CN106451421B - 一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法，涉及直流输电技术领域，能够为电磁环网解环运行与系统安全稳定提供辅助决策。具体方案包括：利用电磁暂态程序搭建电磁环网交流系统模型；利用电磁暂态程序搭建柔性直流输电系统模型；将柔性直流输电系统接入电磁环网交流系统，替代电磁环网送端低压侧交流输电通道；在解环运行时调整柔性直流输电系统的功率，以暂态和稳态频率约束均满足时的解环控制方案作为可行的控制方案。本发明用于在解环运行时确定可行的控制方案。

Description

一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法
技术领域
本发明的实施例涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法。
背景技术
电磁环网作为由高、低压等级线路经变压器构成的并联环路，在电网发展早期，具有提升电网供电安全和输电能力的作用。然而随着高电压等级电网的不断完善，电磁环网运行条件下短路电流较大、功率大范围转移导致低压线路过载和安稳装置复杂化等问题越来越突出，因此解环运行势在必行。
电磁环网的精确建模是研究电磁环网问题的前提。现有的建模与解环方法主要基于机电暂态程序和电磁暂态程序，而对于交直流混联系统，由于机电暂态程序一般仅考虑正序分量，难以实现对直流系统的准确建模，因此，需要利用电磁暂态程序建立含电磁环网的交直流模型。
大量研究表明，采用直接解环的方式运行时易出现负荷孤网，电网供电可靠性相对较低。因此，如何在解环运行时避免解环运行所带来的不利影响，成为研究电磁环网问题的新思路。
发明内容
本发明的实施例提供一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法，一方面能够提升电磁环网和柔性直流建模精度，另一方面为解决电磁环网问题提供了新思路。
为了达成上述目的，本申请的实施例提供一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法，包括：
利用电磁暂态程序搭建电磁环网交流系统模型；
利用电磁暂态程序搭建柔性直流输电系统模型；
将柔性直流输电系统接入电磁环网交流系统，替代电磁环网送端低压侧交流输电通道；
在仿真解环运行时调整柔性直流输电系统的功率，以暂态和稳态频率约束均满足时的解环控制方案作为可行的控制方案。
本发明的实施例所提供的建模与解环方法，利用电磁暂态程序搭建电磁环网交流系统模型和柔性直流输电系统模型，将柔性直流输电系统接入电磁环网交流系统，替代电磁环网送端低压侧交流输电通道，以降低电磁环网和柔性直流精确建模难度，从而利于提升电磁环网和柔性直流建模精度。通过在解环运行时调整柔性直流输电系统的功率，根据暂态和稳态频率约束确定解环运行时可行的控制方案，避免出现环网运行低压线路过载。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例所提供的建模与解环方法流程示意图；
图2为本发明的实施例中同步发电机模型的说明示意图；
图3为本发明的实施例中发电机励磁模型的说明示意图；
图4(a)为本发明的实施例中调节系统的说明示意图；
图4(b)为本发明的实施例中执行机构模型的说明示意图；
图4(c)为本发明的实施例中原动机模型的说明示意图；
图5为本发明的实施例中PSS模型的说明示意图；
图6(a)为本发明的实施例中MMC三相换流器模型的说明示意图；
图6(b)为本发明的实施例中MMC单桥臂换流模块模型的说明示意图；
图7为本发明的实施例中MMC子模块元件的说明示意图；
图8为本发明的实施例中换流变压器模型的说明示意图；
图9为本发明的实施例中直流电压环控制模型的说明示意图；
图10为本发明的实施例中功功率环控制模型的说明示意图；
图11为本发明的实施例中下垂控制均分无功功率的动态过程说明示意图；
图12为本发明的实施例中无功功率闭环控制模型的说明示意图；
图13为本发明的实施例所提供的案例中电磁环网的结构示意图；
图14为本发明的实施例所提供的案例中双回线跳开时柔性直流功率变化的说明示意图；
图15为本发明的实施例所提供的案例中双回线跳开时送端系统频率响应的说明示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明的实施例提供一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法，结合图1所示，包括以下步骤：
101、利用电磁暂态程序搭建电磁环网交流系统模型。
电磁暂态程序具体可以是PSCAD/EMTDC，PSCAD(英文全称：Power SystemsComputer Aided Design)是广泛使用的电磁暂态仿真软件，EMTDC是其仿真计算核心。本实施例中以利用PSCAD/EMTDC进行模型搭建的情况为例进行说明。
搭建电磁环网交流系统模型包括：包括发电机模型、变压器模型、输电线路模型和负荷模型搭建，以下分别进行说明。
<1>、发电机模型搭建
发电机模型搭建时，发电机元件包括：同步发电机模型，励磁系统，调速系统和电力系统稳定控制器(英文全称：Power System Stabilizer，英文简称：PSS)。
结合图2所示，搭建同步发电机模型时，采用PSCAD/EMTDC中的发电机图形化模块，包含定子abc三相电气量的输出，用于与外电路连接；
输入信号包括：发电机机械转矩输入信号Tm和励磁控制输入信号Ef；
输出信号包括：转速输出ω、电磁转矩输出Te、机械转矩输出Tm0以及励磁电流If和励磁电压Ef0。
结合图3所示，搭建励磁系统模型时，发电机励磁模型采用FV型。
搭建调速系统模型包括：
搭建调节系统，调节系统框图如图4(a)所示。
搭建执行机构模型，执行机构模型如图4(b)所示。
搭建原动机模型，原动机模型如图4(c)所示。
搭建PSS模型时，发电机的励磁系统采用SI型PSS模型，模型的传递函数如图5所示。
<2>、变压器模型搭建
变压器模型搭建时，采用PSCAD/EMTDC主元件库中提供的双绕组和三绕组经典变压器模型，变压器各相独立，各相之间的相互影响不计。
<3>、输电线路模型搭建
输电线路模型搭建时，输电线路采用PSCAD/EMTDC主元件库中提供的基于分布参数的贝杰隆架空线路模型，该模型可以直接连接于两个节点之间，也可以实现跨层、远程无交叉连接，但必须在送端和受端提供与线路同名的响应模块，同时在线路参数设置的终端类型标签中选择远程连接。
<4>、负荷模型搭建
负荷模型搭建时，电力负荷采用ZIP模型，由30％恒阻抗、40％恒电流和30％恒功率构成。
102、利用电磁暂态程序搭建柔性直流输电系统模型。
搭建柔性直流输电系统模型包括柔性直流一次系统建模和柔性直流控制系统建模，分别说明如下。
<1>、柔性直流一次系统建模
柔性直流一次系统建模包括：搭建电压源型换流器模型，采用模块化多电平换流器(英文全称：Modular Multilevel Converter，英文简称：MMC)，并搭建MMC子模块元件；搭建换流变压器模型，采用Yy联结变压器，其中阀侧绕组经大电阻接地。
电压源型换流器是柔性直流输电系统的核心部件，是影响整个换流系统性能、运行方式、设备成本及运行损耗等的关键因素。电压源换流器具有多种拓扑结构，本实施例采用MMC的电压源换流器，图6(a)为MMC三相换流器模型，图6(b)为MMC单桥臂换流模块模型。
进一步地，如图7所示，搭建MMC子模块元件，设置子模块个数以及储能电容值等参数等。
换流变压器不仅承担着为VSC换流器传变电压的作用，而且还为柔直系统提供一个地电位，网侧换流变的绕组采用星形联结，对于换流变阀侧，如果采用三角形联结，虽然隔绝了电网侧与换流阀测得零序电流通道，单无法提供接地点，需要额外增设单独的接地装置，才能保证柔性直流双极对称正负极运行。若采用星形联结，则中性点不能直接接地，否则零序电流通路不能隔断。为了解决上述问题，本实施例搭建的模型采用Yy联结变压器，其中阀侧绕组经大电阻接地，见图8。
<2>、柔性直流控制系统建模
柔性直流各端的控制器均能控制多种有功功率类物理量和无功功率类物理量，存在多种控制变量的组合。本实施例中，柔性直流控制系统建模包括建立有功类控制中的直流电压环控制模型和有功功率环控制模型；以及建立无功类控制中的交流电压环控制模型和无功功率闭环控制模型；分别说明如下。
<2.1>、建立有功类控制中的直流电压环控制模型和有功功率环控制模型
直流电压环用于控制直流母线的输出电压，属于外环控制，见图9。输入信号包括Udc、Vdcbase、Udcref，输出信号包括Idref；
其中，Udc为正负极直压相减之后的采样值，Vdcbase为直流电压基准值，Udcref为总直压期望，Idref为d轴电流参考值，Udc和Udcref的差值通过比例调节和积分调节PI控制环节并经过限幅，生成Idref参考值。
有功功率环用于控制联接变网侧系统的有功功率，属于外环控制，将换流器的功率进行PI调节，生成电流内环的目标电流值。如图10所示，输入信号包括P、Sbase、Pref，输出信号包括Idref。
其中，P为联接变网侧的有功功率值，Sbase为系统容量基准值，Pref为功率期望值，Idref为d轴电流参考值；
P和Pref的差值通过PI控制环节并经过限幅，生成Idref参考值；P的计算表达式为：
P＝Ea0×Ia0+Eb0×Ib0+Ec0×Ic0
其中，Ea0、Eb0和Ec0分别为网侧三相相电压采样值；Ia0、Ib0和Ic0分别为网侧三相电流采样值。
直流电压环的滤波器以及有功功率环的滤波器，是结合考虑控制效果及响应速度来设计的，如果截止频率太高，会在控制中引入高频分量，如果截止频率过低，会影响直流电压环的响应速度。直流电压环的滤波器以及有功功率环的滤波器，传递函数为：
<2.2>、建立无功类控制中的交流电压环控制模型和无功功率闭环控制模型
交流电压环为开环控制，基于成熟的下垂控制原理，对系统提供无功支撑，属于无功控制外环，且有E-E0＝-kq×(Q-Q0)；
其中，kq为电压幅值下垂系数，kq为0到1之间的常数；E0为无功/电压下垂曲线电压幅值初值；Q0为与E0对应的无功功率参考值；下垂控制均分无功功率的动态过程如图11所示。
无功功率控制外环，用于控制换流器的输出无功，即在换流器容量范围内，将输出的无功控制在期望值附近，该功能与交流电压控制功能同属于无功控制外环，设定上也是只能二选一，保证无功控制目标只有一个。
无功功率环的滤波器是结合考虑控制效果及响应速度来设计的，如果截止频率太高，会在控制中引入高频分量，如果截止频率过低，会影响无功功率环的响应速度。
图12所示为无功功率闭环控制框图，输入信号包括Q、Sbase、Qref，输出信号包括Iqref；
其中，Q为联接变网侧的无功功率值，Sbase为系统容量基准值，Qref为功率期望值，Iqref为q轴电流参考值。
103、将柔性直流输电系统接入电磁环网交流系统，替代电磁环网送端低压侧交流输电通道。
本实施例中将柔性直流输电技术应用到电磁环网中，选择柔性直流输电代替低压侧交流输电通道，当电磁环网失去高压电力通道时，首先，由于送端电网与主网之间没有交流通道，因此送端故障不会传播至主网，相比现有技术降低了故障对系统的扰动；其次，柔性直流可以对有功潮流灵活控制，起到功率支援的作用，从而提高系统频率稳定性；最后，柔性直流能够实现快速独立的无功动态补偿，利于电压恢复。
104、在解环运行时调整柔性直流输电系统的功率，以暂态和稳态频率约束均满足时的解环控制方案作为可行的控制方案。
针对搭建的模型进行仿真验证，确定解环运行时可行的控制方案。控制方案是否可行可以根据系统是否均满足暂态和稳态频率约束来判断。
例如在失去高压侧输电线路时，在当前的控制方案下，如果系统不满足暂态和稳态频率约束，则通过切机、切负荷等措施调整柔性直流功率，直到系统满足暂态和稳态频率约束，从而确定可行的控制方案。
基于上述步骤所描述的建模与解环方法，结合图13做具体的案例说明。
图13中电磁环网位于送端电网的外送通道，该电磁环网高电压等级500kV线路包括LPS-NY1和LPS-NY2两回，低电压等级220kV线路目前为LZ-PD同塔双回，潮流流向如图13中的箭头所示，断面送出有功功率为900MW。在线路LPS-NY1发生严重故障，同时跳开LPS-NY1和LPS-NY2双回线时，若打开电磁环网运行，则送端电网直接进入孤网运行，若保持电磁环网运行，则线路LZ-PD存在较大过载风险。
选择在220kV线路LZ-PD之间用柔性直流输电代替交流通道，15s时线路LPS-NY1发生三相短路接地故障，持续100ms后故障切除，同时跳开LPS-NY1和LPS-NY2双回线，柔性直流功率变化如图14所示，送端系统频率响应如图15所示。
在故障切除后柔性直流功率调整至200MW运行，送端系统频率在故障切除后先上升后下降，最后保持在50.43Hz，暂态过程中最高频率为51.48Hz，电力系统频率约束应由本领域技术人员参考《电力系统安全稳定导则》等电力相关标准及其技术经验具体确定，通常稳态频率值的取值范围为49.2Hz～50.5Hz，暂态频率值的取值范围为47.5Hz～51.5Hz，因此，基于柔性直流的解环方法均满足暂态和稳态频率约束。因此，上述基于柔性直流的解环方法具有较高的可行性。
本发明的实施例所提供的含电磁环网交直流电网的建模与解环方法，利用电磁暂态程序搭建电磁环网交流系统模型和柔性直流输电系统模型，将柔性直流输电系统接入电磁环网交流系统，替代电磁环网送端低压侧交流输电通道，以降低电磁环网和柔性直流精确建模难度，从而利于提升电磁环网和柔性直流建模精度。通过在解环运行时调整柔性直流输电系统的功率，根据暂态和稳态频率约束确定解环运行时可行的控制方案，避免出现环网运行低压线路过载。
以上，仅为本发明的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种含电磁环网交直流电网的建模与解环方法，其特征在于，包括：
利用电磁暂态程序搭建电磁环网交流系统模型；
利用电磁暂态程序搭建柔性直流输电系统模型；
将柔性直流输电系统接入电磁环网交流系统，替代电磁环网送端低压侧交流输电通道；
在解环运行时调整柔性直流输电系统的功率，以暂态和稳态频率约束均满足时的解环控制方案作为可行的控制方案；
其中，所述搭建电磁环网交流系统模型包括：包括发电机模型、变压器模型、输电线路模型和负荷模型搭建；
所述搭建柔性直流输电系统模型包括：柔性直流一次系统建模和柔性直流控制系统建模；
其中，柔性直流控制系统建模包括：
建立有功类控制中的直流电压环控制模型和有功功率环控制模型；
建立无功类控制中的交流电压环控制模型和无功功率闭环控制模型；
其中，建立有功类控制中的直流电压环控制模型，包括：
直流电压环，用于控制直流母线的输出电压，属于外环控制；
输入信号包括Udc、Vdcbase、Udcref，输出信号包括Idref；
其中，Udc为正负极直压相减之后的采样值，Vdcbase为直流电压基准值，Udcref为总直压期望，Idref为d轴电流参考值，Udc和Udcref的差值通过比例调节和积分调节PI控制环节并经过限幅，生成Idref参考值；
建立有功类控制中的有功功率环控制模型，包括：
有功功率环，用于控制联接变网侧系统的有功功率，属于外环控制；
输入信号包括P、Sbase、Pref，输出信号包括Idref；
其中，P为联接变网侧的有功功率值，Sbase为系统容量基准值，Pref为功率期望值，Idref为d轴电流参考值；
P和Pref的差值通过PI控制环节并经过限幅，生成Idref参考值；P的计算表达式为：P＝Ea0×Ia0+Eb0×Ib0+Ec0×Ic0；
其中，Ea0、Eb0和Ec0分别为网侧三相相电压采样值；Ia0、Ib0和Ic0分别为网侧三相电流采样值；
直流电压环的滤波器以及有功功率环的滤波器，传递函数为：
2.根据权利要求1所述的建模与解环方法，其特征在于，
发电机模型搭建时，发电机元件包括：同步发电机模型，励磁系统，调速系统和电力系统稳定控制器PSS。
3.根据权利要求2所述的建模与解环方法，其特征在于，所述电磁暂态程序为PSCAD/EMTDC；
搭建同步发电机模型时，采用PSCAD/EMTDC中的发电机图形化模块，包含定子abc三相电气量的输出，用于与外电路连接；
输入信号包括：发电机机械转矩输入信号Tm和励磁控制输入信号Ef；
输出信号包括：转速输出ω、电磁转矩输出Te、机械转矩输出Tm0以及励磁电流If和励磁电压Ef0；
搭建励磁系统模型时，发电机励磁模型采用FV型；
搭建调速系统模型包括：搭建调节系统、执行机构以及原动机模型；
搭建PSS模型时，发电机的励磁系统采用SI型PSS模型。
4.根据权利要求3所述的建模与解环方法，其特征在于，
变压器模型搭建时，采用PSCAD/EMTDC主元件库中提供的双绕组和三绕组经典变压器模型，变压器各相独立，各相之间的相互影响不计；
输电线路模型搭建时，输电线路采用PSCAD/EMTDC主元件库中提供的基于分布参数的贝杰隆架空线路模型；
负荷模型搭建时，电力负荷采用ZIP模型，由30％恒阻抗、40％恒电流和30％恒功率构成。
5.根据权利要求1所述的建模与解环方法，其特征在于，柔性直流一次系统建模包括：
搭建电压源型换流器模型，采用模块化多电平换流器MMC，并搭建MMC子模块元件；
搭建换流变压器模型，采用Yy联结变压器，其中阀侧绕组经大电阻接地。
6.根据权利要求1所述的建模与解环方法，其特征在于，
建立无功类控制中的交流电压环控制模型，包括：
交流电压环为开环控制，用于提供无功支撑，属于无功控制外环，且有E-E0＝-kq×(Q-Q0)；
其中，kq为电压幅值下垂系数，kq为0到1之间的常数；E0为无功/电压下垂曲线电压幅值初值；Q0为与E0对应的无功功率参考值；
建立无功类控制中的无功功率闭环控制模型，包括：
无功功率控制外环，用于控制换流器的输出无功，将输出的无功控制在期望值附近，属于无功控制外环；
输入信号包括Q、Sbase、Qref，通过无功功率闭环控制得到参考电流Iqref；
其中，Q为联接变网侧的无功功率值，Sbase为系统容量基准值，Qref为功率期望值，Iqref为q轴电流参考值，Qref和Q的差值通过比例调节和积分调节PI控制环节并经过限幅，生成Iqref参考值。
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