CN113839408A - 高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法、系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法、系统及设备，等效模型建立方法包括以下步骤：构建高压直流输电系统整流侧PI控制环节的等效电路；构建高压直流输电系统整流器越前触发角余弦函数的等效函数；根据所述等效电路的电路参数、所述等效函数以及整流器的外特性函数构建高压直流输电系统整流侧等效模型。本发明的目的在于提供一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法、系统及设备，能够更准确的等效故障后高压直流输电系统整流侧的动态特性，提升故障分析的精确性，有利于保障高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行。

Description

高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及直流输电系统保护技术领域，尤其涉及一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法、系统及设备。
背景技术
高压直流输电系统输电容量大、输电距离远、传输损耗低，可以有效解决新能源送出、负荷中心电力供应的迫切需求，是我国电力工业发展的必由之路。目前，我国东北、华北、西北、华中、华东、南方6个大型区域电网已通过超/特高压交、直流输电线路实现互联(其中直流占比超70％)，已形成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混联电网。高压直流输电的基本原理是：在高压直流输电系统的送电端用换流器进行整流，将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，再在高压直流输电系统的受电端用换流器进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。
从高压直流输电系统整体来看，整流侧相当于逆变侧的电源，在直流线路或逆变侧发生故障后，合理等效整流侧的等值电源特性对于故障分析尤为重要。正常工况下，高压直流输电系统整流侧的控制系统负责维持直流电流恒定，基于测量的直流电流偏差来调节换流器的触发角。因此常用的故障后整流侧等效方法有两种：
1)假设故障后瞬间整流器触发角维持不变，整流侧可以视为恒定电压源，直流电流由整流、逆变两侧电压差决定；
2)假设整流侧的电流控制是理想的，整流侧可视为恒定电流源，直流电流等同于整流侧电流控制目标。
然而，上述等效均只考虑了理想条件，实际上在发生外部扰动后，整流侧的电流控制器将迅速参与调节，但又短时间内难以达到理想的调节效果。在此动态过程中，如果不能对整流侧的控制作用进行合理等效，将对故障特性分析等带来显著的误差，大大降低分析结论的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法、系统及设备，能够更准确的等效故障后高压直流输电系统整流侧的动态特性，提升故障分析的精确性，有利于保障高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行。
本发明通过下述技术方案实现：
在本申请的一个方面中，提供了一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法，包括以下步骤：
构建高压直流输电系统整流侧PI控制环节的等效电路；
构建高压直流输电系统整流器越前触发角余弦函数的等效函数；
根据所述等效电路的电路参数、所述等效函数以及整流器的外特性函数构建高压直流输电系统整流侧等效模型。
常用的故障后整流侧等效方法有两种：(1)假设故障后瞬间整流器触发角维持不变，整流侧可以视为恒定电压源，直流电流由整流、逆变两侧电压差决定；(2)假设整流侧的电流控制是理想的，整流侧可视为恒定电流源，直流电流等同于整流侧电流控制目标。然而，上述等效均只考虑了理想条件，实际上在发生外部扰动后，整流侧的电流控制器将迅速参与调节，但又短时间内难以达到理想的调节效果。在此动态过程中，如果不能对整流侧的控制作用进行合理等效，将对故障特性分析等带来显著的误差，大大降低分析结论的准确性。基于此，在本方案中，提供了一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法，在构建等效模型时，并非简单地将整流侧视为理想电压源或者理想电流源，而是有效考虑了整流侧电流控制器的控制作用的影响，从而降低了故障分析的误差，有助于高压直流输电系统运行分析、保护控制等有效开展。
优选地，所述等效电路为串联的RC电路，且电路参数为：
Figure BDA0003305949060000021
其中，β为高压直流输电系统整流器的越前触发角；Uequ为等效电路两端的电压；Ierr为等效电路上流过的电流，同时也是PI控制器的输入电流偏差；Requ为等效电路中电阻的阻值，Cequ为等效电路中电容的容值，kp为PI控制环节的比例增益，1/ki为PI控制环节的积分时间常数。
优选地，所述等效函数为：
cosβ＝kβ+b β∈[βl,βu]；
其中，k为系数，βl为β变化范围的下限，βu为β变化范围的上限，b为常数。
优选地，所述高压直流输电系统整流侧等效模型为：
Figure BDA0003305949060000022
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压，k为系数，N为系统每一极中六脉动换流器的个数，U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，Iref为直流电流控制参考值，Id为直流电流实测值，Xr1为换相电抗。
在本申请的第二个方面中，提供了一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立系统，包括：
等效电路构建模块，用于构建高压直流输电系统整流侧PI控制环节的等效电路；
等效函数构建模块，用于构建高压直流输电系统整流器越前触发角余弦函数的等效函数；
等效模型构建模块，用于根据所述等效电路的电路参数、所述等效函数以及整流器的外特性函数构建高压直流输电系统整流侧等效模型。
常用的故障后整流侧等效方法有两种：(1)假设故障后瞬间整流器触发角维持不变，整流侧可以视为恒定电压源，直流电流由整流、逆变两侧电压差决定；(2)假设整流侧的电流控制是理想的，整流侧可视为恒定电流源，直流电流等同于整流侧电流控制目标。然而，上述等效均只考虑了理想条件，实际上在发生外部扰动后，整流侧的电流控制器将迅速参与调节，但又短时间内难以达到理想的调节效果。在此动态过程中，如果不能对整流侧的控制作用进行合理等效，将对故障特性分析等带来显著的误差，大大降低分析结论的准确性。基于此，在本方案中，提供了一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立系统，在构建等效模型时，并非简单地将整流侧视为理想电压源或者理想电流源，而是有效考虑了整流侧电流控制器的控制作用的影响，从而降低了故障分析的误差，有助于高压直流输电系统运行分析、保护控制等有效开展。
优选地，所述等效电路构建模块构建的等效电路为串联的RC电路，且电路参数为：
Figure BDA0003305949060000031
其中，β为高压直流输电系统整流器的越前触发角；Uequ为等效电路两端的电压；Ierr为等效电路上流过的电流，同时也是PI控制器的输入电流偏差；Requ为等效电路中电阻的阻值，Cequ为等效电路中电容的容值，kp为PI控制环节的比例增益，1/ki为PI控制环节的积分时间常数。
优选地，所述等效函数构建模块构建的等效函数为：
cosβ＝kβ+b β∈[βl,βu]；
其中，k为系数，βl为β变化范围的下限，βu为β变化范围的上限，b为常数。
优选地，所述等效模型构建模块构建的高压直流输电系统整流侧等效模型为：
Figure BDA0003305949060000041
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压，k为系数，N为系统每一极中六脉动换流器的个数，U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，Iref为直流电流控制参考值，Id为直流电流实测值，Xr1为换相电抗。
在本申请的第三个方面中，提供了一种电子装置，包括处理器和存储器；
存储器，用于存储处理器可执行指令；
处理器，被配置为执行如上所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法。
在本申请的第四个方面中，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如上所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、实现了高压直流输电系统故障扰动后整流侧“非理想电流源特性”的精确等效，而非简单地将其视为理想电压源或者理想电流源，从而降低了故障分析的误差，有助于高压直流输电系统运行分析、保护控制等的有效开展；
2、计算简单、物理意义明确，无需改变高压直流输电系统的结构和硬件，只需基于系统现有的电气参数和控制参数，进行简单的加减、乘除等运算即可实现精确等效；对硬件软件要求低，速度快，适于工程应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明等效模型建立方法的流程示意图；
图2为本方明等效模型的仿真实验结果示意图；
图3为将整流侧等效为恒定电流源的仿真实验结果示意图；
图4为将整流侧等效为恒定电压源的仿真实验结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：将整流侧PI控制环节等效为RC电路
具体地，获取高压直流输电系统整流侧PI控制环节的比例增益和积分时间常数，以比例增益作为电阻的阻值，积分时间常数作为电容的容值，将该电阻和该电容进行串联以得到PI控制环节的等效电路；其中，等效电路的电路参数满足：
Figure BDA0003305949060000051
其中，β为高压直流输电系统整流器的越前触发角，Uequ为等效电路两端的电压；Ierr为等效电路上流过的电流，同时也是PI控制器的输入电流偏差，Requ为等效电路中电阻的阻值，Cequ为等效电路中电容的容值，kp为PI控制环节的比例增益，1/ki为PI控制环节的积分时间常数。
步骤2：对cosβ进行近似处理
在一定的β变化范围内将余弦函数cosβ近似为一次函数，即：
cosβ＝kβ+b β∈[βl,βu]
其中，k为系数，βl为β变化范围的下限，βu为β变化范围的上限，b为常数。在本实施例中，k＝-0.75，b＝0.85，βl＝100°，βu＝160°。
步骤3：构造整流侧等效模型
将步骤1中得到的电路参数和步骤2中得到的一次函数带入到高压直流输电系统整流侧外特性表达式中，从而获得计及控制作用的高压直流输电系统整流侧等效模型：
Figure BDA0003305949060000052
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压，N为系统每一极中六脉动换流器的个数，U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，Iref为直流电流控制参考值，Id为直流电流实测值，Xr1为换相电抗。
以下对本方案的原理进行说明：
高压直流输电系统整流侧的定电流控制原理为：来自逆变侧的直流电流控制目标值Iref与滤波后的直流电流实测值Id进行比较，获得偏差信号Ierr。偏差信号输入PI控制器后产生整流侧的越前触发角指令β，进一步转化为触发角指令后输入六脉动换流器形成触发脉冲。当β处于PI控制器的输出限幅范围之内时，可以表示为：
Figure BDA0003305949060000061
其中，kp和1/ki分别为PI控制器的比例增益和积分时间常数。
假设β具有电压量纲，设β＝Uequ，观察上式可知，该式呈现出与串联RC电路同样的数学模型，因此可将PI环节等效为串联RC支路，两者参数存在对偶关系：
Figure BDA0003305949060000062
其中，Uequ为等效串联RC电路两端的电压；Ierr为等效串联RC电路上流过的电流，同时也是PI控制器的输入电流偏差；Requ为等效串联RC电路中电阻的阻值，Cequ为等效串联RC电路中电容的容值。
高压直流输电系统整流器的外特性可以表示为：
Figure BDA0003305949060000063
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压；N为系统每一极中六脉动换流器的个数；U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值；Id为直流电流；Xr1为换相电抗。
由上式可以看出，U1cosβ整体具有电压量纲。在直流线路或逆变侧扰动引起整流侧控制响应的过程中，整流侧交流电压不会发生改变，即U1可视为常数，此时可认为cosβ具有电压量纲。对于高压直流输电系统整流器而言，β的调节范围有限，因此在一定的β变化范围内将余弦函数cosβ做线性化近似：
cosβ＝kβ+b β∈[βl,βu]；
其中，βl、βu分别为β变化范围的下限、上限。
联立以上公式，可以获得计及控制作用的高压直流输电系统整流侧等效模型为：
Figure BDA0003305949060000071
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压，k为系数，N为系统每一极中六脉动换流器的个数，U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，Iref为直流电流控制参考值，Id为直流电流实测值，Xr1为换相电抗。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上提出了一种高压直流输电系统整流侧等效模型建立系统，包括：
等效电路构建模块，用于构建高压直流输电系统整流侧PI控制环节的等效电路；
具体地，获取高压直流输电系统整流侧PI控制环节的比例增益和积分时间常数，以比例增益作为电阻的阻值，积分时间常数作为电容的容值，将该电阻和该电容进行串联以得到PI控制环节的等效电路；其中，等效电路的电路参数满足：
Figure BDA0003305949060000072
其中，β为高压直流输电系统整流器的越前触发角，Uequ为等效电路两端的电压；Ierr为等效电路上流过的电流，同时也是PI控制器的输入电流偏差，Requ为等效电路中电阻的阻值，Cequ为等效电路中电容的容值，kp为PI控制环节的比例增益，1/ki为PI控制环节的积分时间常数。
等效函数构建模块，用于构建高压直流输电系统整流器越前触发角余弦函数的等效函数；具体地，在一定的β变化范围内将余弦函数cosβ近似为一次函数，即：
cosβ＝kβ+b β∈[βl,βu]
其中，k为系数，βl为β变化范围的下限，βu为β变化范围的上限，b为常数。在本实施例中，k＝-0.75，b＝0.85，βl＝100°，βu＝160°。
等效模型构建模块，用于根据等效电路的电路参数、等效函数以及整流器的外特性函数构建高压直流输电系统整流侧等效模型。
具体地，将等效电路构建模块中得到的电路参数和等效函数构建模块中得到的一次函数带入到高压直流输电系统整流侧外特性表达式中，从而获得计及控制作用的高压直流输电系统整流侧等效模型：
Figure BDA0003305949060000081
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压，N为系统每一极中六脉动换流器的个数，U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，Iref为直流电流控制参考值，Id为直流电流实测值，Xr1为换相电抗。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上提供了一种电子装置，包括处理器和存储器；
存储器，用于存储处理器可执行指令；
处理器，被配置为执行如实施例1所提供的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，计算机程序运行时执行如实施例1所提供的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法。
实施例5
在本实施例中，为了验证所提供的等效模型的有效性，采用PSCAD/EMTDC下的CIGRE直流输电标准测试系统作为模型开展仿真实验。设置逆变侧的触发角指令在1s至1.05s内匀速降低10°，模拟逆变侧直流电压的快速跌落过程。对比该过程中，利用不同整流侧等效模型计算得到的直流电流与真实直流电流的波形变化情况。
仿真实验结果如图2-4所示，由结果可知：在逆变侧电压快速跌落过程中，直流电流先是迅速增大，而后在控制的作用下降低至额定值以下，最后恢复至正常值。采用本申请的等效模型可以准确计算出直流电流的真实变化趋势；将整流侧等效为恒定电流源是基于控制作用理想的假设，在扰动初期误差较大，主要原因在于控制来不及调节；将整流侧等效为恒定电压源是基于触发角恒定的假设，因此仅在扰动发生后很短的时间内具备较高精度。综上，本发明在高压直流输电系统整流侧等效时有效考虑了控制作用的影响，有助于获得更为精确的系统响应特性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建高压直流输电系统整流侧PI控制环节的等效电路；
构建高压直流输电系统整流器越前触发角余弦函数的等效函数；
根据所述等效电路的电路参数、所述等效函数以及整流器的外特性函数构建高压直流输电系统整流侧等效模型。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法，其特征在于，所述等效电路为串联的RC电路，且电路参数为：
Figure FDA0003305949050000011
其中，β为高压直流输电系统整流器的越前触发角；Uequ为等效电路两端的电压；Ierr为等效电路上流过的电流，同时也是PI控制器的输入电流偏差，Requ为等效电路中电阻的阻值，Cequ为等效电路中电容的容值，kp为PI控制环节的比例增益，1/ki为PI控制环节的积分时间常数。
3.根据权利要求1所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法，其特征在于，所述等效函数为：
cosβ＝kβ+b β∈[βl,βu]；
其中，k为系数，βl为β变化范围的下限，βu为β变化范围的上限，b为常数。
4.根据权利要求1所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法，其特征在于，所述高压直流输电系统整流侧等效模型为：
Figure FDA0003305949050000012
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压，k为系数，N为系统每一极中六脉动换流器的个数，U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，Iref为直流电流控制参考值，Id为直流电流实测值，Xr1为换相电抗。
5.高压直流输电系统整流侧等效模型建立系统，其特征在于，包括：
等效电路构建模块，用于构建高压直流输电系统整流侧PI控制环节的等效电路；
等效函数构建模块，用于构建高压直流输电系统整流器越前触发角余弦函数的等效函数；
等效模型构建模块，用于根据所述等效电路的电路参数、所述等效函数以及整流器的外特性函数构建高压直流输电系统整流侧等效模型。
6.根据权利要求5所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立系统，其特征在于，所述等效电路构建模块构建的等效电路为串联的RC电路，且电路参数为：
Figure FDA0003305949050000021
其中，β为高压直流输电系统整流器的越前触发角；Uequ为等效电路两端的电压；Ierr为等效电路上流过的电流，同时也是PI控制器的输入电流偏差；Requ为等效电路中电阻的阻值，Cequ为等效电路中电容的容值，kp为PI控制环节的比例增益，1/ki为PI控制环节的积分时间常数。
7.根据权利要求5所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立系统，其特征在于，所述等效函数构建模块构建的等效函数为：
cosβ＝kβ+b β∈[βl,βu]；
其中，k为系数，βl为β变化范围的下限，βu为β变化范围的上限，b为常数。
8.根据权利要求5所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立系统，其特征在于，所述等效模型构建模块构建的高压直流输电系统整流侧等效模型为：
Figure FDA0003305949050000022
其中，Ud1为高压直流输电系统整流侧直流电压，k为系数，N为系统每一极中六脉动换流器的个数，U1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，Iref为直流电流控制参考值，Id为直流电流实测值，Xr1为换相电抗。
9.电子装置，其特征在于，包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
所述处理器，被配置为执行如权利要求1-4中任意一项所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法。
10.计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如权利要求1-4中任意一项所述的高压直流输电系统整流侧等效模型建立方法。
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