CN108551178B - 一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，包括换流器的机电暂态仿真模型、直流电网的机电暂态仿真模型和三绕组变压器的机电暂态仿真模型；换流器的机电暂态仿真模型与直流电网的机电暂态仿真模型连接，并通过三绕组变压器的机电暂态仿真模型与交流电网连接，三绕组变压器的机电暂态仿真模型包括交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组。本发明提供的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型具有柔性直流输电操作模拟功能，为柔性直流输电系统稳定性分析提供基础；本发明考虑了三绕组变压器用电负荷侧的影响，并将交流电网侧绕组和负荷侧绕组等效为一个绕组，即将三绕组变压器等效为两绕组变压器，提高了仿真效率、仿真精度和仿真稳定性。

Description

一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型。

背景技术

柔性直流输电系统由于具有优良的运行特性，使得其成为超大规模的中国国家电网未来重要的输电设备。建立具有足够精度和计算速度的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，以支持大规模电网稳定分析是未来中国电网安全运行的基础。

目前针对柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型的研究主要有：1、依靠大型机电暂态仿真软件的自定义功能建模，如基于NETOMAC、PSASP、PSS/E，这种模型受自定义模型接口的限制，不能完成复杂的建模。2、建立非常简化的柔性直流输电系统和直流电网机电模型，具体如下：1)换流变为二绕组；2)换流器采用基波平均值模型，在交流侧等值成可控电压源和串联阻抗，在直流侧等值成可控电流源和并联电容；3)直流侧根据计算需要，采用固定拓扑结构或可适应不同拓扑的通用网络模型；4)建立简单的二次系统，只对控制系统中的主控制部分建模，维持柔直系统基本的响应，忽略高级控制和保护系统，也没有操作部分。上述模型对柔性直流输电系统进行大量简化，导致仿真精确度低，主要体现在以下方面：

1、二次部分只建立主控制模型，忽略附加控制、故障穿越控制，也没有保护和操作部分；柔性直流输电系统的动作极大依赖控制保护部分，特别是在交直流侧电网发生故障情况下，不同的控制保护策略将导致仿真结果差异极大。同时缺乏操作部分，会限制仿真模型的功能，使用户不能在仿真系统模拟实际设备上常见的操作或现象；

2、没有考虑换流器经过三绕组变压器与交流电网相连的情况；认为所有换流变都是二绕组，对三绕组换流变压器，直接把接换流站站用电负荷的绕组当作不存在，以此为基础计算换流器交流侧的电压和电流。

发明内容

为了克服上述现有技术中仿真精确度低的不足，本发明提供一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，包括换流器的机电暂态仿真模型、直流电网的机电暂态仿真模型和三绕组变压器的机电暂态仿真模型；换流器的机电暂态仿真模型与直流电网的机电暂态仿真模型连接，并通过三绕组变压器的机电暂态仿真模型与交流电网连接，三绕组变压器的机电暂态仿真模型包括交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组，本发明提供的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型结构简单，且仿真精度高。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，包括换流器的机电暂态仿真模型、直流电网的机电暂态仿真模型和三绕组变压器的机电暂态仿真模型；

所述换流器的机电暂态仿真模型与直流电网的机电暂态仿真模型连接，并通过三绕组变压器的机电暂态仿真模型与交流电网连接；

所述三绕组变压器的机电暂态仿真模型包括交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组。

所述换流器的机电暂态仿真模型包括换流器一次模型和换流器二次模型。

所述换流器一次模型包括交流侧等值电路和直流侧等值电路；

所述交流侧等值电路包括串联的可控电压源和交流支路，所述交流支路包括换流器的等值电阻和换流器的等值电感，所述换流器的等值电阻与换流器的等值电感并联；

所述直流侧等值电路包括并联的可控电流源和集中电容。

所述换流器二次模型包括控制模块、保护模块和操作模块；

所述控制模块包括主控制单元和辅助控制单元；

所述保护模块包括换流器保护单元；

所述操作模块包括状态调整单元和手动投退单元。

所述主控制单元包括：

d轴控制单元，用于对换流器进行定直流电压控制、定有功功率控制、下垂控制、直流电压偏差控制和孤岛频率控制；

q轴控制单元，用于对换流器进行定交流电压控制和定无功功率控制。

所述辅助控制单元包括：

协调控制单元，用于对换流器进行d轴和q轴协调限流控制以及功率圆控制；

主从切换控制单元，用于在换流器有功功率超过功率阈值、交流电压异常或频率异常时对换流器进行主从切换控制；

附加控制单元，用于对换流器进行附加直流电压控制、附加交流电压控制和附加频率控制；

安全限制单元，用于限制换流器的调节速度，并对换流器进行故障穿越控制。

所述换流器保护单元具体用于：

在交流母线电压超过第一电压上限、交流母线电压低于第一电压下限、直流母线电压超过第二电压上限、直流母线电压低于第二电压下限、交流支路电流超过电流阈值、换流站与交流电网之间断开连接或换流器三相不平衡时对换流器进行保护。

所述状态调整单元用于调整换流器的有功功率、无功功率、直流电压和交流电压；

所述手动投退单元用于对换流器进行闭锁和解锁，并断开换流器与交流电网之间的开关。

所述直流电网的机电暂态仿真模型包括直流电网一次模型和直流电网二次模型。

所述直流电网一次模型包括直流线路等值电路、故障支路以及并联的可控电流源和集中电容；

所述直流线路等值电路为π型等值电路。

所述直流电网二次模型包括：

直流线路保护模块，用于在直流线路出现直流线路首末端电流差值越限、过电流、低压过流或电压异常时对直流线路进行保护；

故障设置模块，用于在直流电网中设置短线故障、对地短路故障和线间短路故障。

所述三绕组变压器的机电暂态仿真模型如下式：

其中，r表示交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组的等值电阻，x表示交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组的等值电抗，r₁表示交流电网侧绕组的电阻，x₁的交流电网侧绕组的电抗，r₂表示阀侧绕组的电阻，x₂表示阀侧绕组的电抗，r₃表示负荷侧绕组的电阻，x₃表示负荷侧绕组的电抗，V_R表示交流电网侧绕组和负荷侧绕组等值得到的绕组端电压的实部，V_I表示交流电网侧绕组和负荷侧绕组等值得到的绕组端电压的虚部，V_R1表示交流电网侧绕组端电压的实部，V_I1表示交流电网侧绕组端电压的虚部，V_R3表示负荷侧绕组端电压的实部，V_I3表示负荷侧绕组端电压的虚部，j表示虚数单位。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型包括换流器的机电暂态仿真模型、直流电网的机电暂态仿真模型和三绕组变压器的机电暂态仿真模型；换流器的机电暂态仿真模型与直流电网的机电暂态仿真模型连接，并通过三绕组变压器的机电暂态仿真模型与交流电网连接，三绕组变压器的机电暂态仿真模型包括交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组，本发明提供的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型结构简单，且仿真精度高；

本发明提供的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型具有柔性直流输电操作模拟功能，为柔性直流输电系统稳定性分析提供基础；

本发明考虑了三绕组变压器用电负荷侧的影响，并将交流电网侧绕组和负荷侧绕组等效为一个绕组，即将三绕组变压器等效为两绕组变压器，提高了仿真效率和仿真稳定性；

本发明提供的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型中，换流器的机电暂态仿真模型经三绕组变压器的机电暂态仿真模型与交流电网连接，可有效解决换流器经三绕组变压器与交流电网连接时的机电仿真问题。

附图说明

图1是本发明实施例中带三绕组换流变的柔性直流换流站主接线示意图；

图2是本发明实施例中三绕组变压器变等值前模型结构图；

图3是本发明实施例中换流器一次模型结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，由于柔性直流输电系统包括换流器、直流电网和三绕组变压器，所以柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型包括换流器的机电暂态仿真模型、直流电网的机电暂态仿真模型和三绕组变压器的机电暂态仿真模型；换流器通过直流电网与直流电网连接，并通过三绕组变压器与交流电网连接，三绕组变压器的机电暂态仿真模型包括交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组。

上述的换流器的机电暂态仿真模型，用于仿真换流器的机电暂态特性；

上述的直流电网的机电暂态仿真模型，用于仿真直流电网的机电暂态特性；

上述的三绕组变压器的机电暂态仿真模型，用于仿真三绕组变压器的机电暂态特性。

以图1所示的柔性直流输电系统主接线示意图说明柔性直流输电系统的机电暂态模型，图1中，以虚线为界，虚线左边为交流部分，右边为直流部分，上下二个通道完全对称。

为交流系统母线电压相量，柔直系统在这个母线上接入交流电网，交流电网对柔直系统的作

用体现在

的幅值和相位上，交流系统母线与三绕组变压器相连。图1中，换流器分为二部分，相阻抗和换流阀。相阻抗的电阻为R_c，电感为L_c，相阻抗直接与换流变相连。换流阀本体一侧为相阻抗，另一侧为直流线路。I_d为直流线路电流，R_l为线路电阻，L_l为线路电感，U_d为直流线路电压。

下面分别介绍换流器的机电暂态仿真模型、直流电网的机电暂态仿真模型和三绕组变压器的机电暂态仿真模型：

1、换流器的机电暂态仿真模型包括换流器一次模型和换流器二次模型。

其中的换流器一次模型结构图如图3所示，图3中，

为虚拟交流系统母线电压相量，i_s为换流器交流电流，R、L为相阻抗与换流变等值阻抗相加后的总电阻和电感，R＝r+R_c，L＝x/ω+L_c，ω为交流电网的额定角频率，

为可控电压源相量，C_eq为集中电容，i_dc为注入直流电网的可控电流，

P_c为换流阀交流有功功率，u_dc为直流线路电压，P_s为交流电网侧的有功功率，Q_s为换流器交流电网侧的无功功率，P_c为换流器阀侧的有功功率，Q_c为换流器阀侧的无功功率。下标s代表虚拟交流系统母线，c代表换流器交流母线，u_sa、u_sb、u_sc分别为虚拟交流系统母线的A、B、C相电压，u_ca、u_cb、u_cc分别为可控电压源的A、B、C相电压，i_sa、i_sb、i_sc为换流器A、B、C相交流电流，且

换流器一次模型包括交流侧等值电路和直流侧等值电路，具体如下：

1)交流侧等值电路包括串联的可控电压源和交流支路，交流支路包括换流器的等值电阻和换流器的等值电感，换流器的等值电阻与换流器的等值电感并联；

2)直流侧等值电路包括并联的可控电流源和集中电容。

其中的换流器二次模型包括控制模块、保护模块和操作模块，具体如下：

其中的控制模块包括主控制单元和辅助控制单元；

其中的主控制单元包括：

d轴控制单元，用于对换流器进行定直流电压控制、定有功功率控制、下垂控制、直流电压偏差控制和孤岛频率控制；

q轴控制单元，用于对换流器进行定交流电压控制和定无功功率控制。

其中的辅助控制单元包括：

协调控制单元，用于对换流器进行d轴和q轴协调限流控制以及功率圆控制；

主从切换控制单元，用于在换流器有功功率超过功率阈值、交流电压异常或频率异常时对换流器进行主从切换控制；

附加控制单元，用于对换流器进行附加直流电压控制、附加交流电压控制和附加频率控制；

安全限制单元，用于限制换流器的调节速度，并对换流器进行故障穿越控制。

上述的保护模块包括换流器保护单元，换流器保护单元具体用于：在交流母线电压超过第一电压上限、交流母线电压低于第一电压下限、直流母线电压超过第二电压上限、直流母线电压低于第二电压下限、交流支路电流超过电流阈值、换流站与交流电网之间断开连接或换流器三相不平衡时对换流器进行保护。

上述的操作模块包括状态调整单元和手动投退单元，具体如下：

其中的状态调整单元用于调整换流器的有功功率、无功功率、直流电压和交流电压；

其中的手动投退单元用于对换流器进行闭锁和解锁，并断开换流器与交流电网之间的开关。

2、直流电网的机电暂态仿真模型包括直流电网一次模型和直流电网二次模型，具体如下：

其中的直流电网一次模型包括直流线路等值电路、故障支路以及并联的可控电流源和集中电容；

其中的直流线路等值电路为π型等值电路。

其中的直流电网二次模型包括：

直流线路保护模块，用于在直流线路出现直流线路首末端电流差值越限、过电流、低压过流或电压异常时对直流线路进行保护；

故障设置模块，用于在直流电网中设置短线故障、对地短路故障和线间短路故障。

3、三绕组变压器的机电暂态仿真模型具体如下：

将三绕组变压器的交流侧和换流站站用电负荷侧合并，两侧阻抗等值成一个，母线合成一条，既能考虑换流站站用电负荷的影响，又能套用二绕组换流变的通用模型，三绕组变压器变等值前模型结构图如图2所示，图2中，I₁为流向交流电网侧绕组的电流，I₂为流出阀侧绕组的电流，I₃为流向负荷侧绕组的电流，r₁表示交流电网侧绕组的电阻，x₁的交流电网侧绕组的电抗，r₂表示阀侧绕组的电阻，x₂表示阀侧绕组的电抗，r₃表示负荷侧绕组的电阻，x₃表示负荷侧绕组的电抗。

将接在交流系统母线、换流器交流母线、换流站站用电负荷母线上的三绕组换流变等值为二绕组变压器，交流系统母线和换流站站用电母线合并为虚拟的交流系统母线。等值后的换流变总阻抗和换流器的相阻抗合并成阀交流侧的内阻抗，接在换流器等值电压源母线和虚拟的交流系统母线上。三绕组变压器的机电暂态仿真模型如下式：

其中，r表示交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组的等值电阻，x表示交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组的等值电抗，r₁表示交流电网侧绕组的电阻，x₁的交流电网侧绕组的电抗，r₂表示阀侧绕组的电阻，x₂表示阀侧绕组的电抗，r₃表示负荷侧绕组的电阻，x₃表示负荷侧绕组的电抗，V_R表示交流电网侧绕组和负荷侧绕组等值得到的绕组端电压的实部，V_I表示交流电网侧绕组和负荷侧绕组等值得到的绕组端电压的虚部，V_R1表示交流电网侧绕组端电压的实部，V_I1表示交流电网侧绕组端电压的虚部，V_R3表示负荷侧绕组端电压的实部，V_I3表示负荷侧绕组端电压的虚部，j表示虚数单位。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，包括换流器的机电暂态仿真模型、直流电网的机电暂态仿真模型和三绕组变压器的机电暂态仿真模型；

所述换流器的机电暂态仿真模型与直流电网的机电暂态仿真模型连接，并通过三绕组变压器的机电暂态仿真模型与交流电网连接；

所述三绕组变压器的机电暂态仿真模型包括交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组；

所述换流器的机电暂态仿真模型包括换流器一次模型和换流器二次模型；

所述换流器二次模型包括控制模块、保护模块和操作模块；

所述控制模块包括主控制单元和辅助控制单元；

所述保护模块包括换流器保护单元；

所述操作模块包括状态调整单元和手动投退单元。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述换流器一次模型包括交流侧等值电路和直流侧等值电路；

所述交流侧等值电路包括串联的可控电压源和交流支路，所述交流支路包括换流器的等值电阻和换流器的等值电感，所述换流器的等值电阻与换流器的等值电感并联；

所述直流侧等值电路包括并联的可控电流源和集中电容。

3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述主控制单元包括：

d轴控制单元，用于对换流器进行定直流电压控制、定有功功率控制、下垂控制、直流电压偏差控制和孤岛频率控制；

q轴控制单元，用于对换流器进行定交流电压控制和定无功功率控制。

4.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述辅助控制单元包括：

协调控制单元，用于对换流器进行d轴和q轴协调限流控制以及功率圆控制；

主从切换控制单元，用于在换流器有功功率超过功率阈值、交流电压异常或频率异常时对换流器进行主从切换控制；

附加控制单元，用于对换流器进行附加直流电压控制、附加交流电压控制和附加频率控制；

安全限制单元，用于限制换流器的调节速度，并对换流器进行故障穿越控制。

5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述换流器保护单元具体用于：

在交流母线电压超过第一电压上限、交流母线电压低于第一电压下限、直流母线电压超过第二电压上限、直流母线电压低于第二电压下限、交流支路电流超过电流阈值、换流站与交流电网之间断开连接或换流器三相不平衡时对换流器进行保护。

6.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述状态调整单元用于调整换流器的有功功率、无功功率、直流电压和交流电压；

所述手动投退单元用于对换流器进行闭锁和解锁，并断开换流器与交流电网之间的开关。

7.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述直流电网的机电暂态仿真模型包括直流电网一次模型和直流电网二次模型。

8.根据权利要求7所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述直流电网一次模型包括直流线路等值电路、故障支路以及并联的可控电流源和集中电容；

所述直流线路等值电路为π型等值电路。

9.根据权利要求7所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述直流电网二次模型包括：

直流线路保护模块，用于在直流线路出现直流线路首末端电流差值越限、过电流、低压过流或电压异常时对直流线路进行保护；

故障设置模块，用于在直流电网中设置短线故障、对地短路故障和线间短路故障。

10.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的机电暂态仿真模型，其特征在于，所述三绕组变压器的机电暂态仿真模型如下式：

其中，r表示交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组的等值电阻，x表示交流电网侧绕组、负荷侧绕组和阀侧绕组的等值电抗，r₁表示交流电网侧绕组的电阻，x₁的交流电网侧绕组的电抗，r₂表示阀侧绕组的电阻，x₂表示阀侧绕组的电抗，r₃表示负荷侧绕组的电阻，x₃表示负荷侧绕组的电抗，V_R表示交流电网侧绕组和负荷侧绕组等值得到的绕组端电压的实部，V_I表示交流电网侧绕组和负荷侧绕组等值得到的绕组端电压的虚部，V_R1表示交流电网侧绕组端电压的实部，V_I1表示交流电网侧绕组端电压的虚部，V_R3表示负荷侧绕组端电压的实部，V_I3表示负荷侧绕组端电压的虚部，j表示虚数单位。

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