特高压直流分层接入输电系统的建模方法 |
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| 申请号 | CN201610305303.3 | 申请日 | 2016-05-10 | 公开(公告)号 | CN106026154A | 公开(公告)日 | 2016-10-12 |
| 申请人 | 南京邮电大学; | 发明人 | 黄校娟; 付蓉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了特高压直流分层接入输电系统的建模方法，将输电系统的整流侧 电路 、逆变侧电路和直流输电线路进行等效，并得到各个部分的状态微分方程，通过各个部分的等效电路和状态微分方程，构建整个特高压直流分层接入输电系统的等效电路和状态微分方程，从而实现特高压直流分层接入输电系统的建模。本发明将 状态方程 线性化建模及频域法特征分析相结合，能够建立出准确而高效的数学模型，并通过推导换流装置的 开关 函数，使描述不同运行方式下的输电系统时，更具有普适性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.特高压直流分层接入输电系统的建模方法，所述输电系统包括依次连接的整流侧电 |
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| 说明书全文 | 特高压直流分层接入输电系统的建模方法技术领域[0001] 本发明属于交直流输电技术领域，特别涉及了特高压直流分层接入输电系统的建模方法。 背景技术[0002] 随着我国经济的发展，土地资源越发匮乏和宝贵，电网发展与建设受到走廊资源、站址资源的制约越发明显。因此，电力系统在我国的国民经济中占据着主要地位。而高压直流输电作为目前电力电子技术在电力系统中的一种最为全面而且复杂的系统应用技术，引起了广泛的关注。特高压直流不仅输送容量大、损耗小、送电距离远，而且可以节约宝贵的输电走廊资源，提高输电通道走廊的利用率。特别是对于受端电网，换流站站址、接地极与接地线线路走廊的选择非常困难，特高压直流输电技术不仅降低了工程实施的难度，而且 更重要的是符合国家可持续发展战略要求。因此特高压直流输电技术是我国电力跨区域大 规模输送的必然选择。 [0003] 两端特高压直流输电系统主要的工作原理就是通过输送端的整流器将交流电转变为特高压直流电后，将直流电输送到接受端的逆变器，再经由受端整流器将直流电转变 为交流电送入受端交流系统。当系统逆变端采用分层接入方式时，可以根据用户端或者受 端的交流系统的不同需求，形成不同电压等级的输电，完成合理的功率分配。一般特高压直流输电系统主要是由交直流网络、换流变压器、换流器(整流器和逆变器)、交直流滤波器、无功补偿装置、直流输电线路组成。其中换流器主要功能是使交流-直流和直流-交流，分别称为整流器和逆变器。由于变压器阀侧不接地，通常会将换流器的正端或者负端接地。直流输电工程中主要采用的6脉波或12脉波的换流器。平波电抗器主要功能是用来降低直流输 电线路上的谐波电压和电流；当直流输电线路发生短路故障时，可以使得短路期间的幅值 电流不至于太高；防止逆变器换相失败。谐波滤波器装在换流器两侧。因为在换流器交流和直流两侧均会产生谐波，而这些谐波会使得附近电机以及电容过热，影响到远动通信系统。 由于换流器在运行时需要大量的无功功率，所以必须在换流器附近提供无功功率补偿装 置。常用的无功功率补偿装置有静止无功补偿器(SVC)、同步调相机以及静止同步补偿器 (STATCOM)等装置。直流输电线可以是电缆，也可以是架空线。直流输电线与交流输电线相比，只在间距和导体数方面要求差异，其余方面二者很相似。 [0004] 特高压直流输电系统的建模实质上就是基于系统稳定运行时，经过公式的推导和各个模块等值电路的连接最后所搭建的数学模型。一直以来，诸多建模方法尝试和仿真技 术探究已经被一次次的尝试加入到高压直流输电系统中去，进行运行观察。随着特高压直 流工程的建设，我国华东电网和南方电网出现了多馈入交直流系统，但多馈入直流系统存 在对所接受端电网电压支撑能力要求较高，不能根据需求引导功率合理分配等问题。与多 馈入直流输电方式相比，特高压直流分层接入方式即逆变侧分别接入1000kV和500kV电压 等级电网，具有工程造价低、提升电网安全稳定运行等特点；提升受端电网电压支撑能力； 通过引导输送的直流功率在不同受端回路进行合理分配，能够充分发挥两级电网的输电能 力等优点。特高压直流接入方式作为一种创新型的接入方式，目前国内外尚没有实例，因此需对这种接入方式进行研究。鉴于系统建模是进行研究的基础，从而建立出准确而高效的 简单特高压分层接入的直流输电系统的数学模型及其特性分析的重要性变得尤为突出。 发明内容[0005] 为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供特高压直流分层接入输电系统的建模方法，对特高压分层接入方式下的直流输电系统建立出准确而高效的数学模 型，在描述不同运行方式下的输电系统时，更具有普遍性。 [0006] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为： [0007] 特高压直流分层接入输电系统的建模方法，所述输电系统包括依次连接的整流侧电路、直流输电线路和逆变侧电路，所述逆变侧电路分别接入两条不同电压等级电网，包括以下步骤： [0008] (1)将所述整流侧电路等效为一个一端口网络，该一端口网络包括整流侧等效电势源Ee1、整流侧等效电感Le1和整流侧等效电阻Re1，所述整流侧等效电阻Re1的一端作为该一端口网络的电压输出正端，整流侧等效电阻Re1的另一端经整流侧等效电感Le1与整流侧等 效电势源Ee1的正极相连，整流侧等效电势源Ee1的负极作为该一端口网络的电压输出负端； 根据输电系统进行整流时的各个晶闸管的导通状态计算开关函数，根据开关函数和各个晶 闸管的导通状态构建整流侧等效电势源Ee1、整流侧等效电感Le1和整流侧等效电阻Re1的状态方程； [0009] (2)将所述直流输电线路等效成一个π形二端口网络，该π形二端口网络包括直流线路等效电阻RL、直流线路等效电感LL、输入端LC滤波器等效电容C1、输入端LC滤波器等效电感L1、输出端LC滤波器等效电容C2和输出端LC滤波器等效电感L2，且L1＝L2,C1＝C2，π形二端口网络的电压输入正端经依次串联的直流线路等效电感LL、直流线路等效电阻RL与π形二端口网络的电压输出正端相连，π形二端口网络的电压输入负端直接与π形二端口网络的电压输出负端相连，π形二端口网络的电压输入正端经依次连接的输入端LC滤波器等效电感 L1、输入端LC滤波器等效电容C1与π形二端口网络的电压输入负端相连，π形二端口网络的电压输出正端经依次连接输出端LC滤波器等效电感L2、输出端LC滤波器等效电容C2与π形二端口网络的电压输出负端相连； [0010] (3)将所述逆变侧电路等效为一个一端口网络，该一端口网络包括逆变侧等效电势源Ee、逆变侧等效电感Le和逆变侧等效电阻Re，所述逆变侧等效电阻Re的一端作为该一端口网络的电压输入负端，逆变侧等效电阻Re的另一端经逆变侧等效电感Le与逆变侧等效电 势源Ee的负极相连，逆变侧等效电势源Ee的正极作为该一端口网络的电压输入正端；根据输电系统进行逆变时的各个晶闸管的导通状态计算开关函数，根据开关函数和各个晶闸管的 导通状态构建逆变侧等效电势源Ee、逆变侧等效电感Le和逆变侧等效电阻Re的状态方程； [0011] (4)将步骤(1)得到的一端口网络的电压输出正端与步骤(2)得到的π形二端口网络的电压输入正端相连，将步骤(1)得到的一端口网络的电压输出负端与步骤(2)得到的π 形二端口网络的电压输入负端相连，将步骤(2)得到的π形二端口网络的电压输出正端与步骤(3)得到的一端口网络的电压输入正端相连，将步骤(2)得到的π形二端口网络的电压输 出负端与步骤(3)得到的一端口网络的电压输入负端相连，从而得到整个特高压直流分层 接入输电系统的等效电路； [0012] (5)根据步骤(4)得到的整个输电系统的等效电路，构建整个输电系统的状态微分方程： [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] 上式中，Vc1，Vc2分别表示直流输电线路的输入端电压和输出端电压，Id1,Id2分别表示直流输电线路输入端电流和输出端电流，IL为直流输电线路上的电流； [0019] (6)对步骤(4)-(5)构建的特高压直流分层接入输电系统的模型进行仿真，得到直流输电线路上的电压波形，分析模型的运行特性。 [0020] 进一步地，所述特高压直流分层接入输电系统的整流侧电路采用一组6脉冲换流器，由于输电系统的逆变侧电路采用分层接入方式，所以逆变侧电路采用两组串联的6脉冲换流器，这两组串联的6脉冲换流器分别接往不同电压等级的母线上，所述6脉冲换流器为 三相桥式全控电路。 [0021] 进一步地，在步骤(1)中，整流侧等效电势源Ee1、整流侧等效电感Le1和整流侧等效电阻Re1的状态方程如下式所示： [0022] [0023] [0024] [0025] 上式中，RT、LT分别为整流侧变压器每相的电阻和电感，V1、V2、V3为系统进行整流时的三相等值电势，所述整流侧的6脉冲换流器包括Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6六个晶闸管，其中Q1与Q4、Q3与Q6、Q5与Q2分别构成与V1、V2、V3对应的三相桥臂，Q1、Q3、Q5分别为三相桥臂的上桥臂，Q4、Q6、Q2分比为三相桥臂的下桥臂，K1、K2、K3、K4、K5、K6分别对应为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的通断状态变量，各个晶闸管的通断状态变量为1时，表示该晶闸管处于导通状态，通断状态变量为0时，表示该晶闸管处于关断状态，开关函数K＝(1-K1K4)(1-K2K5)(1-K3K6)(1-K7)，K7为系统状态变量，K7为0时，表示系统处于正常运行状态，K7为1时，表示系统处于异常运行状态。 [0026] 进一步地，在步骤(3)中，Re＝Re2+Re3,Le＝Le2+Le3,Ee＝Ee2+Ee3，其中，Rej、Lej、Eej，j＝2,3，分别为逆变侧电路中两组6脉冲换流器的等效电阻、等效电感、等效电势源，Rej、Lej、Eej的状态方程如下： [0027] [0028] [0029] [0030] 上式中，RT′、LT′分别为逆变侧某一组6脉冲换流器连接的变压器的电阻和电感，V1′、V2′、V3′为逆变侧某一组6脉冲换流器进行逆变时的三相等值电势，所述逆变侧的两组6脉冲换流器均包括Q1′、Q2′、Q3′、Q4′、Q5′、Q6′六个晶闸管，其中Q1′与Q4′、Q3′与Q6′、Q5′与Q2′分别构成与V1、V2、V3对应的三相桥臂，Q1′、Q3′、Q5′分别为三相桥臂的上桥臂，Q4′、Q6′、Q2′分比为三相桥臂的下桥臂，K1、K2、K3、K4、K5、K6分别对应为Q1′、Q2′、Q3′、Q4′、Q5′、Q6′的通断状态变量；开关函数K′＝(1-K1′K4′)(1-K2′K5′)(1-K3′K6′)(1-K7′)，K7′为系统状态变量。 [0031] 进一步地，对输电系统的整流电路采用定电流控制方法，对输电系统的逆变电路采用定熄弧角控制方法。 [0032] 采用上述技术方案带来的有益效果： [0033] (1)本发明在系统暂态稳定运行时，实现对特高压直流输电系统每个模块推导出等效电路和状态方程，考虑了换流装置的换相过程，使抽象出的基于换流器开关函数的整 个系统数学模型更具有普遍性和高效性； [0034] (2)本发明采用状态方程线性化建模及频域法特征分析相结合，是公认的最适合电力系统低频振荡、小干扰暂态稳定分析所采用的方法，使得建立的系统模型准确性更高，在实际工程应用中能够趋于广泛。 附图说明 [0035] 图1是特高压直流分层接入输电系统的结构图； [0036] 图2是本发明中直流输电线路的等效电路图； [0037] 图3是本发明中整流侧电路的等效电路图； [0038] 图4是本发明中逆变侧电路的等效电路图； [0039] 图5是本发明中逆变侧电路等效电路的简化电路图； [0040] 图6是本发明中整个特高压直流分层接入输电系统的等效电路图； [0041] 图7是本发明中整流端定电流控制示意图； [0042] 图8是本发明中逆变端定熄弧角控制示意图； [0043] 图9是本发明构建的模型的仿真电压响应波形图； [0044] 图10是标准GIGRE系统进行匹配仿真时的电压响应波形图。 具体实施方式[0045] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。 [0046] 本发明提出了一种针对特高压直流分层接入输电系统的建模方法，该输电系统包括依次连接的整流侧电路、直流输电线路和逆变侧电路，逆变侧电路分别接入两条不同电 压等级电网，其具体结构如图1所示。 [0047] 在本实施例中，特高压直流分层接入输电系统的整流侧电路采用一组6脉冲换流器，由于输电系统的逆变侧电路采用分层接入方式，所以逆变侧电路采用两组串联的6脉冲换流器，这两组串联的6脉冲换流器分别接往不同电压等级的母线上。 [0048] 如图2所示，将输电系统中的直流输电线路等效成一个π形二端口网络，该π形二端口网络包括直流线路等效电阻RL、直流线路等效电感LL、输入端LC滤波器等效电容C1、输入端LC滤波器等效电感L1、输出端LC滤波器等效电容C2和输出端LC滤波器等效电感L2，且L1＝L2,C1＝C2，π形二端口网络的电压输入正端经依次串联的直流线路等效电感LL、直流线路等效电阻RL与π形二端口网络的电压输出正端相连，π形二端口网络的电压输入负端直接与π形二端口网络的电压输出负端相连，π形二端口网络的电压输入正端经依次连接的输入端LC滤波器等效电感L1、输入端LC滤波器等效电容C1与π形二端口网络的电压输入负端相连，π形二端口网络的电压输出正端经依次连接输出端LC滤波器等效电感L2、输出端LC滤波器等 效电容C2与π形二端口网络的电压输出负端相连。 [0049] 如图3所示，将输电系统的整流侧电路等效为一个一端口网络，该一端口网络包括整流侧等效电势源Ee1、整流侧等效电感Le1和整流侧等效电阻Re1，所述整流侧等效电阻Re1的一端作为该一端口网络的电压输出正端，整流侧等效电阻Re1的另一端经整流侧等效电感 Le1与整流侧等效电势源Ee1的正极相连，整流侧等效电势源Ee1的负极作为该一端口网络的电压输出负端；根据输电系统进行整流时的各个晶闸管的导通状态计算开关函数，根据开 关函数和各个晶闸管的导通状态构建整流侧等效电势源Ee1、整流侧等效电感Le1和整流侧 等效电阻Re1的微分方程。 [0050] 换相过程(此处指整流过程)的实质可以理解为是短时间内的交流系统中的两相之间相互短路的过程，换相是依靠交流系统的等值电压源所提供的短路电流进行的。当换 相角μ<60°时，整个换流器阀的导通过程应该考虑到换相的过程，换言之，6个晶闸管(下文以Q1～Q6指代)一个周期内的运行状态有12种，但显然大的类别上可以分为两大类：一种是 2个晶闸管阀导通的稳态运行，还有一种是3个晶闸管阀同时导通的换相运行过程。 [0051] 假定t1时刻是晶闸管Q1、Q2导通的高压直流输电系统的稳态运行，则此时应该是K1＝K2＝1，其他晶闸管的布尔变量都为初值0，且三相电压源中应该是V1,V2相电压参与运行的，整流器直流侧的整流输出电压应该为Ee1＝V1-V3，此时系统回路中变压器电阻和电感应该分别为Re1＝2RT,Le1＝2LT。直流线路中流通的电流I1＝IL，是稳定的直流电。 [0052] 当到达t2时间时，三相交流电中V2≥V1，即换相开始的那一刻，晶闸管Q1、Q2、Q3同时导通的情形。由于实际的装置中，存在电感这一电力电子元器件，所以电路中的电压能够瞬时变化，但是电流不能，因此换相过程出现，其实质就是I1由IL减为0，I3由0增减为IL这一变化过程。当I1变为0的那一刻，由于晶闸管阀1承受了反向的电压而立即关断。此时，布尔变量变为K1＝K2＝K3＝1，其余的布尔变量的值为0。其中求解换相电流iμ1的公式可以表示为： [0053] [0054] 上式中，VμK表示对应晶闸管阀的换相电压。此时即将关断Q1上的电流应为I1＝IL-I3，即将导通的Q3上的电流应该为I3＝Iμ1，其导通电流值应该是逐渐增大到稳定值IL。整个换流器桥的直流侧的整流电压为 换流变压器的电阻和电感分别为 [0055] 当换相过程结束时，假设时间为t3，则整流器直流侧的电流稳定在了Q3上，IL＝I3，此时导通的应该是Q2和Q3，即布尔变量应该改变为K2＝K3＝1，其余的数值为0。此时又变为与上面Q1和Q2稳定运行时的状态一样，只不过相应的整流器直流侧的电压应该变为Ee1”＝V2-V3，而换流变压器在稳态运行时的电阻和电感还是分别为Re1”＝2RT,Le1”＝2LT。然后继续两个晶闸管阀导通状态下简单交直流输电系统的稳态运行。 [0056] 换流装置中的6脉冲换流阀的运行状态都相似于上述所展示的运行特性，所以6脉冲换流器的整个循环过程中相关参数的变化关系可归纳为下表所示： [0057] 表1 [0058] [0059] 由上面的6脉冲换流器阀的等值电路和换相过程的电压、阻抗各个相关参数的变化规律，可以得出状态方程： [0060] [0061] [0062] [0063] 逆变器端采用的是分层接入方式，采用的事两组6脉动换流器串联的形式分别与三绕组变压器相连接往不同电压等级母线上。其中，IL为直流电流；Ud1,Ud2分别回路1和2的逆变侧直流电压；Ud是整个逆变侧直流电压即为Ud1,Ud2之和；U1,U2为不同电压等级1000KV/ 500KV逆变侧交流母线线电压有效值；T1,T2为变压器变比，此处设为1；Z1,Z2为交流系统等值阻抗；Z12为换流母线1和2之间等值联系阻抗；Iac1,Iac2分别为分层接入方式下从直流换相母线1000kV和500kV注入受端交流电网的交流电流。 [0064] Ee2和Ee3为受端交流网络等效后的不同电压等级上的恒压源，简化后同样可以通过与上述整流器端相类似的过程进行推导，得到如图4所示逆变器端的等效电路图，将图4 简化后即得到图5，Re＝Re2+Re3,Le＝Le2+Le3,Ee＝Ee2+Ee3，其中，Rej、Lej、Eej，j＝2,3，分别为逆变电路中两组6脉冲换流器的等效电阻、等效电感、等效电势源，Rej、Lej、Eej的状态方程如下： [0065] [0066] [0067] [0068] 如图6所示，将整流侧等效的一端口网络、直流输电线路等效的π形二端口网络以及逆变侧等效的一端口网络依次相连，从而得到整个特高压直流分层接入输电系统的等效 电路。 [0069] 构建整个输电系统的微分方程： [0070] [0071] [0072] [0073] [0074] [0075] 上式中，Vc1，Vc2分别表示直流输电线路的输入端电压和输出端电压，Id1,Id2分别表示直流输电线路输入端电流和输出端电流，IL为直流输电线路上的电流。 [0076] 在本实施例中，整流器端采用定电流控制，如图7所示，逆变器端采用定熄弧角控制，如图8所示。其中Irec为整流侧直流电流实测值,Id为直流指令值,α为输出的整流器触发角指令。γ为逆变器熄弧角实测值,为Δγ电流偏差引起的熄弧角偏差值，βinv为输出的逆变器超前触发角指令。控制体现在整流侧定电流控制中的PI环节的整定参数上，PI环节的 最大输出限制和最小输出限制。在维持逆变器安全运行的基础上，使熄弧角尽量的小,提高换流器利用率,直流输电系统的常见熄弧角为15°～18°。本发明中的直流逆变侧熄弧角的 整定值为17°，其最大偏差限制为-34，转为弧度值为-0.5934。 [0077] 最后，对构建的特高压直流分层接入输电系统的模型，进行仿真，得到直流输电线路上的电压波形，分析模型的运行特性。在不计及损耗的情况下，系统容量5000MVA，直流电压800kV，换流母线1电压为1000kV，换流母线2电压为500kV，输送到回路Pd1与Pd2的有功功率均为2500MVA。在稳态运行方式下，本模型各项运行参数基本满足工程额定需求，直流输电线路的电压响应波形如图9所示，并与图10所示的传统CIGRE模型仿真结果进行比对，验证了模型的可运行性和适用性。当特高压分层接入方式下直流输电系统单极暂态稳定运行 时，由图9和图10可以看出，基本控制方式下所搭建的系统模型仿真所运行的结果都比较符合实际，相应的直流电压响应遵循实际的控制指令，输电线路上的直流电压和给定的参考 值是吻合的，测量值也在正常范围。结果可信。 [0078] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。 |
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