CN105633995A - 考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，可有助于优化直流的控制参数和兼顾系统稳定性要求。本发明是考虑了交直流相互作用的最严重形式即直流换相失败，利用PSCAD/EMTDC建立了含详细直流控制的直流系统模型，通过考察影响直流系统无功动态特性的直流电流和换流器触发角两项内容，提炼了直流控制对直流系统无功动态特性的影响途径与指标，确定了通过调节直流电流和触发角的大小和恢复特性来影响直流系统无功动态特性。本发明对于增强交直流系统的智能运行与柔性控制有重大的现实意义。

Description

考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法

技术领域

本发明是一种考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，属于电力系统运行可靠性与广域安全防御领域。

背景技术

随着现代电力系统逐渐朝着区域互联与交直流并重模式的方向发展，电力系统的安全与稳定面临着越来越严峻的压力。例如，高压直流输电在传输有功的同时也需要消耗大量的无功。由于直流系统含有大量的电力电子元件，大扰动后的直流系统无功不但响应快、幅值大，而且具有与直流控制强相关的特点。当直流系统接于弱交流系统时，如果直流控制方式选择不当或控制参数设置不合理，大扰动后的直流系统将从交流系统吸收大量的无功，并最终导致暂态电压失稳。

同时，由于直流控制非线性强、响应特性复杂，其对直流系统无功动态特性的影响机理和途径尚未形成清晰明确的结论，严重制约着交直流系统的安全稳定运行。

目前，直流控制策略对直流系统无功动态特性影响的相关研究工作主要集中在两个方面：1)基于机电暂态仿真平台研究直流控制对大规模交直流系统无功-电压特性的影响；2)基于电磁暂态仿真平台研究直流控制的响应特性、参数优化以及控制方式对直流系统无功等直流电气量的影响。

但目前的仿真研究尚没有深入到直流详细模型和详细控制，仅立足于直流准稳态模型，寻找反映直流电气量变化的一般性规律。但在反映故障动态过程中的特征与细节、反映直流控制对无功动态特性的影响这两方面，缺乏有效分析方法。

发明内容

本发明旨在提供一种考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，本发明是一种简单且较为精确的工程实用方法，对于把握直流控制对直流系统无功动态特性的影响机理、途径和规律以及增强交直流系统的智能运行与柔性控制具有重大的现实意义。

本发明采用的技术方案是：本发明考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，包括有如下步骤：

1)确定影响直流系统无功动态的因素；

根据直流系统准稳态方程，直流系统消耗的无功可以由式(1)求得：

由式(1)可知，直流系统无功随着换流母线电压、直流电流和触发角的增大而增加，因此，任何造成上述三个变量变化的操作或扰动都会引起直流系统无功的动态响应；

2)利用PSCAD/EMTDC基于实际参数建立包含详细直流控制的直流系统模型；

考察直流控制对直流系统无功动态特性的影响，对交流系统采用简化模型即电压源串联阻抗模型，直流系统采用详细电磁暂态模型，接线方式为双极12脉动，参数采用实际直流工程的额定运行参数；

3)提出直流系统遭受扰动时换流器触发角保持为受扰前数值，选择交流滤波器投切、功率紧急提升、降功率运行、降压运行、换流母线故障、直流线路故障和直流换相失败7种场景检验直流系统无功动态响应；

4)用直流控制方式分析直流系统无功动态特性：

5)优化直流控制参数，降低换相失败恢复过程中无功超调量的影响。

本发明重点分析接入受端交流系统后直流发生换相失败的场景下直流系统的无功动态响应。本发明提出利用PSCAD/EMTDC建立基于实际参数和包含详细直流控制的直流系统模型，通过与直流系统固有的无功动态特性对比，揭示整流侧定电流控制、逆变侧定电压控制和定熄弧角控制等对无功动态特性的影响机理和途径，并提出针对换相失败恢复过程中的无功超调量的控制规律。本方法仅需借助PSCAD/EMTDC建立含详细直流控制的直流系统模型，对两端交流系统则可作适当简化，从而为分析直流控制对直流系统无功动态特性的影响提供了一种简单且较为精确的工程实用方法，对于把握直流控制对直流系统无功动态特性的影响机理、途径和规律以及增强交直流系统的智能运行与柔性控制有重大的现实意义。

附图说明

图1为直流控制的直流系统模型示意图。

图2为直流控制极控制层控制功能示意图。

图3为直流电流参考值I_dref增加调制量ΔI_dref来改变电流参考值的幅值和形状的示意图。

具体实施方式

实施例：

下面对本发明的具体实施方式作详细说明。

1、确定影响直流系统无功动态的因素。

根据直流系统准稳态方程，直流系统消耗的无功可以由式(1)求得：

由式(1)可知，直流系统无功随着换流母线电压、直流电流和触发角的增大而增加。因此，任何造成上述三个变量变化的操作或扰动都会引起直流系统无功的动态响应。

2、利用PSCAD/EMTDC基于实际参数建立包含详细直流控制的直流系统模型。

本发明主要考察直流控制对直流系统无功动态特性的影响，对交流系统可采用简化模型即电压源串联阻抗模型，直流系统采用详细电磁暂态模型，接线方式为双极12脉动，参数采用实际直流工程的额定运行参数。具体如图1所示。

3、提出直流系统遭受扰动时换流器触发角保持为受扰前数值，选择交流滤波器投切、功率紧急提升、降功率运行、降压运行、换流母线故障、直流线路故障和直流换相失败7种场景检验直流系统无功动态响应。

4、按下述流程分析直流控制方式对直流系统无功动态特性：

1)整流侧配置定电流控制

鉴于定电流控制中的低压限流器(voltagedependentcurrentorderlimiter，VDCOL)环节和瞬时电流控制环节对直流电流参考值的大小和恢复特性的重要影响，本发明将在PSCAD/EMTDC环境下的模型中分别采用：

(1)换流母线故障时整流侧定电流控制(不计及VDCOL)；

(2)换流母线故障时VDCOL(不计及瞬时电流控制)；

(3)换相失败恢复过程中瞬时电流控制。

将上述仿真与不计及相应控制的无功动态特性对比，获得定电流控制对直流系统无功动态特性的影响结果。

2)逆变侧配置定电压控制

当逆变侧采用定电压控制时，U_d可表示为：

$U_d=U_{d0}\cos \mathrm{\β}+\frac{3}{\mathrm{\π}}{X}_c{I}_d---\left(2\right)$

由式(2)可知，当交流系统遭受扰动而导致U_d0下降时，将引起U_d的减小。为了保证U_d不变，定电压控制将减小逆变侧的超前触发角β以试图增大U_d。由式(1)可知，此时直流系统的功率因数将增大，从而使直流系统消耗的无功减少。

本发明将在PSCAD/EMTDC环境下的模型中采用定电压控制，将仿真与不计及直流控制时的动态特性对比，可得逆变侧定电压控制对直流系统无功动态特性的影响结果。

3)逆变侧配置定熄弧角控制

根据直流系统的准稳态方程，分析定熄弧角控制的控制目标和控制效果。当逆变侧采用定熄弧角控制时，熄弧角可表示为：

$\mathrm{\γ}=\arccos (\sqrt{2}{X}_c{I}_d/U_{d0}+\cos \mathrm{\β})---\left(3\right)$

由式(3)可知，当交流系统扰动导致U_d0下降时，为了保持熄弧角γ不变，定熄弧角控制将增大逆变器的超前触发角β。由式(1)可知，此时的功率因数将减小，直流系统的无功消耗随之增加。

本发明将在PSCAD/EMTDC环境下的模型中采用定熄弧角控制，将仿真与不计及直流控制时的动态特性对比，可得逆变侧定熄弧角控制对直流系统无功动态特性的影响结果。

5、优化直流控制参数，降低换相失败恢复过程中无功超调量的影响。该过程包括：

1)确定影响无功超调量的关键控制环节，即定熄弧角的PI控制、VDCOL和瞬时电流控制功能。

2)增大PI调节器的比例系数K_p、减小积分时间常数T_i可以增大调节速度、加快消除系统稳态误差，有利于加快熄弧角的调节过程，减小熄弧角的超调量，从而减小无功的超调量。以正常运行时的K_p和T_i的大小为基准，适当增大或减小K_p、T_i的大小，观察无功超调量的变化。

3)VDCOL的静态特性可用式(4)表示。其中，U_dH和U_dL表示直流电压门槛值；I_dH和I_dL表示电流参考值的上下限；I_dVDCOL表示VDCOL输出的电流参考值。

$I_{\mathrm{dVDCOL}}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{dH}};& U_d>U_{\mathrm{dH}}\\ \frac{I_{\mathrm{dH}}-I_{\mathrm{dL}}}{U_{\mathrm{dH}}-U_{\mathrm{dL}}}(U_d-U_{\mathrm{dL}})+I_{\mathrm{dL}};& U_{\mathrm{dL}}<U_d\&le;U_{\mathrm{dH}}\\ I_{\mathrm{dL}};& U_d\&le;U_{\mathrm{dL}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

减小I_dH和I_dL、增大U_dH和U_dL的值有利于快速降低故障期间直流系统的无功功率大小、减缓恢复过程中直流系统无功功率的恢复速度，有利于减小无功超调量。以正常运行时的I_dH、I_dL、U_dH、U_dL的大小为基准，适当增大或减小I_dH、I_dL、U_dH、U_dH的大小，观察无功超调量的变化。

4)瞬时电流控制与VDCOL相互协调，在换相失败恢复过程中通过对直流电流参考值I_dref增加调制量ΔI_dref来改变电流参考值的幅值和形状，使直流电流参考值经T₁和T₂时间平滑地过渡到定值，如图3所示。以正常运行时的ΔI_dref的大小为基准，适当增大或减小ΔI_dref的大小，观察无功超调量的变化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)确定影响直流系统无功动态的因素；

根据直流系统准稳态方程，直流系统消耗的无功可以由式(1)求得：

由式(1)可知，直流系统无功随着换流母线电压、直流电流和触发角的增大而增加，因此，任何造成上述三个变量变化的操作或扰动都会引起直流系统无功的动态响应；

2)利用PSCAD/EMTDC基于实际参数建立包含详细直流控制的直流系统模型；

考察直流控制对直流系统无功动态特性的影响，对交流系统采用简化模型即电压源串联阻抗模型，直流系统采用详细电磁暂态模型，接线方式为双极12脉动，参数采用实际直流工程的额定运行参数；

3)提出直流系统遭受扰动时换流器触发角保持为受扰前数值，选择交流滤波器投切、功率紧急提升、降功率运行、降压运行、换流母线故障、直流线路故障和直流换相失败7种场景检验直流系统无功动态响应；

4)用直流控制方式分析直流系统无功动态特性：

5)优化直流控制参数，降低换相失败恢复过程中无功超调量的影响。

2.根据权利要求1所述的考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，其特征在于上述步骤4)用直流控制方式分析直流系统无功动态特性，包括有如下步骤：

41)整流侧配置定电流控制

鉴于定电流控制中的低压限流器环节和瞬时电流控制环节对直流电流参考值的大小和恢复特性的重要影响，将在PSCAD/EMTDC环境下的模型中分别采用：

411)换流母线故障时整流侧定电流控制，不计及VDCOL；

412)换流母线故障时VDCOL，不计及瞬时电流控制；

413)换相失败恢复过程中瞬时电流控制；

将上述仿真与不计及相应控制的无功动态特性对比，获得定电流控制对直流系统无功动态特性的影响结果；

42)逆变侧配置定电压控制

当逆变侧采用定电压控制时，U_d表示为：

$U_d=U_{d0}cos\mathrm{\&beta;}+\frac{3}{\mathrm{\&pi;}}{X}_c{I}_d---\left(2\right)$

由式(2)可知，当交流系统遭受扰动而导致U_d0下降时，将引起U_d的减小；为了保证U_d不变，定电压控制将减小逆变侧的超前触发角β以试图增大U_d；由式(1)可知，此时直流系统的功率因数将增大，从而使直流系统消耗的无功减少；

将在PSCAD/EMTDC环境下的模型中采用定电压控制，将仿真与不计及直流控制时的动态特性对比，可得逆变侧定电压控制对直流系统无功动态特性的影响结果；

43)逆变侧配置定熄弧角控制

根据直流系统的准稳态方程，分析定熄弧角控制的控制目标和控制效果；当逆变侧采用定熄弧角控制时，熄弧角可表示为：

$\mathrm{\&gamma;}=arccos(\sqrt{2}{X}_c{I}_d/U_{d0}+cos\mathrm{\&beta;})---\left(3\right)$

由式(3)可知，当交流系统扰动导致U_d0下降时，为了保持熄弧角γ不变，定熄弧角控制将增大逆变器的超前触发角β，由式(1)可知，此时的功率因数将减小，直流系统的无功消耗随之增加；

将在PSCAD/EMTDC环境下的模型中采用定熄弧角控制，将仿真与不计及直流控制时的动态特性对比，可得逆变侧定熄弧角控制对直流系统无功动态特性的影响结果。

3.根据权利要求1所述的考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，其特征在于上述步骤5)优化直流控制参数，降低换相失败恢复过程中无功超调量的影响，该过程包括如下步骤：

51)确定影响无功超调量的关键控制环节，即定熄弧角的PI控制、VDCOL和瞬时电流控制功能；

52)增大PI调节器的比例系数K_p、减小积分时间常数T_i可以增大调节速度、加快消除系统稳态误差，有利于加快熄弧角的调节过程，减小熄弧角的超调量，从而减小无功的超调量，以正常运行时的K_p和T_i的大小为基准，适当增大或减小K_p、T_i的大小，观察无功超调量的变化；

53)VDCOL的静态特性可用式(4)表示，其中，U_dH和U_dL表示直流电压门槛值；I_dH和I_dL表示电流参考值的上下限；I_dVDCOL表示VDCOL输出的电流参考值，

$I_{dVDCOL}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{dH};& U_d>U_{dH}\\ \frac{I_{dH}-I_{dL}}{U_{dH}-U_{dL}}(U_d-U_{dL})+I_{dL};& U_{dL}<U_d\&le;U_{dH}\\ I_{dL};& U_d\&le;U_{dL}\end{array}\right.---\left(4\right)$

减小I_dH和I_dL、增大U_dH和U_dL的值有利于快速降低故障期间直流系统的无功功率大小、减缓恢复过程中直流系统无功功率的恢复速度，有利于减小无功超调量，以正常运行时的I_dH、I_dL、U_dH、U_dL的大小为基准，适当增大或减小I_dH、I_dL、U_dH、U_dL的大小，观察无功超调量的变化；

54)瞬时电流控制与VDCOL相互协调，在换相失败恢复过程中通过对直流电流参考值I_dref增加调制量ΔI_dref来改变电流参考值的幅值和形状，使直流电流参考值经T₁和T₂时间平滑地过渡到定值，以正常运行时的ΔI_dref的大小为基准，适当增大或减小ΔI_dref的大小，观察无功超调量的变化；

考虑了直流控制与直流系统无功动态的关联关系，可有效解决直流的控制参数优化与兼顾系统稳定性问题。

4.根据权利要求1所述的考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，其特征在于利用PSCAD/EMTDC基于实际参数建立了含详细直流控制的直流系统模型。

5.根据权利要求1所述的考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，其特征在于充分考虑了交流系统与直流系统之间的相互作用，选择最严重的作用形式——换相失败，考察了直流控制对直流系统无功的动态影响。

6.根据权利要求1所述的考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，其特征在于选取直流电流和换流器触发角两项内容，作为直流控制对直流系统无功动态特性的影响途径。

7.根据权利要求1所述的考虑直流控制策略对直流系统无功动态特性的影响分析方法，其特征在确定了通过调节直流电流和触发角的大小和恢复特性来影响直流系统无功动态特性。