CN107103147A - 一种面向功率特性的uhvdc简化仿真模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，属于电力系统建模与仿真领域。本发明忽略换流站内部快速的动态过程，只考虑换流站稳定运行中，受到电网状态变化影响后的响应行为，将两侧换流站等效为受控电压源或受控电流源。选取高压直流输电系统中典型的运行状态，作为预设模式，分析该预设模式下换流器控制角的变化规律，建立控制角的数学表达式模型，简化了控制器模型。本发明在保证足够精确度的基础上，简化了控制器调节过程，减少了仿真计算量，适用于换流站机电暂态仿真分析。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统建模与仿真技术领域，具体涉及一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，适用于对大电网机电过程的仿真计算。
背景技术
直流特高压(UHVDC)是指±800kV及以上电压等级的直流输电及相关技术，是世界上电力大国解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段，是全球能源互联网的重要组成部分。为了得到满意的运行特征，在规划设计阶段和实际运行中，必须预计到高压直流输电系统的性能、可能出现的问题及其解决方法。特高压直流系统的运行受发生在直流线路、换流器或交流系统的上的故障影响。故障的影响通过换流器控制的动作反映出来。因此，对于交流系统及其直流系统故障，高压直流系统要有满意的响应，换流器起着决定性作用。现代电力系统分析主要以计算机为工具，电力系统的仿真结果是否与实际物理系统相一致，很大程度上取决于仿真模型的精确性。
一方面，现有的大部分仿真软件的直流换流站模型都很粗糙，换流站出口母线的无功/电压特性就更不准确了。另一方面，现有仿真模型，都是基于电磁过程的，考虑了详细的半导体器件开关特性，以及详细的控制器模型，各个元件以及控制器的动态行为复杂，使得仿真时间长，计算量过大。
因此，有必要提出一种适用于大电网机电暂态分析的UHVDC简化仿真模型，在保证足够精确度的基础上，反应换流站对电网扰动的影响。重点考虑电网电压、频率发生变化后，换流站的输出特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，减少了仿真计算量，在保证精确度的基础上，反应换流站对电网扰动的影响。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，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、直流电流的输入模块；
用于存储各运行状态模式下对应的换流器控制角目标值的模式选择模块；
用于建立换流器控制角与直流量之间关系的转换模块；
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、直流电流送入模式选择模块，模式选择模块根据当前直流系统的运行状态获得对应的换流器控制角目标值，转换模块基于此换流器控制角目标值获得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。
进一步的，运行状态模式包括换相失败、单极闭锁、双极闭锁以及单极闭锁加极功率转移。
进一步的，换流器控制角包括整流器触发角α和逆变器熄弧角γ。
进一步的，换流器控制角建模的具体过程如下：
1)获取运行状态下对应的整流器触发角α和逆变器熄弧角γ的变化曲线；确定变化的不同阶段以及每个阶段的特征；
2)针对每个阶段的整流器触发角α和逆变器熄弧角γ特征采用相应的函数进行拟合，得到各自的分段函数模型；并通过分时序投切来切换各分段函数。
进一步的，直流电压、直流电流与整流器触发角α、逆变器熄弧角γ的关系为
Id＝(Ur-Ui)/R
式中，Xr、Xi分别为整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗，Rr、Ri为直流平波电抗和换流变压器以及换流器损耗对应的电阻，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，Xr、Xi分别表示整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗，R表示直流输电线的电阻；Id表示直流电流。
进一步的，有功功率为等效电流源输出的直流电流与等效电压源输出的直流电压的乘积。
进一步的，由换流器准稳态公式计算出换流站与交流系统间交换的无功功率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明忽略换流站内部快速的动态过程，只考虑换流站稳定运行中，受到电网状态变化影响后的响应行为，将两侧换流站等效为受控电压源或受控电流源。选取高压直流输电系统中典型的运行状态，作为预设模式，分析该预设模式下换流器控制角的变化规律，建立控制角的数学表达式模型，简化了控制器模型。本发明在保证足够精确度的基础上，简化了控制器调节过程，减少了仿真计算量，适用于换流站机电暂态仿真分析。
附图说明
图1直流输电系统构成图；
图2高压直流输电系统简化仿真模型结构图；
图3控制模块结构示意图；
图4换相失败状态下的换流器控制角动态曲线图；
图5换相失败状态下的控制器控制角等效模型图。
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。
现有技术中直流输电系统结构，如图1所示，送端系统送出交流电经换流变压器和整流器变换成直流电，然后由直流线路将直流电输送给逆变站，经逆变器和换流变压器再将直流电变换成交流电，送入受端交流系统。完成交直流变换的站称为换流站，将交流电变换为直流电的换流站称为整流站(或称为整流器)，而将直流电变换为交流电的换流站称为逆变站(或称为逆变器)。图1中Ur、Ui分别代表整流器、逆变器的交流侧电压有效值；Xr、Xi分别表示整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗；Udr、Udi分别表示整流器与逆变器的直流电抗器出口的直流输电线侧直流电压；R表示直流输电线的电阻；Id表示直流电流。
本发明的一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型如图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、直流电流的输入模块；
用于存储各运行状态模式下对应的换流器控制角目标值的模式选择模块；
用于建立换流器控制角与直流量之间关系的转换模块；
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、直流电流送入模式选择模块，模式选择模块根据当前直流系统的运行状态获得对应的换流器控制角目标值，转换模块基于此换流器控制角目标值获得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。，Xr、Xi分别表示整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗，Rr、Ri分别表示整流侧、逆变侧的直流平波电抗和换流变压器以及换流器的损耗对应的电阻，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。
下面针对仿真模型中的各个模块进行详细描述：
1)等效受控源
现有的仿真软件的直流换流站模型过于粗糙，无法准确模拟出换流站对电网扰动的响应(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)。若不考虑换流站的启动、运行、潮流反转等状态，只考虑换流站稳定运行中，受到电网状态变化影响后的响应行为(此响应主要指直流系统在发生故障期间，其直流电压电流、有功功率、无功功率的变化特征)，对换流站采用适当的控制策略(定电压控制、定电流控制、定熄弧角控制等等)可以控制直流电压、电流维持在恒定值。为模拟电压电流可控的特性，采用受控源进行等效。其实，整流站和逆变站都可以等效为受控电压源或受控电流源，且其中一个等效为电压源，则另一个必须等效为电流源。本发明实施例中，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，模拟了直流输电系统的电流受控特性；逆变侧基本控制直流电压，可等效为受控电压源，模拟了直流输电系统的电压受控特性。
2)模式选择模块
现有仿真模型，大部分都是基于电磁暂态过程，考虑了详细的半导体器件开关特性，以及详细的控制器模型。计算步长小，计算量大，不适合大电网机电暂态过程及电压稳定问题的仿真研究。
本发明选取几种典型运行状态，包括换相失败、单极闭锁、双极闭锁以及单极闭锁加极功率转移，作为预设的运行状态模式。结合实际控制系统的运行机理，寻找换流器控制角的变化规律，进而对控制角进行建模，建模的具体过程如下：
1)对高压直流输电系统中大量实测数据以及内部机理进行分析，研究不同运行状态下换流器控制角(整流器触发角α和逆变器熄弧角γ)的规律性，或者利用现有的详细模型仿真获得动态曲线，得到相应运行状态下的控制角变化特征。
2)对整流器触发角α和逆变器熄弧角γ进行建模。为降低建模难度，采用分段函数表示控制角变化曲线，并通过分时序投切来模拟控制角的整体变化特征。
控制角采用分段函数来表示，可以降低建模难度。每种预设模式下，都对应一个用来表示相应控制角的简单分段函数。这样，直流模型中的控制器调节过程将被大大简化，能够减少仿真的计算量。
3)直流量计算模块
建立控制角的分阶段函数表达式模型之后，将触发角α、熄弧角γ、交流电压作为直流量计算模块的输入量，参见图3，直流量计算模块建立了换流器控制角与直流量之间的联系。经过直流量计算模块得到的直流电压电流值，作为受控电压源和受控电流源的控制量。控制量经过输出模块输入受控电压源或受控电流源，进而分别输出直流电压与直流电流，完整地模拟出直流系统动态特性。
直流电压、直流电流与整流器触发角α、逆变器熄弧角γ的关系为：
Id＝(Ur-Ui)/R
式中，Xr、Xi分别为整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗，Rr、Ri为直流平波电抗和换流变压器以及换流器损耗对应的电阻，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，Xr、Xi分别表示整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗，Rr、Ri分别表示整流侧、逆变侧的直流平波电抗和换流变压器以及换流器的损耗对应的电阻，R表示直流输电线的电阻；Id表示直流电流。
建立控制角的分阶段函数表达式模型之后，经上述关系式分别得到直流电压、直流电流的分段函数表达式模型，直流电压分段函数模型用受控电压源等效，直流电流分段函数用受控电流源等效。因此，可以完整的模拟出直流系统的运行特征。
4)功率计算模块
当高压直流输电系统处于不同运行状态时，需要重点考虑换流站的输出特性。即考虑电网电压、频率出现扰动，甚至发生换相失败、单极闭锁、双极闭锁等极端情况，换流站注入电网的有功功率和无功功率如何变化。忽略换流站的损耗，等效电流源输出的直流电流与等效电压源输出的直流电压的乘积，即换流站注入到交流系统的有功功率(Pr、Pi)。由换流器准稳态公式 表示功率因数，Xc代表换流变压器的换相电抗，Id为直流电流，U表示换流器交流侧电压有效值，P表示换流站注入交流系统的有功功率、Q表示换流站与交流系统交换的无功功率。计算出换流站与交流系统间交换的无功功率(Qr、Qi)。
实施例
换相失败是直流换流站最常见的故障之一，以换相失败为例，详述本发明仿真建模的具体过程，包括如下步骤：
1)对高压直流输电系统中大量实测数据以及内部机理进行分析，研究换相失败时换流器控制角(整流器触发角α和逆变器熄弧角γ)的规律性，或者利用现有的详细模型仿真获得动态曲线，得到换相失败时控制角的变化特征。换向失败时控制角的变化如图4所示，图4(a)为整流器的延迟触发角α的变化曲线，图4(b)为逆变器的延迟触发角α的变化曲线，已知逆变器熄弧角γ与逆变器延迟触发角α关系式为γ＝π-α-μ，其中，μ为叠弧角。因此，由图4(b)的变化曲线可知逆变器熄弧角γ的变化曲线。
2)对整流器和逆变器延迟触发角α进行建模。采用分段函数来拟合控制角变化曲线，并通过分时序投切来模拟控制角的整体变化特征。经观察可知，曲线主要由下降、维持以及上升段组成，其中下降或上升段采用爬坡函数来进行拟合，维持段采用常数函数来进行拟合。针对图4的曲线进行拟合后的结果如图5所示，图5(a)为整流器的延迟触发角α的拟合曲线，图5(b)为逆变器的延迟触发角α的拟合曲线。图中，采用爬坡函数表示曲线的升降特性，采用常数函数表示曲线的维持特性。
3)建立控制角的分阶段函数表达式模型之后，经直流量计算模块得到直流电压、直流电流的分段函数表达式模型，直流电压分段函数模型用受控电压源等效，直流电流分段函数用受控电流源等效。
4)换流站注入到交流系统的有功功率等于电流源输出的直流电流与等效电压源输出的直流电压的乘积。由换流器准稳态公式计算出换流站与交流系统间交换的无功功率。
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 (7)
1.一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，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、直流电流的输入模块；
用于存储各运行状态模式下对应的换流器控制角目标值的模式选择模块；
用于建立换流器控制角与直流量之间关系的转换模块；
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、直流电流送入模式选择模块，模式选择模块根据当前直流系统的运行状态获得对应的换流器控制角目标值，转换模块基于此换流器控制角目标值获得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。
2.根据权利要求1所述的一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，运行状态模式包括换相失败、单极闭锁、双极闭锁以及单极闭锁加极功率转移。
3.根据权利要求1所述的一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，换流器控制角包括整流器触发角α和逆变器熄弧角γ。
4.根据权利要求3所述的一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，换流器控制角建模的具体过程如下：
1)获取运行状态下对应的整流器触发角α和逆变器熄弧角γ的变化曲线；确定变化的不同阶段以及每个阶段的特征；
2)针对每个阶段的整流器触发角α和逆变器熄弧角γ特征采用相应的函数进行拟合，得到各自的分段函数模型；并通过分时序投切来切换各分段函数。
5.根据权利要求1所述的一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，直流电压、直流电流与整流器触发角α、逆变器熄弧角γ的关系为
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Id＝(Ur-Ui)/R
式中，Xr、Xi分别为整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗，Rr、Ri为直流平波电抗和换流变压器以及换流器损耗对应的电阻，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，Xr、Xi分别表示整流器、逆变器的换流变压器的换相电抗，R表示直流输电线的电阻；Id表示直流电流。
6.根据权利要求1所述的一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，有功功率为等效电流源输出的直流电流与等效电压源输出的直流电压的乘积。
7.根据权利要求1所述的一种面向功率特性的UHVDC简化仿真模型，其特征是，由换流器准稳态公式计算出换流站与交流系统间交换的无功功率。
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