CN106410835A - 一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法 - Google Patents

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张海梁
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张琳
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王应宇
马群
秦科源
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王兰香
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Abstract

本发明属于电力系统仿真培训领域，尤其涉及一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法。所述方法包括如下步骤：所述方法包括如下步骤：(1)建立电压源换流器(VSC)的模型；(2)根据电压源换流器(VSC)模型的控制方式计算直流网络；(3)根据电压源换流器(VSC)模型的控制方式修正交流网络功率方程；(4)计算交流网络；(5)输出结果。本发明建立了换流器的数学模型，并模拟换流器的各种控制方式，采用交替求解法来求解多端柔性直流输电系统，实现了多端柔性直流输电电网仿真功能，为多端柔性直流输电仿真培训系统平台的建立奠定了基础。

Description

一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法
技术领域
本发明属于电力系统仿真培训领域，尤其涉及一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法。
背景技术
随着以风电、太阳能等可再生能源为主的分布式发电的迅猛发展，以及海上风电场、孤立电网等采用直流并网的需求增长，同时电力电子器件和相关控制技术的快速发展，柔性直流输电技术日益受到重视，是直流输电技术发展的一个重要方向。自1997年第一个柔性直流输电工程投入工业试验运行以来,至今已有多个工程投入商业运行,主要用于风电并网、电网互联、为海上钻井平台供电等领域。
VSC-MTDC输电系统，由3个及以上换流站及连接换流站的高压直流输电线路所组成，能够实现多个电源区向多个负荷中心供电。多端柔性直流输电系统中的换流站既可作为整流站运行，也可作为逆变站运行，运行方式更加灵活，越来越被广泛应用。随着柔性直流输电技术的应用，对柔性直流输电的仿真培训也越来越重视，但在实际中，缺少柔性直流仿真系统，对相关运行人员的培训还是以理论为主，缺少与实际操作类似的仿真平台开展培训。
要建立VSC-MTDC仿真系统，需要先实现VSC-MTDC电网仿真。VSC-MTDC是交直流混合系统，是基于电压源换流器VSC(Voltage Sourced Converter)的新型直流输电系统，与传统的HVDC换流器有本质区别，传统的交直流系统潮流计算方法不能在VSC-MTDC输电系统直接使用，所以应该建立VSC-MTDC输电系统的交直流计算方法,实现多端柔性直流系统的电网仿真。
交直流混合系统计算一般有交替求解法和统一求解法。统一求解法一次求解中同时求解交流和直流变量，建立方程比较困难，计算较为复杂。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明建立换流器的模型，根据换流器的控制方式，采用交替求解法实现VSC-MTDC输电系统的电网仿真。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法，所述方法包括如下步骤：
(1)建立电压源换流器(VSC)的模型；
(2)根据电压源换流器(VSC)模型的控制方式计算直流网络；
(3)根据电压源换流器(VSC)模型的控制方式修正交流网络功率方程；
(4)计算交流网络；
(5)输出结果。
进一步地，在所述步骤(1)中，
(1)电压源换流器(VSC)原理
在一端柔性直流输电系统结构中，交流母线电压基波相量为其有效值是Us，换流器输出电压基波相量为其有效值是Uc，滞后于的角度为δ，换流变压器的漏抗为X，当忽略电压源换流器(VSC)和换流变压器内部损耗，以及系统谐波分量时，电压源换流器(VSC)和交流系统交换的功率可写成：
Ps＝(UsUc/X)sinδ (1)
Qs＝Us(Us-Uccosδ)/X (2)
电压源换流器(VSC)必须满足：
Pc＝UdId (3)
Uc＝kMUd (4)
式中，Ud为直流电压，Id为直流线路电流，k为直流电压利用率，M为调制比；
所述有功功率Ps的传输主要取决于δ，无功功率Qs的传输主要取决于Uc，改变δ和M就可以控制有功功率的大小和方向；电压源换流器(VSC)一般采用PWM控制方式，通过控制调制比M和移相角δ就可以控制换流站吸收或发出无功功率和有功功率；
(2)电压源换流器(VSC)控制方式
VSC的控制方式直接表现为控制直流电压、有功功率，控制交流电压、无功功率；VSC的控制方式包括以下几种：
e.定直流电压Ud、交流无功功率Qs控制；
f.定直流电压Ud、交流母线电压Us控制；
g.定直流有功功率Pd、交流无功功率Qs控制；
h.定直流有功功率Pd、交流母线电压Us控制；
(3)电压源换流器(VSC)模型
根据电压源换流器的对结构参数以及控制方式，建立的电压源换流器数学模型如下表所示：
进一步地，在所述步骤(2)中，多端直流网络，用节点方程表示为：
Id＝GUd (5)
式中，G为直流网络的节点导纳矩阵，对角线元素Gii为节点i的自导纳，其值等于接于节点i的所有支路导纳之和，非对角线元素Gij称为节点i和节点j之间的互导纳，它等于节点i和节点j之间的支路导纳的负值，若节点i和节点j之间的不存在支路，则Gij＝0；
Id为直流电流相量 是节点i的注入电流相量；
Ud为直流电压相量； 是节点i的电压相量；
m是节点数；
在多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统中，VSC的直流控制方式包括定直流电压Ud控制和定直流有功功率Pd控制，必须选用一端作为定直流电压Ud控制，其余端作为定直流有功功率Pd控制；
对端数为n的柔性直流(VSC-MTDC)输电系统，把定电压控制端节点电压作为理想电压源，其值为参考电压Udref的标么值，根据基尔霍夫定律，把Udref作为已知量，可以建立节点数为n-1的如公式(5)所示的节点网络方程；定直流有功功率控制端节点，把有功功率参考值Pdref，作为注入功率，转化为等效支路导纳，并合入节点导纳矩阵G的对应对角元素Gii；
采用高斯消去法直接求解直流网络节点方程(5)，计算各节点电压和电流Ud和Id，继而根据直流电压和电流求解注入换流器的有功功率。
Pd＝UdId (6)
进一步地，在所述步骤(3)中，又包括以下步骤：
(1)根据直流计算有功功率修正节点的有功功率方程
直流网络的计算得到的有功功率作为交流系统的注入等效功率计算，根据计算结果去修正换流器交流侧节点的有功功率方程为：
式中，Us、Uj是交流系统节点s和节点j的的电压，Gsj、Bsj是s、
j之间的电导和电纳，δsj是s、j之间的电压相角差；
(2)根据VSC交流控制方式修正节点的功率方程和节点类型
所述VSC可以实现对交流系统的电压的无功功率的控制；根据控制方式，需要对交流网络功率方程进行修正，或是对交流节点计算类型进行修改，控制方式如下：
c.交流无功功率Qs控制方式
交流无功功率Qs控制方式，设定了交流母线的节点s的无功功率参考值为Qsref，因此，对于交流母线节点s的注入功率方程可修正为：
d.交流母线电压Us控制方式
交流母线电压Us控制方式，相当于控制交流母线的节点s的无功Us为Usref，只要把节点s从PQ节点改成PV节点即可。
进一步地，在所述步骤(4)中，通过直流网络的计算结果和VSC控制方式，修正完交流网络节点功率方程后，即可进行交流网络计算，可以采用牛顿-拉夫逊法或PQ分解法常用的潮流计算方法进行求解；
通过所述交流网络潮流计算可计算出各节点电压、电流、功率，包括VSC交流侧电压和无功功率，即VSC的吸收或发出的无功功率。
进一步地，在所述步骤(5)中，根据直流和交流网络的计算结果，根据公式(4)，还可计算出调制比M，并把交直流网络计算结果输出。
本发明的有益效果在于：本发明建立了换流器的数学模型，并模拟换流器的各种控制方式，采用交替求解法来求解多端柔性直流输电系统，实现了多端柔性直流输电电网仿真功能，为多端柔性直流输电仿真培训系统平台的建立奠定了基础。
本发明提出的多端柔性直流输电系统电网仿真方法，根据VSC换流器的特性和控制方式，以及交直流电网的特点，建立的计算模型和方法，更为简单容易实现，并且已经通过仿真系统的实现验证了该方法的有效性。
附图说明
图1是多端柔性直流输电系统网络结构图；
图2是柔性直流输电系统计算流程图；
图3是一端柔性直流输电系统结构。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。
柔性直流输电系统作为新一代的直流输电技术，由换流站、直流输电网络和交流系统构成，如附图1所示是一个五端柔性直流输电系统的网络结构。换流站既可以作为整流站运行，也可以作为逆变站运行，对于多端柔性直流输电系统，一般选用一端为送电端作为整流站运行，其余端为受电端作为逆变站运行，通过对各端VSC的控制，来实现系统间有功和无功的相互传送。
VSC-MTDC系统是一个交直流混合系统，电压源换流器具有整流和逆变的功能，并且采用PWM控制方式，通过控制调制比M和移相角δ就可以控制换流站吸收或发出无功功率和有功功率。因此，对VSC-MTDC系统的电网仿真，需要先建立电压源换流器的模型；接着根据换流器模型的控制方式计算直流网络；然后把直流网络的计算结果作为换流器的等效输入加入交流网络，并根据换流器模型的控制方式修正交流网络功率方程，实现交流网络的计算。整个过程把交流系统和直流系统分开求解，采用交替求解法进行计算，VSC-MTDC系统电网仿真实现过程如附图2所示。
步骤1：建立电压源换流器模型
(1)电压源换流器(VSC)原理
如附图3是一端柔性直流输电系统结构图，交流母线电压基波相量为其有效值是Us，换流器输出电压基波相量为其有效值是Uc，滞后于的角度为δ，换流变压器的漏抗为X，当忽略电压源换流器(VSC)和换流变压器内部损耗，以及系统谐波分量时，电压源换流器(VSC)和交流系统交换的功率可写成：
Ps＝(UsUc/X)sinδ (1)
Qs＝Us(Us-Uccosδ)/X (2)
换流器必须满足：
Pc＝UdId (3)
Uc＝kMUd (4)
式中，Ud为直流电压，Id为直流线路电流，k为直流电压利用率，M为调制比。
由上式可见，有功功率Ps的传输主要取决于δ，无功功率Qs的传输主要取决于Uc，改变δ和M就可以控制有功功率的大小和方向。电压源换流器一般采用PWM控制方式，通过控制调制比M和移相角δ就可以控制换流站吸收或发出无功功率和有功功率。
(2)换流器控制方式
从前面可知，通过控制调制比M和移相角δ就可以控制换流站吸收或发出无功功率和有功功率，在实际应用中，VSC的控制方式直接表现为控制直流电压、有功功率，控制交流电压、无功功率。VSC的控制方式包括以下几种：
i.定直流电压Ud、交流无功功率Qs控制；
j.定直流电压Ud、交流母线电压Us控制；
k.定直流有功功率Pd、交流无功功率Qs控制；
l.定直流有功功率Pd、交流母线电压Us控制。
(3)换流器模型
根据换流器的对结构参数以及控制方式，建立的换流器数学模型如下表所示：
根据VSC-MTDC系统网络结构，各换流站VSC的参数和控制方式，以及在相应控制方式下的参考值，如附图1所示的VSC-MTDC系统各端形成如上表所示的VSC数学模型数组。
步骤2：直流网络计算
多端直流网络，用节点方程表示为
Id＝GUd (5)
式中，G为直流网络的节点导纳矩阵，对角线元素Gii为节点i的自导纳，其值等于接于节点i的所有支路导纳之和，非对角线元素Gij称为节点i和节点j之间的互导纳，它等于节点i和节点j之间的支路导纳的负值，若节点i和节点j之间的不存在支路，则Gij＝0；
Id为直流电流相量 是节点i的注入电流相量；
Ud为直流电压相量； 是节点i的电压相量；
m是节点数；
在VSC-MTDC系统中，VSC的直流控制方式包括定直流电压Ud控制和定直流有功功率Pd控制，必须选用一端作为定直流电压Ud控制，其余端作为定直流有功功率Pd控制。
对端数为n的柔性直流(VSC-MTDC)输电系统，把定电压控制端节点电压作为理想电压源，其值为参考电压Udref的标么值，根据基尔霍夫定律，把Udref作为已知量，可以建立节点数为n-1的如公式(5)所示的节点网络方程；定直流有功功率控制端节点，把有功功率参考值Pdref，作为注入功率，转化为等效支路导纳，并合入节点导纳矩阵G的对应对角元素Gii。
采用高斯消去法直接求解直流网络节点方程(5)，计算各节点电压和电流Ud和Id，继而根据直流电压和电流求解注入换流器的有功功率。
Pd＝UdId (6)
步骤3：修正交流网络功率方程
(1)根据直流计算有功功率修正节点的有功功率方程
直流网络的计算得到的有功功率作为交流系统的注入等效功率计算，根据计算结果去修正换流器交流侧节点的有功功率方程：
式中，Us、Uj是交流系统节点s和节点j的的电压，Gsj、Bsj是s、j之间的电导和电纳，δsj是s、j之间的电压相角差。
(2)根据VSC交流控制方式修正节点的功率方程和节点类型
VSC可以实现对交流系统的电压的无功功率的控制。根据控制方式，需要对交流网络功率方程进行修正，或是对交流节点计算类型进行修改。
e.交流无功功率Qs控制方式
交流无功功率Qs控制方式，设定了交流母线的节点s的无功功率参考值为Qsref，因此，对于交流母线节点s的注入功率方程可修正为
f.交流母线电压Us控制方式
交流母线电压Us控制方式，相当于控制交流母线的节点s的无功Us为Usref，只要把节点s从PQ节点改成PV节点即可。
步骤4：交流网络计算
通过直流网络的计算结果和VSC控制方式，修正完交流网络节点功率方程后，即可进行交流网络计算，跟纯交流电网类似，可以采用牛顿-拉夫逊法或PQ分解法等常用的潮流计算方法进行求解，就不详细描述。
通过交流网络潮流计算可计算出各节点电压、电流、功率等，包括VSC交流侧电压Uc和无功功率Qc，即VSC的吸收或发出的无功功率。
步骤5：输出结果
根据直流和交流网络的计算结果，根据公式(4)，还可计算出调制比M，并把交直流网络计算结果输出。

Claims (6)

1.一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)建立电压源换流器(VSC)的模型；
(2)根据电压源换流器(VSC)模型的控制方式计算直流网络；
(3)根据电压源换流器(VSC)模型的控制方式修正交流网络功率方程；
(4)计算交流网络；
(5)输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，
(1)电压源换流器(VSC)原理
在一端柔性直流输电系统结构中，交流母线电压基波相量为其有效值是Us，换流器输出电压基波相量为其有效值是Uc，滞后于的角度为δ，换流变压器的漏抗为X，当忽略电压源换流器(VSC)和换流变压器内部损耗，以及系统谐波分量时，电压源换流器(VSC)和交流系统交换的功率可写成：
Ps＝(UsUc/X)sinδ (1)
Qs＝Us(Us-Uccosδ)/X (2)
电压源换流器(VSC)必须满足：
Pc＝UdId (3)
Uc＝kMUd (4)
式中，Ud为直流电压，Id为直流线路电流，k为直流电压利用率，M为调制比；
所述有功功率Ps的传输主要取决于δ，无功功率Qs的传输主要取决于Uc，改变δ和M就可以控制有功功率的大小和方向；电压源换流器(VSC)一般采用PWM控制方式，通过控制调制比M和移相角δ就可以控制换流站吸收或发出无功功率和有功功率；
(2)电压源换流器(VSC)控制方式
VSC的控制方式直接表现为控制直流电压、有功功率，控制交流电压、无功功率；VSC的控制方式包括以下几种：
a.定直流电压Ud、交流无功功率Qs控制；
b.定直流电压Ud、交流母线电压Us控制；
c.定直流有功功率Pd、交流无功功率Qs控制；
d.定直流有功功率Pd、交流母线电压Us控制；
(3)电压源换流器(VSC)模型
根据电压源换流器的对结构参数以及控制方式，建立的电压源换流器数学模型如下表所示：
3.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，多端直流网络，用节点方程表示为：
Id＝GUd (5)
式中，G为直流网络的节点导纳矩阵，对角线元素Gii为节点i的自导纳，其值等于接于节点i的所有支路导纳之和，非对角线元素Gij称为节点i和节点j之间的互导纳，它等于节点i和节点j之间的支路导纳的负值，若节点i和节点j之间的不存在支路，则Gij＝0；
Id为直流电流相量 是节点i的注入电流相量；
Ud为直流电压相量； 是节点i的电压相量；
m是节点数；
在多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统中，VSC的直流控制方式包括定直流电压Ud控制和定直流有功功率Pd控制，必须选用一端作为定直流电压Ud控制，其余端作为定直流有功功率Pd控制；
对端数为n的柔性直流(VSC-MTDC)输电系统，把定电压控制端节点电压作为理想电压源，其值为参考电压Udref的标么值，根据基尔霍夫定律，把Udref作为已知量，可以建立节点数为n-1的如公式(5)所示的节点网络方程；定直流有功功率控制端节点，把有功功率参考值Pdref，作为注入功率，转化为等效支路导纳，并合入节点导纳矩阵G的对应对角元素Gii；
采用高斯消去法直接求解直流网络节点方程(5)，计算各节点电压和电流Ud和Id，继而根据直流电压和电流求解注入换流器的有功功率。
Pd＝UdId (6)。
4.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，又包括以下步骤：
(1)根据直流计算有功功率修正节点的有功功率方程
直流网络的计算得到的有功功率作为交流系统的注入等效功率计算，根据计算结果去修正换流器交流侧节点的有功功率方程为：
ΔP c = P c - Σ j ∈ c U c U j ( G c j cosδ c j + B c j sinδ c j ) - P d - - - ( 7 )
式中，Us、Uj是交流系统节点s和节点j的的电压，Gsj、Bsj是s、j之间的电导和电纳，δsj是s、j之间的电压相角差；
(2)根据VSC交流控制方式修正节点的功率方程和节点类型
所述VSC可以实现对交流系统的电压的无功功率的控制；根据控制方式，需要对交流网络功率方程进行修正，或是对交流节点计算类型进行修改，控制方式如下：
a.交流无功功率Qs控制方式
交流无功功率Qs控制方式，设定了交流母线的节点s的无功功率参考值为Qsref，因此，对于交流母线节点s的注入功率方程可修正为：
ΔQ s = Q s - Σ j ∈ s U s U j ( G s j sinδ s j - B s j cosδ s j ) - Q s r e f - - - ( 8 )
b.交流母线电压Us控制方式
交流母线电压Us控制方式，相当于控制交流母线的节点s的无功Us为Usref，只要把节点s从PQ节点改成PV节点即可。
5.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，通过直流网络的计算结果和VSC控制方式，修正完交流网络节点功率方程后，即可进行交流网络计算，可以采用牛顿-拉夫逊法或PQ分解法常用的潮流计算方法进行求解；
通过所述交流网络潮流计算可计算出各节点电压、电流、功率，包括VSC交流侧电压和无功功率，即VSC的吸收或发出的无功功率。
6.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的电网仿真实现方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，根据直流和交流网络的计算结果，根据公式(4)，还可计算出调制比M，并把交直流网络计算结果输出。
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