一種用於混合交直流系統動態特性研究的建模方法
2023-10-18 00:43:44 1
專利名稱：一種用於混合交直流系統動態特性研究的建模方法
技術領域：
本發明涉及一種用於混合交直流系統動態特性研究的建模方法。
背景技術：
直流輸電系統動態特性長期以來一直是直流工程關注的重點，而且隨著直流工程規模越來越大，直流輸送容量越來越高，其重要性日益凸顯。直流動態特性分析內容極其廣泛，所有直流側的研究都可以包含在內，而且其中每一個方面都值得單獨進行細緻的研究。按照直流輸電系統的結構，從系統角度出發，與電磁暫態過程相關的研究方向可以歸納為1.直流輸電引起的次同步諧振問題；2.與換流站相連的發電機的自勵磁問題；3.用於電磁暫態仿真的交流系統等值問題；4.不同交流系統強度以及不同交流側故障下，直流系統的響應問題；5.變壓器的飽和以及偏磁問題；6.換流變壓器的鐵磁諧振問題；7.直流輸電引起的諧波以及低次諧振問題；8.直流輸電換流站的暫態過電壓(TOV)問題；9.直流輸電控制保護系統的特性分析以及新控制策略；10.直流輸電系統故障響應特性以及故障恢復問題；11.換相失敗以及多饋入直流輸電的換相失敗；12.直流輸電線路故障以及與交流線路的電磁耦合；13.直流輸電的通訊幹擾問題。以上研究都屬於直流輸電動態特性分析，每個課題之間並非獨立，而是相互關聯。 如上所述，每個課題都值得投入精力去深入研究，而且針對以上研究課題，無論工程界還是學術界都已經或多或少的涉及，但因為各自關注重點不同，因此具體研究內容和方法也存
在差異。無論直流系統還是交流系統，故障是不可避免的。而不同故障下逆變換流站的響應特性也存在差異。例如，交流側三相故障導致換流母線電壓跌落，接地電阻大小將影響到電壓跌落的幅度，從而決定了逆變站是否會發生換相失敗，而換相失敗將直接導致直流輸送功率的中斷；單相接地故障不僅會引起電壓複製跌落，同時由於三相不對稱，其過零點偏移也會導致直流的換相過程受到影響。在同樣類型的故障下，又會因為交流系統強弱的不同，所聯結的直流系統的特性也存在很大差異。故障本身無法避免，如何避免直流系統故障無疑重要，但是如何能使得直流系統快速從故障中恢復，從而恢復功率輸送，同樣也是人們一直關注的問題。對於仿真技術而言，如前所述電力系統仿真可以分為機電暫態仿真和電磁暫態仿真兩個大類，其研究目的和建模方法都存在很大差異。機電暫態仿真一般採用PSS/E或BPA，其關注點在於大電網的暫態穩定，不可能也不需要對直流輸電系統進行細緻的工程模擬。而要對含有電力電子元器件的系統，如直流輸電或者FACTS進行特性分析，必須依賴電磁暫態仿真分析。ABB和SIEMENS都曾試圖採用一種軟體來覆蓋機電暫態和電磁暫態仿真，但由於技術以及其他原因最終放棄該路線，轉而使用PSS/E進行機電暫態仿真，使用 PSCAD/EMTDC進行電磁暫態仿真。PSCAD/EMTDC，作為一款電力系統電磁暫態仿真軟體，已經得到全世界工程界的認可，尤其是其在處理電力電子元器件領域更是獨樹一幟。除了利用PSCAD/EMTDC進行仿真以外，直流輸電系統動態特性研究還可藉助於RTDS進行實時仿真。無疑，RTDS仿真更為接近於工程實際，但其硬體投資很大，一般運行單位和學校很難具備實驗條件。
發明內容
本發明的目的就是為解決上述問題，提出一種用於混合交直流輸電系統動態特性研究的建模仿真方法，可以為實際工程運作提供一定的理論指導。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種用於混合交直流系統動態特性研究的建模方法，該建模方法的實現步驟如下在仿真軟體PSCAD中首先搭建直流輸電系統的主電路與控制電路，並在直流輸電系統主電路上的換流母線處連接等值後的交流系統，形成完整的混合交直流系統模型；具體建模如下A.在所述直流輸電系統的主電路中1)整流側的等值交流系統I與母線I連接，在母線I上並聯有若干個換流變壓器 I，各換流變壓器I與一個相應的換流閥I連接，各換流閥I串接，串接的換流閥I間通過隔離開關I與中性點接地電阻I連接後接地；同時串接的換流閥I兩端還分別通過平波電抗器I、直流輸電線路電阻與逆變側電路的平波電抗器II串接；同時母線I上還並聯若干個補償電容I、若干組交流濾波器I ；2)逆變側的等值交流系統II與母線II連接，在母線II上並聯若干個換流變壓器 II，各換流變壓器II與一個相應的換流閥II連接，各換流閥II串接，串接的換流閥II間通過隔離開關II與中性點接地電阻II連接後接地；同時串接的換流閥II兩端還分別通過平波電抗器II、直流輸電線路電阻與整流側電路的平波電抗器I串接；同時母線II上還並聯若干個補償電容II、若干組交流濾波器II ；B.在所述直流輸電系統的控制電路中1)整流側採用定電流控制，整流側直流線路電流輸入到整流側電壓測量模塊，與低壓限流模塊返回的電流值經加/減法器處理、PI控制器整定，與定值η通過加/減法器處理，得到整流側換流閥I的觸發角，將此作為輸入值返回到直流輸電系統主電路中的換流閥I，對直流系統主電路整流側進行控制；2)逆變側採用定電流控制和定熄弧角控制結合的控制模式，逆變側的電壓輸入到逆變側電壓測量模塊，逆變側電流輸入到逆變側電流測量模塊，通過定值乘法器和加/減法器對輸入到逆變側電壓測量模塊的電壓值進行補償，補償後的電壓經低壓限流模塊與輸入到逆變側電流測量模塊的電流通過加/減法器進行作差處理，再經加/減法器與電流裕度值作差，通過PI控制器整定，最後形成定電流控制輸出，熄弧角輸入到熄弧角測量模塊，與電流偏差控制模塊輸出的值和額定熄弧角定值經加/減法器處理後，通過最大值選擇模塊與熄弧角偏差設定值進行取大處理後通過PI控制器整定，形成定熄弧角控制輸出，定電流控制輸出與定熄弧角控制輸出最後通過最大值選擇模塊進行取大處理，與定值η通過加/減法器作差，得到逆變側觸發角，將此作為輸入值返回到直流輸電系統主電路中換流閥II，對直流系統主電路逆變側進行控制；C.直流系統主電路中母線I與交流系統I連接，母線II與交流系統II連接，與等值交流系統中的一條500kV母線連接，形成完整的混合交直流系統模型。所述直流系統的主電路採用雙極直流輸電系統形式，所述直流系統的控制電路基於國際大電網CIGRE單極直流標準電路的模型。在所述的等值交流系統中，保留交流系統中所有的500kV電壓等級的母線和輸電線路，對500kV電壓等級以下的所有母線和輸電線路進行等值處理，用一條連有一個等值發電機模型、一個等值電動機模型和一個等值恆阻抗負荷模型的等值母線來代替；500kV 母線之間用交流線連接，500kV母線和該母線下層的等值交流系統之間用一個變壓器模型連接。本發明的有益效果是它可以較好地仿真研究混合交直流輸電系統的動態特性， 對直流系統詳細建模，交流系統進行等值處理，在直流系統的換流母線處使交直流相連接。 這樣大大減少了交流系統詳細建模的難度和工作量，又能保證研究的準確性。
圖1為直流輸電系統的主電路；圖2為直流輸電系統的控制電路；圖3為交流系統的等值電路；圖4 (a)為正極整流側直流電壓波形；圖4(b)為正極整流側直流電流波形；圖4 (C)為正極逆變側直流電壓波形；圖4 (d)為正極逆變側直流電流波形；圖4(e)為負極整流側直流電壓波形；圖4 (f)為負極整流側直流電流波形；圖4 (g)為負極逆變側直流電壓波形；圖4 (h)為負極逆變側直流電流波形；圖4 (i)為直流系統傳輸的有功功率波形；圖4 (j)為直流系統傳輸的無功功率波形；其中，1.交流系統I，2.母線I，3.換流變壓器I，4.換流閥I，5.隔離開關I，6.平波電抗器I，7.中性點接地電阻1，8補償電容I，9.交流濾波器I，10.直流輸電線路電阻， 11.交流系統II，12.母線II，13.換流變壓器II，14.換流閥II，15.隔離開關II，16.平波電抗器II，17.中性點接地電阻II，18.補償電容II，19.交流濾波器II，20.直流控制系統，21.整流側電壓測量模塊，22.逆變側電壓測量模塊，23.逆變側電流測量模塊，24.熄弧角測量模塊，25.低壓限流模塊，26. PI控制器，27.最大值選擇模塊，28.電流偏差控制模塊，29.加(減)法器，30.定值乘法器，31. π值輸入模塊，32.電流裕度值，33.額定熄弧角，34.熄弧角偏差設定值，35. 500kV母線，36.變壓器，37.等值母線，38.等值恆阻抗負荷， 39.等值發電機，40.等值電動機。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明一種用於混合交直流輸電系統動態特性研究的建模方法，在仿真軟體PSCAD中首先搭建直流系統的主電路和控制電路，主電路採用國內最常見雙極直流輸電系統形式，控制電路基於CIGRE (國際大電網)單極直流標準電路的模型進行擴充改進，使其能對雙極直流輸電系統進行控制。直流系統的換流母線上接入交流系統模塊。交流系統往往是比較大的電網，詳細建模是不符合實際的，為此需要對交流系統進行等值處理，等值的目的是在保證動態特性不變的基礎上對交流系統進行簡化，使之既能滿足仿真需求又能較容易地建立。採用一種基於物理等效的系統等值方法，根據國內電網特點，保留研究的交流系統中所有的500kV電壓等級的母線和輸電線路，對500kV電壓等級以下的所有母線和輸電線路進行等值處理，用一條連有一個發電機模型、一個電動機模型和一個恆阻抗負荷模型的等值母線來代替。500kV母線之間用交流線連接，500kV母線和該母線下層的等值交流系統之間用一個變壓器模型連接。圖1、圖2中，在仿真軟體中建立雙極直流輸電系統的詳細主電路與控制電路，並使主電路與控制電路連接，圖3為交流系統的等值電路，交流系統的500kV母線與直流系統主電路上的換流母線連接，這樣便構成了完整的交直流混合系統。直流系統主電路包括整流側等值交流系統1，它與母線12連接，在母線12上並聯有若干個換流變壓器13，各換流變壓器13與一個相應的換流閥14連接，各換流閥14串接， 串接的換流閥14間通過隔離開關15與中性點接地電阻17連接後接地；同時串接的換流閥 14兩端還分別通過平波電抗器16、直流輸電線路電阻10與逆變側電路的平波電抗器1116 串接；同時交流母線12上還並聯若干個補償電容18、若干組交流濾波器19 ；直流系統主電路逆變側電路的母線1112與逆變側等值交流系統11連接，交流母線1112上並聯若干個換流變壓器1113，各換流變壓器1113與一個相應的換流閥1114連接，各換流閥Π14串接，串接的換流閥1114間通過隔離開關1115與中性點接地電阻1117 連接後接地；同時串接的換流閥Π14兩端還分別通過平波電抗器1116、直流輸電線路電阻10與整流側電路的平波電抗器16串接；同時交流母線1112上還並聯若干個補償電容 II18、若干組交流濾波器1119 ；直流系統控制電路中，整流側採用定電流控制，整流側直流線路電流輸入到整流側電壓測量模塊21，與低壓限流模塊25返回的電流值經加(減)法器29處理、PI控制器 26整定，與定值π 31通過加(減)法器29處理，得到整流側換流閥14的觸發角，將此作為輸入值返回到直流輸電系統主電路中的換流閥14，對直流系統主電路整流側進行控制。直流系統控制電路中，逆變側採用定電流控制和定熄弧角控制結合的控制模式， 逆變側的電壓輸入到逆變側電壓測量模塊22，逆變側電流輸入到逆變側電流測量模塊23， 通過定值乘法器30和加(減)法器29對輸入到逆變側電壓測量模塊22的電壓值進行補償，補償後的電壓經低壓限流模塊25與輸入到逆變側電流測量模塊23的電流通過加(減) 法器29進行作差處理，再經加(減)法器29與電流裕度值32作差，通過PI控制器26整定，最後形成定電流控制輸出，熄弧角輸入到熄弧角測量模塊24，與電流偏差控制模塊28 輸出的值和額定熄弧角定值33經加(減)法器29處理後，通過最大值選擇模塊27與熄弧角偏差設定值34進行取大處理後通過PI控制器26整定，形成定熄弧角控制輸出，定電流控制輸出與定熄弧角控制輸出最後通過最大值選擇模塊27進行取大處理，與定值π 31通過加(減)法器作差，得到逆變側觸發角，將此作為輸入值返回到直流輸電系統主電路中換流閥1114，對直流系統主電路逆變側進行控制。直流系統主電路中換流母線12與交流系統Il連接，換流母線1112與交流系統 IIll連接，與交流系統的連接即與等值交流系統中的一條500kV母線35連接。圖3中，一條500kV母線35通過變壓器36與等值母線37連接，等值母線37的電壓等級可以根據需要設定，等值母線37下連接一個恆阻抗負荷38，一個等值發電機39，一個等值電動機40。 為了保證等值前後動態特性的相近，恆阻抗負荷與等值電動機負荷消耗的有功功率設置為相等，也就是各佔500kV母線總出力的50%。等值發電機出力按照實際出力總和進行計算， 交流系統的所有500kV母線按照實際連接方式相連，構成了完整的系統。模型驗證按照上述混合交直流系統的建模方法，對士660kV銀東直流系統和逆變側交流系統(山東電網)進行建模驗證，建模後運行該模型，交流系統數據驗證如下表山東電網等值前後主幹網架上500kV節點的電壓幅值及相角比較如表1 表1山東電網等值前後500kV節點電壓
權利要求
1.一種用於混合交直流系統動態特性研究的建模方法，其特徵是，該建模方法的實現步驟如下在仿真軟體PSCAD中首先搭建直流輸電系統的主電路與控制電路，並在直流輸電系統主電路上的換流母線處連接等值後的交流系統，形成完整的混合交直流系統模型；具體建模如下A.在所述直流輸電系統的主電路中1)整流側的等值交流系統I(1)與母線I (2)連接，在母線I (2)上並聯有若干個換流變壓器I (3)，各換流變壓器I (3)與一個相應的換流閥I (4)連接，各換流閥I (4)串接，串接的換流閥I (4)間通過隔離開關I (5)與中性點接地電阻I (7)連接後接地；同時串接的換流閥I (4)兩端還分別通過平波電抗器I (6)、直流輸電線路電阻(10)與逆變側電路的平波電抗器II (16)串接；同時母線I (2)上還並聯若干個補償電容I (8)、若干組交流濾波器I (9);2)逆變側的等值交流系統II(11)與母線II (12)連接，在母線11(12)上並聯若干個換流變壓器II (13)，各換流變壓器II (13)與一個相應的換流閥11(14)連接，各換流閥 11(14)串接，串接的換流閥II (14)間通過隔離開關II (15)與中性點接地電阻11(17)連接後接地；同時串接的換流閥II (14)兩端還分別通過平波電抗器II (16)、直流輸電線路電阻(I0)與整流側電路的平波電抗器I (6)串接；同時母線II (12)上還並聯若干個補償電容 II (18)、若干組交流濾波器II (19)；B.在所述直流輸電系統的控制電路中1)整流側採用定電流控制，整流側直流線路電流輸入到整流側電壓測量模塊(21)，與低壓限流模塊(25)返回的電流值經加/減法器(29)處理、PI控制器(26)整定，與定值 JI (31)通過加/減法器(29)處理，得到整流側換流閥I (4)的觸發角，將此作為輸入值返回到直流輸電系統主電路中的換流閥I (4)，對直流系統主電路整流側進行控制；2)逆變側採用定電流控制和定熄弧角控制結合的控制模式，逆變側的電壓輸入到逆變側電壓測量模塊(22)，逆變側電流輸入到逆變側電流測量模塊(23)，通過定值乘法器(30) 和加/減法器(29)對輸入到逆變側電壓測量模塊(22)的電壓值進行補償，補償後的電壓經低壓限流模塊(25)與輸入到逆變側電流測量模塊(23)的電流通過加/減法器(29)進行作差處理，再經加/減法器(29)與電流裕度值作差，通過PI控制器(26)整定，最後形成定電流控制輸出，熄弧角輸入到熄弧角測量模塊(24)，與電流偏差控制模塊(28)輸出的值和額定熄弧角定值經加/減法器(29)處理後，通過最大值選擇模塊(27)與熄弧角偏差設定值進行取大處理後通過PI控制器(26)整定，形成定熄弧角控制輸出，定電流控制輸出與定熄弧角控制輸出最後通過最大值選擇模塊(27)進行取大處理，與定值π通過加/減法器(29)作差，得到逆變側觸發角，將此作為輸入值返回到直流輸電系統主電路中換流閥 II (14)，對直流系統主電路逆變側進行控制；C.直流系統主電路中母線I(2)與交流系統I (1)連接，母線II (12)與交流系統II (11) 連接，與等值交流系統中的一條500kV母線連接，形成完整的混合交直流系統模型。
2.如權利要求1所述的一種用於混合交直流系統動態特性研究的建模方法，其特徵是，所述直流系統的主電路採用雙極直流輸電系統形式，所述直流系統的控制電路基於國際大電網CIGRE單極直流標準電路的模型。
3.如權利要求1所述的一種用於混合交直流系統動態特性研究的建模方法，其特徵是，在所述的等值交流系統中，保留交流系統中所有的500kV電壓等級的母線和輸電線路， 對500kV電壓等級以下的所有母線和輸電線路進行等值處理，用一條連有一個等值發電機 (39)、一個等值電動機(40)和一個等值恆阻抗負荷(38)的等值母線來代替；500kV母線之間用交流線連接，500kV母線和該母線下層的等值交流系統之間用一個變壓器(36)連接。
全文摘要
本發明公開了一種用於混合交直流輸電系統動態特性研究的建模方法，該建模方法的實現步驟如下在仿真軟體PSCAD中首先搭建直流輸電系統的主電路與控制電路，並在直流輸電系統主電路上的換流母線處連接等值後的交流系統，形成完整的混合交直流系統模型；本發明可以較好地仿真研究混合交直流輸電系統的動態特性，對直流系統詳細建模，交流系統進行等值處理，在直流系統的換流母線處使交直流相連接。這樣大大減少了交流系統詳細建模的難度和工作量，又能保證研究的準確性。
文檔編號H02J3/36GK102361329SQ20111031703
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者於大洋, 雲玉新, 劉民, 姚金霞, 郭啟偉 申請人:山東電力研究院