CN106961115B - 一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法及模型 - Google Patents

一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法及模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法，适用于大电网机电过程仿真。方法包括以下步骤：分析在同一扰动类型下直流电压及直流电流的动态特性，确定波动的不同阶段以及每个阶段的特征；针对每个阶段的电流和电压特征采用相应的函数进行拟合，得到各自的分段函数模型；将电流和电压的每段函数用对应的电流源和电压源进行等效，并使电流源和电压源按时序切换各分段函数。根据故障过程中直流系统的不同受控状态，整流站可简化为等效电流源，逆变站可简化为电压源，整个直流系统的运行特性及其输出功率可由相应的电流源和电压源状态确定。该方法保证了直流系统功率的主要动态特征，减小了建模的复杂度和难度，减少了仿真计算量。

Description

一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法及模型
技术领域
本发明涉及电力系统建模技术领域，具体涉及一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法，此模型适用于对大电网机电过程的仿真计算。
背景技术
直流输送电能容量大，同时兼顾传输损耗低、输电功率调节灵活、输电可靠性高等优点，因此在远距离、大区域的电网互联及大容量输电等方面应用广泛。高压直流(HVDC)输电系统在带来巨大效益的同时，也带来了运行的复杂性跟一系列的新问题。直流系统发生的换相失败以及闭锁会对交流系统产生较大的系统冲击，影响电网的安全稳定运行。
现有研究直流系统的仿真工具主要有两类，一类是机电暂态仿真程序，如 PSS/E、BPA、PSASP等，其直流模型过于粗糙，不能准确仿真不对称交流故障下直流系统的运行特性，也不能准确模拟换相失败的情形；另一类是电磁暂态仿真程序，比如PSCAD，可以准确的模拟交流系统发生不对称故障后换流阀的工作情况，包括换相失败的工况，然而其仿真速度慢，在一般暂态稳定计算中，不允许在较长的时间内使用这种模型。所以，通常机电暂态仿真程序主要用来研究直流系统对交流系统机电暂态过程的影响，而不用来研究直流系统本身的运行特性，后者用电磁暂态仿真程序更为合适。
因此，建立一种简单有效，能够把握住扰动下动态特征同时适用于大电网机电过程仿真的高压直流等效模型，对于研究交直流相互影响，保证交直流混联系统的安全可靠稳定运行有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法及模型，解决了目前直流模型对大电网仿真不适用的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1，分析在同一扰动类型下直流电压及直流电流的动态特性，确定波动的不同阶段以及每个阶段的特征；
步骤S2，针对每个阶段的电流和电压特征采用相应的函数进行拟合，得到各自的分段函数模型；
步骤S3，将电流和电压的每段函数用对应的电流源和电压源进行等效，并使电流源和电压源按时序切换各分段函数。
进一步的，直流站输出的有功即为直流电流和该侧直流电压的乘积。
进一步的，直流站输出的无功可以根据当前直流站的控制方式、直流有功值通过查询无功-有功曲线得到。
进一步的，在高压直流输电系统中，整流侧控制直流系统的直流电流，等效为受控电流源，逆变侧控制直流电压，等效为受控电压源。
进一步的，在交流故障发生到故障切除时间段内，确定直流电压经历下降、维持和上升阶段，直流电流经历上升、下降、维持和上升阶段。
进一步的，上升或下降阶段采用爬坡函数来表示，维持阶段采用常数函数来表示。
相应的，本发明还提供了基于以上方法建立的高压直流输电系统等效电流电压源模型，包括，
用于模拟整流侧的受控电流源；
用于模拟逆变侧的受控电压源；
实时采集换流母线电压、直流电压及直流电流的输入模块；
用于获取各运行状态模式下对应的直流量目标值的控制模块；
用于控制受控电压源及受控电流源输出对应的直流电压及直流电流目标值的输出模块；
用于计算换流站对电网扰动响应的功率计算模块；
输入模块将采集的换流母线电压、直流电压、直流电流送入控制模块，控制模块根据当前直流系统的运行状态获得对应的直流量目标值送入输出模块，控制受控电压源及受控电流源按照对应的目标值运行，功率计算模块基于输入模块送入的直流电压电流值获得直流系统注入交流系统中的有功功率以及换流站与交流系统交换的无功功率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：(1)与现有的直流模型相比，此新型直流等效模型简化了许多不必要的直流控制部分，减小直流建模的复杂度和难度，更减少了仿真难度和仿真时间；(2)此新型直流等效模型能够抓住扰动后直流运行的关键特性，保证等效模型在大电网机电过程仿真中的可用性和适用性。
附图说明
图1为等效电流/电压源模型的建模流程图；
图2为高压直流输电系统等效电压电流源模型结构图；
图3为交流系统故障短时间切除情况下的直流各分量的动态响应曲线图；
图4为交流系统故障短时间切除情况下的等效模型仿真曲线图；
图5为不同控制方式下的逆变站运行特性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，分析在同一扰动类型下直流电压及直流电流的动态特性，确定波动的不同阶段以及每个阶段的特征；
首先经过大量的调研与实际数据的观察，得知不同扰动引起的直流功率波动响应不会一致。因此观察在同一扰动类型下的直流电流、直流电压的动态特性，结合实际控制系统的控制机理，寻找其共同的外部特征。当整体外部特征不明显时，可分为多个阶段，考虑每个阶段的特征。
步骤S2，针对每个阶段的电流和电压特征采用相应的函数进行拟合，得到各自的分段函数模型；
在分析直流电流或直流电压的外部特征后，需确定采用什么简单函数对外部特征进行表示；由于整体的外部特征并不能用单一的函数进行表示，因此将外部特征分为多个阶段，对每个阶段的电流、电压分别用简单函数表示；最后，通过这些简单函数的按时序投切来模拟整体的外部特征。
步骤S3，将电流和电压的每段函数用对应的电流源和电压源进行等效，并使电流源和电压源按时序切换各分段函数。
在得到直流电流和直流电压的分阶段简单函数后，将这些电流(电压)的简单函数用电流源(电压源)进行等效，并采用控制系统控制简单函数的按时序切换。
目前广泛使用的交直流电力系统仿真程序中，直流换流器模型要么过于复杂，要么过于简化。本发明中将高压直流输电系统模拟为电流源和电压源的拼接模型，比如：整流侧基本控制直流系统的直流电流，可以等效为受控电流源，逆变侧基本控制直流电压，可等效为受控电压源。此直流模型由一端保留直流电流的受控特性，另一端保留直流电压的受控特性，因此可以完整地模拟出直流系统的运行特性。电流源和电压源通过直流线路相连，形成等效直流系统，整个直流系统的运行特性及其输出功率可由相应的电流源和电压源状态确定。
基于此等效电流电压源方法建立的高压直流输电系统等效模型，结构图如图2所示，包括，
用于模拟整流侧的受控电流源；
用于模拟逆变侧的受控电压源；
实时采集换流母线电压、直流电压及直流电流的输入模块；
用于获取各运行状态模式下对应的直流量目标值的控制模块；
用于控制受控电压源及受控电流源输出对应的直流电压及直流电流目标值的输出模块；
用于计算换流站对电网扰动响应的功率计算模块；
输入模块将采集的换流母线电压、直流电压、直流电流送入控制模块，控制模块根据当前直流系统的运行状态获得对应的直流量目标值送入输出模块，控制受控电压源及受控电流源按照对应的目标值运行，功率计算模块基于输入模块送入的直流电压电流值获得直流系统注入交流系统中的有功功率以及换流站与交流系统交换的无功功率。
图2中各变量的含义为：Udr、Udi分别表示整流器、逆变器直流电抗器出口的直流输电线侧直流电压，Ur、Ui分别表示整流器、逆变器的交流侧电压有效值，Pr、Pi分别表示整流站、逆变站注入交流系统的有功功率，Qr、Qi分别表示整流站、逆变站与交流系统交换的无功功率；R表示直流输电线的电阻；Id表示直流电流。
下面分模块进行分别介绍：
1)控制模块
直流系统中，控制器的作用不可忽略，确保了直流系统的稳定运行。目前广泛使用的详细直流模型，过多的考虑了控制器的调节过程。本发明中去掉了其中不必要的调节环节，只选取了对电流或电压动态过程影响较大的关键环节，大大简化了相应的控制器结构，并且能够完整保留直流电流和直流电压的受控特性。控制器将模型当前的直流电流和直流电压的目标值，以及换流母线上的电压值作为控制系统的输入量，通过控制环节的处理，输出对电压源或电流源的控制量。控制量输入受控电压源或受控电流源，进而分别输出直流系统电压、电流，因此可以完整地模拟直流系统的动态特性。
2)功率计算模块
直流系统对交流系统的影响主要表现在直流系统注入到交流系统中的有功功率以及换流站与交流系统间交换的无功功率。在高压直流系统的功率计算环节可以根据受控电压源和受控电流源的输出分别计算出两侧直流系统与交流系统间交换的有功功率，进一步根据某一侧换流母线电压计算出相应直流系统与交流系统间交换的无功功率。具体计算过程如下：
输出有功的模拟：当建立等效电流/电压源模型后，等效直流系统需要进一步输出直流系统的有功功率。由于此等效直流系统中，直流电流由等效电流源控制输出，直流电压由等效电压源控制输出，因此直流电压和直流电流为已知量。按照实际直流系统的机理，直流站输出的有功即为直流电流和该侧直流电压的乘积。
输出无功的模拟：在不同控制策略下的换流站的P-Q图如图5所示。图中： P代表换流器传输的有功功率；Q代表换流器吸收的无功功率；线1是整流器最小触发角控制器作用结果；线2是逆变器定关断角控制器作用结果；线3是换流器定直流电流控制器作用结果；线4是换流器定无功功率控制器作用结果；线5是换流器定有功功率控制器作用结果；线6是换流器定最小直流电流控制作用结果；线7是整流器定最大触发角控制作用结果；线8是换流器定直流电压控制作用结果。
此图5 可根据换流器准稳态公式计算得出：
Figure BDA0001290874460000071
式中， Pd、Qd和
Figure BDA0001290874460000072
分别为直流逆变器输出的有功功率和逆变器消耗的无功功率以及功率因数角；γ为熄弧角；Id为直流电流；Ui为换流母线的交流电压；Xi为换流变漏抗。之后根据当前的直流有功在曲线上查找对应的无功，由此可以模拟当前的换流器输出的无功。
若要得到整个换流站的无功输出，还需要考虑滤波器/电容器组和SVG等动态无功补偿设备的控制作用，即把它们的无功输出值汇集到一起，可得到换流站交换的无功。滤波器/电容器组投切和SVG的控制效果，可按照查表或典型方式的处理方法模拟，不在本专利申请范围。
实施例
以交流系统故障短时间切除为例，一种适用于大电网机电过程仿真的高压直流输电系统等效电流电压源建模方法，具体包括以下步骤：
步骤1，在交流故障发生到故障切除时间段内，分析直流电压及直流电流的动态特性；确定直流电压经历下降、维持和上升阶段，直流电流经历上升、下降、维持和上升阶段；
根据大量的实测数据并结合机理进行特性分析，以交流系统故障短时间切除为例。在交流系统故障短时间切除的情况下，直流系统先发生换相失败，故障切除后恢复至正常。直流系统的动态响应曲线如图3所示。
直流电压的动态特性如下：交流系统发生故障时，换流母线电压迅速降低，直流电压因此也迅速下降至低水平；之后，在控制器的作用下进入低电压维持阶段；当交流故障被切除后，换流母线电压开始回升，此时，直流电压随着交流电压的升高而逐渐恢复至稳定水平。
直流电流的动态特性如下：故障发生时，直流电流迅速增大，并在较短时间内达到最高点；之后，因为直流电压的降低，VDCL(低压限流控制，是指在某些故障情况下，当直流电压低于某一值时，自动降低直流电流调节器的电流整定值，待直流电压恢复后，又自动恢复电流整定值)功能被投入，电流整定值变得很低，在整流器的定电流控制作用下，直流电流得到迅速抑制，下降到低水平；直流电流在低水平保持一段时间后，因为交流故障的切除，直流电压抬升，直流电流也跟随恢复到额定值。
步骤2，针对不同阶段采用相应的函数进行拟合，其中上升或下降阶段采用爬坡函数来表示，维持阶段采用常数函数来表示。
在分析每个阶段的特征后，需确定采用什么模型结构进行建模：同样以交流系统故障短时切除为例，由步骤一中的特性分析，直流电流、直流电压的变化基本上是由上升、维持、下降这三种特性组成，因此可以采用爬坡函数来模拟上升或者下降，其升降的快慢以及峰值可以通过参数设置，而维持特性可以采用常数函数进行表示。各个函数中的参数可以通过大量的数据进行辨识得到。最终得到直流电流和直流电压的模型。
步骤3，由步骤2得到直流电流和直流电压的模型后，采用受控电流源表示电流模型，采用受控电压源表示电压模型，受控电流源以及受控电压源中的函数切换通过控制器按照一定的逻辑功能实现。等效后的电流、电压模型如图4 所示。
步骤4，直流系统输出的有功通过直流电流与直流电压的乘积表示，注入到交流系统的无功可以根据当前直流有功值查询换流器无功功率轨迹图得到，曲线如图5所示，图中不同曲线即为不同控制方式下换流站消耗无功随直流有功功率变化的曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高压直流输电系统等效电流电压源建模方法，其特征是，在高压直流输电系统中，整流侧控制直流输电系统的直流电流，等效为受控电流源，逆变侧控制直流电压，等效为受控电压源；
建模方法包括以下步骤：
步骤S1，分析在同一扰动类型下直流电压及直流电流的动态特性，确定波动的不同阶段以及每个阶段的特征；
步骤S2，针对每个阶段的电流和电压特征采用相应的函数进行拟合，得到各自的分段函数模型；
步骤S3，将电流和电压的每段函数用对应的电流源和电压源进行等效，并使电流源和电压源按时序切换各分段函数；
电流源和电压源通过直流线路相连形成的等效直流系统输出的有功功率，即为直流电流和直流电压的乘积；
电流源和电压源通过直流线路相连形成的等效直流系统输出的无功功率，根据当前整流侧或逆变侧的控制方式、直流有功值通过查询无功-有功曲线得到。
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