CN108736504B - 相控型ac/dc换流器端口暂态量转移矩阵建模及电网保护方法 - Google Patents

相控型ac/dc换流器端口暂态量转移矩阵建模及电网保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模及电网保护方法，步骤1：建立运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路；步骤2：建立直流侧内电势与交流侧端电压之间的关系函数；步骤3：建立直流侧端电压、直流侧内电势与直流侧电流之间的关系函数；步骤4：建立直流侧端电压、直流侧电流与交流侧端电压之间的关系函数；步骤5：建立换流器直流侧电流与交流侧电流的关系函数；步骤6：联立步骤4与步骤5建立的关系函数，并改写成矩阵形式，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移矩阵。还提供一种电网保护方法，利用本发明的端口暂态量转移矩阵计算混联电网短路电流。

Description

相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模及电网保护 方法
技术领域
本发明涉及电力系统运维技术领域，具体涉及一种相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，以及基于该建模方法的电网保护方法。
背景技术
高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)以其在远距离大容量输电和异步电网互联等方面的显著优势而得到广泛应用。近年来，随着直流输电技术的快速发展，一大批高压直流输电工程在我国投运，我国电力系统已逐步进入交直流混联电网时代。目前，我国已建成全世界规模最大、运行工况最复杂的交直流混联电网，保障大型交直流电网的安全稳定运行已成为重要且紧迫的国家需求。
在交直流混联电网中，通常采用全控型或相控型AC/DC换流器来实现交直流电网的混联，混联节点交流侧和直流侧的暂态量映射关系由AC/DC换流器的端口暂态电压、电流来反映。AC/DC换流器换流器运行在故障穿越状态下的短路电流计算是实施交直流混联电网保护的基础，由于AC/DC换流器的暂态过程十分复杂，需要根据其短路电流初始值和外特性测试来对其值进行简化，再带入短路计算。可以看出，AC/DC换流器的建模是进行交直流混联电网短路电流计算的关键。
因此，需要根据电网发生短路故障时AC/DC换流器的暂态特性，建立 AC/DC换流器的短路计算暂态模型。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，解决现有技术中缺乏针对混联电网计算短路电流的基础的技术问题，能够通过建立端口暂态量转移矩阵反映AC/DC换流器交流侧与直流侧暂态电气量的映射关系，能够为混联电网短路电流的准确计算提供基础。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种相控型 AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，相控型AC/DC换流器用于交直流混联电网中，包括以下步骤：
步骤1：根据相控型AC/DC换流器的结构，建立交直流混联电网发生短路故障时，运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路；
步骤2：根据步骤1建立的等值电路，建立相控型AC/DC换流器的直流侧内电势与交流侧端电压之间的关系函数；
步骤3：根据步骤1建立的等值电路，建立相控型AC/DC换流器的直流侧端电压、直流侧内电势与直流侧电流之间的关系函数；
步骤4：将步骤2中的关系函数代入步骤3中的关系函数，从而建立相控型AC/DC换流器直流侧端电压、直流侧电流与交流侧端电压之间的关系函数；
步骤5：根据交直流混联电网发生短路故障时，相控型AC/DC换流器的短路电流外特性测试，建立相控型AC/DC换流器在故障穿越状态的直流侧电流与交流侧电流的关系函数；
步骤6：联立步骤4与步骤5建立的关系函数，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映相控型AC/DC换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移方程，进而从端口暂态量转移方程中获取端口状态量转移矩阵；所述直流侧电气量是指直流侧端电压与直流侧电流，所述交流侧电气量是指交流侧端电压与交流侧电流。
优选的，运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路包括交流侧等值电路与直流侧等值电路；直流侧等值电路外直流电源与非线性电阻串联。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的相控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵建模方法能够准确、有效的建立出相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵，所建立的端口暂态量转移矩阵能够有效反映了电网故障时交直流混联电网交流侧和直流侧暂态电气量的映射关系，为混联电网短路电流的准确计算提供基础。
2、本发明的端口暂态量转移矩阵中各参数均与相控型AC/DC换流器的物理参数相关，并且均为可测得的已知量，因此可以根据本发明的端口暂态另转移矩阵建模方法，求得混联电网中各个相控型AC/DC换流器的暂态量转移矩阵。
附图说明
图1是相控型AC/DC换流器的结构示意图；
图2是运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路图；
图3是相控型AC/DC换流器运行在三种故障穿越模式下的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。现提出一种相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，为今后交直流混联电网的短路电流计算提供了理论基础，具有重要的学术意义和工程价值。
一种相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，相控型AC/DC 换流器用于交直流混联电网中，包括以下步骤：
步骤1：根据相控型AC/DC换流器的结构，相控型AC/DC换流器的结构如图1所示，建立交直流混联电网发生短路故障时，运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路，等值电路如图2所示，运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路包括交流侧等值电路与直流侧等值电路；直流侧等值电路外直流电源与非线性电阻串联。
步骤2：根据步骤1建立的等值电路，建立相控型AC/DC换流器的直流侧内电势与交流侧端电压之间的关系函数；
步骤3：根据步骤1建立的等值电路，建立相控型AC/DC换流器的直流侧端电压、直流侧内电势与直流侧电流之间的关系函数；
步骤4：将步骤2中的关系函数代入步骤3中的关系函数，从而建立相控型AC/DC换流器直流侧端电压、直流侧电流与交流侧端电压之间的关系函数；
步骤5：根据交直流混联电网发生短路故障时，相控型AC/DC换流器的短路电流外特性测试，建立相控型AC/DC换流器在故障穿越状态的直流侧电流与交流侧电流的关系函数；
步骤6：联立步骤4与步骤5建立的关系函数，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映相控型AC/DC换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移方程，进而从端口暂态量转移方程中获取端口状态量转移矩阵；所述直流侧电气量是指直流侧端电压与直流侧电流，所述交流侧电气量是指交流侧端电压与交流侧电流。
本发明提出的相控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵建模方法能够准确、有效的建立出相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵，所建立的端口暂态量转移矩阵能够有效反映了电网故障时交直流混联电网交流侧和直流侧暂态电气量的映射关系，为混联电网短路电流的准确计算提供基础。
本具体实施方式中，步骤2中，第i个相控型AC/DC换流器的直流侧内电势与交流侧端电压之间的关系函数为：EDi＝αiUAi；其中，EDi为第i个相控型AC/DC换流器的直流侧内电势，αi为第i个相控型AC/DC换流器的交直流电压系数，UAi为第i个相控型AC/DC换流器的交流侧端电压。
本具体实施方式中，步骤3中，第i个相控型AC/DC换流器的直流侧端电压、直流侧内电势与直流侧电流之间的关系函数为：UDi＝EDi-RCiIDi；其中，UDi为第i个相控型AC/DC换流器的直流侧端电压，IDi为第i个相控型 AC/DC换流器的直流侧电流，RCi为第i个相控型AC/DC换流器的直流侧等值电路中的非线性电阻。
本具体实施方式中，步骤4中，第i个相控型AC/DC换流器直流侧端电压、直流侧电流与交流侧端电压之间的关系函数为：UDi＝αiUAi-RCiIDi。
本具体实施方式中，步骤5中，第i个相控型AC/DC换流器在故障穿越状态的直流侧电流与交流侧电流的关系函数为：
Figure RE-BDA0001717337110000051
其中，IAi为第 i个相控型AC/DC换流器的交流侧电流。
本具体实施方式中，步骤6中，第i个相控型AC/DC换流器的端口状态量转移方程为：
Figure RE-BDA0001717337110000052
令第i个相控型AC/DC换流器的端口状态量转移矩阵为Tti，则有如下表达式：
Figure RE-BDA0001717337110000053
从而得到第i个相控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵的表达式为：
Figure RE-BDA0001717337110000054
本具体实施方式中，相控型AC/DC换流器的故障穿越状态可根据相控型 AC/DC换流器平均直流电压、电流和交流滤波电抗的调节系数η分为三种模式，如图3所示；那么，第i个相控型AC/DC换流器的交直流电压系数αi以及第i个相控型AC/DC换流器的直流侧等值电路中的非线性电阻RCi，按照第 i个相控型AC/DC换流器在三种不同故障穿越模式下进行选取，如下表：
Figure RE-BDA0001717337110000055
表中，ηi表示第i个相控型AC/DC换流器的调节系数，
Figure RE-BDA0001717337110000056
表示第i个相控型AC/DC换流器的平均电流，
Figure RE-BDA0001717337110000061
表示第i个相控型AC/DC换流器的平均电压，XCi表示第i个相控型AC/DC换流器的交流滤波电抗。
本发明的端口暂态量转移矩阵中各参数均与相控型AC/DC换流器的物理参数相关，并且均为可测得的已知量，因此可以根据本发明的端口暂态另转移矩阵建模方法，求得混联电网中各个相控型AC/DC换流器的暂态量转移矩阵。
一种电网保护方法，所述电网为交直流混联电网，采用本发明的相控型 AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法建立混联电网中各个相控型 AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵，根据相控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵计算混联电网的短路电流，根据短路电流采取相应的保护措施。
本发明提出的计及换流器故障穿越的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，能够准确、有效地实现相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模，其有效反映了电网故障时交直流混联电网交流侧和直流侧暂态电气量的映射关系，在交直流混联电网的短路电流计算中具有重要意义。

Claims (9)

1.一种相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于，相控型AC/DC换流器用于交直流混联电网中，包括以下步骤：
步骤1：根据相控型AC/DC换流器的结构，建立交直流混联电网发生短路故障时，运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路；
步骤2：根据步骤1建立的等值电路，建立相控型AC/DC换流器的直流侧内电势与交流侧端电压之间的关系函数；
步骤3：根据步骤1建立的等值电路，建立相控型AC/DC换流器的直流侧端电压、直流侧内电势与直流侧电流之间的关系函数；
步骤4：将步骤2中的关系函数代入步骤3中的关系函数，从而建立相控型AC/DC换流器直流侧端电压、直流侧电流与交流侧端电压之间的关系函数；
步骤5：根据交直流混联电网发生短路故障时，相控型AC/DC换流器的短路电流外特性测试，建立相控型AC/DC换流器在故障穿越状态的直流侧电流与交流侧电流的关系函数；
步骤6：联立步骤4与步骤5建立的关系函数，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映相控型AC/DC换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移方程，进而从端口暂态量转移方程中获取端口状态量转移矩阵；所述直流侧电气量是指直流侧端电压与直流侧电流，所述交流侧电气量是指交流侧端电压与交流侧电流。
2.根据权利要求1所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：运行在故障穿越状态下的相控型AC/DC换流器的等值电路包括交流侧等值电路与直流侧等值电路；直流侧等值电路外直流电源与非线性电阻串联。
3.根据权利要求2所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤2中，第i个相控型AC/DC换流器的直流侧内电势与交流侧端电压之间的关系函数为：EDi＝αiUAi；其中，EDi为第i个相控型AC/DC换流器的直流侧内电势，αi为第i个相控型AC/DC换流器的交直流电压系数，UAi为第i个相控型AC/DC换流器的交流侧端电压。
4.根据权利要求3所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤3中，第i个相控型AC/DC换流器的直流侧端电压、直流侧内电势与直流侧电流之间的关系函数为：UDi＝EDi-RCiIDi；其中，UDi为第i个相控型AC/DC换流器的直流侧端电压，IDi为第i个相控型AC/DC换流器的直流侧电流，RCi为第i个相控型AC/DC换流器的直流侧等值电路中的非线性电阻。
5.根据权利要求4所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤4中，第i个相控型AC/DC换流器直流侧端电压、直流侧电流与交流侧端电压之间的关系函数为：UDi＝αiUAi-RCiIDi。
6.根据权利要求5所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤5中，第i个相控型AC/DC换流器在故障穿越状态的直流侧电流与交流侧电流的关系函数为：
Figure RE-FDA0002291897370000021
其中，IAi为第i个相控型AC/DC换流器的交流侧电流。
7.根据权利要求6所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤6中，第i个相控型AC/DC换流器的端口状态量转移方程为：
Figure RE-FDA0002291897370000022
令第i个相控型AC/DC换流器的端口状态量转移矩阵为Tti，则有如下表达式：
Figure RE-FDA0002291897370000031
从而得到第i个相控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵的表达式为：
Figure RE-FDA0002291897370000032
8.根据权利要求7所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：第i个相控型AC/DC换流器的交直流电压系数αi以及第i个相控型AC/DC换流器的直流侧等值电路中的非线性电阻RCi，按照第i个相控型AC/DC换流器在三种不同故障穿越模式下进行选取：
根据第i个相控型AC/DC换流器的调节系数ηi的调节范围来确定故障穿越模式，
Figure RE-FDA0002291897370000033
故障穿越模式1：当0≤ηi＜π/12时，αi＝1.0，RCi＝πXCi/6；
故障穿越模式2：当
Figure RE-FDA0002291897370000034
时，
Figure RE-FDA0002291897370000035
RCi＝πXCi/6；
故障穿越模式3：当
Figure RE-FDA0002291897370000036
时，
Figure RE-FDA0002291897370000037
RCi＝πXCi/2；
式中，
Figure RE-FDA0002291897370000038
表示第i个相控型AC/DC换流器的平均电流，
Figure RE-FDA0002291897370000039
表示第i个相控型AC/DC换流器的平均电压，XCi表示第i个相控型AC/DC换流器的交流滤波电抗。
9.一种电网保护方法，所述电网为交直流混联电网，其特征在于：采用权利要求1至8中任一所述的相控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法建立混联电网中各个相控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵，根据相控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵计算混联电网的短路电流，根据短路电流采取相应的保护措施。
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