CN111697584B - 混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，包括：建立高压直流输电换流器和模块化多电平换流器的开关函数；将直流网络进行划分形成链形直流网络；转换为节点导纳矩阵模型；建立基于开关函数的高压直流输电换流器的交互关系模型；根据模块化多电平换流器拓扑结构，建立模块化多电平换流器的交互关系模型；建立交流网络节点导纳矩阵模型；根据上述模型得到混合多端直流输电系统模型，并进行谐波分布特性分析。本发明能够考虑直流控制特性，搭建清晰、完整的计算模型，实现对接近真实的混合直流电网谐波分析，从而提高电力系统的安全性和稳定性。本发明还公开了一种系统和存储介质。

Description

混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统输电网谐波分析领域，尤其涉及一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法、系统及存储介质。
背景技术
随着电力需求的不断增长，光伏发电和风能发电等新能源发电技术的快速发展以及直流输电技术不断进步，特高压直流输电得到了广泛关注和极大的发展，从基于电网换相换流器的高压直流输电(Line Commutated Converter Based High Voltage DirectCurrent，LCC-HVDC)发展到基于模块化多电平换流器的高压直流输电(ModularMultilevel Converter Based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)，LCC-MMC混合直流由于其在经济性和可靠性方面的优势，使其具有极大的发展前景。
随着电力系统输电网中直流输电系统的加入，让交、直流输电并存成为常态，增加了系统结构的复杂性，进而导致了谐波及其分布计算的难度增加。电力系统输电网中谐波的存在将导致系统的元件损耗增加、设备工作异常、电网相关保护误动，甚至引发设备故障，导致电网安全事故，因此，对目前混合直流输电系统中的谐波分布进行研究具有重要的现实意义。
现有技术中，谐波的分析方法主要分为迭代法、调制分析法、统一潮流计算方法等，本发明人在实施本发明的过程中发现，现有技术中存在以下技术问题：
迭代法计及了交、直流两侧的相互影响，但存在收敛性差的缺点；调制理论考虑了换流器的开关特性，但较少涉及到换流器的控制特性，而统一潮流计算方法虽然将输电系统等效为电路网络，但其也同时忽略了换流器的控制特性。并且随着LCC、MMC等换流器的出现，有必要研究混合直流输电系统的谐波计算方法。
发明内容
本发明提供一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，能够考虑直流控制特性，搭建清晰、完整的计算模型，实现对接近真实的混合直流电网谐波分析，从而提高电力系统的安全性和稳定性。
本发明实施例提供了一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，包括：
建立高压直流输电换流器的电压和电流的开关函数，以及模块化多电平换流器的电压和电流的开关函数；
将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络；
建立所述链形直流网络的T参数矩阵，并将所述T参数矩阵转换为节点导纳矩阵模型；
建立基于开关函数的高压直流输电换流器的交互关系模型；
根据所述模块化多电平换流器拓扑结构，建立模块化多电平换流器的交互关系模型；
建立交流网络节点导纳矩阵模型；
根据所述链形直流网络的节点导纳矩阵模型，所述模块化多电平换流器的交直流电压、电流交互模型以及交流网络节点导纳矩阵模型，形成混合多端直流输电系统模型，对所述混合多端直流输电系统模型进行混合直流输电系统的谐波分布特性分析。
作为上述方案的改进，所述将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络，具体包括：
根据所述直流网络的元件个数及结构，将所述直流网络划分为整流侧平波电抗二端口网络、整流侧直流滤波器二端口网络、整流侧接地极二端口网络、直流线路二端口网络、逆变侧接地极二端口网络、逆变侧直流滤波器二端口网络、逆变侧平波电抗二端口网络中的若干种。
作为上述方案的改进，所述建立所述链形直流网络的T参数矩阵，并将所述T参数矩阵转换为节点导纳矩阵模型，具体包括：
通过下式(1)计算所述链形直流网络的T参数矩阵：
Tdc＝T1rT2rTlT1iT2i (1)
式中，T1r为整流侧平波电抗器T参数矩阵，T2r整流侧直流滤波器T参数矩阵，Tl直流输电线路T参数矩阵，T1i为逆变侧平波电抗器T参数矩阵，T2i逆变侧直流滤波器T参数矩阵。
作为上述方案的改进，所述建立基于开关函数的高压直流输电换流器的交互关系模型，具体包括：
基于调制理论，根据电流开关函数Si和电压开关函数Su计算公式，建立如下式(2)和(3)的高压直流输电换流器直流电压、直流电流交互关系：
Figure BDA0002486967260000031
Figure BDA0002486967260000032
式中，k、m表示谐波次数；φ＝a，b，c分别表示a相、b相、c相；Ud(k)和Id(k)分别表示直流电压k次谐波分量和直流电流的k次谐波分量；Suφ(m)和Siφ(m)分别表示φ相电压开关函数的m次谐波分量和电流开关函数的m次谐波分量；Uφ(k)和Iφ(k)分别表示φ相交流电压k次谐波分量和交流电流k次谐波分量；
考虑直流控制策略，建立如下式(4)所述的整流侧的直流电压和电流的关系：
Figure BDA0002486967260000041
式中，Ud1为定电流控制计算参数；Ud2，Ud3，k2，b2为低压限流控制参数；k1和b1为电流偏差控制曲线拟合参数；Idmin为最小电流控制值。
建立直流侧等值谐波阻抗Zd(m)，形成如下式(5)阻抗关系：
Figure BDA0002486967260000042
联立以上式(2)至(5)进行高压直流输电换流器交直流侧谐波交互计算。
作为上述方案的改进，所述根据所述模块化多电平换流器拓扑结构，建立模块化多电平换流器的交互关系模型，具体包括：
建立的如下的交互方程组：
Figure BDA0002486967260000043
Figure BDA0002486967260000044
Figure BDA0002486967260000045
Figure BDA0002486967260000046
式中，
Figure BDA0002486967260000047
分别为交流侧和直流侧电流变量；R为桥臂的串联电阻；L为桥臂的串联电感；Ls为交流系统等效电感；N为上/下桥臂子模块数；Sdc、Sj分别为开关函数的直流分量和基频分量；
Figure BDA0002486967260000048
为上桥臂与下桥臂的子模块电压之差；
Figure BDA0002486967260000049
为上桥臂与下桥臂模块电压之和；ej为交流系统等效电源；Vdc为直流正负极电压差；Csm为MMC子模块并联电容。
作为上述方案的改进，建立交流网络节点导纳矩阵模型，具体包括：
根据交流输电线路、变压器、补偿和滤波装置、同步电机、综合负荷，建立所述交流网络节点导纳矩阵模型。
本发明实施例二对应提供了一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明实施例一所述的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法。
本发明实施例三对应提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如本发明实施例一所述的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法。
本发明实施例提供的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，具有如下有益效果：
通过将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络，提高模型的精确性；能够考虑直流控制特性，搭建清晰、完整的更接近实际混合直流输电系统计算模型，实现对接近真实的混合直流电网谐波分析，从而提高电力系统的安全性和稳定性；综合了交流系统、直流系统、计及控制特性的高压直流输电换流器和模块化多电平换流器，对电力系统输电网谐波进行了较为完整、全面，计算精度高的分析，从而提高电力系统的安全性和稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法的流程示意图。
图2是一具体实施例中直流输电系统二端口网络划分示意图。。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
需要说明的是，本发明实施例提供的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法应用于电力系统输电网谐波分析领域，其中，上述输电网即电压为110kV及110kV以上的输电网络。
参见图1，是本发明实施例提供的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法的流程示意图，包括：
S101、建立高压直流输电换流器的电压和电流的开关函数，以及模块化多电平换流器的电压和电流的开关函数；
S102、将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络；
进一步地，将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络，具体包括：
根据直流网络的元件个数及结构，将直流网络划分为整流侧平波电抗二端口网络、整流侧直流滤波器二端口网络、整流侧接地极二端口网络、直流线路二端口网络、逆变侧接地极二端口网络、逆变侧直流滤波器二端口网络、逆变侧平波电抗二端口网络中的若干种。
具体地，图2为一具体实施例中直流输电系统二端口网络划分示意图。
S103、建立链形直流网络的T参数矩阵Tdc，并将T参数矩阵转换为节点导纳矩阵模型Ydc；
进一步地，建立链形直流网络的T参数矩阵，并将T参数矩阵转换为节点导纳矩阵模型，具体包括：
通过下式(1)计算链形直流网络的T参数矩阵：
Tdc＝T1rT2rTlT1iT2i (1)
式中，T1r为整流侧平波电抗器T参数矩阵，T2r整流侧直流滤波器T参数矩阵，Tl直流输电线路T参数矩阵，T1i为逆变侧平波电抗器T参数矩阵，T2i逆变侧直流滤波器T参数矩阵。
S104、建立基于开关函数的高压直流输电换流器的交互关系模型；
进一步地，建立基于开关函数的高压直流输电换流器的交互关系模型，具体包括：
基于调制理论，根据电流开关函数Si和电压开关函数Su计算公式，建立如下式(2)和(3)的高压直流输电换流器直流电压、直流电流交互关系：
Figure BDA0002486967260000071
Figure BDA0002486967260000072
式中，k、m表示谐波次数；φ＝a，b，c分别表示a相、b相、c相；Ud(k)和Id(k)分别表示直流电压k次谐波分量和直流电流的k次谐波分量；Suφ(m)和Siφ(m)分别表示φ相电压开关函数的m次谐波分量和电流开关函数的m次谐波分量；Uφ(k)和Iφ(k)分别表示φ相交流电压k次谐波分量和交流电流k次谐波分量；
考虑直流控制策略，建立如下式(4)的整流侧的直流电压和电流的关系：
Figure BDA0002486967260000073
式中，Ud1为定电流控制计算参数；Ud2，Ud3，k2，b2为低压限流控制参数；k1和b1为电流偏差控制曲线拟合参数；Idmin为最小电流控制值。
建立直流侧等值谐波阻抗Zd(m)，形成如下式(5)阻抗关系：
Figure BDA0002486967260000081
联立以上式(2)至(5)进行高压直流输电换流器交直流侧谐波交互计算。
具体地，基于调制理论，即直流电压可看作是换流器对交流电压的调制，交流电流可看作是换流器对直流电流的调制，建立基于开关函数的LCC交、直流两侧电压交互关系以及交、直流两侧电流交互关系方程组。
S105、根据模块化多电平换流器拓扑结构，建立模块化多电平换流器的交互关系模型；
进一步地，根据模块化多电平换流器拓扑结构，建立模块化多电平换流器的交互关系模型，具体包括：
建立的如下的交互方程组：
Figure BDA0002486967260000082
Figure BDA0002486967260000083
Figure BDA0002486967260000084
Figure BDA0002486967260000085
式中，
Figure BDA0002486967260000086
分别为交流侧和直流侧电流变量；R为桥臂的串联电阻；L为桥臂的串联电感；Ls为交流系统等效电感；N为上/下桥臂子模块数；Sdc、Sj分别为开关函数的直流分量和基频分量；
Figure BDA0002486967260000087
为上桥臂与下桥臂的子模块电压之差；
Figure BDA0002486967260000088
为上桥臂与下桥臂模块电压之和；ej为交流系统等效电源；Vdc为直流正负极电压差；Csm为MMC子模块并联电容。
具体地，通过对MMC拓扑结构进行电路分析，基于基尔霍夫电压和电流定律，得到关于上、下桥臂电压/电流的状态方程组，从而整理化简得到MMC的交直流电压、电流交互方程组；
S106、建立交流网络节点导纳矩阵模型Yac；
进一步地，建立交流网络节点导纳矩阵模型，具体包括：
根据交流输电线路、变压器、补偿和滤波装置、同步电机、综合负荷，建立交流网络节点导纳矩阵模型。
S107、根据链形直流网络的节点导纳矩阵模型，模块化多电平换流器的交直流电压、电流交互模型以及交流网络节点导纳矩阵模型，形成混合多端直流输电系统模型，对混合多端直流输电系统模型进行混合直流输电系统的谐波分布特性分析。
本发明实施例提供的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，具有如下有益效果：
通过将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络，提高模型的精确性；能够考虑直流控制特性，搭建清晰、完整的更接近实际混合直流输电系统计算模型，实现对接近真实的混合直流电网谐波分析，从而提高电力系统的安全性和稳定性；综合了交流系统、直流系统、计及控制特性的高压直流输电换流器和模块化多电平换流器，对电力系统输电网谐波进行了较为完整、全面，计算精度高的分析，从而提高电力系统的安全性和稳定性。
本发明实施例二对应提供了一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统，包括处理器、存储器以及存储在存储器中且被配置为由处理器执行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如本发明实施例一的混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法。混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
本发明实施例三对应提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在计算机程序运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行如本发明实施例一的混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、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。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统的各种功能。所述存储器可主要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、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或系统、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需说明的是，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的系统实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，其特征在于，包括：
建立高压直流输电换流器的电压和电流的开关函数，以及模块化多电平换流器的电压和电流的开关函数；
将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络；
建立所述链形直流网络的T参数矩阵，并将所述T参数矩阵转换为节点导纳矩阵模型；
建立基于开关函数的高压直流输电换流器的交互关系模型；
根据所述模块化多电平换流器拓扑结构，建立模块化多电平换流器的交互关系模型；
建立交流网络节点导纳矩阵模型；
根据所述链形直流网络的节点导纳矩阵模型，所述模块化多电平换流器的交直流电压、电流交互模型以及交流网络节点导纳矩阵模型，形成混合多端直流输电系统模型，对所述混合多端直流输电系统模型进行混合直流输电系统的谐波分布特性分析；
其中，所述将直流网络划分为一系列的若干个二端口网络，形成链形直流网络，具体包括：
根据所述直流网络的元件个数及结构，将所述直流网络划分为整流侧平波电抗二端口网络、整流侧直流滤波器二端口网络、整流侧接地极二端口网络、直流线路二端口网络、逆变侧接地极二端口网络、逆变侧直流滤波器二端口网络、逆变侧平波电抗二端口网络中的若干种；
其中，所述建立所述链形直流网络的T参数矩阵，并将所述T参数矩阵转换为节点导纳矩阵模型，具体包括：
通过下式(1)计算所述链形直流网络的T参数矩阵：
Tdc＝T1rT2rTlT1iT2i (1)
式中，T1r为整流侧平波电抗器T参数矩阵，T2r整流侧直流滤波器T参数矩阵，Tl直流输电线路T参数矩阵，T1i为逆变侧平波电抗器T参数矩阵，T2i逆变侧直流滤波器T参数矩阵；
其中，所述建立基于开关函数的高压直流输电换流器的交互关系模型，具体包括：
基于调制理论，根据电流开关函数Si和电压开关函数Su计算公式，建立如下式(2)和(3)的高压直流输电换流器直流电压、直流电流交互关系：
Figure FDA0003194677560000021
Figure FDA0003194677560000022
式中，k、m表示谐波次数；φ＝a，b，c分别表示a相、b相、c相；Ud(k)和Id(k)分别表示直流电压k次谐波分量和直流电流的k次谐波分量；Suφ(m)和Siφ(m)分别表示φ相电压开关函数的m次谐波分量和电流开关函数的m次谐波分量；Uφ(k)和Iφ(k)分别表示φ相交流电压k次谐波分量和交流电流k次谐波分量；
考虑直流控制策略，建立如下式(4)所述的整流侧的直流电压和电流的关系：
Figure FDA0003194677560000023
式中，Ud1为定电流控制计算参数；Ud2，Ud3，k2，b2为低压限流控制参数；k1和b1为电流偏差控制曲线拟合参数；Idmin为最小电流控制值；
建立直流侧等值谐波阻抗Zd(m)，形成如下式(5)阻抗关系：
Figure FDA0003194677560000031
联立以上式(2)至(5)进行高压直流输电换流器交直流侧谐波交互计算。
2.如权利要求1所述的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，其特征在于，所述根据所述模块化多电平换流器拓扑结构，建立模块化多电平换流器的交互关系模型，具体包括：
建立的如下的交互方程组：
Figure FDA0003194677560000032
Figure FDA0003194677560000033
Figure FDA0003194677560000034
Figure FDA0003194677560000035
式中，
Figure FDA0003194677560000036
分别为交流侧和直流侧电流变量；R为桥臂的串联电阻；L为桥臂的串联电感；Ls为交流系统等效电感；N为上/下桥臂子模块数；Sdc、Sj分别为开关函数的直流分量和基频分量；
Figure FDA0003194677560000037
为上桥臂与下桥臂的子模块电压之差；
Figure FDA0003194677560000038
为上桥臂与下桥臂模块电压之和；ej为交流系统等效电源；Vdc为直流正负极电压差；Csm为MMC子模块并联电容。
3.如权利要求2所述的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法，其特征在于，所述建立交流网络节点导纳矩阵模型，具体包括：
根据交流输电线路、变压器、补偿和滤波装置、同步电机、综合负荷，建立所述交流网络节点导纳矩阵模型。
4.一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析系统，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3中任意一项所述的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至3中任意一项所述的一种混合直流输电系统的谐波分布特性分析方法。
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