CN102361329A - 一种用于混合交直流系统动态特性研究的建模方法 - Google Patents

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刘民
姚金霞
于大洋
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Abstract

本发明公开了一种用于混合交直流输电系统动态特性研究的建模方法，该建模方法的实现步骤如下：在仿真软件PSCAD中首先搭建直流输电系统的主电路与控制电路，并在直流输电系统主电路上的换流母线处连接等值后的交流系统，形成完整的混合交直流系统模型；本发明可以较好地仿真研究混合交直流输电系统的动态特性，对直流系统详细建模，交流系统进行等值处理，在直流系统的换流母线处使交直流相连接。这样大大减少了交流系统详细建模的难度和工作量，又能保证研究的准确性。

Description

一种用于混合交直流系统动态特性研究的建模方法
技术领域
本发明涉及一种用于混合交直流系统动态特性研究的建模方法。
背景技术
直流输电系统动态特性长期以来一直是直流工程关注的重点，而且随着直流工程规模越来越大，直流输送容量越来越高，其重要性日益凸显。直流动态特性分析内容极其广泛，所有直流侧的研究都可以包含在内，而且其中每一个方面都值得单独进行细致的研究。按照直流输电系统的结构，从系统角度出发，与电磁暂态过程相关的研究方向可以归纳为：
1.直流输电引起的次同步谐振问题；
2.与换流站相连的发电机的自励磁问题；
3.用于电磁暂态仿真的交流系统等值问题；
4.不同交流系统强度以及不同交流侧故障下，直流系统的响应问题；
5.变压器的饱和以及偏磁问题；
6.换流变压器的铁磁谐振问题；
7.直流输电引起的谐波以及低次谐振问题；
8.直流输电换流站的暂态过电压(TOV)问题；
9.直流输电控制保护系统的特性分析以及新控制策略；
10.直流输电系统故障响应特性以及故障恢复问题；
11.换相失败以及多馈入直流输电的换相失败；
12.直流输电线路故障以及与交流线路的电磁耦合；
13.直流输电的通讯干扰问题。
以上研究都属于直流输电动态特性分析，每个课题之间并非独立，而是相互关联。如上所述，每个课题都值得投入精力去深入研究，而且针对以上研究课题，无论工程界还是学术界都已经或多或少的涉及，但因为各自关注重点不同，因此具体研究内容和方法也存在差异。
无论直流系统还是交流系统，故障是不可避免的。而不同故障下逆变换流站的响应特性也存在差异。例如，交流侧三相故障导致换流母线电压跌落，接地电阻大小将影响到电压跌落的幅度，从而决定了逆变站是否会发生换相失败，而换相失败将直接导致直流输送功率的中断；单相接地故障不仅会引起电压复制跌落，同时由于三相不对称，其过零点偏移也会导致直流的换相过程受到影响。在同样类型的故障下，又会因为交流系统强弱的不同，所联结的直流系统的特性也存在很大差异。故障本身无法避免，如何避免直流系统故障无疑重要，但是如何能使得直流系统快速从故障中恢复，从而恢复功率输送，同样也是人们一直关注的问题。
对于仿真技术而言，如前所述电力系统仿真可以分为机电暂态仿真和电磁暂态仿真两个大类，其研究目的和建模方法都存在很大差异。机电暂态仿真一般采用PSS/E或BPA，其关注点在于大电网的暂态稳定，不可能也不需要对直流输电系统进行细致的工程模拟。而要对含有电力电子元器件的系统，如直流输电或者FACTS进行特性分析，必须依赖电磁暂态仿真分析。ABB和SIEMENS都曾试图采用一种软件来覆盖机电暂态和电磁暂态仿真，但由于技术以及其他原因最终放弃该路线，转而使用PSS/E进行机电暂态仿真，使用PSCAD/EMTDC进行电磁暂态仿真。
PSCAD/EMTDC，作为一款电力系统电磁暂态仿真软件，已经得到全世界工程界的认可，尤其是其在处理电力电子元器件领域更是独树一帜。除了利用PSCAD/EMTDC进行仿真以外，直流输电系统动态特性研究还可借助于RTDS进行实时仿真。无疑，RTDS仿真更为接近于工程实际，但其硬件投资很大，一般运行单位和学校很难具备实验条件。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提出一种用于混合交直流输电系统动态特性研究的建模仿真方法，可以为实际工程运作提供一定的理论指导。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于混合交直流系统动态特性研究的建模方法，该建模方法的实现步骤如下：在仿真软件PSCAD中首先搭建直流输电系统的主电路与控制电路，并在直流输电系统主电路上的换流母线处连接等值后的交流系统，形成完整的混合交直流系统模型；
具体建模如下：
A.在所述直流输电系统的主电路中：
1)整流侧的等值交流系统I与母线I连接，在母线I上并联有若干个换流变压器I，各换流变压器I与一个相应的换流阀I连接，各换流阀I串接，串接的换流阀I间通过隔离开关I与中性点接地电阻I连接后接地；同时串接的换流阀I两端还分别通过平波电抗器I、直流输电线路电阻与逆变侧电路的平波电抗器II串接；同时母线I上还并联若干个补偿电容I、若干组交流滤波器I；
2)逆变侧的等值交流系统II与母线II连接，在母线II上并联若干个换流变压器II，各换流变压器II与一个相应的换流阀II连接，各换流阀II串接，串接的换流阀II间通过隔离开关II与中性点接地电阻II连接后接地；同时串接的换流阀II两端还分别通过平波电抗器II、直流输电线路电阻与整流侧电路的平波电抗器I串接；同时母线II上还并联若干个补偿电容II、若干组交流滤波器II；
B.在所述直流输电系统的控制电路中：
1)整流侧采用定电流控制，整流侧直流线路电流输入到整流侧电压测量模块，与低压限流模块返回的电流值经加/减法器处理、PI控制器整定，与定值π通过加/减法器处理，得到整流侧换流阀I的触发角，将此作为输入值返回到直流输电系统主电路中的换流阀I，对直流系统主电路整流侧进行控制；
2)逆变侧采用定电流控制和定熄弧角控制结合的控制模式，逆变侧的电压输入到逆变侧电压测量模块，逆变侧电流输入到逆变侧电流测量模块，通过定值乘法器和加/减法器对输入到逆变侧电压测量模块的电压值进行补偿，补偿后的电压经低压限流模块与输入到逆变侧电流测量模块的电流通过加/减法器进行作差处理，再经加/减法器与电流裕度值作差，通过PI控制器整定，最后形成定电流控制输出，熄弧角输入到熄弧角测量模块，与电流偏差控制模块输出的值和额定熄弧角定值经加/减法器处理后，通过最大值选择模块与熄弧角偏差设定值进行取大处理后通过PI控制器整定，形成定熄弧角控制输出，定电流控制输出与定熄弧角控制输出最后通过最大值选择模块进行取大处理，与定值π通过加/减法器作差，得到逆变侧触发角，将此作为输入值返回到直流输电系统主电路中换流阀II，对直流系统主电路逆变侧进行控制；
C.直流系统主电路中母线I与交流系统I连接，母线II与交流系统II连接，与等值交流系统中的一条500kV母线连接，形成完整的混合交直流系统模型。
所述直流系统的主电路采用双极直流输电系统形式，所述直流系统的控制电路基于国际大电网CIGRE单极直流标准电路的模型。
在所述的等值交流系统中，保留交流系统中所有的500kV电压等级的母线和输电线路，对500kV电压等级以下的所有母线和输电线路进行等值处理，用一条连有一个等值发电机模型、一个等值电动机模型和一个等值恒阻抗负荷模型的等值母线来代替；500kV母线之间用交流线连接，500kV母线和该母线下层的等值交流系统之间用一个变压器模型连接。
本发明的有益效果是：它可以较好地仿真研究混合交直流输电系统的动态特性，对直流系统详细建模，交流系统进行等值处理，在直流系统的换流母线处使交直流相连接。这样大大减少了交流系统详细建模的难度和工作量，又能保证研究的准确性。
附图说明
图1为直流输电系统的主电路；
图2为直流输电系统的控制电路；
图3为交流系统的等值电路；
图4(a)为正极整流侧直流电压波形；
图4(b)为正极整流侧直流电流波形；
图4(c)为正极逆变侧直流电压波形；
图4(d)为正极逆变侧直流电流波形；
图4(e)为负极整流侧直流电压波形；
图4(f)为负极整流侧直流电流波形；
图4(g)为负极逆变侧直流电压波形；
图4(h)为负极逆变侧直流电流波形；
图4(i)为直流系统传输的有功功率波形；
图4(j)为直流系统传输的无功功率波形；
其中，1.交流系统I，2.母线I，3.换流变压器I，4.换流阀I，5.隔离开关I，6.平波电抗器I，7.中性点接地电阻I，8补偿电容I，9.交流滤波器I，10.直流输电线路电阻，11.交流系统II，12.母线II，13.换流变压器II，14.换流阀II，15.隔离开关II，16.平波电抗器II，17.中性点接地电阻II，18.补偿电容II，19.交流滤波器II，20.直流控制系统，21.整流侧电压测量模块，22.逆变侧电压测量模块，23.逆变侧电流测量模块，24.熄弧角测量模块，25.低压限流模块，26.PI控制器，27.最大值选择模块，28.电流偏差控制模块，29.加(减)法器，30.定值乘法器，31.π值输入模块，32.电流裕度值，33.额定熄弧角，34.熄弧角偏差设定值，35.500kV母线，36.变压器，37.等值母线，38.等值恒阻抗负荷，39.等值发电机，40.等值电动机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
一种用于混合交直流输电系统动态特性研究的建模方法，在仿真软件PSCAD中首先搭建直流系统的主电路和控制电路，主电路采用国内最常见双极直流输电系统形式，控制电路基于CIGRE(国际大电网)单极直流标准电路的模型进行扩充改进，使其能对双极直流输电系统进行控制。直流系统的换流母线上接入交流系统模块。交流系统往往是比较大的电网，详细建模是不符合实际的，为此需要对交流系统进行等值处理，等值的目的是在保证动态特性不变的基础上对交流系统进行简化，使之既能满足仿真需求又能较容易地建立。采用一种基于物理等效的系统等值方法，根据国内电网特点，保留研究的交流系统中所有的500kV电压等级的母线和输电线路，对500kV电压等级以下的所有母线和输电线路进行等值处理，用一条连有一个发电机模型、一个电动机模型和一个恒阻抗负荷模型的等值母线来代替。500kV母线之间用交流线连接，500kV母线和该母线下层的等值交流系统之间用一个变压器模型连接。
图1、图2中，在仿真软件中建立双极直流输电系统的详细主电路与控制电路，并使主电路与控制电路连接，图3为交流系统的等值电路，交流系统的500kV母线与直流系统主电路上的换流母线连接，这样便构成了完整的交直流混合系统。
直流系统主电路包括整流侧等值交流系统1，它与母线I2连接，在母线I2上并联有若干个换流变压器I3，各换流变压器I3与一个相应的换流阀I4连接，各换流阀I4串接，串接的换流阀I4间通过隔离开关15与中性点接地电阻I7连接后接地；同时串接的换流阀I4两端还分别通过平波电抗器I6、直流输电线路电阻10与逆变侧电路的平波电抗器II16串接；同时交流母线I2上还并联若干个补偿电容I8、若干组交流滤波器I9；
直流系统主电路逆变侧电路的母线II12与逆变侧等值交流系统11连接，交流母线II12上并联若干个换流变压器II13，各换流变压器II13与一个相应的换流阀II14连接，各换流阀II14串接，串接的换流阀II14间通过隔离开关II15与中性点接地电阻II17连接后接地；同时串接的换流阀II14两端还分别通过平波电抗器II16、直流输电线路电阻10与整流侧电路的平波电抗器I6串接；同时交流母线II12上还并联若干个补偿电容II18、若干组交流滤波器II19；
直流系统控制电路中，整流侧采用定电流控制，整流侧直流线路电流输入到整流侧电压测量模块21，与低压限流模块25返回的电流值经加(减)法器29处理、PI控制器26整定，与定值π31通过加(减)法器29处理，得到整流侧换流阀I4的触发角，将此作为输入值返回到直流输电系统主电路中的换流阀I4，对直流系统主电路整流侧进行控制。
直流系统控制电路中，逆变侧采用定电流控制和定熄弧角控制结合的控制模式，逆变侧的电压输入到逆变侧电压测量模块22，逆变侧电流输入到逆变侧电流测量模块23，通过定值乘法器30和加(减)法器29对输入到逆变侧电压测量模块22的电压值进行补偿，补偿后的电压经低压限流模块25与输入到逆变侧电流测量模块23的电流通过加(减)法器29进行作差处理，再经加(减)法器29与电流裕度值32作差，通过PI控制器26整定，最后形成定电流控制输出，熄弧角输入到熄弧角测量模块24，与电流偏差控制模块28输出的值和额定熄弧角定值33经加(减)法器29处理后，通过最大值选择模块27与熄弧角偏差设定值34进行取大处理后通过PI控制器26整定，形成定熄弧角控制输出，定电流控制输出与定熄弧角控制输出最后通过最大值选择模块27进行取大处理，与定值π31通过加(减)法器作差，得到逆变侧触发角，将此作为输入值返回到直流输电系统主电路中换流阀II14，对直流系统主电路逆变侧进行控制。
直流系统主电路中换流母线I2与交流系统I1连接，换流母线II12与交流系统II11连接，与交流系统的连接即与等值交流系统中的一条500kV母线35连接。图3中，一条500kV母线35通过变压器36与等值母线37连接，等值母线37的电压等级可以根据需要设定，等值母线37下连接一个恒阻抗负荷38，一个等值发电机39，一个等值电动机40。为了保证等值前后动态特性的相近，恒阻抗负荷与等值电动机负荷消耗的有功功率设置为相等，也就是各占500kV母线总出力的50％。等值发电机出力按照实际出力总和进行计算，交流系统的所有500kV母线按照实际连接方式相连，构成了完整的系统。
模型验证：按照上述混合交直流系统的建模方法，对±660kV银东直流系统和逆变侧交流系统(山东电网)进行建模验证，建模后运行该模型，交流系统数据验证如下表：
山东电网等值前后主干网架上500kV节点的电压幅值及相角比较如表1：
表1山东电网等值前后500kV节点电压
Figure BDA0000099854470000061
Figure BDA0000099854470000081
等值前后山东电网主干网架上500kV节点的短路电流幅值及相角如表2所示：
表2等值前后山东电网500kV节点短路电流幅值及相角
Figure BDA0000099854470000091
由上表可见，山东电网等值后的500kV节点电压和动态特性(短路电流)变化很小，满足建模要求，该等值方法是准确的。
在实际的工程中，功率正送方式下，降压方式除外，传输功率从最小功率至额定功率时，考虑所有可能误差在内的直流运行电压最高不应超过680kV，最低不应小于640kV。银东±660kV直流输电工程功率正送方式时，从宁东换流站向青岛换流站传输功率能力为：双极运行输送4000MW。
系统运行后所得图形参数如图4(a)-(g)所示：
从仿真结果可得，两极整流侧直流电压值都介于650-670kV，其值符合直流系统额定运行下的标准值，两极整流侧直流电流是3-3.05kA，其值也符合直流系统额定运行下的标准值。两极逆变侧直流电压为630-650kV，直流电流为3-3.02kA，两极熄弧角稳定后其值大小为17度，直流系统输送的有功功率约为3850MW，吸收的无功功率约为2200MVAR，考虑到误差允许的范围，均与实际工程吻合。从而证明该用于混合交直流系统动态特性研究的仿真建模方法是可行的。

Claims (3)

1.一种用于混合交直流系统动态特性研究的建模方法，其特征是，该建模方法的实现步骤如下：在仿真软件PSCAD中首先搭建直流输电系统的主电路与控制电路，并在直流输电系统主电路上的换流母线处连接等值后的交流系统，形成完整的混合交直流系统模型；
具体建模如下：
A.在所述直流输电系统的主电路中：
1）整流侧的等值交流系统I（1）与母线I（2）连接，在母线I（2）上并联有若干个换流变压器I（3），各换流变压器I（3）与一个相应的换流阀I（4）连接，各换流阀I（4）串接，串接的换流阀I（4）间通过隔离开关I（5）与中性点接地电阻I（7）连接后接地；同时串接的换流阀I（4）两端还分别通过平波电抗器I（6）、直流输电线路电阻（10）与逆变侧电路的平波电抗器II（16）串接；同时母线I（2）上还并联若干个补偿电容I（8）、若干组交流滤波器I（9）；
2）逆变侧的等值交流系统II（11）与母线II（12）连接，在母线II(12)上并联若干个换流变压器II(13)，各换流变压器II(13)与一个相应的换流阀II(14)连接，各换流阀II(14)串接，串接的换流阀II(14)间通过隔离开关II(15)与中性点接地电阻II(17)连接后接地；同时串接的换流阀II(14)两端还分别通过平波电抗器II(16)、直流输电线路电阻(10)与整流侧电路的平波电抗器I(6)串接；同时母线II(12)上还并联若干个补偿电容II(18)、若干组交流滤波器II(19)；
B.在所述直流输电系统的控制电路中：
1)整流侧采用定电流控制，整流侧直流线路电流输入到整流侧电压测量模块(21)，与低压限流模块(25)返回的电流值经加/减法器(29)处理、PI控制器(26)整定，与定值π(31)通过加/减法器(29)处理，得到整流侧换流阀I(4)的触发角，将此作为输入值返回到直流输电系统主电路中的换流阀I(4)，对直流系统主电路整流侧进行控制；
2)逆变侧采用定电流控制和定熄弧角控制结合的控制模式，逆变侧的电压输入到逆变侧电压测量模块(22)，逆变侧电流输入到逆变侧电流测量模块(23)，通过定值乘法器(30)和加/减法器(29)对输入到逆变侧电压测量模块(22)的电压值进行补偿，补偿后的电压经低压限流模块(25)与输入到逆变侧电流测量模块(23)的电流通过加/减法器(29)进行作差处理，再经加/减法器(29)与电流裕度值作差，通过PI控制器(26)整定，最后形成定电流控制输出，熄弧角输入到熄弧角测量模块(24)，与电流偏差控制模块(28)输出的值和额定熄弧角定值经加/减法器(29)处理后，通过最大值选择模块(27)与熄弧角偏差设定值进行取大处理后通过PI控制器(26)整定，形成定熄弧角控制输出，定电流控制输出与定熄弧角控制输出最后通过最大值选择模块(27)进行取大处理，与定值π通过加/减法器(29)作差，得到逆变侧触发角，将此作为输入值返回到直流输电系统主电路中换流阀II(14)，对直流系统主电路逆变侧进行控制；
C.直流系统主电路中母线I(2)与交流系统I(1)连接，母线II(12)与交流系统II(11)连接，与等值交流系统中的一条500kV母线连接，形成完整的混合交直流系统模型。
2.如权利要求1所述的一种用于混合交直流系统动态特性研究的建模方法，其特征是，所述直流系统的主电路采用双极直流输电系统形式，所述直流系统的控制电路基于国际大电网CIGRE单极直流标准电路的模型。
3.如权利要求1所述的一种用于混合交直流系统动态特性研究的建模方法，其特征是，在所述的等值交流系统中，保留交流系统中所有的500kV电压等级的母线和输电线路，对500kV电压等级以下的所有母线和输电线路进行等值处理，用一条连有一个等值发电机(39)、一个等值电动机(40)和一个等值恒阻抗负荷(38)的等值母线来代替；500kV母线之间用交流线连接，500kV母线和该母线下层的等值交流系统之间用一个变压器(36)连接。
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