CN108336751A - 一种lcc-mmc混合直流电网的机电暂态建模方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种LCC‑MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，构造出的LCC‑MMC混合直流电网的机电暂态模型考虑了MMC直流侧模型的动态特性，因此模型的准确性更高。此外，本申请中采用状态空间表达式将直流网络、换流站的代数‑微分数学模型以及控制器的代数‑微分方程统一结合求解，因此建模难度低，实施方便。本申请所构造出的模型可用于含LCC‑MMC混合直流电网的暂态稳定分析，在电网的规划、设计和运行具有重要应用。

Description

一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法

技术领域

本申请涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法。

背景技术

电网换相的换流器(Line Communicated Converter，LCC)在高电压等级和大容量功率传输的直流输电中扮演着极其重要的角色。LCC的传统直流输电系统具有技术成熟、运行经验丰富和经济性较高等优势，然而基于LCC的传统直流输电系统的逆变侧面临着换相失败的风险，一旦发生这种情况，将会对交直流系统产生很大的冲击。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是学术界和工业界关注的热点。基于MMC的柔性直流输电系统(MMC-HVDC)在光伏、风电等新能源并网，实现超大规模城市输配电，在偏远海岛、孤立负荷和无源网络送电等场合具有更强的竞争力；其诸多优势包括模块化设计安装简单方便，结构紧凑占地面积小，能够从根本上消除换相失败的问题。

由于同时具备LCC和MMC的优势，LCC-MMC混合直流电网近年来受到越来越多的关注。世界上尚未有在运的LCC-MMC混合直流电网工程，目前中国南方电网公司正在建设乌东德三端混合直流送出工程，其中规划方案之一是云南送端换流站采用LCC，广东和广西受端换流站采用MMC。LCC-MMC混合直流电网的引入，对电力系统的暂态稳定分析提出了新的要求和挑战。

从现代大电网的角度来看，LCC-MMC混合直流电网仅仅是大电网的一个元件或者是一个子系统。大电网的规划、设计和运行无不与大电网的机电暂态过程分析密切相关。对于电力系统的暂态稳定性分析，通常较为关心LCC-MMC混合直流电网与交流系统的能量交换，也即只考虑LCC-MMC混合直流电网在基频下的运行特性。由于现有的电力系统机电暂态仿真软件缺乏LCC-MMC混合直流电网模型，无法满足工程实际需求。因此，建立一个能够正确反映LCC-MMC混合直流输电系统基频动态特性的机电暂态模型显得尤为重要。然而，现有的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态模型研究中，没有考虑MMC直流侧模型的动态特性，因此模型的准确性还有待提高；此外，直流网络的动态特性并非采用状态空间的形式来描述，不能够跟换流站的数学模型以及控制器模型统一结合，因此会增加建模的难度。

发明内容

本申请提供了一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，以解决目前换流站分析机电暂态过程的建模难度大的问题。

本申请提供了一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，包括：

构造LCC换流站交流侧等效电路的代数方程、LCC换流站直流侧等效电路的微分方程、MMC换流站交流侧等效电路的微分方程和MMC换流站直流侧等效电路的微分方程；

构造LCC换流站控制器的代数-微分方程、MMC换流站内环控制器的代数-微分方程和MMC换流站外环控制器的代数-微分方程；

构造直流网络的代数-微分方程；

根据所述LCC换流站交流侧等效电路的代数方程、所述LCC换流站直流侧等效电路的微分方程、所述MMC换流站交流侧等效电路的微分方程、所述MMC换流站直流侧等效电路的微分方程、所述LCC换流站控制器的代数-微分方程、所述MMC换流站内环控制器的代数-微分方程、所述MMC换流站外环控制器的代数-微分方程和所述直流网络的代数-微分方程，用状态空间的形式统一组合和求解，构成完整的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态模型。

可选的，所述LCC换流站交流侧等效电路的代数方程为：

P_s＝U_dcI_dc，

其中，P_s为有功功率，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，Q_s为无功功率，U_s为换流站母线电压，X_tr为换流变压器漏抗，k为换流变压器变比，N_b为每一极直流所含六脉动桥的个数，α为延迟触发角，μ为换相重叠角。

可选的，所述LCC换流站直流侧等效电路的微分方程为：

其中，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，L_dc为直流电感，U_s为换流站母线电压，X_tr为换流变压器漏抗，k为换流变压器变比，N_b为每一极直流所含六脉动桥的个数，α为延迟触发角。

可选的，所述MMC换流站交流侧等效电路的微分方程为：

其中，I_vd为交流电流的d轴分量，I_vq为交流电流的q轴分量，U_diffd为MMC输出交流电压的d轴分量，U_diffq为MMC输出交流电压的q轴分量，U_sd为MMC换流母线电压的d轴分量，U_sq为MMC换流母线电压的q轴分量，R和L分别是MMC交流侧等效电阻和电感，ω₀为额定基波角频率。

可选的，所述MMC换流站直流侧等效电路的微分方程为：

其中，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，R_arm和L_arm分别是MMC桥臂等效电阻和桥臂电感，C_Ceq为直流侧等效电容，U_Ceq为直流侧等效电容电压，I_dcs为可控直流电流源。

可选的，所述LCC换流站控制器的代数-微分方程为：

α＝π-K_Idc(I_dcref-I_dc)-M_Idc，

其中，I_dcref为LCC定电流控制器的电流参考值，K_Idc和T_Idc分别是LCC定电流控制器的比例系数和时间常数，M_Idc为定电流控制器的状态变量。

可选的，所述MMC换流站内环控制器的代数-微分方程为：

U_diffdref＝U_sd+ω₀LI_vq-[K_id(I_vdref-I_vd)+M_id]，

其中，K_id和T_id分别是MMC d轴内环控制器的比例系数和时间常数，M_id为d轴内环控器的状态变量；K_iq和T_iq分别是MMC q轴内环控制器的比例系数和时间常数，M_iq为q轴环控制器的状态变量；I_vdref和I_vqref分别为MMC的dq轴内环控制器的电流参考值。

可选的，所述MMC换流站外环控制器的代数-微分方程为：

I_vdref＝K_xd(X_dref-X_d)+M_xd，

I_vqref＝K_xq(X_qref-X_q)+M_xq，

其中，K_xd和T_xd分别是MMC d轴外环控制器的比例系数和时间常数，M_xd为d轴外环控制器的状态变量；K_xq和T_xq分别是MMC q轴外环控制器的比例系数和时间常数，M_xq为q轴外环控制器的状态变量；X_dref和X_d分别是MMC d轴外环控制器的参考值以及目标控制量的实际值，通常为有功功率或直流电压量；X_qref和X_q分别是MMC q轴外环控制器的参考值以及目标控制量的实际值，通常为无功功率或交流电压量。

可选的，所述直流网络的代数-微分方程为：

其中，U_dci是第i个直流节点的直流电压，C_brk、R_brk和I_brk分别是跟第i个直流节点关联的第k条直流线路的电容、电阻和直流线路电流；U_dct是第t个直流节点的直流电压。

由以上技术方案可知，本申请提供一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，构造出的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态模型考虑了MMC直流侧模型的动态特性，因此模型的准确性更高。此外，本申请中采用状态空间表达式将直流网络、换流站的代数-微分数学模型以及控制器的代数-微分方程统一结合求解，因此建模难度低，实施方便。本申请所构造出的模型可用于含LCC-MMC混合直流电网的暂态稳定分析，在电网的规划、设计和运行具有重要应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法流程图；

图2为本申请实施例提供的三端LCC-MMC混合直流电网的示意图；

图3为本申请实施例提供的三端LCC-MMC混合直流电网阶跃测试的有功功率对比曲线；

图4为本申请实施例提供的三端LCC-MMC混合直流电网阶跃测试的直流电压对比曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，本申请实施例提供一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，包括：

步骤101，构造LCC换流站交流侧等效电路的代数方程、LCC换流站直流侧等效电路的微分方程、MMC换流站交流侧等效电路的微分方程和MMC换流站直流侧等效电路的微分方程。

所述LCC换流站交流侧等效电路的代数方程为：

P_s＝U_dcI_dc，

其中，P_s为有功功率，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，Q_s为无功功率，U_s为换流站母线电压，X_tr为换流变压器漏抗，k为换流变压器变比，N_b为每一极直流所含六脉动桥的个数，α为延迟触发角，μ为换相重叠角。

所述LCC换流站直流侧等效电路的微分方程为：

其中，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，L_dc为直流电感，U_s为换流站母线电压，X_tr为换流变压器漏抗，k为换流变压器变比，N_b为每一极直流所含六脉动桥的个数，α为延迟触发角。

所述MMC换流站交流侧等效电路的微分方程为：

其中，I_vd为交流电流的d轴分量，I_vq为交流电流的q轴分量，U_diffd为MMC输出交流电压的d轴分量，U_diffq为MMC输出交流电压的q轴分量，U_sd为MMC换流母线电压的d轴分量，U_sq为MMC换流母线电压的q轴分量，R和L分别是MMC交流侧等效电阻和电感，ω₀为额定基波角频率。

所述MMC换流站直流侧等效电路的微分方程为：

其中，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，R_arm和L_arm分别是MMC桥臂等效电阻和桥臂电感，C_Ceq为直流侧等效电容，U_Ceq为直流侧等效电容电压，I_dcs为可控直流电流源。

步骤102，构造LCC换流站控制器的代数-微分方程、MMC换流站内环控制器的代数-微分方程和MMC换流站外环控制器的代数-微分方程。

所述LCC换流站控制器的代数-微分方程为：

α＝π-K_Idc(I_dcref-I_dc)-M_Idc，

其中，I_dcref为LCC定电流控制器的电流参考值，K_Idc和T_Idc分别是LCC定电流控制器的比例系数和时间常数，M_Idc为定电流控制器的状态变量。

所述MMC换流站内环控制器的代数-微分方程为：

U_diffdref＝U_sd+ω₀LI_vq-[K_id(I_vdref-I_vd)+M_id]，

U_diffqref＝U_sq+ω₀LI_vd-[K_iq(I_vqref-I_vq)+M_iq]，

其中，K_id和T_id分别是MMC d轴内环控制器的比例系数和时间常数，M_id为d轴内环控制器的状态变量；K_iq和T_iq分别是MMC q轴内环控制器的比例系数和时间常数，M_iq为q轴内环控制器的状态变量；I_vdref和I_vqref分别为MMC的dq轴内环控制器的电流参考值。

所述MMC换流站外环控制器的代数-微分方程为：

I_vdref＝K_xd(X_dref-X_d)+M_xd，

I_vqref＝K_xq(X_qref-X_q)+M_xq，

其中，K_xd和T_xd分别是MMC d轴外环控制器的比例系数和时间常数，M_xd为d轴外环控制器的状态变量；K_xq和T_xq分别是MMC q轴外环控制器的比例系数和时间常数，M_xq为q轴外环控制器的状态变量；X_dref和X_d分别是MMC d轴外环控制器的参考值以及目标控制量的实际值，通常为有功功率或直流电压量；X_qref和X_q分别是MMC q轴外环控制器的参考值以及目标控制量的实际值，通常为无功功率或交流电压量。

步骤103，构造直流网络的代数-微分方程。

所述直流网络的代数-微分方程为：

其中，U_dci是第i个直流节点的直流电压，C_brk、R_brk和I_brk分别是跟第i个直流节点关联的第k条直流线路的电容、电阻和直流线路电流；U_dct是第t个直流节点的直流电压。

步骤104，根据所述LCC换流站交流侧等效电路的代数方程、所述LCC换流站直流侧等效电路的微分方程、所述MMC换流站交流侧等效电路的微分方程、所述MMC换流站直流侧等效电路的微分方程、所述LCC换流站控制器的代数-微分方程、所述MMC换流站内环控制器的代数-微分方程、所述MMC换流站外环控制器的代数-微分方程和所述直流网络的代数-微分方程，用状态空间的形式统一组合和求解，构成完整的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态模型。

下面将结合如图2所示的含三端LCC-MMC混合直流电网的交直流系统为例来具体说明本申请所提出的建模方法。该混合直流系统的控制模式和控制指令值等参数如下表所示。

利用本申请提供的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，在机电暂态仿真软件PSS/E中搭建含该三端混合直流的交直流电力系统，并进行LCC换流站功率阶跃响应的测试，即仿真到3s时将LCC的有功功率指令从4000MW降低为3800MW。将本申请的暂态仿真结果与电磁暂态仿真软件PSCAD的仿真结果对比，结果分别如图3和图4所示。由仿真结果可知，PSS/E和PSCAD的动态响应特性基本一致，验证了本申请的准确性。

由以上技术方案可知，本申请提供一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，构造出的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态模型考虑了MMC直流侧模型的动态特性，因此模型的准确性更高。此外，本申请中采用状态空间表达式将直流网络、换流站的代数-微分数学模型以及控制器的代数-微分方程统一结合求解，因此建模难度低，实施方便。本申请所构造出的模型可用于含LCC-MMC混合直流电网的暂态稳定分析，在电网的规划、设计和运行具有重要应用。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种LCC-MMC混合直流电网的机电暂态建模方法，其特征在于，包括：

构造LCC换流站交流侧等效电路的代数方程、LCC换流站直流侧等效电路的微分方程、MMC换流站交流侧等效电路的微分方程和MMC换流站直流侧等效电路的微分方程；

构造LCC换流站控制器的代数-微分方程、MMC换流站内环控制器的代数-微分方程和MMC换流站外环控制器的代数-微分方程；

构造直流网络的代数-微分方程；

根据所述LCC换流站交流侧等效电路的代数方程、所述LCC换流站直流侧等效电路的微分方程、所述MMC换流站交流侧等效电路的微分方程、所述MMC换流站直流侧等效电路的微分方程、所述LCC换流站控制器的代数-微分方程、所述MMC换流站内环控制器的代数-微分方程、所述MMC换流站外环控制器的代数-微分方程和所述直流网络的代数-微分方程，用状态空间的形式统一组合和求解，构成完整的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态模型。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述LCC换流站交流侧等效电路的代数方程为：

P_s＝U_dcI_dc，

其中，P_s为有功功率，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，Q_s为无功功率，U_s为换流站母线电压，X_tr为换流变压器漏抗，k为换流变压器变比，N_b为每一极直流所含六脉动桥的个数，α为延迟触发角，μ为换相重叠角。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述LCC换流站直流侧等效电路的微分方程为：

其中，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，L_dc为直流电感，U_s为换流站母线电压，X_tr为换流变压器漏抗，k为换流变压器变比，N_b为每一极直流所含六脉动桥的个数，α为延迟触发角。

4.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于，所述MMC换流站交流侧等效电路的微分方程为：

其中，I_vd为交流电流的d轴分量，I_vq为交流电流的q轴分量，U_diffd为MMC输出交流电压的d轴分量，U_diffq为MMC输出交流电压的q轴分量，U_sd为MMC换流母线电压的d轴分量，U_sq为MMC换流母线电压的q轴分量，R和L分别是MMC交流侧等效电阻和电感，ω₀为额定基波角频率。

5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，所述MMC换流站直流侧等效电路的微分方程为：

其中，U_dc为直流电压，I_dc为直流电流，R_arm和L_arm分别是MMC桥臂等效电阻和桥臂电感，C_Ceq为直流侧等效电容，U_Ceq为直流侧等效电容电压，I_dcs为可控直流电流源。

6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述LCC换流站控制器的代数-微分方程为：

α＝π-K_Idc(I_dcref-I_dc)-M_Idc，

其中，I_dcref为LCC定电流控制器的电流参考值，K_Idc和T_Idc分别是LCC定电流控制器的比例系数和时间常数，M_Idc为定电流控制器的状态变量。

7.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于，所述MMC换流站内环控制器的代数-微分方程为：

U_diffdref＝U_sd+ω₀LI_vq-[K_id(I_vdref-I_vd)+M_id]，

U_diffqref＝U_sq+ω₀LI_vd-[K_iq(I_vqref-I_vq)+M_iq]，

其中，K_id和T_id分别是MMC d轴内环控制器的比例系数和时间常数，M_id为d轴内环控制器的状态变量；K_iq和T_iq分别是MMC q轴内环控制器的比例系数和时间常数，M_iq为q轴内环控制器的状态变量；I_vdref和I_vqref分别为MMC的dq轴内环控制器的电流参考值。

8.根据权利要求7所述的建模方法，其特征在于，所述MMC换流站外环控制器的代数-微分方程为：

I_vdref＝K_xd(X_dref-X_d)+M_xd，

I_vqref＝K_xq(X_qref-X_q)+M_xq，

其中，K_xd和T_xd分别是MMC d轴外环控制器的比例系数和时间常数，M_xd为d轴外环控制器的状态变量；K_xq和T_xq分别是MMC q轴外环控制器的比例系数和时间常数，M_xq为q轴外环控制器的状态变量；X_dref和X_d分别是MMC d轴外环控制器的参考值以及目标控制量的实际值，通常为有功功率或直流电压量；X_qref和X_q分别是MMC q轴外环控制器的参考值以及目标控制量的实际值，通常为无功功率或交流电压量。

9.根据权利要求8所述的建模方法，其特征在于，所述直流网络的代数-微分方程为：

其中，U_dci是第i个直流节点的直流电压，C_brk、R_brk和I_brk分别是跟第i个直流节点关联的第k条直流线路的电容、电阻和直流线路电流；U_dct是第t个直流节点的直流电压。