一種直流系統注入交流系統電流計算方法
2023-06-01 17:53:06 1
專利名稱：一種直流系統注入交流系統電流計算方法
技術領域：
本發明涉及交直流電力系統規劃與運行，具體涉及一種直流系統外特性及注入交 流系統電流的計算方法。
背景技術：
隨著越來越多的超/特高壓直流輸電系統饋入電網，交直流系統相互作用對電網 安全穩定運行的影響越來越明顯，給電網規劃和運行帶來了諸多技術困難，國內外學者針 對上述問題展開了大量研究。然而目前仍缺乏描述直流系統注入交流系統電流的計算方 法，且存在描述交直流系統相互影響的公式繁複、不直觀等問題。本發明通過理論推導提出 了一套直流系統注入交流系統電流的解析計算方法，克服了描述交直流相互關係採用變量 多的缺點，解決了直流系統注入交流系統電流的計算問題，為電網規劃與運行提供了一種 研究交直流系統相互影響的技術方法。本發明理論推導基於直流輸電系統基本特性、數學模型及常規控制模式，其背景 技術如下。直流輸電系統換流特性數學模型如下所示 式中，Itt和Idi分別是整流側和逆變側直流電流，Utt和Udi分別是整流側和逆變側 直流電壓，I和Xi分別為整流側或逆變側等效換流感抗，α和Y分別是整流側觸發角和 逆變側熄弧角，Kn和Kt2分別為整流側和逆變側換流變壓器變比，N為串聯的六脈動換流器 個數，Rd為直流線路等值電阻，Pdr和Pdi分別是整流側和逆變側直流輸電功率。在直流系統控制方式方面，整流側通常採用定電流(CC)控制或定功率(CP)控制， 逆變側採用定熄弧角(CEA)控制或定電壓(CV)控制。在實際直流控制系統中，為了提高 系統正常穩態運行穩定水平，控制方式會稍有差異，但在交流系統運行狀態發生一定程度 的變化後，控制系統也基本會轉換至上述控制模式。直流系統功率、電流及低壓限流環節 (VDCOL)控制邏輯如圖1所示。本發明所提出的直流系統注入交流系統電流計算方法，嚴格基於直流系統換流及 控制特性，通過推導得到採用換流母線交流電壓描述的注入交流電流表達式，直觀地反映 交直流系統相互作用機理，填補了直流注入交流系統電流大小計算方法的空白，克服了現 有直流系統外特性表達式變量繁複、難以應用的缺點。
發明內容
本發明的目的在於，提供了一套直流輸電系統注入交流系統電流的計算方法，該 計算方法能夠反映交流系統運行條件及對應的直流控制方式變化情況下的注入電流變化， 包括定功率定電壓、定功率定熄弧角、定電流定電壓、定電流定熄弧角、VDCOL參與下的定電 流控制，以及直流系統換相失敗情況下的控制特性。本發明是研究交直流系統相互影響的 核心算法，可用於交直流電網規劃和運行控制，克服了描述交直流相互關係採用變量多的 缺點，解決了直流系統注入交流系統電流的計算問題，為電網規劃與運行提供了一種研究 交直流系統相互影響的技術方法。本發明的一種計算直流系統注入交流系統電流的方法，具體包括以下步驟步驟A 直流系統運行工況及注入交流系統電流基礎計算方法直流輸電功率可以表示為如下形式Pd = UdIord(1)式中，Pd是直流輸電功率，Ud是直流電壓，Iord是直流電流控制指令值，當系統運行 條件沒有激活低壓限流環節VDC0L，並採用定電流CC或定功率CP控制模式時，Ud、Id和Iml
的關係為 式中，Iref是直流電流給定參考值，Pref是直流輸電功率給定參考值；直流系統整流側與逆變側具有相似性和對稱性；其中，在逆變側，直流系統的有功 功率可以表示為
_7] Pd = UdiIdi(3)式中，Udi, Idi分別是逆變側直流電壓和電流，根據直流系統換流器特性，式⑶中 直流系統逆變側直流電壓的描述為 式中，Ucoffl是直流逆變側換流母線線電壓有效值，Kt為換流變壓器變比，N為串聯 的六脈動換流器個數，υ是逆變側熄弧角，Xi為逆變側等效換流感抗，當忽略換流器有功損 耗時，直流系統逆變側注入交流系統電流的有效值Iinj和相角δ inJ可以表示為 式中，Qe為換流站交流濾波器及電容器無功出力；Qd為直流系統消耗的無功功率； 識為功率因數角；S。。m為換流母線電壓相角，在工程應用中，可採用同步相量測量單元測 出；在各種控制方式或情況下，式(5)描述的直流系統注入交流系統電流相角計算公 式不變；種勺餘弦如式(6)所示 因此，功率因數角的正切函數為 步驟B 正常運行條件下直流注入交流系統電流(1)定電流控制模式下注入交流系統電流當直流系統採用CC控制模式時，逆變側直流電流Idi在控制器的作用下將等於直 流電流控制給定值Iref,聯立式(2) (5)、(7)，可得換流母線電壓與注入系統電流的關係，
即為
^ M^com,γ) 式中，fn為直流電壓與換流母線電壓的比值
(8)
fn(Ucom,Y)=T7^=A ref
U com^ com
(9)在直流系統採用CC控制模式下，式(9)中直流系統注入交流系統電流是熄弧角Y 和換流母線線電壓Ucom的函數，若直流系統逆變側採用定熄弧角CEA控制模式，在控制器作 用下維持熄弧角Y為常數；若採用定電壓CV控制模式，在受端交流系統電壓變化不大的情 況下，熄弧角Y變化幅度有限，其餘弦值變化較小，可將其假設為常數，因此，直流系統注 入系統電流可以近似認為是只含有換流母線線電壓U。。m—個變量的函數，如式(10)所示
Inj-MUcom,^ A(Ucom)(10)當系統運行狀態發生變化並對直流系統產生較大影響時，交直流系統之間無功交換較大，則不能忽略無功功率影響，需採用式(8) (10)來詳細計算直流系統注入交流系 統的電流值；對於直流系統整流側注入交流系統電流的計算公式與逆變側形式一致，只是將式 ⑶中的直流逆變側直流電壓Udi替換為整流側直流電壓Uy熄弧角Y替換為觸發角α， 注入交流系統的電流符號為負，表示在整流側電流方向為從交流系統流向直流系統；(2)定功率控制模式下注入交流系統電流當直流系統採用CP控制模式時，在控制器作用下直流輸電功率為常數PMf，在實 際系統中該功率通常為整流側直流功率；因此，對於逆變側，考慮直流線路損耗條件下，可 求解得
(11) Idi的取值可結合直流系統正常運行條件予以選擇；因此，式(7)可以表示為如下
形式
(12)將式(12)代入式(5)，並根據熄弧角變化幅度較小而假設其為常數，因此可得出 CP控制模式下直流換流母線電壓Ucom與直流注入系統電流Iiiu.的關係，即為 對於直流系統整流側，由於整流側直流輸電功率即為直流功率給定值P&，因此注 入交流系統電流的計算公式與逆變側稍有區別，為 式中，Utt和Itt分別是整流側直流電壓和電流，α為整流側觸發角；式中函數右上角的「*」符號是為了區別於逆變側的計算公式，根據式(14)可以得出功率因數角^與換流 母線電壓和觸發角α之間的函數關係。進而可求解出整流側直流系統注入交流系統的電 流有效值，如式(15)所示，注入交流系統的電流符號為負；
(15) 步驟C =VDCOL參與控制下直流系統注入交流系統電流在某些故障情況下，當直流或交流電壓出現下降並低於設定值後，將激活直流控 制系統中的VDCOL環節，該環節依據一定的直流電壓與直流電流對應關係，跟隨直流電壓 變化趨勢調整直流電流整定值，進而改變直流輸電功率，此時直流系統系統運行在VDCOL 作用下的CC控制模式；待交流和直流電壓恢復至一定程度後，VDCOL環節退出，直流系統又 恢復至常規的CP或CC控制模式，即直流電流控制目標變為功率控制器輸出值或直流電流 控制器輸入整定值，圖2給出了 VDCOL環節對應的Ud-Id特性曲線；當系統電壓下降引起直流電壓下降至一定程度並將VDCOL激活時，此時系統定電 流控制器的整定值將在MIN環節作用下選擇VDCOL環節輸出的電流值，此時直流系統處於 VDCOL參與下的直流電流控制，設VDCOL環節Ud-Id特性曲線斜率為k，既有
(16)聯立式(4)，可以求解出直流電壓、直流電流與換流母線電壓和熄弧角Y之間的
函數關係 因而，逆變側直流輸電功率為Pd = UdiIdi = f33 (Ucoffl, Y)(18)聯立式(5)、(7)、(17)、(18)，可得到在VDCOL環節控制條件下採用換流母線電壓 U。。m描述直流系統注入交流系統電流的形式，即為 一般情況下，當直流系統電壓下降至VDCOL投入時，逆變側通常已進入最小熄弧
角控制模式，即、等於常數Ymin，因而有 在VDCOL參與控制時，交直流系統運行狀態通常已發生較大變化，換流站無功補 償設備出力與直流系統吸收無功功率相差較大，因此無功功率影響因素不能忽略；若只考 慮有功功率因素，計算得出的注入電流將與實際情況出現較大偏差；對於直流系統整流側注入交流系統電流的計算公式形式與逆變側一致，在計算過 程中換流母線電壓採用整流側測量得到得換流母線電壓有效值，熄弧角Y則替換為觸發 角α，注入交流系統的電流符號為負；步驟D 換相失敗情況下注入交流系統電流當換流母線大幅下降情況下，引發直流系統發生連續換相失敗，相當於在換流器
上出現跨接在直流端的短路支路，直流系統注入交流系統有功功率約為零，此時直流系統
換流器無功消耗也近似為零；與此同時，直流系統換流母線電壓將支撐換流站濾波器和電
容器繼續發出無功功率，因此無功補償裝置將向系統注入電流；因而當直流系統發生連續
換相失敗時，注入直流系統注入交流系統的電流可以表示為
2Imj二^^ =宰=MUcom)(21)這裡所提及的換相失敗是指持續時間相對較長的情況，對於短時換相失敗的情 況，由於系統的暫態過程未結束，採用式(21)計算出的結果會存在一定誤差；直流系統整 流側很少發生有換流母線殘壓的連續換相失敗，因此該問題不予考慮；步驟E 直流系統注入交流系統電流計算公式的選擇步驟B、C、D相互獨立，分別代表直流系統在不同運行和控制方式下，直流系統注 入交流系統的顯式解析表達式，在實際計算中，根據系統所處的運行狀態，包括系統所處運 行時刻、換流母線電壓、直流系統控制器邏輯和參數設置，判斷直流系統處於何種運行及控 制狀態，進而選擇對應的直流系統注入交流系統電流計算公式。
為了使本發明的內容被更清楚的理解，並便於具體實施方式
的描述，下面給出與 本發明相關的
如下圖1示出的是直流電流/功率控制模式選擇邏輯圖，圖中TV1、TV2為慣性環節時間 常數，MIN為最小值選擇環節，Pref和Iref為直流功率和電流給定值，Ud為直流電壓。圖2示出的是VDCOL環節Ud-Id特性曲線，圖中Ud lOT、Ud high、Id lm^P Id high為直流 電壓與電流閾值，其取值決定VDCOL環節的投入與退出。
圖3示出的是仿真測試系統電氣結構圖，直流系統兩邊分別為等值發電機和等值 線路。圖4示出的是仿真計算曲線，縱坐標為直流系統注入交流系統電流有效值。圖5示出的是直流系統注入交流系統電流計算流程圖。
具體實施例方式以下是本發明的一個實施示例，如圖3所示該仿真測試系統基於CIGRE Benchmark 1000MW/500kV直流系統。為計算直流系統在不同控制模式下注入交流系統電流 的差異，對受端交流系統做適當修改，短路比調整為4. 75，以適應本發明的仿真驗證計算。 進一步說明如下(1)在仿真測試系統中，交直流系統從0秒時刻啟動，約0. 5秒後已進入穩定運行 狀態；2. 0秒時刻受端第2條支路某處發生三相金屬性短路，故障持續1. 0秒，在3. 0秒時 刻故障結束，交直流系統逐漸恢復至初始運行狀態。在故障擾動下交直流系統運行狀態發 生變化，其中直流系統控制方式變化情況如表1所示。表1仿真測試系統在1 5秒時段內的運行及控制模式變化 (2)根據直流系統在不同時段內對應的運行狀態，選擇相應的直流系統注入交流 系統電流公式進行計算，並與仿真計算結果(仿真計算結果全時段曲線如圖4所示)進行 比較，比較結果如表2所示。表2公式推導計算結果與仿真計算結果比較、驗證 比較結果顯示，在故障前、後以及VDCOL參與控制進入穩定狀態後，本發明所提計 算方法與仿真計算結果完全吻合，滿足工程計算需求。但在逆變側發生換相失敗期間，兩者 誤差較大，這是由於算例換相失敗持續時間很短，交直流系統仍處於動態變化過程，而公式 表達的是系統進入穩態後的結果，因此對於換相失敗持續時間較短的情況二者差異相對較 大；進一步將故障點設置在距離換流母線更近的位置，使直流系統發生長期連續換相失敗， 校驗二者差異，結果顯示公式計算結果與仿真計算結果也完全吻合。
本發明結合直流系統運行特性，採用換流母線電壓直接描述直流系統注入交流系 統電流，克服了描述交直流相互關係採用變量多的缺點，解決了直流系統注入交流系統電 流的計算問題，仿真驗證了本發明所提出直流系統注入交流系統電流計算解析表達式的正 確性和精度。本發明能夠廣泛應用於交直流電網規劃和運行控制領域。以上是為了使本領域普通技術人員理解本發明，而對本發明進行的詳細描述，但 可以想到，在不脫離本發明的權利要求所涵蓋的範圍內還可以做出其它的變化和修改，這 些變化和修改均在本發明的保護範圍內。
權利要求
一種計算直流系統注入交流系統電流的方法，其特徵在於能夠根據交流系統不同運行工況，考慮直流系統多種控制方式及換相失敗等因素，推導得出計算直流系統注入交流系統電流的解析表達式，具體包括以下步驟步驟A直流系統運行工況及注入交流系統電流基礎計算方法直流輸電功率可以表示為如下形式Pd＝UdIord(1)式中，Pd是直流輸電功率，Ud是直流電壓，Iord是直流電流控制指令值，當系統運行條件沒有激活低壓限流環節VDCOL，並採用定電流CC或定功率CP控制模式時，Ud、Id和Iord的關係為式中，Iref是直流電流給定參考值，Pref是直流輸電功率給定參考值；直流系統整流側與逆變側具有相似性和對稱性；其中，在逆變側，直流系統的有功功率可以表示為Pd＝UdiIdi(3)式中，Udi、Idi分別是逆變側直流電壓和電流，根據直流系統換流器特性，式(3)中直流系統逆變側直流電壓的描述為式中，Ucom是直流逆變側換流母線線電壓有效值，KT為換流變壓器變比，N為串聯的六脈動換流器個數，γ是逆變側熄弧角，Xi為逆變側等效換流感抗，當忽略換流器有功損耗時，直流系統逆變側注入交流系統電流的有效值Iinj和相角δinj可以表示為式中，QC為換流站交流濾波器及電容器無功出力；Qd為直流系統消耗的無功功率； 為 功率因數角；δcom為換流母線電壓相角，在工程應用中，可採用同步相量測量單元測出；在各種控制方式或情況下，式(5)描述的直流系統注入交流系統電流相角計算公式不變；的餘弦如式(6)所示因此，功率因數角的正切函數為步驟B正常運行條件下直流注入交流系統電流(1)定電流控制模式下注入交流系統電流當直流系統採用CC控制模式時，逆變側直流電流Idi在控制器的作用下將等於直流電流控制給定值Iref，聯立式(2)～(5)、(7)，可得換流母線電壓與注入系統電流的關係，即為式中，f11為直流電壓與換流母線電壓的比值在直流系統採用CC控制模式下，式(9)中直流系統注入交流系統電流是熄弧角γ和換流母線線電壓Ucom的函數，若直流系統逆變側採用定熄弧角CEA控制模式，在控制器作用下維持熄弧角γ為常數；若採用定電壓CV控制模式，在受端交流系統電壓變化不大的情況下，熄弧角γ變化幅度有限，其餘弦值變化較小，可將其假設為常數，因此，直流系統注入系統電流可以近似認為是只含有換流母線線電壓Ucom一個變量的函數，如式(10)所示當系統運行狀態發生變化並對直流系統產生較大影響時，交直流系統之間無功交換較大，則不能忽略無功功率影響，需採用式(8)～(10)來詳細計算直流系統注入交流系統的電流值；對於直流系統整流側注入交流系統電流的計算公式與逆變側形式一致，只是將式(8)中的直流逆變側直流電壓Udi替換為整流側直流電壓Udr，熄弧角γ替換為觸發角α，注入交流系 統的電流符號為負，表示在整流側電流方向為從交流系統流向直流系統；(2)定功率控制模式下注入交流系統電流當直流系統採用CP控制模式時，在控制器作用下直流輸電功率為常數Pref，在實際系統中該功率通常為整流側直流功率；因此，對於逆變側，考慮直流線路損耗條件下，可求解得Idi的取值可結合直流系統正常運行條件予以選擇；因此，式(7)可以表示為如下形式將式(12)代入式(5)，並根據熄弧角變化幅度較小而假設其為常數，因此可得出CP控制模式下直流換流母線電壓Ucom與直流注入系統電流Iinj的關係，即為對於直流系統整流側，由於整流側直流輸電功率即為直流功率給定值Pref，因此注入交流系統電流的計算公式與逆變側稍有區別，為式中，Udr和Idr分別是整流側直流電壓和電流，α為整流側觸發角；式中函數右上角的「*」符號是為了區別於逆變側的計算公式，根據式(14)可以得出功率因數角 與換流母線電壓和觸發角α之間的函數關係。進而可求解出整流側直流系統注入交流系統的電流有效值，如式(15)所示，注入交流系統的電流符號為負； 步驟CVDCOL參與控制下直流系統注入交流系統電流當系統電壓下降引起直流電壓下降至一定程度並將VDCOL激活時，此時系統定電流控制器的整定值將在MIN環節作用下選擇VDCOL環節輸出的電流值，此時直流系統處於VDCOL參與下的直流電流控制，設VDCOL環節Ud Id特性曲線斜率為k，既有聯立式(4)，可以求解出直流電壓、直流電流與換流母線電壓和熄弧角γ之間的函數關係因而，逆變側直流輸電功率為Pd＝UdiIdi＝f33(Ucom，γ)(18)聯立式(5)、(7)、(17)、(18)，可得到在VDCOL環節控制條件下採用換流母線電壓Ucom描述直流系統注入交流系統電流的形式，即為一般情況下，當直流系統電壓下降至VDCOL投入時，逆變側通常已進入最小熄弧角控制模式，即γ等於常數γmin，因而有在VDCOL參與控制時，交直流系統運行狀態通常已發生較大變化，換流站無功補償設備出力與直流系統吸收無功功率相差較大，因此無功功率影響因素不能忽略；若只考慮有功功率因素，計算得出的注入電流將與實際情況出現較大偏差； 對於直流系統整流側注入交流系統電流的計算公式形式與逆變側一致，在計算過程中換流母線電壓採用整流側測量得到得換流母線電壓有效值，熄弧角γ則替換為觸發角α，注入交流系統的電流符號為負；步驟D換相失敗情況下注入交流系統電流當換流母線大幅下降情況下，引發直流系統發生連續換相失敗，相當於在換流器上出現跨接在直流端的短路支路，直流系統注入交流系統有功功率約為零，此時直流系統換流器無功消耗也近似為零；與此同時，直流系統換流母線電壓將支撐換流站濾波器和電容器繼續發出無功功率，因此無功補償裝置將向系統注入電流；因而當直流系統發生連續換相失敗時，注入直流系統注入交流系統的電流可以表示為這裡所提及的換相失敗是指持續時間相對較長的情況，對於短時換相失敗的情況，由於系統的暫態過程未結束，採用式(21)計算出的結果會存在一定誤差；直流系統整流側很少發生有換流母線殘壓的連續換相失敗，因此該問題不予考慮。FSA00000215297000011.tif,FSA00000215297000012.tif,FSA00000215297000013.tif,FSA00000215297000014.tif,FSA00000215297000021.tif,FSA00000215297000022.tif,FSA00000215297000023.tif,FSA00000215297000024.tif,FSA00000215297000025.tif,FSA00000215297000026.tif,FSA00000215297000027.tif,FSA00000215297000028.tif,FSA00000215297000031.tif,FSA00000215297000032.tif,FSA00000215297000033.tif,FSA00000215297000034.tif,FSA00000215297000035.tif,FSA00000215297000036.tif,FSA00000215297000037.tif,FSA00000215297000038.tif,FSA00000215297000041.tif,FSA00000215297000042.tif,FSA00000215297000043.tif,FSA00000215297000044.tif,FSA00000215297000045.tif,FSA00000215297000046.tif,FSA00000215297000047.tif,FSA00000215297000048.tif,FSA00000215297000049.tif,FSA000002152970000410.tif,FSA00000215297000051.tif
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於還包括 步驟E 直流系統注入交流系統電流計算公式的選擇步驟B、C、D相互獨立，分別代表直流系統在不同運行和控制方式下，直流系統注入交 流系統的顯式解析表達式，在實際計算中，根據系統所處的運行狀態，包括系統所處運行時 刻、換流母線電壓、直流系統控制器邏輯和參數設置，判斷直流系統處於何種運行及控制狀 態，進而選擇對應的直流系統注入交流系統電流計算公式。全文摘要
本發明提供了一套直流輸電系統注入交流系統電流的計算方法，該計算方法能夠反映交流系統運行條件及對應的直流控制方式變化情況下的注入電流變化，包括定功率定電壓、定功率定熄弧角、定電流定電壓、定電流定熄弧角，以及低壓限流環節參與下的定電流控制和直流系統換相失敗情況下的控制特性。本發明是研究交直流系統相互影響的核心算法，可用於交直流電網規劃和運行控制，克服了描述交直流相互關係採用變量多的缺點，解決了直流系統注入交流系統電流的計算問題，為電網規劃與運行提供了一種研究交直流系統相互影響的技術方法。
文檔編號H02J3/38GK101917019SQ20101024414
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月4日 優先權日2010年8月4日
發明者卜廣全, 周靜, 郭小江 申請人:中國電力科學研究院