CN112103998A - Lcc-mmc混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCC‑MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法及装置，该方法包括101、建立单端MMC和LCC系统的稳态模型；102、对所建立的稳态模型，将采用定P‑Q控制的MMC在直流侧等效为直流电流源、采用定直流电流控制的LCC在直流侧等效为直流电流源、采用定U_dc‑Q控制的MMC在直流侧等效为直流电压源；103、根据步骤102，利用换流站直流侧变量实现系统的互联，对MMC₁‑MMC_m及LCC_m+1‑LCC_n‑1换流站进行交叉迭代计算，直到系统收敛，得到各换流站的稳态运行特性；104、系统收敛后，将流入MMC_n的直流电流i_dc(n)代入到MMC数学模型，计算得到MMC_n的其他稳态运行特性。本方法能够仅建立换流站的单端模型，就可以实现各换流站的稳态运行特性的计算，大大减轻编程负担，提高计算效率。

Description

LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法及 装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法及装置。

背景技术

高压直流输电因其在远距离大容量电能输送、新能源并网以及电网互联应用中具有非常突出经济技术优势得到迅速发展，是近年来学术界的研究热点。其中，LCC-HVDC技术发展较早，技术成熟，但存在可能换相失败等不足；VSC-HVDC技术则具有弥补LCC-HVDC技术不足的特点，但却存在损耗大造价高的特点，在此基础上，同时具备LCC(Line CommutatedConverter)和MMC(Modular Multilevel Converter)优势的LCC-MMC混合直流输电技术被提出。LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算是计算换流站的电压、电流等电气量，并保证它们的数值在允许的范围内，可以为确定换流器参数、控制与保护系统参数提供指导，因此，如何快速准确地计算出LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性，对于系统的安全运行十分地重要。

訾鹏等人于2015年在《中国电机工程学报》上发表《LCC-VSC混合直流电网机电暂态建模方法研究》，构建了可用于大型电力系统暂态稳定性分析的LCC-MMC混合直流电网的机电暂态模型；赵利刚等人于2017年在《南方电网技术》上发表《多端直流输电系统机电暂态建模研究与实现》提出了混合多端直流输电系统的通用建模方法以及系统中各换流站之间的协调控制策略；肖亮等人于2019年在《高电压技术》上发表《LCC-MMC混合多端直流输电系统的潮流计算和机电暂态建模方法》给出了一种考虑LCC触发角约束条件的LCC-MMC混合多端直流输电系统潮流计算和机电暂态建模方法。

目前，针对LCC-MMC混合直流输电系统运行特性计算的研究依然欠缺，为了求解整个网格的稳态运行特性，已有的方法需要列出系统的所有方程，同时求解整个网格的所有未知变量，当网络中有很多换流站时，模型复杂度高，编程困难，计算效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法及装置，以减轻编程负担，提高计算效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法，包括如下步骤：

101、建立单端MMC和LCC系统的稳态模型；

102、对所建立的稳态模型，将采用定P-Q控制的MMC在直流侧等效为直流电流源，输入为u_dc1-u_dc(m)，输出为i_dc1-i_dc(m)、采用定直流电流控制的LCC在直流侧等效为直流电流源、采用定U_dc-Q控制的MMC在直流侧等效为直流电压源；

103、根据步骤102，利用换流站直流侧变量实现系统的互联，对MMC₁-MMC_m及LCC_m+1-LCC_n-1换流站进行交叉迭代计算，直到系统收敛，得到各换流站的稳态运行特性；其中，n、m均为大于1的正整数；

104、系统收敛后，将流入MMC_n的直流电流i_dc(n)代入到MMC稳态模型，计算得到MMC_n的其他稳态运行特性。

第二方面，本发明实施例提供了一LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法步骤。

第三方面，本发明实施例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有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明提供的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法能够仅建立换流站的单端模型，就可以实现各换流站的稳态运行特性的计算，为换流站及其控制系统的参数设计提供参考，从而可以大大减轻编程负担，提高计算效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法的流程图；

图2为进行LCC-MMC稳态运行特性计算的交替迭代算法的流程图；

图3为多端LCC-MMC系统的等效示意图；

图4为三端LCC-MMC系统的等效示意图；

图5为本实施例提供的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置的组成示意图。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1所述，本实施例提供的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法，包括如下步骤：

101、建立单端MMC和LCC系统的稳态模型。

102、对所建立的稳态模型，将采用定有功功率、定无功功率控制(定P-Q控制)的MMC在直流侧等效为直流电流源，将采用定直流电流控制的LCC在直流侧等效为直流电流源、将采用定直流电压、定无功功率控制(定U_dc-Q控制)的MMC在直流侧等效为直流电压源，等效后的多端LCC-MMC混合直流输电系统的等效示意图如图3所示。

103、根据步骤102，利用换流站直流侧变量实现系统的互联，对MMC₁-MMC_m及LCC_m+1-LCC_n-1换流站进行交叉迭代计算，直到系统收敛，得到各换流站的稳态运行特性；其中，n、m均为大于1的正整数。

104、系统收敛后，将流入MMC_n的直流电流i_dc(n)代入到MMC稳态模型，计算得到MMC_n的其他稳态运行特性。

如此，本方法能够仅建立换流站的单端模型，就可以实现各换流站的稳态运行特性的计算，为换流站及其控制系统的参数设计提供参考，从而可以大大减轻编程负担，提高计算效率。

具体地，步骤101中，该单端MMC稳态模型如下：

其中，ω表示交流系统角频率，L_eq＝2L_s+2L_t+L_a，R_eq＝2R_s+R_a，L_s和R_s分别表示交流系统等效电感和电阻，L_t为换流变压器的等效漏电感，L_a和R_a分别表示桥臂电感和等效桥臂电阻，C_eq为桥臂串联子模块等效电容，C_eq＝C/N，C为单个子模块电容值。i_{cir_dc}，i_cird ^-和i_cirq ^-分别表示环流的直流和二倍频分量，u_td ⁺和u_tq ⁺分别表示交流电压基频分量，u_{c_dc}，u_c1d ⁺，u_c1q ⁺，u_c2d ^-，u_c2d ^-和u_c2q ^-分别表示等效子模块电容电压的直流、基频和二倍频分量，i_vd ⁺和i_vq ⁺分别表示交流电流基频分量，m_1d ⁺，m_1q ⁺，m_2d ^-和m_2q ^-分别表示调制信号的基频和二倍频分量。

同时有

其中，k_{p_pll}和k_{i_pll}分别表示锁相环的控制参数，积分器后变量x_pll为锁相环的状态变量。i_vdref ⁺和i_vqref ⁺分别表示交流侧电流参考值，P_sref和Q_sref分别表示有功功率和无功功率参考值，u_DCref表示直流电压参考值。

单端LCC稳态模型如下：

其中，U_r表示换流变压器阀侧空载线电压有效值，U_dcr、I_dcr和P_dcr分别表示换流器直流电压、直流电流和直流功率，Q_r表示换流器吸收的无功功率，X_r表示换相电抗，

α和μ分别表示功率因数角、触发角和换相角。

具体地，在步骤103中，如图2所示，上述对MMC₁-MMC_m及LCC_m+1-LCC_n-1换流站进行交叉迭代计算包括：

1)置迭代次数k＝1；

2)向MMC₁～MMC_m和LCC_m+1～LCC_n-1输入直流电压给定值U_dcref，即

其中，u_dc1 ^(k),u_dc2 ^(k),…,u_dc(m) ^(k)分别表示MMC₁～MMC_m换流站直流电压第k次迭代值，u_dc(m+1) ^(k),u_dc(m+2) ^(k),…,u_dc(n-1) ^(k)分别表示LCC_m+1～LCC_n-1换流站直流电压第k次迭代值。

3)根据MMC数学模型，计算MMC₁～MMC_m的稳态输出直流电流，相应的第k次迭代值分别记为i_dc1 ^(k),i_dc2 ^(k),…,i_dc(m) ^(k)；LCC_m+1～LCC_n-1稳态输出直流电流维持在给定值，有

其中，i_dc(m+1) ^(k),i_dc(m+2) ^(k),…,i_dc(n-1) ^(k)分别表示LCC_m+1～LCC_n-1换流站直流电流第k次迭代值。

由MMC₁～MMC_m和LCC_m+1～LCC_n-1输出的直流电流得到MMC_n输入的电流，有

其中，i_dc(i) ^(k)表示换流站i直流电流的第k次迭代值，i_dcm(n) ^(k)表示换流站MMC_n输入直流电流的第k次迭代值。

选定第k次与第k-1次计算时MMC_n输入直流电流之差Δi_dc(n) ^(k)作为判断系统收敛性的指标，有

其中Δi_dc(n) ⁽⁰⁾＝0。

依据下式判断Δi_dc(n) ^(k)是否满足收敛判据，若满足则结束迭代，否则进行下一步；

其中，ε表示容许误差。

基于基尔霍夫电压定律，利用MMC₁～MMC_m和LCC_m+1～LCC_n-1换流站对应节点流出的电流列写方程，即可求得MMC₁～MMC_m和LCC_m+1～LCC_n-1直流侧电压为

其中，MMC_n采用定U_dc-Q控制，其直流电压维持在u_dc(n)＝u_dcref；MMC₁～MMC_m和LCC _m+1～LCC_n-1对应的节点阻抗矩阵为

其中，R₁-R_n代表线路阻抗，有，R₁代表MMC₁和MMC₂之间的阻抗，R₂代表MMC₂和MMC₃之间的阻抗，R_n代表MMC_n和MMC₁。具体线路根据实际系统决定。

8)置k＝k+1，返回到第3)步继续进行下一轮迭代。

如此，通过上述的迭代运算，即可以快速、准确地得到各换流站的稳态运行特性

具体地，在步骤104中，在将流入MMC_n的直流电流i_dc(n)代入到MMC数学模型计算之前还包括增加状态空间方程：

其中，u_dc(n)和i_dc(n)分别为MMC_n的直流电压和直流电流，i_{cir_dc(n)}为MMC_n的每相环流直流分量，C_dc为假设在直流侧并联的不影响稳态值求取的直流电容值。

下面以三端LCC-MMC混合直流输电系统为例，来对本实施例提供的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法进行进一步的说明：

步骤(1)，根据混合输电系统参数，分别建立单端LCC和单端MMC系统的稳态模型。

步骤(2)，如图3三端LCC-MMC混合直流输电系统等效示意图所示，将采用定P-Q控制的MMC₁在直流侧等效为直流电流源，输入为u_dc1，输出为i_dc1；LCC₂在直流侧等效为直流电压源，输入为u_dc2，输出为i_dc2；将采用定U_dc-Q，MMC₃在直流侧等效为直流电压源，输入为i_dc3，输出为i_dc3；

步骤(3)，根据步骤(2)，利用换流站直流侧变量实现直流系统的互联，

1)置迭代次数k＝1；

2)向MMC₁和LCC₂输入直流电压给定值U_dcref，即

3)根据MMC稳态模型，计算MMC₁的稳态输出直流电流，分别记为i_dc1 ^(k)；LCC₂稳态输出直流电流维持在给定值，有

由MMC₁和LCC₂输出的直流电流得到MMC₃输入的电流，有

选定第k次与第k-1次计算时MMC₃输入直流电流之差Δi_dc3 ^(k)作为判断系统收敛性的指标，有

其中Δi_dc3 ⁽⁰⁾＝0。

依据下式判断Δi_dc3 ^(k)是否满足收敛判据，若满足则结束迭代，得到MMC₁和LCC₂的运行特性；否则进行下一步；

基于基尔霍夫电压定律，利用MMC₁和LCC₂换流站对应节点流出的电流列写方程，即可求得MMC₁和LCC₂直流侧电压为

其中，MMC₃采用定U_dc-Q控制，其直流电压维持在u_dc3＝U_dcref；MMC₁和LCC₂对应的节点阻抗矩阵为

其中，R₁-R₃代表线路阻抗，有，R₁代表MMC₁和LCC₂之间的阻抗，R₂代表LCC₂和MMC₃之间的阻抗，R₃代表MMC₃和MMC₁。

8)置k＝k+1，返回到第3)步继续进行下一轮迭代。

步骤(4)，将对MMC₃换流站进行运行特性计算时假设一个很小的电容并联在直流侧，并据此增加状态空间方程：

系统收敛后，将流入MMC₃的直流电流i_dc3代入到MMC稳态模型，计算得到MMC₃的其他稳态运行特性。

实施例2：

参阅图5所示，本实施例提供的C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置包括处理器51、存储器52以及存储在该存储器52中并可在所述处理器51上运行的计算机程序53，例如C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析处理程序。该处理器51执行所述计算机程序53时实现上述实施例1步骤，例如图1所示的步骤。

示例性的，所述计算机程序53可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器52中，并由所述处理器51执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序53在C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置中的执行过程。

所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置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。所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置可包括，但不仅限于，处理器51、存储器52。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置的示例，并不构成C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器51可以是中央处理单元(Centra lProcessing 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)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable 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。

所述存储器52可以是所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置的内部存储元，例如C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置的硬盘或内存。所述存储器52也可以是所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置的外部存储设备，例如所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(FlashCard)等。进一步地，所述存储器52还可以既包括所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器52用于存储所述计算机程序以及所述C-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置所需的其他程序和数据。所述存储器52还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

实施例3：

本实施例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有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。

所示计算机可读介质可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理再以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法，其特征在于，包括：

101、建立单端MMC和LCC系统的稳态模型；

102、对所建立的稳态模型，将采用定P-Q控制的MMC在直流侧等效为直流电流源、采用定直流电流控制的LCC在直流侧等效为直流电流源、采用定U_dc-Q控制的MMC在直流侧等效为直流电压源；

103、根据步骤102，利用换流站直流侧变量实现系统的互联，对MMC₁～MMC_m及LCC_m+1～LCC_n-1换流站进行交叉迭代计算，直到系统收敛，得到各换流站的稳态运行特性；其中，n、m均为大于1的正整数；

104、系统收敛后，将流入MMC_n的直流电流i_dc(n)代入到MMC稳态模型，计算得到MMC_n的其他稳态运行特性。

2.如权利要求1所述的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法，其特征在于，在步骤103中，所述对MMC₁～MMC_m及LCC_m+1～LCC_n-1换流站进行交叉迭代计算包括：

1)置迭代次数k＝1；

2)向MMC₁～MMC_m和LCC_m+1～LCC_n-1输入直流电压给定值U_dcref；

3)根据MMC稳态模型，计算MMC₁～MMC_m的稳态输出直流电流，LCC_m+1～LCC_n-1稳态输出直流电流维持在给定值；

4)由MMC₁～MMC_m和LCC_m+1～LCC_n-1的稳态输出直流电流得到MMC_n输入的电流；

5)选定第k次与第k-1次计算时MMC_n输入直流电流之差Δi_dc(n) ^(k)作为判断系统收敛性的指标，有

其中Δi_dc(n) ⁽⁰⁾＝0；

6)依据下式判断Δi_dc(n) ^(k)是否满足收敛判据，若满足则结束迭代，否则进行下一步；

ε表示容许误差；

7)基于基尔霍夫电压定律，利用MMC₁-MMC_m和LCC_m+1-LCC_n-1换流站对应节点流出的电流列写方程，即求得MMC₁-MMC_m和LCC_m+1-LCC_n-1直流侧电压；

8)置k＝k+1，返回到第3)步继续进行下一轮迭代。

3.如权利要求1所述的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法，其特征在于，在步骤104中，在将流入MMC_n的直流电流i_dc(n)代入到MMC稳态模型计算之前还包括：增加状态空间方程：

其中，u_dc(n)和i_dc(n)分别为MMC_n的直流电压和直流电流，i_{cir_dc(n)}为MMC_n的每相环流直流分量，C_dc为假设在直流侧并联的不影响稳态值求取的直流电容值。

4.如权利要求1所述的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法，其特征在于，在步骤101中，所述单端MMC稳态模型为：

其中，ω表示交流系统角频率，L_eq＝2L_s+2L_t+L_a，R_eq＝2R_s+R_a，L_s和R_s分别表示交流系统等效电感和电阻，L_t为换流变压器的等效漏电感，L_a和R_a分别表示桥臂电感和等效桥臂电阻，C_eq为桥臂串联子模块等效电容，C_eq＝C/N，C为单个子模块电容值；i_{cir_dc}，i_cird ^-和i_cirq ^-分别表示环流的直流和二倍频分量，u_td ⁺和u_tq ⁺分别表示交流电压基频分量，u_{c_dc}，u_c1d ⁺，u_c1q ⁺，u_c2d ^-，u_c2d ^-和u_c2q ^-分别表示等效子模块电容电压的直流、基频和二倍频分量，i_vd ⁺和i_vq ⁺分别表示交流电流基频分量，m_1d ⁺，m_1q ⁺，m_2d ^-和m_2q ^-分别表示调制信号的基频和二倍频分量；

且

其中，k_{p_pll}和k_{i_pll}分别表示锁相环的控制参数，积分器后变量x_pll为锁相环的状态变量；i_vdref ⁺和i_vqref ⁺分别表示交流侧电流参考值，P_sref和Q_sref分别表示有功功率和无功功率参考值，u_DCref表示直流电压参考值。

5.如权利要求1所述的LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析方法，其特征在于，在步骤101中，所述单端LCC稳态模型为：

其中，U_r表示换流变压器阀侧空载线电压有效值，U_dcr、I_dcr和P_dcr分别表示换流器直流电压、直流电流和直流功率，Q_r表示换流器吸收的无功功率，X_r表示换相电抗，

α和μ分别表示功率因数角、触发角和换相角。

6.一种LCC-MMC混合直流输电系统稳态运行特性计算分析装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一所述方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一所述方法的步骤。

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