CN111064216A - 一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法 - Google Patents

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Abstract

一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法，步骤1：实时监测直流输电系统整流侧与逆变侧母线电压变化情况，记录控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus；步骤2：运用经典交流系统故障辨识方法，基于控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus；步骤3：将K对整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure DDA0002327736520000011
与状态变量xstatus输入至基于动态相量法的直流输电系统快速仿真模型进行快速的并行仿真计算，得到K个直流输电的期望暂态响应
Figure DDA0002327736520000012
步骤4：利用暂态稳定判据，在K个直流输电的期望暂态响应
Figure DDA0002327736520000013
中选择出对暂态稳定影响最大的期望暂态响应；本发明能够于交流扰动发生之后的测量信息快速计算直流输电系统的暂态响应，克服了直流输电系统仿真速度较慢的缺点。

Description

一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法
技术领域
本发明属于电力系统仿真计算技术领域，特别涉及一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法。
背景技术
随着我国电网技术的不断革新与发展，我国已经形成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混合输电系统。LCC-HVDC(基于电网换相整流器高压直流输电)在运行过程中会不断变换阀的通断状态，为系统引入了时变性，加上直流输电控制系统的多目标控制及限幅输出等环节，为系统引入了很强的非线性，给交直流系统的机理分析与仿真计算带来了许多困难。
为了提高交直流混联电网的暂态稳定性，目前业界提出了直流输电系统的暂态响应机制，即在交直流系统将发生因连续换相失败而引发的大范围功率波动之前对受端电网的潮流进行提前控制，从而减少直流系统连续换相失败带来的功率缺额的影响。但是，这种暂态响应机制依赖于交直流系统运行故障下的期望暂态响应的快速求取，而高精度的快速计算方法因电磁暂态仿真算法的复杂度难以实现。如何实现直流系统的期望暂态响应的快速计算，依然是一个技术难题。
发明内容
为了克服交直流混联系统在大扰动之下的暂态期望响应快速求取问题，有别于传统的电磁暂态模型建模及仿真方法，本发明的目的在于提供一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法，该方法利用动态相量法对晶闸管动态切换电路拓扑的行为进行建模，得出简化的交直流混联网络的闭式调制关系式，避免为了列写状态方程而频繁确认电路拓扑的变化情况；基于简化的调制关系式，该方法将直流系统建模成两端电压受控电流源，可对若干交流期望响应输入进行快速、并行的电气量解析计算。
为实现上述发明目的，本发明具体采用的技术方案
一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法，包括以下步骤：
步骤1：实时监测直流输电系统整流侧与逆变侧母线电压变化情况，如检测到任意一条母线发生因故障引起的电压变化，记录控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus，进入步骤2；
步骤2：运用经典交流系统故障辨识方法，基于控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus，估计K个整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure BDA0002327736500000021
随后进入到步骤3；
步骤3：将K对整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure BDA0002327736500000022
与状态变量xstatus输入至基于动态相量法的直流输电系统快速仿真模型进行快速的并行仿真计算，得到K个直流输电的期望暂态响应
Figure BDA0002327736500000023
步骤4：利用暂态稳定判据，在K个直流输电的期望暂态响应
Figure BDA0002327736500000024
中选择出对暂态稳定影响最大的期望暂态响应，具体如下所示，
Figure BDA0002327736500000025
其中，ftransient(·)为任意的暂态稳定判据，可根据具体工程要求人为地提前给定。
步骤3所述的基于动态相量法的直流输电系统快速仿真模型，其对时域上分段线性的开关函数[Sar,Sbr,Scr,Sai,Sbi,Sci]进行加窗傅立叶变换，求取其各阶动态相量
Figure BDA0002327736500000031
的解析解，并利用动态相量的逆变换，得到各开关函数的闭式连续函数形式：
Figure BDA0002327736500000032
Figure BDA0002327736500000033
Figure BDA0002327736500000034
Figure BDA0002327736500000035
Figure BDA0002327736500000036
Figure BDA0002327736500000037
随后利用该开关函数，将交直流系统的调制关系表达如下：
Vdr＝VaSar+VbSbr+VcScr
Vdi＝VaSai+VbSbi+VcSci
Iar＝SarId,Ibr＝SbrId,Icr＝ScrId
Iai＝SaiId,Ibi＝SbiId,Ici＝SciId
利用该调制关系，建立直流系统的双端电压受控电流源计算模型，即可实现输入期望交流母线电压，快速并行计算直流系统响应。
本发明的优点：
该方法显式地对晶闸管动态切换电路拓扑的行为进行建模，利用动态相量法对换流桥的电压开关函数与电流开关函数进行解析表达，并基于动态相量法的正变换以及逆变换，得到了开关函数的简化闭式数学表达式，从而得出简化的交直流系统电压与电流的调制关系表达式，解决了传统的电磁暂态仿真需要频繁地确认电力拓扑从而列写对应的状态方程组的困难点。从电路理论的角度来看，基于简化的调制关系式，该方法重点考虑LCC-HVDC直流输电系统的整流侧与逆变侧的外特性，结合该外特性将直流系统等值为一个双端电压受控电流源，可方便地结合交直流系统仿真接口技术实现期望响应的快速、并行地计算。
附图说明
图1为本发明的基于快速仿真模型的高压直流输电系统的期望响应的快速求取方法的示意图。
图2为本发明的基于动态相量法的直流输电系统快速仿真模型的示意图。
图3为电压时域波形图，其中图3A是
Figure BDA0002327736500000041
时域波形，图3B是
Figure BDA0002327736500000042
时域波形，图3C是
Figure BDA0002327736500000043
时域波形，图3D是
Figure BDA0002327736500000044
时域波形，图3E是
Figure BDA0002327736500000045
时域波形，图3F是
Figure BDA0002327736500000046
时域波形。
图4为直流输电时域波形图,其中图4A是
Figure BDA0002327736500000047
时域波形，图4B是
Figure BDA0002327736500000048
时域波形，图4C是
Figure BDA0002327736500000049
时域波形，图4D是
Figure BDA00023277365000000410
时域波形，图4E是
Figure BDA00023277365000000411
时域波形，图4F是
Figure BDA00023277365000000412
时域波形。
具体实施方式
下面参照附图对本发明做详细叙述。
一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法，如附图1所示，包括以下步骤：
步骤1：实时监测直流输电系统整流侧与逆变侧母线电压变化情况，如检测到任意一条母线发生因故障引起的电压变化，记录控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus，进入步骤2；
步骤2：运用经典交流系统故障辨识方法，基于控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus，估计K个整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure BDA0002327736500000051
随后进入到步骤3；
步骤3：将K对整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure BDA0002327736500000052
与状态变量xstatus输入至基于动态相量的直流输电系统等值模型进行快速的并行仿真计算，得到K个直流输电的期望暂态响应
Figure BDA0002327736500000053
步骤4：利用暂态稳定判据，在K个直流输电的期望暂态响应
Figure BDA0002327736500000054
中选择出对暂态稳定影响最大的期望暂态响应，具体如下所示，
Figure BDA0002327736500000055
其中，ftransient(·)为任意的暂态稳定判据，可根据具体工程要求人为地提前给定。
步骤3所述的基于动态相量法的直流输电系统快速仿真模型，模型部分如附图2所示：
其对时域上分段线性的开关函数[Sar,Sbr,Scr,Sai,Sbi,Sci]进行加窗傅立叶变换，求取其各阶动态相量
Figure BDA0002327736500000056
的解析解，并利用动态相量的逆变换，得到各开关函数的闭式连续函数形式：
Figure BDA0002327736500000057
Figure BDA0002327736500000058
Figure BDA0002327736500000059
Figure BDA00023277365000000510
Figure BDA00023277365000000511
Figure BDA00023277365000000512
随后利用该开关函数，将交直流系统的调制关系表达如下：
Vdr＝VaSar+VbSbr+VcScr
Vdi＝VaSai+VbSbi+VcSci
Iar＝SarId,Ibr＝SbrId,Icr＝ScrId
Iai＝SaiId,Ibi＝SbiId,Ici＝SciId
利用该调制关系，建立直流系统的双端电压受控电流源计算模型，即可实现输入期望交流母线电压，快速并行计算直流系统响应。
应用场景说明
下面以一典型的仿真计算场景说明本发明方法的有效性。
该仿真场景以直流输电研究领域常用的标准直流输电系统(CIGREBenchmark)为基础，模拟直流输电系统的实际运行工况，从而对方法的中间计算结果进行说明。仿真的故障参数设置为：仿真进行到0.6s时，于逆变侧母线处发生一个金属性三相短路接地故障，故障持续0.2s后切除。为方便阐述，在该应用场景中，所需计算的备选直流输电的期望暂态响应的个数为3个，即K＝3。
下面是本发明方法的具体计算过程及表现：
步骤1、算法实时监测直流输电系统整流侧与逆变侧母线电压变化情况，并检测到可0.6s时逆变侧母线发生的电压跌落现象。算法记录下了此时的状态变量：
xstatus＝[vdi,vdr,xCC,xCV,xγ1,xγ2,idi,idr]
＝[1.01,1.03,0.15,0.22,0,0.87,0.99,0.98]
其中，vdi为逆变侧直流电压的标幺值，vdr为整流侧直流电压的标幺值，xCC为逆变侧定电流控制的PI积分器输出值，xCV为整流侧定电压控制的PI积分器输出值，xγ1,xγ2分别为整流侧与逆变侧的定γ角控制器的PI积分器输出值，idi为逆变侧直流电流的标幺值，idr为整流侧直流电流的标幺值。
步骤2、经过经典的电路理论分析方法，反推出逆变侧交流母线处发生的三相接地故障参数，但由于故障的持续时间无法提前得知，所以假设3个持续时间，对应如下：
t1＝0.05s
t2＝0.25s
t3＝0.50s
估计3个对应的整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure BDA0002327736500000071
具体波形，如图3A-F；接下来进入步骤3。
步骤3、将3对整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure BDA0002327736500000072
与状态变量xstatus＝[vdi,vdr,xCC,xCV,xγ1,xγ2,idi,idr]输入至基于动态相量的直流输电系统等值模型进行快速的并行仿真计算，得到3个直流输电的期望暂态响应
Figure BDA0002327736500000073
如下图4A-F。
步骤4、利用电压暂态稳定判据，在3个直流输电的期望暂态响应
Figure BDA0002327736500000074
中选择出对暂态稳定影响最大的期望暂态响应，具体如下所示：
Figure BDA0002327736500000075
Figure BDA0002327736500000076
Figure BDA0002327736500000077
选择出地3对期望响应对
Figure BDA0002327736500000078
为所需计算结果。

Claims (2)

1.一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：实时监测直流输电系统整流侧与逆变侧母线电压变化情况，如检测到任意一条母线发生因故障引起的电压变化，记录控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus，进入步骤2；
步骤2：运用经典交流系统故障辨识方法，基于控制系统及直流输电系统的状态变量xstatus，估计K个整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure FDA0002327736490000011
随后进入到步骤3；
步骤3：将K对整流侧与逆变侧期望母线电压对
Figure FDA0002327736490000012
与状态变量xstatus输入至基于动态相量法的直流输电系统快速仿真模型进行快速的并行仿真计算，得到K个直流输电的期望暂态响应
Figure FDA0002327736490000013
步骤4：利用暂态稳定判据，在K个直流输电的期望暂态响应
Figure FDA0002327736490000014
中选择出对暂态稳定影响最大的期望暂态响应，具体如下所示，
Figure FDA0002327736490000015
k＝1,2,...,K
其中，ftransient(·)为任意的暂态稳定判据，可根据具体工程要求人为地提前给定。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统期望暂态响应快速求取方法，其特征在于，步骤3所述的基于动态相量法的直流输电系统快速仿真模型，其对时域上分段线性的开关函数[Sar,Sbr,Scr,Sai,Sbi,Sci]进行加窗傅立叶变换，求取其各阶动态相量
Figure FDA0002327736490000016
的解析解，并利用动态相量的逆变换，得到各开关函数的闭式连续函数形式：
Figure FDA0002327736490000021
Figure FDA0002327736490000022
Figure FDA0002327736490000023
Figure FDA0002327736490000024
Figure FDA0002327736490000025
Figure FDA0002327736490000026
随后利用该开关函数，将交直流系统的调制关系表达如下：
Vdr＝VaSar+VbSbr+VcScr
Vdi＝VaSai+VbSbi+VcSci
Iar＝SarId,Ibr＝SbrId,Icr＝ScrId
Iai＝SaiId,Ibi＝SbiId,Ici＝SciId
利用该调制关系，建立直流系统的双端电压受控电流源计算模型，即可实现输入期望交流母线电压，快速并行计算直流系统响应。
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