CN110556854A - 一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法及系统，该方法包括：获取交流系统的背景谐波数据及换流站注入交流系统的注入谐波数据；构建并网点的静态谐波计算模型；根据背景谐波数据、注入谐波数据及静态谐波计算模型，分别计算各次谐波在并网点产生的谐波电压；根据各次谐波的谐波电压计算在并网点的单次谐波畸变率和总谐波含量。通过实施本发明，利用此计算过程方法简便，易于实施，建模依据准确的特点，通过了解并网点产生的静态谐波的各次谐波含量情况，对整个柔性直流输电系统加装相应的滤波器设备提供准确的数据支持，对整个系统的工程建设有着重要意义。

Description

一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法及系统

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法及系统。

背景技术

基于电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的柔性直流输电技术是有力提高可再生能源利用效率和大电网运行安全性的有效手段，特别是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)采用子模块级联形式，避免大量开关器件直接串联，具有良好的电压输出特性，且不存在动态均压问题。

基于MMC换流器构成的柔性直流输电系统包含大量的电力电子开关及电感电容等非线性器件，加上控制系统的影响，使得换流阀网侧输出的谐波情况复杂多变。另外交流系统自身也会产生一定的背景谐波，背景谐波与换流阀注入系统的谐波在并网点处会进行叠加，构成并网点的静态谐波。由于柔性直流输电工程并网后对并网点的三相电压谐波畸变率有着很高的要求，并网点产生的静态谐波的各次谐波含量情况，将直接影响整个柔性直流输电系统是否需要加装相应的滤波器，对整个系统的工程建设有着重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法及系统，以解决现有技术中缺乏对并网点产生的静态谐波进行分析的方法，无法为系统需要加装的滤波器设备提供准确的数据支持。

本发明实施例提供了一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，所述柔性直流输电系统包括：交流系统和换流站，所述交流系统和所述换流站通过并网点连接，所述静态谐波分析方法包括：获取所述交流系统的背景谐波数据及换流站注入所述交流系统的注入谐波数据；构建所述并网点的静态谐波计算模型；根据所述背景谐波数据、所述注入谐波数据及所述静态谐波计算模型，分别计算各次谐波在所述并网点产生的谐波电压；根据所述各次谐波的谐波电压计算在所述并网点的单次谐波畸变率和总谐波含量。

可选地，所述背景谐波数据包括背景谐波的背景谐波阻抗及背景谐波电压源，所述注入谐波数据包括注入谐波的注入谐波阻抗及注入谐波电压源。

可选地，所述获取交流系统的背景谐波数据，包括：获取所述交流系统的系统数据；根据所述系统数据，采用小信号谐波注入扫频潮流计算法计算所述背景谐波阻抗和所述背景谐波电压源。

可选地，所述获取换流站注入所述交流系统的注入谐波数据，包括：获取所述交流系统的系统电压；根据所述系统电压确定注入换流站的小信号谐波电压源；根据所述小信号谐波电压源，采用小信号谐波注入扫频潮流计算法计算所述注入谐波阻抗和所述注入谐波电压源。

可选地，所述静态谐波计算模型通过如下公式表示：

U_{pcc_h}＝_{s_h}+_{conpcc_h}，

其中，U_{pcc_h}表示第h次静态谐波电压总量，U_{s_h}表示第h次背景谐波在并网点产生的谐波电压，U_{conpcc_h}表示换流站第h次注入谐波在并网点产生的谐波电压。

可选地，所述背景谐波在并网点产生的谐波电压通过如下公式表示：

其中，U_{s_h}表示第h次背景谐波在并网点产生的谐波电压，U_{Zs_h}表示第h次背景谐波电压源，Z_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波阻抗，Z_{pcc_h}表示第h次背景谐波阻抗。

可选地，所述注入谐波在并网点产生的谐波电压通过如下公式表示：

其中，U_{conpcc_h}表示换流站第h次注入谐波在并网点产生的谐波电压，U_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波电压源，Z_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波阻抗，Z_{pcc_h}表示第h次背景谐波阻抗。

本发明实施例还提供了一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析系统，包括：交流系统和换流站，所述交流系统和所述换流站通过并网点连接，所述静态谐波分析系统包括：获取模块，用于获取所述交流系统的背景谐波数据及换流站注入所述交流系统的注入谐波数据；模型构建模块，用于构建所述并网点的静态谐波计算模型；第一计算模块，用于根据所述背景谐波数据、所述注入谐波数据及所述静态谐波计算模型，分别计算所述并网点的各次谐波的谐波电压总量；第二计算模块，用于根据所述各次谐波的谐波电压总量计算所述并网点的单次谐波畸变率和总谐波含量。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，从而执行本发明实施例提供的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，用于所述计算机指令执行本发明实施例提供的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供了一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法及系统，通过获取交流系统的背景谐波数据及换流站注入交流系统的注入谐波数据，构建并网点的静态谐波计算模型，然后分别计算各次谐波在并网点产生的谐波电压，根据各次谐波的谐波电压计算在并网点的单次谐波畸变率和总谐波含量。此计算过程方法简便，易于实施，利用小信号注入系统阻抗扫描方法，得出系统谐波阻抗频率特性，思路清晰，建模依据准确，并利用经典电路理论完成系统静态谐波计算。从而通过了解并网点产生的静态谐波的各次谐波含量情况，对整个柔性直流输电系统加装相应的滤波器设备提供准确的数据支持，对整个系统的工程建设有着重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中柔性直流输电系统示意图；

图2为本发明实施例中柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法的流程图；

图3为本发明实施例中交流系统小信号注入扫频潮流计算模型；

图4为本发明实施例中换流站小信号注入扫频潮流计算模型；

图5为本发明实施例中交流系统并网点静态谐波计算等效模型；

图6为本发明实施例中的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析系统的结构示意图；

图7为本发明实施例中的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供了一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，如图1所示，该柔性直流输电系统包括：交流系统1和换流站2，交流系统1和换流站2通过并网点PCC连接；如图2所示，该柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法具体包括：

步骤S1：获取交流系统的背景谐波数据及换流站注入交流系统的注入谐波数据。在实际应用中，该背景谐波数据包括背景谐波的背景谐波阻抗及背景谐波电压源，该注入谐波数据包括注入谐波的注入谐波阻抗及注入谐波电压源。

具体地，在一实施例中，上述的步骤S1中获取交流系统的背景谐波数据，具体包括如下步骤：

步骤S11：获取该交流系统的系统数据，该系统数据具体包括交流系统发电机、变压器、线路、负荷等详细数据信息。

步骤S12：根据交流系统的系统数据，采用小信号谐波注入扫频潮流计算法计算背景谐波阻抗。在实际应用中，在已知交流系统的系统数据时，可以将交流系统的背景谐波按照戴维南等效电路进行简化处理，计算过程中，当采用小信号谐波电流源注入扫频潮流计算法计算时，首先将交流系统与换流站断开，使其呈开路状态，然后在换流站换流变压器网侧串联一个虚拟发电机作为小信号谐波电流源I_h，内阻抗X_d无穷大进而保证注入交流系统的谐波电流值足够小。

上述谐波电流源I_h可通过潮流计算虚拟发电机的输出功率得出，按照公式(1)计算谐波电流源I_h：

其中，I_h表示第h次注入谐波电流源，S^*表示虚拟发电机的输出功率，U_{pcc_aft}表示并网点电压。

按照公式(2)计算背景谐波阻抗Z_{pcc_h}：

其中，Z_{pcc_h}表示第h次交流系统的背景谐波阻抗，I_h表示第h次注入谐波电流源，U_{pcc_bef}表示注入谐波电流源前并网点的谐波电压，U_{pcc_aft}表示注入谐波电流源之后并网点的谐波电压。

上述公式(1)和公式(2)计算注入谐波电流源和交流系统背景谐波阻抗过程中，还需要确定该柔性直流输电系统并网点初始电压和并网点电压的计算过程。

当谐波电流I_h＝0时，计算并网点初始电压。利用交流系统电压源U_s、电压源内部等效阻抗Z_s和变压器、线路、负荷及并联之路等效阻抗Z_ext，按照公式(3)计算注入谐波电流源前并网点的谐波电压U_{pcc_bef}：

其中，U_{pcc_bef}表示注入谐波电流源前并网点的谐波电压，U_s表示交流系统电压源，Z_s表示电压源内部等效阻抗，Z_ext表示交流系统的变压器、线路、负荷及并联之路等效阻抗。在实际应用中，考虑到幅值和相位，可以通过公式(4)表示注入谐波电流源前并网点的谐波电压U_{pcc_bef}：

U_{pcc_bef}＝|U_{pcc_bef}|(cosθ+jsinθ) (4)

当谐波电流I_h≠0时，利用程序自动扫频完成的潮流计算得出注入谐波电流源之后并网点的谐波电压为U_{pcc_aft}，考虑到幅值和相位，按照公式(5)表示注入谐波电流源之后并网点的谐波电压U_{pcc_aft}：

U_{pcc_aft}＝|U_{pcc_aft}|(cosθ+jsinθ) (5)

步骤S13：根据交流系统的系统数据，采用小信号谐波注入扫频潮流计算法计算背景谐波电压源。当交流系统中注入小信号谐波电流源时，如图3所示，交流系统小信号注入扫频潮流计算模型，图3中用A和B表示注入电流源的两个端口，谐波电流在交流系统内阻抗Z_S两端会产生电压降，因此可根据每一次谐波电流源注入交流系统后进行的潮流计算Z_s两端电压U_{Zs_h}结果赋值为背景谐波电压源，按照公式(6)计算背景谐波电压源U_{Zs_h}：

U_{Zs_h}＝I_h×Z_s (6)

其中，U_{Zs_h}表示第h次背景谐波电压，I_h表示第h次注入谐波电流源，Z_S为交流系统内阻抗。

具体地，在一实施例中，上述的步骤S1中获取换流站注入交流系统的注入谐波数据，具体包括如下步骤：

步骤S14：获取该交流系统的系统电压。在实际应用中，由于交流系统与换流站进行并网，因此为了考虑并网后的实际工程情况，通常交流系统的系统电压值可以为换流站中模拟小信号谐波电压源提供一定的参考。

步骤S15：根据获取的换流站注入交流系统的注入谐波数据确定注入换流站的小信号谐波电压源。如图4所示，换流站小信号注入扫频潮流计算模型，在实际应用中，换流站注入的小信号谐波电压源U_h的电压幅值可以根据交流系统的系统电压进行选择，通常选择范围约为交流系统的系统电压U_s的3％-10％，需要说明的是，上述的换流站注入的小信号谐波电压源U_h的电压幅值也可以根据实际情况进行灵活的选择，本发明并不以此为限。

步骤S16：根据小信号谐波电压源，采用小信号谐波注入扫频潮流计算法计算换流站注入谐波阻抗Z_{converter_h}的频率特性和注入谐波电压源U_{converter_h}。在已知小信号谐波电压源时，编程实现现有技术中的扫频潮流计算法计算出换流站注入谐波阻抗和注入谐波电压源。

步骤S2：构建并网点的静态谐波计算模型。对交流系统背景谐波和换流站的注入谐波均按照戴维南电路等效处理，如图5所示，交流系统并网点静态谐波计算等效模型，按照公式(7)计算并网点静态谐波电压总量：

U_{pcc_h}＝U_{s_h}+U_{conpcc_h} (7)

其中，U_{pcc_h}表示第h次静态谐波电压总量，U_{s_h}表示第h次背景谐波在并网点产生的谐波电压，U_{conpcc_h}表示换流站第h次注入谐波在并网点产生的谐波电压。

步骤S3：根据背景谐波数据、注入谐波数据及静态谐波计算模型，分别计算各次谐波在并网点产生的谐波电压。

具体地，在一实施例中，上述的步骤S3，具体包括如下步骤：

步骤S31：按照公式(8)计算背景谐波在并网点产生的谐波电压：

其中，U_{s_h}表示第h次背景谐波在并网点产生的谐波电压，U_{Zs_h}表示第h次背景谐波电压源，Z_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波阻抗，Z_{pcc_h}表示第h次背景谐波阻抗；

步骤S32：按照公式(9)计算注入谐波在并网点产生的谐波电压：

其中，U_{conpcc_h}表示换流站第h次注入谐波在并网点产生的谐波电压，U_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波电压源，Z_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波阻抗，Z_{pcc_h}表示第h次背景谐波阻抗。

步骤S4：根据各次谐波的谐波电压计算在并网点处的单次谐波畸变率和总谐波含量。在谐波分析的过程中，单次谐波畸变率D_h和总谐波含量THD是两个非常重要的指标，对各次谐波含量进行准确的数值计算，并在工程投运之前，通过该计算结果分析系统是否需要加装相应的滤波器设备。

具体地，按照公式(10)和公式(11)分别计算各次谐波的谐波电压在并网点的单次谐波畸变率D_h和总谐波含量THD：

其中，D_h表示单次谐波畸变率，THD表示总谐波含量，h表示谐波次数，U_h表示第h次谐波对地电压有效值，U₁表示基波对地电压有效值，H_max表示最大谐波次数。

在柔性直流输电系统工程正式投运之前，可以通过对系统进行合理等效建模，并采用柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法对各次谐波含量进行数值计算，对整个柔性直流输电系统加装相应的滤波器设备提供准确的数据支持。

通过上述步骤S1至步骤S4，本发明实施例的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，通过获取交流系统的背景谐波数据及换流站注入交流系统的注入谐波数据，构建并网点的静态谐波计算模型，然后根据背景谐波数据、注入谐波数据及静态谐波计算模型，分别计算各次谐波在并网点产生的谐波电压。此计算过程方法简便，易于实施，利用小信号注入系统阻抗扫描方法，得出系统谐波阻抗频率特性，思路清晰，建模依据准确，并利用经典电路理论完成系统静态谐波计算，且计算结果对整个柔性直流输电系统加装相应的滤波器设备提供准确的数据支持，对整个系统的工程建设有着重要意义。

本发明实施例还提供了一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析系统，如图6所示，该柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析系统包括：

获取模块1，用于获取交流系统的背景谐波数据及换流站注入交流系统的注入谐波数据。详细内容参见上述方法实施例中步骤S1的相关描述。

模型构建模块2，用于构建并网点的静态谐波计算模型。详细内容参见上述方法实施例中步骤S2的相关描述。

第一计算模块3，用于根据背景谐波数据、注入谐波数据及静态谐波计算模型，分别计算并网点的各次谐波的谐波电压总量。详细内容参见上述方法实施例中步骤S3的相关描述。

第二计算模块4，用于根据各次谐波的谐波电压总量计算并网点的单次谐波畸变率和总谐波含量。详细内容参见上述方法实施例中步骤S4的相关描述。

通过上述各个组成部分的协同合作，本发明实施例的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析系统，通过获取交流系统的背景谐波数据及换流站注入交流系统的注入谐波数据，构建并网点的静态谐波计算模型，然后根据背景谐波数据、注入谐波数据及静态谐波计算模型，分别计算各次谐波在并网点产生的谐波电压。此计算过程方法简便，易于实施，利用小信号注入系统阻抗扫描方法，得出系统谐波阻抗频率特性，思路清晰，建模依据准确，并利用经典电路理论完成系统静态谐波计算，且计算结果对整个柔性直流输电系统加装相应的滤波器设备提供准确的数据支持，对整个系统的工程建设有着重要意义。

具根据本发明实施例还提供了一种电子设备，如图7所示，该电子设备可以包括处理器901和存储器902，其中处理器901和存储器902可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。

处理器901可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法。

存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法。

上述电子设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，所述柔性直流输电系统包括：交流系统和换流站，所述交流系统和所述换流站通过并网点连接，其特征在于，包括：

获取所述交流系统的背景谐波数据及换流站注入所述交流系统的注入谐波数据；

构建所述并网点的静态谐波计算模型；

根据所述背景谐波数据、所述注入谐波数据及所述静态谐波计算模型，分别计算各次谐波在所述并网点产生的谐波电压；

根据所述各次谐波的谐波电压计算在所述并网点的单次谐波畸变率和总谐波含量。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，其特征在于，所述背景谐波数据包括背景谐波的背景谐波阻抗及背景谐波电压源，所述注入谐波数据包括注入谐波的注入谐波阻抗及注入谐波电压源。

3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，其特征在于，所述获取交流系统的背景谐波数据，包括：

获取所述交流系统的系统数据；

根据所述系统数据，采用小信号谐波注入扫频潮流计算法计算所述背景谐波阻抗和所述背景谐波电压源。

4.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，其特征在于，所述获取换流站注入所述交流系统的注入谐波数据，包括：

获取所述交流系统的系统电压；

根据所述系统电压确定注入换流站的小信号谐波电压源；

根据所述小信号谐波电压源，采用小信号谐波注入扫频潮流计算法计算所述注入谐波阻抗和所述注入谐波电压源。

5.根据权利要求4所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，其特征在于，所述静态谐波计算模型通过如下公式表示：

U_{pcc_h}＝U_{s_h}+U_{conpcc_h}，

其中，U_{pcc_h}表示第h次静态谐波电压总量，U_{s_h}表示第h次背景谐波在并网点产生的谐波电压，U_{conpcc_h}表示换流站第h次注入谐波在并网点产生的谐波电压。

6.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，其特征在于，所述背景谐波在并网点产生的谐波电压通过如下公式表示：

其中，U_{s_h}表示第h次背景谐波在并网点产生的谐波电压，U_{Zs_h}表示第h次背景谐波电压源，Z_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波阻抗，Z_{pcc_h}表示第h次背景谐波阻抗。

7.根据权利要求6所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法，其特征在于，所述注入谐波在并网点产生的谐波电压通过如下公式表示：

其中，U_{conpcc_h}表示换流站第h次注入谐波在并网点产生的谐波电压，U_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波电压源，Z_{converter_h}表示换流站第h次注入系统谐波阻抗，Z_{pcc_h}表示第h次背景谐波阻抗。

8.一种柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析系统，所述柔性直流输电系统包括：交流系统和换流站，所述交流系统和所述换流站通过并网点连接，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取所述交流系统的背景谐波数据及换流站注入所述交流系统的注入谐波数据；

模型构建模块，用于构建所述并网点的静态谐波计算模型；

第一计算模块，用于根据所述背景谐波数据、所述注入谐波数据及所述静态谐波计算模型，分别计算所述并网点的各次谐波的谐波电压总量；

第二计算模块，用于根据所述各次谐波的谐波电压总量计算所述并网点的单次谐波畸变率和总谐波含量。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-7中任一项所述的柔性直流输电系统并网点的静态谐波分析方法。