CN109659968A - 一种分散接入式lcc-mmc混合直流系统的机电暂态建模方法 - Google Patents

一种分散接入式lcc-mmc混合直流系统的机电暂态建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分散接入式LCC‑MMC混合直流系统的机电暂态建模方法，该方法根据分散接入式LCC‑MMC混合直流系统组成部分，建立了LCC整流站机电暂态模型、直流线路机电暂态模型、MMC换流器机电暂态模型以及MMC换流器之间的接口模型。由此，本发明建模方法填补了分散接入式LCC‑MMC混合直流系统机电暂态模型的空白，避免了采用电磁暂态模型进行电网规划和安全稳定计算，从而提高了仿真速度和计算效率，可以有效的逼近电磁暂态模型响应特性，满足计算精度要求。

Description

一种分散接入式LCC-MMC混合直流系统的机电暂态建模方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种分散接入式LCC-MMC混合直流系统的机电暂态建模方法。
背景技术
随着中东部负荷增长，远距离直流输电系统容量也日益增大，逆变站单落点集中馈入受端电网可能会引起受端电网无法消纳的问题，而逆变站多落点分散接入受端电网可以有效的解决这一问题。并且，多馈入受端电网中多回直流LCC(Line CommutatedConverter，电网换相换流器)逆变站同时换相失败会严重威胁到受端电网的安全稳定运行，而MMC(ModularMultilevel Converter，模块化多电平换流器)造价较高，所以LCC-MMC混合直流逐渐受到学术界和工业界关注。关于混合直流的机电暂态建模，之前已有相关研究，但是现有的混合直流机电暂态模型通常只考虑了一个逆变站集中接入一条交流母线的场景，并不能满足同一逆变站中不同换流阀多落点分散接入受端电网的需求。因此建立特高压分散接入式混合直流系统机电暂态模型是对现有仿真计算技术的完善。
如图1所示，分散接入式LCC-MMC混合直流系统由LCC整流站、直流线路和MMC逆变站组成。其中，LCC整流站由两个大容量的LCC换流器串联组成，每个LCC换流器通常采用由两个六脉动桥组成的十二脉动换流器，两个LCC换流器集中接入交流系统的同一母线；MMC逆变站则由高压和低压两个MMC组(即图中的MMCB)串联组成，每个MMCB又由若干个MMC并联组成，两个串联的MMCB包含的MMC个数相同，每个MMC都可以接入不同的交流母线当中，从而具备分散接入的可能性。
有关混合直流模型的研究，大多集中在电磁暂态领域，而机电暂态模型的研究相对较少。与电磁暂态模型不同，机电暂态模型由代数微分方程组成，具有仿真速度快的特点，适用于大规模交直流系统的规划与安全稳定分析，但是仿真精度不如电磁暂态模型。因此，有必要建立混合直流的机电暂态模型，使其既能满足大规模交直流系统仿真速度要求，又能满足电网规划和安全稳定分析的精度要求。Xiao.L等人在标题为ElectromechanicalTransient Modeling of Line Commutated Converter-Modular Multilevel Converter-Based Hybrid Multi-Terminal High Voltage Direct Current Transmission Systems(Energies 2018,11,2102)的文献中提出了一种混合直流网络的建模方法，但是每个换流站只能集中接入到一个交流母线中，该方法没有考虑同一换流站中不同换流阀分散接入交流系统的可能性。S.Liu等人在标题为Electromechanical TransientModeling ofModular Multilevel Converter Based Multi-Terminal HVDC Systems(IEEETransactions on Power Systems,vol.29,no.1,pp.72-83,Jan.2014)的文献中建立了柔性直流电网的机电暂态模型，但是该模型只适用于换流站均为MMC的直流系统。P.Wei等人在标题为Electromechanical-electromagnetic hybrid modelling of±800kV JinsuUHVDC based on real-time digital simulation device(12th IET InternationalConference onAC and DC Power Transmission(ACDC 2016),Beijing,2016,pp.1-4)的文献中针对中国的锦苏直流工程建立了机电和电磁混合模型，但是该模型对计算能力要求依旧较高，需要在实时仿真平台中实现。尽管前人对混合直流模型已经做了大量研究，但是有关于特高压分散接入式混合直流的机电暂态建模依旧是空白。
直流输电容量的逐渐增大给受端电网的消纳能力带来了挑战，特高压直流系统分散接入受端电网是保证直流功率完全消纳的有效方式；混合直流系统结合了整流侧LCC整流站经济性好、逆变侧MMC不存在换相失败问题的优点，近年来受到广泛关注。但是，有关于特高压分散接入式混合直流系统的机电暂态建模还尚未完善。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种分散接入式LCC-MMC混合直流系统的机电暂态建模方法，可以满足电网规划与安全稳定分析计算的要求。
一种分散接入式LCC-MMC混合直流系统的机电暂态建模方法，包括如下步骤：
(1)分别建立LCC整流站的交流侧机电暂态模型和直流侧机电暂态模型；
(2)分别建立MMC的交流侧机电暂态模型和直流侧机电暂态模型；
(3)建立直流线路的机电暂态模型；
(4)建立分散接入的MMC之间的接口模型。
进一步地，所述步骤(1)中通过以下方程建立LCC整流站的交流侧机电暂态模型；
其中：Ps为LCC整流站吸收的有功功率，Qs为LCC整流站吸收的无功功率，Udc为LCC整流站的直流电压，Idc为LCC整流站的直流输出电流，Us为LCC整流站交流侧母线的线电压有效值，K为LCC整流站所采用换流变压器的变比，Xtr为LCC整流站所采用换流变压器的漏抗，Nb为LCC整流站所包含六脉动桥的个数，α为LCC整流站的触发角，μ为LCC整流站的换相角。
进一步地，所述步骤(1)中通过以下方程建立LCC整流站的直流侧机电暂态模型；
其中：Udc为LCC整流站的直流电压，Idc为LCC整流站的直流输出电流，Us为LCC整流站交流侧母线的线电压有效值，K为LCC整流站所采用换流变压器的变比，Xtr为LCC整流站所采用换流变压器的漏抗，Nb为LCC整流站所包含六脉动桥的个数，α为LCC整流站的触发角，Ldc为LCC整流站直流侧平波电抗器的电感值。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下方程建立MMC的交流侧机电暂态模型；
其中：isd和isq分别为dq坐标系下MMC向其对应交流母线注入电流的d轴分量和q轴分量，Lac为MMC对应交流侧等效电路中的等效电感值，Rac为MMC对应交流侧等效电路中的等效电阻值，Usd和Usq分别为dq坐标系下MMC对应交流母线电压的d轴分量和q轴分量，Uvd和Uvq分别为dq坐标系下MMC对应交流侧等效电路中交流源输出电压的d轴分量和q轴分量，ω为MMC对应交流母线电压的频率，θ为MMC对应交流母线电压的相位，isx和isy分别为xy坐标系下MMC向其对应交流母线注入电流的x轴分量和y轴分量。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下方程建立MMC的直流侧机电暂态模型；
其中：Rarm为MMC的桥臂电阻，Larm为MMC的桥臂电感，Immc为MMC的直流电流，Ummc为MMC的直流电压，Csm为MMC桥臂子模块中的电容值，N为MMC的桥臂子模块数量，Ceq为MMC对应直流侧等效电路中的集总电容值，UCeq为MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Idcs为MMC对应直流侧等效电路中电流源的电流值。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下方程建立直流线路的机电暂态模型；
其中：Cbr、Rbr和Lbr分别为直流线路对应等效电路中的等效电容值、等效电阻值和等效电感值，Udcr为直流线路对应等效电路中送端节点(即LCC整流站出口)的直流电压，Udci为直流线路对应等效电路中受端节点(即MMC逆变站入口)的直流电压，Idcr为直流线路对应等效电路中送端节点的直流电流，Idci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电流，Ibr为直流线路对应等效电路中流经等效电感的电流。
进一步地，所述步骤(4)中通过以下方程建立分散接入的MMC之间的接口模型；
其中：Idc-Hk为高压MMC组中第k个MMC的直流电流，Larm-Hk为高压MMC组中第k个MMC的桥臂电感，UCeq-Hk为高压MMC组中第k个MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Rarm-Hk为高压MMC组中第k个MMC的桥臂电阻，Idc-Lk为低压MMC组中第k个MMC的直流电流，Larm-Lk为低压MMC组中第k个MMC的桥臂电感，UCeq-Lk为低压MMC组中第k个MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Rarm-Lk为低压MMC组中第k个MMC的桥臂电阻，Idci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电流，Udci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电压，UdcH为高压MMC组的直流电压，UdcL为低压MMC组的直流电压，n为高压MMC组或低压MMC组中的MMC并联个数。
基于上述技术方案，本发明建模方法填补了分散接入式LCC-MMC混合直流系统机电暂态模型的空白，避免了采用电磁暂态模型进行电网规划和安全稳定计算，从而提高了仿真速度和计算效率，可以有效的逼近电磁暂态模型响应特性，满足计算精度要求。
附图说明
图1为分散接入式LCC-MMC混合直流系统的单极拓扑结构图。
图2(a)为LCC整流站拓扑结构图。
图2(b)为LCC整流站交流侧等效电路图。
图2(c)为LCC整流站直流侧等效电路图。
图3为MMC换流器直流侧等效电路图。
图4为MMC换流器交流侧等效电路图。
图5为直流线路等效电路图。
图6为分散接入式MMC逆变站直流侧等效电路图。
图7为分散接入式LCC-MMC混合直流系统机电暂态模型与电磁暂态模型的动态响应对比示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
混合直流系统中，考虑到经济性，整流侧采用LCC换流站，而逆变侧则采用MMC来消除换相失败问题，图1给出了分散接入式LCC-MMC混合直流系统的单极拓扑结构，其中LCC整流站由两个十二脉动LCC换流器串联组成，集中接入送端电网当中，MMC逆变站由高压和低压两个MMC组串联得到，每个MMC组均由若干个MMC并联得到，不同MMC均可接入不同的交流母线，以达到分散接入的目的。
LCC整流站的拓扑结构及等效电路结构如图2(a)～图2(c)所示，其中Ps为LCC整流站吸收的有功功率，Qs为LCC整流站吸收的无功功率，Udc为LCC整流站的直流电压，Idc为LCC整流站的输出直流电流，Us是LCC整流站交流侧母线的线电压有效值，k是LCC整流站所采用换流变压器的变比，Xtr是LCC整流站所采用换流变压器漏抗，Nb是LCC整流站所包含六脉波桥的个数，α为LCC整流站的触发角；μ为LCC整流站的换相角，Ldc代表LCC整流站直流侧平波电抗器的电感。根据图2(b)和图2(c)中的LCC整流站等效电路，可以写出LCC整流站的代数微分方程如下：
MMC换流器的机电暂态模型分为交流侧等效电路模型以及直流侧等效电路模型，MMC直流侧机电暂态模型通常是等效为一个集总电容和一个等效电流源并联的形式。MMC直流侧等效电路如图3所示，交流侧等效电路如图4所示，根据MMC直流侧等效电路图，可以得到MMC直流侧数学模型如下：
式中：Rarm为MMC的桥臂电阻，Larm为MMC的桥臂电感，Immc为MMC的直流电流，Ummc为MMC的直流电压，Csm为MMC桥臂子模块的电容值，N为MMC的桥臂子模块数量，Ceq为MMC对应直流侧等效电路中集总电容值，Uceq为MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Idcs为MMC对应直流侧等效电路中电流源的电流值。
MMC交流侧通常将MMC的三相时变量变换成相互垂直的两相dq旋转坐标系下的物理量，同步dq旋转坐标系下的数学模型：
式中：isd为dq坐标系下的MMC向对应交流母线注入电流的d轴分量，isq为dq坐标系下的MMC向对应交流母线注入电流的q轴分量，Lac为MMC对应交流侧等效电路中的等效电感值，Rac为MMC对应交流侧等效电路中的等效电阻值，Usd为dq坐标系下的MMC对应交流母线电压的d轴分量，Usq为dq坐标系下的MMC对应交流母线电压的q轴分量，Uvd为dq坐标系下MMC对应交流侧等效电路中交流源输出电压的d轴分量，Uvq为dq坐标系下MMC对应交流侧等效电路中交流源输出电压的q轴分量，ω为MMC对应交流母线的频率。
而交流网络的电压和电流是以网络xy公共参考坐标系下的正序基频相量来表示，所以还需要将MMC的dq坐标系下注入电流转换成xy坐标系下注入电流，相应的坐标变换方程为：
式中：θ为MMC对应交流母线电压的相位，isx为xy坐标系下的MMC向对应交流母线注入电流的x轴分量，isy为xy坐标系下的MMC向对应交流母线注入电流的y轴分量。
直流线路采用考虑电阻、电感及电容的π型等效电路，等效电路如图5所示，代数微分方程如下：
式中：Cbr、Rbr和Lbr分别是直流线路对应等效电路中的等效电容值、等效电阻值和等效电感值，Udcr是直流线路对应等效电路中送端节点(即LCC整流站出口)的直流电压，Udci是直流线路对应等效电路中受端节点(即MMC逆变站入口)的直流电压，Idcr为直流线路对应等效电路中送端节点的直流电流，Idci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电流，Ibr为直流线路对应等效电路中流经等效电感的电流。
对于逆变站不同MMC换流器的交流侧模型之间是相互独立的，而直流侧则是通过串并联的方式耦合在一起，所以接口模型的建立是为了求取各换流器两端的直流电压以及逆变站的出口电流。分散接入式逆变站的直流侧等效电路如图6所示，相应的各MMC换流器之间的接口模型如下：
式中：Idc-Hk为高压MMC组中第k个MMC的直流电流，Larm-Hk为高压MMC组中第k个MMC的桥臂电感，UCeq-Hk为高压MMC组中第k个MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Rarm-Hk为高压MMC组中第k个MMC的桥臂电阻，Idc-Lk为低压MMC组中第k个MMC的直流电流，Larm-Lk为低压MMC组中第k个MMC的桥臂电感，UCeq-Lk为低压MMC组中第k个MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Rarm-Lk为低压MMC组中第k个MMC的桥臂电阻，n为高压MMC组或低压MMC组中的MMC并联个数。
图7为PSS/E和PSCAD/EMTDC两种仿真软件中分散接入式LCC-MMC混合直流系统模型动态响应对比结果，在PSS/E中搭建本发明所给出的分散接入式LCC-MMC混合直流系统机电暂态模型，在PSCAD/EMTDC中搭建分散接入式LCC-MMC混合直流系统电磁暂态模型，在t＝1.0s时将低压MMC组的直流参考电压由380kV改为340kV，分别得到机电暂态模型和电磁暂态模型的动态响应特性；通过对比可以看出，直流系统在发生扰动后，机电暂态模型和电磁暂态模型的响应特性基本一致，从而验证了本发明机电暂态模型的正确性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分散接入式LCC-MMC混合直流系统的机电暂态建模方法，包括如下步骤：
(1)分别建立LCC整流站的交流侧机电暂态模型和直流侧机电暂态模型；
(2)分别建立MMC的交流侧机电暂态模型和直流侧机电暂态模型；
(3)建立直流线路的机电暂态模型；
(4)建立分散接入的MMC之间的接口模型。
2.根据权利要求1所述的机电暂态建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过以下方程建立LCC整流站的交流侧机电暂态模型；
Ps＝UdcIdc
其中：Ps为LCC整流站吸收的有功功率，Qs为LCC整流站吸收的无功功率，Udc为LCC整流站的直流电压，Idc为LCC整流站的直流输出电流，Us为LCC整流站交流侧母线的线电压有效值，K为LCC整流站所采用换流变压器的变比，Xtr为LCC整流站所采用换流变压器的漏抗，Nb为LCC整流站所包含六脉动桥的个数，α为LCC整流站的触发角，μ为LCC整流站的换相角。
3.根据权利要求1所述的机电暂态建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过以下方程建立LCC整流站的直流侧机电暂态模型；
其中：Udc为LCC整流站的直流电压，Idc为LCC整流站的直流输出电流，Us为LCC整流站交流侧母线的线电压有效值，K为LCC整流站所采用换流变压器的变比，Xtr为LCC整流站所采用换流变压器的漏抗，Nb为LCC整流站所包含六脉动桥的个数，α为LCC整流站的触发角，Ldc为LCC整流站直流侧平波电抗器的电感值。
4.根据权利要求1所述的机电暂态建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下方程建立MMC的交流侧机电暂态模型；
其中：isd和isq分别为dq坐标系下MMC向其对应交流母线注入电流的d轴分量和q轴分量，Lac为MMC对应交流侧等效电路中的等效电感值，Rac为MMC对应交流侧等效电路中的等效电阻值，Usd和Usq分别为dq坐标系下MMC对应交流母线电压的d轴分量和q轴分量，Uvd和Uvq分别为dq坐标系下MMC对应交流侧等效电路中交流源输出电压的d轴分量和q轴分量，ω为MMC对应交流母线电压的频率，θ为MMC对应交流母线电压的相位，isx和isy分别为xy坐标系下MMC向其对应交流母线注入电流的x轴分量和y轴分量。
5.根据权利要求1所述的机电暂态建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下方程建立MMC的直流侧机电暂态模型；
其中：Rarm为MMC的桥臂电阻，Larm为MMC的桥臂电感，Immc为MMC的直流电流，Ummc为MMC的直流电压，Csm为MMC桥臂子模块中的电容值，N为MMC的桥臂子模块数量，Ceq为MMC对应直流侧等效电路中的集总电容值，UCeq为MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Idcs为MMC对应直流侧等效电路中电流源的电流值。
6.根据权利要求1所述的机电暂态建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下方程建立直流线路的机电暂态模型；
其中：Cbr、Rbr和Lbr分别为直流线路对应等效电路中的等效电容值、等效电阻值和等效电感值，Udcr为直流线路对应等效电路中送端节点的直流电压，Udci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电压，Idcr为直流线路对应等效电路中送端节点的直流电流，Idci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电流，Ibr为直流线路对应等效电路中流经等效电感的电流。
7.根据权利要求1所述的机电暂态建模方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过以下方程建立分散接入的MMC之间的接口模型；
其中：Idc-Hk为高压MMC组中第k个MMC的直流电流，Larm-Hk为高压MMC组中第k个MMC的桥臂电感，UCeq-Hk为高压MMC组中第k个MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Rarm-Hk为高压MMC组中第k个MMC的桥臂电阻，Idc-Lk为低压MMC组中第k个MMC的直流电流，Larm-Lk为低压MMC组中第k个MMC的桥臂电感，UCeq-Lk为低压MMC组中第k个MMC对应直流侧等效电路中集总电容的电压，Rarm-Lk为低压MMC组中第k个MMC的桥臂电阻，Idci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电流，Udci为直流线路对应等效电路中受端节点的直流电压，UdcH为高压MMC组的直流电压，UdcL为低压MMC组的直流电压，n为高压MMC组或低压MMC组中的MMC并联个数。
8.根据权利要求1所述的机电暂态建模方法，其特征在于：该机电暂态建模方法填补了分散接入式LCC-MMC混合直流系统机电暂态模型的空白，避免了采用电磁暂态模型进行电网规划和安全稳定计算，从而提高了仿真速度和计算效率，可以有效的逼近电磁暂态模型响应特性，满足计算精度要求。
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