CN108448605B - 一种高压直流输电系统仿真模型 - Google Patents

一种高压直流输电系统仿真模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高压直流输电系统仿真模型。该仿真模型包括：用于模拟整流侧三相交流电网的整流侧三相交流电网模型、用于模拟逆变侧三相交流电网的逆变侧三相交流电网模型、用于模拟直流输电线路的直流输电线路模型、用于模拟整流换流器的第一电流源和第一电压源、用于模拟逆变换流器的第二电流源和第二电压源；第一电流源和第二电流源均为三个，第一电流源连接在整流侧三相交流电网模型上，且三个第一电流源为星形连接，第二电流源连接在逆变侧三相交流电网模型上且三个第二电流源为星形连接；第一电压源并联在直流输电线路模型的整流侧，第二电压源并联在直流输电线路模型的逆变侧。本发明的仿真模型能够在简化仿真模型的同时提高仿真速度。

Description

一种高压直流输电系统仿真模型
技术领域
本发明涉及电力系统建模与仿真技术领域，特别是涉及一种高压直流输电系统仿真模型。
背景技术
高压直流输电广泛用于高压大容量远距离电能输送以及非同步运行的交流电网互联等场合。为了使得高压直流输电能够更加稳定的运行，在高压直流输电系统设计之初需要对高压直流输电系统的性能进行建模仿真。现有建模方式是按照高压直流输电的原理，建立由晶闸管组成的桥式整流或者逆变电路的仿真模型。该仿真模型的电路复杂，交流电网与直流电网之间存在直接的电路耦合，仿真速度慢。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流输电系统仿真模型，简化仿真模型的同时提高仿真速度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高压直流输电系统仿真模型，包括：用于模拟整流侧三相交流电网的整流侧三相交流电网模型、用于模拟逆变侧三相交流电网的逆变侧三相交流电网模型、用于模拟直流输电线路的直流输电线路模型、用于模拟整流换流器的第一电流源和第一电压源、用于模拟逆变换流器的第二电流源和第二电压源；所述第一电流源和所述第二电流源的数量均为三个，三个所述第一电流源连接在所述整流侧三相交流电网模型上，且三个所述第一电流源为星形连接，三个所述第二电流源连接在所述逆变侧三相交流电网模型上且三个所述第二电流源为星形连接；所述第一电压源并联在所述直流输电线路模型的整流侧，所述第二电压源并联在所述直流输电线路模型的逆变侧。
可选的，所述第一电压源的电压为
Figure BDA0001562893520000021
其中
Figure BDA0001562893520000022
Ur为整流侧电压，Urd为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的d轴电压，Urq为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的q轴电压；α为整流桥的触发角，Xr1为整流换流电抗，Id为直流电流。
可选的，三个所述第一电流源的电流Ira、Irb和Irc是由整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的d轴电压所对应的电流Ird和整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的q轴电压所对应的电流Irq进行反派克变换得到的；Ird和Irq由以下公式计算得到：
Figure BDA0001562893520000023
可选的，所述第二电压源的电压为
Figure BDA0001562893520000024
其中
Figure BDA0001562893520000025
Ui为逆变侧电压，Uid为逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的d轴电压，Uiq为逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的q轴电压；β为逆变桥的触发角，Xr2为逆变换流电抗，Id为直流电流。
可选的，三个所述第二电流源的电流Iia、Iib和Iic由逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的d轴电压所对应的电流Iid和逆变侧侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的q轴电压所对应的电流Iiq进行反派克变换得到的；Iid和Iiq由以下公式计算得到：
Figure BDA0001562893520000026
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明的高压直流输电系统仿真模型，通过采用电流源和电压源代替整流换流器，采用电流源和电压源代替逆变换流器，实现了交流电网与直流电网的隔离，简化了仿真模型，提高了仿真速度；同时由于没有使用晶闸管进行仿真，避免出现晶闸管从开通到关断，再由关断到开通的暂态过程，因而省略了高频分量，使得本发明的仿真模型更适用于次同步振荡分析。
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为本发明高压直流输电系统仿真模型实施例的实际高压直流输电电路结构图；
图2为本发明高压直流输电系统仿真模型实施例的模型电路结构图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明高压直流输电系统仿真模型实施例的实际高压直流输电电路结构图。
参见图1，高压直流输电系统包括整流侧三相交流电网1、整流换流器2、直流输电线路3、逆变换流器4和逆变侧三相交流电网5。整流侧三相交流电网1的三相输出端与所述整流换流器2的输入端相连；所述整流换流器2的输出端与所述直流输电线路3的输入端相连；所述直流输电线路3的输出端与所述逆变换流器4的输入端相连；所述逆变换流器4的输出端与所述逆变侧三相交流电网5的三相输入端相连。
为了对该实际高压直流输电电路进行仿真，本发明提出一种高压直流输电系统仿真模型，该仿真模型用于次同步振荡分析。所谓次同步，是指低于同步频率，即频率小于50Hz。所以在进行次同步振荡分析时，只需要关注高压直流输电系统在50Hz以下频率的特性，不关注高频特性。
图2为本发明高压直流输电系统仿真模型实施例的模型电路结构图。
参见图2，该高压直流输电系统仿真模型，包括：用于模拟整流侧三相交流电网1的整流侧三相交流电网模型6、用于模拟逆变侧三相交流电网5的逆变侧三相交流电网模型12、用于模拟直流输电线路3的直流输电线路模型9、用于模拟整流换流器2的第一电流源7和第一电压源8、用于模拟逆变换流器4的第二电流源11和第二电压源10；所述第一电流源7和所述第二电流源11的数量均为三个，三个所述第一电流源7连接在所述整流侧三相交流电网模型6上，且三个所述第一电流源7为星形连接，三个所述第二电流源11连接在所述逆变侧三相交流电网模型12上且三个所述第二电流源11为星形连接；所述第一电压源8并联在所述直流输电线路模型9的整流侧，所述第二电压源10并联在所述直流输电线路模型9的逆变侧。
本发明的高压直流输电系统仿真模型，通过采用电流源和电压源代替整流换流器，采用电流源和电压源代替逆变换流器，实现了交流电网与直流电网的隔离，简化了仿真模型，提高了仿真速度；同时由于没有使用晶闸管进行仿真，避免出现晶闸管从开通到关断，再由关断到开通的暂态过程，因而省略了高频分量，使得本发明的仿真模型更适用于次同步振荡分析。
本发明所提供的仿真模型的第一电流源7和第一电压源8的参数利用如下方法确定：
首先测量以下参数作为已知量：整流侧三相电压Ura、Urb和Urc；整流桥的触发角α，直流电流Id；整流换流电抗Xr1。
再次对整流侧三相电压Ura、Urb和Urc乘以派克变换矩阵Ts，得到Urd和Urq；Urd为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的d轴电压，Urq为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的q轴电压；派克变换矩阵Ts为：
Figure BDA0001562893520000051
其中ωs为派克变换矩阵的角频率，ωs＝100π，t为时间。
并利用Urd和Urq计算整流侧电压Ur：
Figure BDA0001562893520000052
然后，将整流侧电压Ur代入第一电压源8的电压的计算公式：
Figure BDA0001562893520000053
得到第一电压源8的电压Udr。该第一电压源8的电压Udr即为等效于整流换流器2直流侧电压的电压值。
之后由
Figure BDA0001562893520000054
可得：
Figure BDA0001562893520000055
并联立有功功率的关系式UrdIrd+UrqIrq＝UdrId，可以计算得到Ird和Irq；
其中Ird为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的d轴电压所对应的电流；Irq为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的q轴电压所对应的电流；Q为无功功率，P为有功功率。
最后，对Ird和Irq进行反派克变换，即可得到三个第一电流源7的电流Ira、Irb和Irc。
本发明所提供的仿真模型的第二电流源11和第二电压源10的参数利用如下方法确定：
首先测量以下参数作为已知量：逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic；逆变桥的触发角β；直流电流Id；逆变换流电抗Xr2。
再次对逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic乘以派克变换矩阵Ts，得到Uid和Uiq；Uid为逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的d轴电压，Uiq为逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的q轴电压；派克变换矩阵Ts为：
Figure BDA0001562893520000061
其中ωs为派克变换矩阵的角频率，ωs＝100π，t为时间。
并利用Uid和Uiq计算逆变侧电压Ui：
Figure BDA0001562893520000062
然后，将逆变侧电压Ui代入第二电压源10的电压的计算公式：
Figure BDA0001562893520000063
得到第二电压源10的电压Udi。该第二电压源10的电压Udi即为等效于逆变换流器4直流侧电压的电压值。
之后由
Figure BDA0001562893520000064
可得：
Figure BDA0001562893520000065
并联立有功功率的关系式UidIid+UiqIiq＝UdiId，可以计算得到Iid和Iiq；
其中Iid为逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的d轴电压所对应的电流；Iiq为逆变侧侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的q轴电压所对应的电流；Q为无功功率，P为有功功率。
最后，对Iid和Iiq进行反派克变换，即可得到三个第二电流源11的电流Iia、Iib和Iic。
本发明的仿真模型实现了交流电网与直流电网的隔离，简化了仿真模型，能够提高仿真速度。同时，忽略了整流换流器和逆变换流器注入电流电网的高次谐波分量，保留了次同步频率的分量，在满足次同步振荡分析要求的前提下，简化了模型，提高了仿真速度。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种高压直流输电系统仿真模型，其特征在于，包括：用于模拟整流侧三相交流电网的整流侧三相交流电网模型、用于模拟逆变侧三相交流电网的逆变侧三相交流电网模型、用于模拟直流输电线路的直流输电线路模型、用于模拟整流换流器的第一电流源和第一电压源、用于模拟逆变换流器的第二电流源和第二电压源；所述第一电流源和所述第二电流源的数量均为三个，三个所述第一电流源连接在所述整流侧三相交流电网模型上，且三个所述第一电流源为星形连接，三个所述第二电流源连接在所述逆变侧三相交流电网模型上且三个所述第二电流源为星形连接；所述第一电压源并联在所述直流输电线路模型的整流侧，所述第二电压源并联在所述直流输电线路模型的逆变侧；
所述第一电压源的电压为
Figure FDA0003337417960000011
其中
Figure FDA0003337417960000012
Ur为整流侧电压，Urd为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的d轴电压，Urq为整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的q轴电压；α为整流桥的触发角，Xr1为整流换流电抗，Id为直流电流；
三个所述第一电流源的电流Ira、Irb和Irc是由整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的d轴电压所对应的电流Ird和整流侧三相电压Ura、Urb和Urc进行派克变换后得到的q轴电压所对应的电流Irq进行反派克变换得到的；Ird和Irq由以下公式计算得到：
Figure FDA0003337417960000013
2.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统仿真模型，其特征在于，所述第二电压源的电压为
Figure FDA0003337417960000014
其中
Figure FDA0003337417960000015
Ui为逆变侧电压，Uid为逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的d轴电压，Uiq为逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的q轴电压；β为逆变桥的触发角，Xr2为逆变换流电抗，Id为直流电流。
3.根据权利要求2所述的一种高压直流输电系统仿真模型，其特征在于，三个所述第二电流源的电流Iia、Iib和Iic由逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的d轴电压所对应的电流Iid和逆变侧三相电压Uia、Uib和Uic进行派克变换后得到的q轴电压所对应的电流Iiq进行反派克变换得到的；Iid和Iiq由以下公式计算得到：
Figure FDA0003337417960000021
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