苇h(huán)控制，快速輸出無功功率進行暫態(tài)電壓支撐；待故障結(jié)束后變流器恢復原控制；本發(fā)明方法通過變流器功率環(huán)-電流環(huán)切換策略快速輸出無功支撐暫態(tài)電壓，解決了當前緊急電壓控制中的響應快速性和控制量精準度兩方面問題，可以有效的利用新能源變流器的快速支撐特性對暫態(tài)電壓進行支撐，保證電網(wǎng)安全，提高電網(wǎng)的抗風險和抗擾動能力；

73、（2）本發(fā)明方法通過改進新能源變流器的暫態(tài)電壓控制，充分發(fā)揮其快速精準無功輸出能力，通過緊急控制調(diào)動遠端新能源的暫態(tài)電壓支撐能力，協(xié)調(diào)全網(wǎng)的可用無功源對電網(wǎng)進行系統(tǒng)支撐，將合適的變流器暫態(tài)電壓控制策略與電網(wǎng)的緊急控制相結(jié)合，是實現(xiàn)高比例新能源電網(wǎng)下的快速暫態(tài)電壓支撐的有效途徑，能夠保證新型電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓安全穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平；

74、（3）本發(fā)明方法發(fā)揮了新能源場站的快速調(diào)節(jié)特性以有效支撐暫態(tài)電壓，通過變流器的暫態(tài)電壓控制策略充分利用不同工況下的無功功率容量，達到顯著提升故障和擾動情況下的暫態(tài)電壓支撐潛力。