CN113224783B - 一种逆变换流器小干扰建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变换流器小干扰建模方法。本发明通过建立换流器交流侧电压与直流电压的关系，建立向换流器注入的直流有功功率、无功功率与电压、电流的关系，计算流器交流侧线电压两自然换相点之间的角度与π的差值，修正换流器内部的角度关系与关断角的表达式，将逆变换流器的状态空间模型进行线性化得到考虑电压变化影响的逆变换流器小干扰模型。本发明建立的小干扰模型能够精确描述逆变换流器遭受小干扰后的暂态过程，模型精度更高。

Description

一种逆变换流器小干扰建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，具体涉及一种逆变换流器小干扰建模方法。

背景技术

高压直流输电技术(high voltage direct current，HVDC)在我国快速发展，对系统的稳定运行提出了更高要求。小干扰稳定性分析是在系统的稳定运行点附近通过线性化的方式建立起小干扰模型，分析系统在受到小扰动条件下保持稳定运行的能力，已成为研究系统稳定性重要的分析方法。小干扰模型是进行系统小干扰稳定性分析的基础，建立起准确的小干扰模型，系统稳定机理的研究有重要意义。

目前已有的小干扰模型的建立前提是认为系统在遭受小干扰后，换流器中各量之间的关系和受干扰前一致。这种假设可以有效降低换流器建模的复杂程度，但会在一定程度上降低模型精度。尤其是根据换流器工作原理，在遭受小干扰后，作用在换流器的网侧电压可能会发生变化，从而影响换相过程中各角度之间的关系，使小干扰模型出现误差。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种逆变换流器小干扰建模方法。为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下。

一种逆变换流器小干扰建模方法包括：

建立逆变换流器的交流侧电压与直流电压的关系；

建立向换流器注入的直流有功功率、无功功率与电压、电流的关系；

计算换流器交流侧线电压自然换相点之间的角度与π的差值；其中，π的取值为圆周率；

建立换流器中的角度关系并计算关断角；

建立逆变换流器的状态空间模型，并将逆变换流器的状态空间模型线性化得到逆变换流器小干扰模型。

优选的，逆变换流器的交流侧电压与直流电压的关系为式一(1)，

式中，V_di为逆变换流器出口的直流电压；n为换流器串联换流桥数；k_i为换流变压器变比；E_aci为换流器交流换流母线电压有效值；γ为逆变侧关断角；X_ci为换流变压器的等效换相电抗；I_di为逆变侧直流线路电流。

优选的，向换流器注入的直流有功功率、无功功率与电压、电流的关系为式二(2)，

式中，P_di、Q_di分别为逆变侧交流电网向换流站注入的有功、无功功率，且均以流出换流站为正方向。

优选的，采用式三(3)计算换流器交流侧线电压自然换相点之间的角度与π的差值，

θ_π＝θ_ac-θ_ace^-sT/2 (3)

式中，θ_π为换流器交流侧线电压自然换相点之间的角度与π的差值，θ_ac为换流站网侧母线电压相角，e为自然对数的底数，T为电压周期；s为复变量。

优选的，变换流器内部的角度关系和关断角的表达式为式四(4)：

α_i+β_i+θ_π＝π (4)

式中，α_i为逆变侧实际触发角；β_i为逆变侧触发超前角；

采用式五(5)计算关断角，

式中，γ为关断角，α_i为逆变侧实际触发角，k_i为换流变压器变比；E_aci为换流器交流换流母线电压有效值；X_ci为换流变压器的等效换相电抗。

优选的，逆变换流器状态空间模型包括式六(6)，

式中，θ_π2＝θ_ac-θ_π/2；T_π＝T/4；

并且逆变换流器小干扰模型包括式六(6)，

式中：

相对于现有技术，本发明的有益技术效果在于：本发明通过引入代表电压变化的状态方程修正换流器小干扰模型，从而提高模型的精度，仿真结果的对比表明，根据本发明建立的小干扰模型能够精确描述逆变换流器遭受小干扰后的暂态过程，模型精度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为遭受小干扰后逆变换流器网侧电压变化示意图；

图2为两种建模方法与PSCAD仿真结果对比示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例的逆变换流器小干扰建模方法包括：

建立逆变换流器的交流侧电压与直流电压的关系。

建立向换流器注入的直流有功功率、无功功率与电压、电流的关系。

引入变量θ_π表示换流器交流侧线电压两自然换相点之间的角度与π的差值。

建立新的状态方程，并修正换流器内部的角度关系与关断角γ的表达式。

将逆变换流器的状态空间模型进行线性化得到考虑电压变化影响的逆变换流器小干扰模型。

其中，逆变换流器的交流侧电压与直流电压的关系如下式：

式中，V_di为逆变换流器出口的直流电压；n为换流器串联换流桥数；k_i为换流变压器变比；E_aci为换流器交流换流母线电压有效值；γ为逆变侧关断角；X_ci为换流变压器的等效换相电抗；I_di为逆变侧直流线路电流。

向换流器注入的直流有功功率、无功功率与电压、电流的关系如下式：

式中，P_di,与Q_di分别为逆变侧交流电网向换流站注入的有功、无功功率，以流出换流站为正方向。

原有的逆变换流器小干扰建模方法中都认为遭受小干扰后，换流器中各量之间的关系和受干扰前一致，即α_i+β_i＝π在小干扰前后都成立。而根据附图1，在10s时刻给系统一小干扰(电流参考值变化5％)，在受到小干扰后换流器中α_i+β_i＝π不再严格成立。

如附图1所示，稳态运行时，逆变换流器网侧电压不发生变化，以电压运行在E₁为例，A、B两点之间表示半个周期，相角为π，即线电压两自然换相点之间的角度为π，此时α_i+β_i＝π。受到小干扰时，以系统电压开始运行在E₁状态，在C时刻系统受到小干扰电压开始变化，电压变化到E₂为例，此时B、D两点之间表示电压的半个周期，线电压两自然换相点之间的角度不等于π，以原有方法建立的小干扰模型会出现误差。

考虑电压变化对小信号模型带来的影响，定义同一线电压两自然换相点之间的角度与π的差θ_π：

θ_π＝θ_ac-θ_ace^-sT/2

式中，θ_ac为换流站网侧母线电压相角；T是电压周期，对于50Hz系统，T＝0.02s。

对θ_π表达式中的延迟环节作帕德近似得到下式：

令θ_π2＝θ_ac-θ_π/2带入上式整理得：

由上式可以得到：

其中T_π＝T/4＝0.005s。

根据θ_π的物理意义，逆变换流器中的角度关系应满足：

α_i+β_i+θ_π＝π

式中，α_i为逆变侧实际触发角；β_i为逆变侧触发超前角。

根据上式的角度关系，关断角γ的表达式为：

考虑电压变化的逆变换流器状态空间模型如下式：

将上式的状态空间模型进行线性化得到考虑电压变化影响的逆变换流器小干扰模型如下式：

式中：

在PSCAD/EMTDC仿真软件上以CIGRE HVDC标准测试模型作为基础研究对象，来验证本发明提出的考虑电压变化影响的逆变换流器小干扰建模方法。为表明本发明对模型精度的提高，与原有的逆变换流器小干扰建模方法对比，根据原有建模方法建立的逆变换流器小信号模型如下式：

在PSCAD中建立CIGRE标准测试模型，系统在额定状态下运行至10s时，给系统一小扰动(电流参考值变化5％)，电磁暂态仿真结果与两种建模方法的计算结果如附图2所示。

由附图2可知，在遭受到小扰动后，逆变换流器中变量出现了衰减振荡模态，大约0.8s后振荡衰减完毕，系统恢复稳定。将电磁暂态仿真结果与两种建模方法的计算结果对比可知，根据本发明提出的考虑电压变化影响的逆变换流器小干扰建模方法所建立的小干扰模型比原有方法建立的模型更接近PSCAD电磁暂态模型，对系统遭受小干扰后的暂态过程描述更加准确，有效提高了模型精度。

以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种逆变换流器小干扰建模方法，其特征在于，包括：

建立逆变换流器的交流侧电压与直流电压的关系；具体的，逆变换流器的交流侧电压与直流电压的关系为式一(1)，

式中，V_di为逆变换流器出口的直流电压；n为换流器串联换流桥数；k_i为换流变压器变比；E_aci为换流器交流换流母线电压有效值；γ为逆变侧关断角；X_ci为换流变压器的等效换相电抗；I_di为逆变侧直流线路电流；

建立向换流器注入的直流有功功率、无功功率与电压、电流的关系；具体的，向换流器注入的直流有功功率、无功功率与电压、电流的关系为式二(2)，

式中，P_di、Q_di分别为逆变侧交流电网向换流站注入的有功、无功功率，且均以流出换流站为正方向；

计算换流器交流侧线电压自然换相点之间的角度与π的差值；其中，π的取值为圆周率；具体的，采用式三(3)计算换流器交流侧线电压自然换相点之间的角度与π的差值，

θ_π＝θ_ac-θ_ace^-sT/2 (3)

式中，θ_π为换流器交流侧线电压自然换相点之间的角度与π的差值，θ_ac为换流站网侧母线电压相角，e为自然对数的底数，T为电压周期；s为复变量；

建立换流器中的角度关系并计算关断角；具体的，变换流器内部的角度关系和关断角的表达式为式四(4)：

α_i+β_i+θ_π＝π (4)

式中，α_i为逆变侧实际触发角；β_i为逆变侧触发超前角；

采用式五(5)计算关断角，

式中，γ为关断角，α_i为逆变侧实际触发角，k_i为换流变压器变比；E_aci为换流器交流换流母线电压有效值；X_ci为换流变压器的等效换相电抗；

建立逆变换流器的状态空间模型，并将逆变换流器的状态空间模型线性化得到逆变换流器小干扰模型，具体的，逆变换流器状态空间模型包括式六(6)，

式中，θ_π2＝θ_ac-θ_π/2；T_π＝T/4；

并且逆变换流器小干扰模型包括式七 (7 )，

式中：

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