本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向功率特性的uhvdc簡(jiǎn)化仿真模型，適用于對(duì)大電網(wǎng)機(jī)電過(guò)程的仿真計(jì)算。

背景技術(shù)：

直流特高壓(uhvdc)是指±800kv及以上電壓等級(jí)的直流輸電及相關(guān)技術(shù)，是世界上電力大國(guó)解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個(gè)重要手段，是全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。為了得到滿意的運(yùn)行特征，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段和實(shí)際運(yùn)行中，必須預(yù)計(jì)到高壓直流輸電系統(tǒng)的性能、可能出現(xiàn)的問(wèn)題及其解決方法。特高壓直流系統(tǒng)的運(yùn)行受發(fā)生在直流線路、換流器或交流系統(tǒng)的上的故障影響。故障的影響通過(guò)換流器控制的動(dòng)作反映出來(lái)。因此，對(duì)于交流系統(tǒng)及其直流系統(tǒng)故障，高壓直流系統(tǒng)要有滿意的響應(yīng)，換流器起著決定性作用。現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析主要以計(jì)算機(jī)為工具，電力系統(tǒng)的仿真結(jié)果是否與實(shí)際物理系統(tǒng)相一致，很大程度上取決于仿真模型的精確性。

一方面，現(xiàn)有的大部分仿真軟件的直流換流站模型都很粗糙，換流站出口母線的無(wú)功/電壓特性就更不準(zhǔn)確了。另一方面，現(xiàn)有仿真模型，都是基于電磁過(guò)程的，考慮了詳細(xì)的半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)特性，以及詳細(xì)的控制器模型，各個(gè)元件以及控制器的動(dòng)態(tài)行為復(fù)雜，使得仿真時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算量過(guò)大。

因此，有必要提出一種適用于大電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)分析的uhvdc簡(jiǎn)化仿真模型，在保證足夠精確度的基礎(chǔ)上，反應(yīng)換流站對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的影響。重點(diǎn)考慮電網(wǎng)電壓、頻率發(fā)生變化后，換流站的輸出特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種面向功率特性的uhvdc簡(jiǎn)化仿真模型，減少了仿真計(jì)算量，在保證精確度的基礎(chǔ)上，反應(yīng)換流站對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的影響。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種面向功率特性的uhvdc簡(jiǎn)化仿真模型，其特征是，包括，

用于模擬整流側(cè)的受控電流源；

用于模擬逆變側(cè)的受控電壓源；

實(shí)時(shí)采集換流母線電壓、直流電壓、直流電流的輸入模塊；

用于存儲(chǔ)各運(yùn)行狀態(tài)模式下對(duì)應(yīng)的換流器控制角目標(biāo)值的模式選擇模塊；

用于建立換流器控制角與直流量之間關(guān)系的轉(zhuǎn)換模塊；

用于控制受控電壓源及受控電流源輸出對(duì)應(yīng)的直流電壓及直流電流目標(biāo)值的輸出模塊；

用于計(jì)算換流站對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)響應(yīng)的功率計(jì)算模塊；

輸入模塊將采集的換流母線電壓、直流電壓、直流電流送入模式選擇模塊，模式選擇模塊根據(jù)當(dāng)前直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)獲得對(duì)應(yīng)的換流器控制角目標(biāo)值，轉(zhuǎn)換模塊基于此換流器控制角目標(biāo)值獲得直流量目標(biāo)值送入輸出模塊，控制受控電壓源及受控電流源按照對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值運(yùn)行，功率計(jì)算模塊基于輸入模塊送入的直流電壓電流值獲得直流系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)中的有功功率以及換流站與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率。

進(jìn)一步的，運(yùn)行狀態(tài)模式包括換相失敗、單極閉鎖、雙極閉鎖以及單極閉鎖加極功率轉(zhuǎn)移。

進(jìn)一步的，換流器控制角包括整流器觸發(fā)角α和逆變器熄弧角γ。

進(jìn)一步的，換流器控制角建模的具體過(guò)程如下：

1)獲取運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的整流器觸發(fā)角α和逆變器熄弧角γ的變化曲線；確定變化的不同階段以及每個(gè)階段的特征；

2)針對(duì)每個(gè)階段的整流器觸發(fā)角α和逆變器熄弧角γ特征采用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行擬合，得到各自的分段函數(shù)模型；并通過(guò)分時(shí)序投切來(lái)切換各分段函數(shù)。

進(jìn)一步的，直流電壓、直流電流與整流器觸發(fā)角α、逆變器熄弧角γ的關(guān)系為

id＝(ur-ui)/r

式中，xr、xi分別為整流器、逆變器的換流變壓器的換相電抗，rr、ri為直流平波電抗和換流變壓器以及換流器損耗對(duì)應(yīng)的電阻，udr、udi分別表示整流器、逆變器直流電抗器出口的直流輸電線側(cè)直流電壓，ur、ui分別表示整流器、逆變器的交流側(cè)電壓有效值，xr、xi分別表示整流器、逆變器的換流變壓器的換相電抗，r表示直流輸電線的電阻；id表示直流電流。

進(jìn)一步的，有功功率為等效電流源輸出的直流電流與等效電壓源輸出的直流電壓的乘積。

進(jìn)一步的，由換流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)公式計(jì)算出換流站與交流系統(tǒng)間交換的無(wú)功功率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：本發(fā)明忽略換流站內(nèi)部快速的動(dòng)態(tài)過(guò)程，只考慮換流站穩(wěn)定運(yùn)行中，受到電網(wǎng)狀態(tài)變化影響后的響應(yīng)行為，將兩側(cè)換流站等效為受控電壓源或受控電流源。選取高壓直流輸電系統(tǒng)中典型的運(yùn)行狀態(tài)，作為預(yù)設(shè)模式，分析該預(yù)設(shè)模式下?lián)Q流器控制角的變化規(guī)律，建立控制角的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型，簡(jiǎn)化了控制器模型。本發(fā)明在保證足夠精確度的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了控制器調(diào)節(jié)過(guò)程，減少了仿真計(jì)算量，適用于換流站機(jī)電暫態(tài)仿真分析。

附圖說(shuō)明

圖1直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成圖；

圖2高壓直流輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)化仿真模型結(jié)構(gòu)圖；

圖3控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4換相失敗狀態(tài)下的換流器控制角動(dòng)態(tài)曲線圖；

圖5換相失敗狀態(tài)下的控制器控制角等效模型圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

現(xiàn)有技術(shù)中直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，送端系統(tǒng)送出交流電經(jīng)換流變壓器和整流器變換成直流電，然后由直流線路將直流電輸送給逆變站，經(jīng)逆變器和換流變壓器再將直流電變換成交流電，送入受端交流系統(tǒng)。完成交直流變換的站稱為換流站，將交流電變換為直流電的換流站稱為整流站(或稱為整流器)，而將直流電變換為交流電的換流站稱為逆變站(或稱為逆變器)。圖1中ur、ui分別代表整流器、逆變器的交流側(cè)電壓有效值；xr、xi分別表示整流器、逆變器的換流變壓器的換相電抗；udr、udi分別表示整流器與逆變器的直流電抗器出口的直流輸電線側(cè)直流電壓；r表示直流輸電線的電阻；id表示直流電流。

本發(fā)明的一種面向功率特性的uhvdc簡(jiǎn)化仿真模型如圖2所示，包括，

用于模擬整流側(cè)的受控電流源；

用于模擬逆變側(cè)的受控電壓源；

實(shí)時(shí)采集換流母線電壓、直流電壓、直流電流的輸入模塊；

用于存儲(chǔ)各運(yùn)行狀態(tài)模式下對(duì)應(yīng)的換流器控制角目標(biāo)值的模式選擇模塊；

用于建立換流器控制角與直流量之間關(guān)系的轉(zhuǎn)換模塊；

用于控制受控電壓源及受控電流源輸出對(duì)應(yīng)的直流電壓及直流電流目標(biāo)值的輸出模塊；

用于計(jì)算換流站對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)響應(yīng)的功率計(jì)算模塊；

輸入模塊將采集的換流母線電壓、直流電壓、直流電流送入模式選擇模塊，模式選擇模塊根據(jù)當(dāng)前直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)獲得對(duì)應(yīng)的換流器控制角目標(biāo)值，轉(zhuǎn)換模塊基于此換流器控制角目標(biāo)值獲得直流量目標(biāo)值送入輸出模塊，控制受控電壓源及受控電流源按照對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值運(yùn)行，功率計(jì)算模塊基于輸入模塊送入的直流電壓電流值獲得直流系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)中的有功功率以及換流站與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率。

圖2中各變量的含義為：udr、udi分別表示整流器、逆變器直流電抗器出口的直流輸電線側(cè)直流電壓，ur、ui分別表示整流器、逆變器的交流側(cè)電壓有效值。，xr、xi分別表示整流器、逆變器的換流變壓器的換相電抗，rr、ri分別表示整流側(cè)、逆變側(cè)的直流平波電抗和換流變壓器以及換流器的損耗對(duì)應(yīng)的電阻，pr、pi分別表示整流站、逆變站注入交流系統(tǒng)的有功功率，qr、qi分別表示整流站、逆變站與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率；r表示直流輸電線的電阻；id表示直流電流。

下面針對(duì)仿真模型中的各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)描述：

1)等效受控源

現(xiàn)有的仿真軟件的直流換流站模型過(guò)于粗糙，無(wú)法準(zhǔn)確模擬出換流站對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的響應(yīng)(直流系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)中的有功功率以及換流站與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率)。若不考慮換流站的啟動(dòng)、運(yùn)行、潮流反轉(zhuǎn)等狀態(tài)，只考慮換流站穩(wěn)定運(yùn)行中，受到電網(wǎng)狀態(tài)變化影響后的響應(yīng)行為(此響應(yīng)主要指直流系統(tǒng)在發(fā)生故障期間，其直流電壓電流、有功功率、無(wú)功功率的變化特征)，對(duì)換流站采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?定電壓控制、定電流控制、定熄弧角控制等等)可以控制直流電壓、電流維持在恒定值。為模擬電壓電流可控的特性，采用受控源進(jìn)行等效。其實(shí)，整流站和逆變站都可以等效為受控電壓源或受控電流源，且其中一個(gè)等效為電壓源，則另一個(gè)必須等效為電流源。本發(fā)明實(shí)施例中，整流側(cè)基本控制直流系統(tǒng)的直流電流，可以等效為受控電流源，模擬了直流輸電系統(tǒng)的電流受控特性；逆變側(cè)基本控制直流電壓，可等效為受控電壓源，模擬了直流輸電系統(tǒng)的電壓受控特性。

2)模式選擇模塊

現(xiàn)有仿真模型，大部分都是基于電磁暫態(tài)過(guò)程，考慮了詳細(xì)的半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)特性，以及詳細(xì)的控制器模型。計(jì)算步長(zhǎng)小，計(jì)算量大，不適合大電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)過(guò)程及電壓穩(wěn)定問(wèn)題的仿真研究。

本發(fā)明選取幾種典型運(yùn)行狀態(tài)，包括換相失敗、單極閉鎖、雙極閉鎖以及單極閉鎖加極功率轉(zhuǎn)移，作為預(yù)設(shè)的運(yùn)行狀態(tài)模式。結(jié)合實(shí)際控制系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，尋找換流器控制角的變化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)控制角進(jìn)行建模，建模的具體過(guò)程如下：

1)對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)中大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及內(nèi)部機(jī)理進(jìn)行分析，研究不同運(yùn)行狀態(tài)下?lián)Q流器控制角(整流器觸發(fā)角α和逆變器熄弧角γ)的規(guī)律性，或者利用現(xiàn)有的詳細(xì)模型仿真獲得動(dòng)態(tài)曲線，得到相應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)下的控制角變化特征。

2)對(duì)整流器觸發(fā)角α和逆變器熄弧角γ進(jìn)行建模。為降低建模難度，采用分段函數(shù)表示控制角變化曲線，并通過(guò)分時(shí)序投切來(lái)模擬控制角的整體變化特征。

控制角采用分段函數(shù)來(lái)表示，可以降低建模難度。每種預(yù)設(shè)模式下，都對(duì)應(yīng)一個(gè)用來(lái)表示相應(yīng)控制角的簡(jiǎn)單分段函數(shù)。這樣，直流模型中的控制器調(diào)節(jié)過(guò)程將被大大簡(jiǎn)化，能夠減少仿真的計(jì)算量。

3)直流量計(jì)算模塊

建立控制角的分階段函數(shù)表達(dá)式模型之后，將觸發(fā)角α、熄弧角γ、交流電壓作為直流量計(jì)算模塊的輸入量，參見(jiàn)圖3，直流量計(jì)算模塊建立了換流器控制角與直流量之間的聯(lián)系。經(jīng)過(guò)直流量計(jì)算模塊得到的直流電壓電流值，作為受控電壓源和受控電流源的控制量?？刂屏拷?jīng)過(guò)輸出模塊輸入受控電壓源或受控電流源，進(jìn)而分別輸出直流電壓與直流電流，完整地模擬出直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

直流電壓、直流電流與整流器觸發(fā)角α、逆變器熄弧角γ的關(guān)系為：

id＝(ur-ui)/r

式中，xr、xi分別為整流器、逆變器的換流變壓器的換相電抗，rr、ri為直流平波電抗和換流變壓器以及換流器損耗對(duì)應(yīng)的電阻，udr、udi分別表示整流器、逆變器直流電抗器出口的直流輸電線側(cè)直流電壓，ur、ui分別表示整流器、逆變器的交流側(cè)電壓有效值，xr、xi分別表示整流器、逆變器的換流變壓器的換相電抗，rr、ri分別表示整流側(cè)、逆變側(cè)的直流平波電抗和換流變壓器以及換流器的損耗對(duì)應(yīng)的電阻，r表示直流輸電線的電阻；id表示直流電流。

建立控制角的分階段函數(shù)表達(dá)式模型之后，經(jīng)上述關(guān)系式分別得到直流電壓、直流電流的分段函數(shù)表達(dá)式模型，直流電壓分段函數(shù)模型用受控電壓源等效，直流電流分段函數(shù)用受控電流源等效。因此，可以完整的模擬出直流系統(tǒng)的運(yùn)行特征。

4)功率計(jì)算模塊

當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)處于不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮換流站的輸出特性。即考慮電網(wǎng)電壓、頻率出現(xiàn)擾動(dòng)，甚至發(fā)生換相失敗、單極閉鎖、雙極閉鎖等極端情況，換流站注入電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率如何變化。忽略換流站的損耗，等效電流源輸出的直流電流與等效電壓源輸出的直流電壓的乘積，即換流站注入到交流系統(tǒng)的有功功率(pr、pi)。由換流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)公式表示功率因數(shù)，xc代表?yè)Q流變壓器的換相電抗，id為直流電流，u表示換流器交流側(cè)電壓有效值，p表示換流站注入交流系統(tǒng)的有功功率、q表示換流站與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率。計(jì)算出換流站與交流系統(tǒng)間交換的無(wú)功功率(qr、qi)。

實(shí)施例

換相失敗是直流換流站最常見(jiàn)的故障之一，以換相失敗為例，詳述本發(fā)明仿真建模的具體過(guò)程，包括如下步驟：

1)對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)中大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及內(nèi)部機(jī)理進(jìn)行分析，研究換相失敗時(shí)換流器控制角(整流器觸發(fā)角α和逆變器熄弧角γ)的規(guī)律性，或者利用現(xiàn)有的詳細(xì)模型仿真獲得動(dòng)態(tài)曲線，得到換相失敗時(shí)控制角的變化特征。換向失敗時(shí)控制角的變化如圖4所示，圖4(a)為整流器的延遲觸發(fā)角α的變化曲線，圖4(b)為逆變器的延遲觸發(fā)角α的變化曲線，已知逆變器熄弧角γ與逆變器延遲觸發(fā)角α關(guān)系式為γ＝π-α-μ，其中，μ為疊弧角。因此，由圖4(b)的變化曲線可知逆變器熄弧角γ的變化曲線。

2)對(duì)整流器和逆變器延遲觸發(fā)角α進(jìn)行建模。采用分段函數(shù)來(lái)擬合控制角變化曲線，并通過(guò)分時(shí)序投切來(lái)模擬控制角的整體變化特征。經(jīng)觀察可知，曲線主要由下降、維持以及上升段組成，其中下降或上升段采用爬坡函數(shù)來(lái)進(jìn)行擬合，維持段采用常數(shù)函數(shù)來(lái)進(jìn)行擬合。針對(duì)圖4的曲線進(jìn)行擬合后的結(jié)果如圖5所示，圖5(a)為整流器的延遲觸發(fā)角α的擬合曲線，圖5(b)為逆變器的延遲觸發(fā)角α的擬合曲線。圖中，采用爬坡函數(shù)表示曲線的升降特性，采用常數(shù)函數(shù)表示曲線的維持特性。

3)建立控制角的分階段函數(shù)表達(dá)式模型之后，經(jīng)直流量計(jì)算模塊得到直流電壓、直流電流的分段函數(shù)表達(dá)式模型，直流電壓分段函數(shù)模型用受控電壓源等效，直流電流分段函數(shù)用受控電流源等效。

4)換流站注入到交流系統(tǒng)的有功功率等于電流源輸出的直流電流與等效電壓源輸出的直流電壓的乘積。由換流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)公式計(jì)算出換流站與交流系統(tǒng)間交換的無(wú)功功率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。