一种适用于特高压直流闭锁后的逆变站功率建模方法与流程

本发明涉及电力系统建模技术领域，具体涉及一种适用于特高压直流闭锁后的逆变站功率建模方法，此模型可用于研究特高压直流闭锁后对受端的影响，可应用于实际交流电网机电过程的仿真研究与工程。

背景技术：

特高压直流输电(UHVDC)具有输送容量大，输电损耗小，传输距离长等优点，有助于我国实现能源资源的优化配置，因而发展十分迅速，其在我国“西电东送”的战略中发挥了重要的作用。

日常运行中直流输电系统换流器故障或直流线路故障会引起直流系统换相失败或直流闭锁，在交直流混联电网中，直流与交流相互影响，交流系统侧短路故障会引起直流系统换相失败甚至直流闭锁故障。但其发生闭锁后，会对受端交流电网造成严重的影响。特高压逆变站发生闭锁后，受端电网受到的影响主要是由该站输出的有功和无功大幅变化造成的。

而现如今针对特高压直流闭锁后逆变站输出有功和无功的研究较少，描述其功率变化特性的模型更是缺乏。因而，建立闭锁后逆变站输出功率模型，并且应用于实际交流电网机电过程的仿真研究与工程，可为进一步研究闭锁情况下受端电网的动态影响提供必要的基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种适用于特高压直流闭锁后的逆变站功率建模方法，分别提出了特高压直流闭锁情况下的逆变站有功模型建模方法和无功模型建模方法，可应用于实际交流电网机电过程的仿真研究和工程。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于特高压直流闭锁后的逆变站功率建模方法，其特征是，功率包括有功功率及无功功率，其中有功功率的建模过程包括以下步骤：

步骤S11，单极闭锁后完成极间功率转移，计算健全极所需电流参考值I_ref健全极；

步骤S12，有功功率为直流电流与直流电压的乘积，当I_ref健全极不超过最大允许额定电流I_max，有功输出模型为：

其中，P₀为正常运行时的逆变站输出的有功功率；t₀时刻发生单极闭锁，P_min闭锁后直流功率降到的最低功率值，τ为极功率转移时间，I_ref健全极对应的极电压为电压U_d1；

当I_ref健全极超过了最大允许额定电流I_max时，有功输出模型为：

其中，k为过载运行倍数，t_k为过载运行时间，k·I_max对应的极电压为电压U_d2；I_max对应的极电压为电压U_d3；

无功功率的建模过程，包括以下步骤：

步骤S21，在极功率转移过程中，根据不同阶段的有功功率确定此阶段的无功消耗值Q_c；

步骤S22，根据当前运行的无功补偿设备组数计算逆变站无功设备补偿无功功率Q_f；

步骤S23，根据公式Q_i＝Q_f-Q_c计算逆变站输出无功Q_i；

步骤S24，按照直流系统的无功控制策略判断无功功率是否在允许范围内并进行无功补偿设备的投切，重复以上过程，当无功功率不再变化后，逆变站输出无功模型可得出。

进一步的，单极闭锁后健全极所需电流计算公式为：

其中，P_ref为极功率参考值，P_损失为故障极的传输功率，U_双极、U_健全极分别为运行时的双极电压和健全极电压。

进一步的，逆变侧无功消耗计算公式如下：

其中，为逆变侧的功率因数，P_d为直流有功，Q_c为逆变侧消耗无功功率。

进一步的，单组无功补偿装置能够提供的无功功率由以下公式计算：

式中，U_i、U_N分别为正常运行时交流系统电压与额定交流系统电压；Q_f0,Q_fN分别为正常运行时交流系统电压下的相应无功功率与额定交流系统电压下的无功功率；

则无功补偿设备提供的无功功率计算公式为：

Q_f＝nQ_f0

式中，n为当前投入运行的无功设备组数。

进一步的，无功功率的控制方法为：

1)当满足Q_f-Q_c≤Q_min时，无功设备提供的无功不足以弥补换流站消耗的无功，换流站从交流系统吸收无功，此时无功控制发出无功补偿装置投入命令，经过时间t₁后投入无功设备；

2)当满足Q_f-Q_c≥Q_max时，无功设备提供的无功多余换流站所消耗的无功，换流站向交流系统注入多余的无功，此时无功控制发出无功补偿装置切除命令，经过时间t₂后切除无功设备。

进一步的，U_d1、U_d2、U_d3值根据直流系统控制特性图确定。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明在结合特高压直流闭锁后的极功率转移及无功控制原理的基础上，提出了特高压直流闭锁后的逆变站输出模型。针对逆变站输出有功给出了具体的时域数学模型，针对逆变站输出无功给出了详细的无功模型建模流程。该模型具有一定的正确性和有效性，可应用实际交流电网机电过程的仿真研究与工程，有助于更有效地研究特高压直流闭锁后对受端电网的影响。

附图说明

图1是特高压直流单极闭锁后的极功率转移流程；

图2是特高压直流输电系统的基本控制特性；

图3是极功率转移过程中健全极的电流参考值变化图；

图4是本发明建立的有功模型和实测数据的对比；

图5是逆变站无功模型的建模流程；

图6是逆变器功率特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种适用于特高压直流闭锁后的逆变站功率建模方法，功率包括有功功率及无功功率，其中有功功率的建模过程包括以下步骤：

步骤S11，单极闭锁后完成极间功率转移，计算健全极所需电流参考值I_ref健全极；

特高压直流输电系统采用双极两端中性点接地方式，每极采用2个12脉动换流器串联的接线方式。双极(正负极)同时运行，当某一极的设备或系统出现问题时，此极称为故障极，相应的另一极称为健全极。

当特高压直流系统发生单极闭锁时，完成极间功率转移(PPT)功能，即将故障极的功率转移到健全极上。将故障极的功率转移到健全极上的流程大致如图1所示：双极控制层接收到极功率参考值P_ref后，当一极发生闭锁后，故障极处于闭锁状态，而健全极仍处于双极功率控制模式，为了维持传输功率不变，极间功率转移功能将故障极损失的功率P_损失送到健全极，健全极将其转换成电流指令I_ref补偿后加到本极的电流指令I_ref原上以补偿损失的传输功率。最后，双极控制层将电流指令值I_ref健全极传送到健全极的换流器控制层。

因此，单极闭锁后健全极所需电流计算公式为：

其中，P_ref为极功率参考值，P_损失为故障极的传输功率，U_双极、U_健全极分别为运行时的双极电压和健全极电压，这些参数都可以根据当前直流系统运行状态直接得到。

步骤S12，确定极功率转移过程中不同阶段的有功功率模型。

单极闭锁后，健全极的直流电压在逆变站控制方式下会因直流电流的变化而产生一定的变化。如图2控制特性图所示，横坐标I_d代表直流电流，纵坐标U_d代表直流电压；α代表整流侧的触发角，γ代表逆变侧的熄弧角。整流侧基本控制特性由定电流特性(图中直线IC段)和定触角α₀特性(JI段)组成；逆变侧基本控制特性由定电压特性(BK段)和定电流特性(BE段)组成；正常时由整流器定电流特性决定运行电流，由逆变器定电压特性决定运行电压(即图2中的点A)。

在极功率转移过程的不同阶段，健全极的电流参考值会有改变，参见图3所示，即代表定电流控制的IC会移动(移动至各虚线)；运行点A也会因此移动至A′,A″,A″′,各运行点的纵坐标为各自的直流电压。因此，运行点A也会变化，导致直流电压变化。已知直流的有功功率为直流电流与直流电压的乘积，为了模型的精确性，需将直流电压的变化考虑在内。

逆变站有功模型的建立准则为直流系统电流与逆变站电压的乘积。当I_ref健全极在电流允许范围内时，I_ref健全极不超过最大允许额定电流I_max，经现有工程观察总结得到的，单极闭锁后的逆变站有功输出模型为：

分为三个阶段：在t₀时刻前，直流系统未发生闭锁，则逆变站输出有功功率为初始值P₀(正常运行时的有功功率)；t₀时刻发生单极闭锁，故障极的功率几乎瞬间降为0，健全极的功率会受故障极影响降到最低功率值P_min，同时极功率转移功能起作用，有功开始恢复，极功率转移时间为τ，从最低功率值P_min到极功率完成后功率值之间的过程采用直线爬坡过程模拟，斜率就是在经过短暂的时间τ后，即极功率转移完成后，健全极的电流参考值变为I_ref健全极，此时I_ref健全极对应的极电压为电压U_d1，此这个阶段的有功功率就是这两个值的乘积。

P_min为闭锁后直流功率降到的最低功率值，由大量数据分析可得，P_min与P_健全存在一定的倍数关系，即P_min＝λP_健全，P_健全此功率值是正常运行时(即闭锁前)健全极的直流有功，正常运行时此值是已知的。当健全极为全压运行时，λ为0.6；当健全极为半压运行时，λ为0.3。电压U_d1值需要根据直流系统控制特性图确定。τ代表极功率转移完成的时间，在实际工程中此过程时间很短暂，一般为几百毫秒，此参数对模型影响较小，可以给定为0.15s。

当I_ref健全极超过了最大允许额定电流I_max时，经现有工程观察总结得到的，单极闭锁后的逆变站有功输出模型为：

分为四个阶段：在t₀时刻前，直流系统未发生闭锁，则逆变站输出有功功率为初始值P₀；t₀时刻发生单极闭锁，故障极的功率几乎瞬间降为0，健全极的功率会受故障极影响降到P_min，同时极功率转移功能起作用，有功开始恢复，极功率转移时间为τ，从最低功率值P_min到过载运行状态的有功功率值之间的过程采用直线爬坡过程模拟，斜率为在经过短暂的时间τ后，即极功率转移后，为过载运行状态，健全极先以k倍的最大允许额定电流I_max运行t_k秒，此时k·I_max对应的极电压为电压U_d2，有功等于直流电流k·I_max乘以直流电压U_d2；之后电流回降至最大额定电流I_max运行的最终稳定阶段，此时I_max对应的极电压为电压U_d3，有功等于直流电流I_max乘以直流电压U_d3。

其中，U_d2、U_d3分别是直流电流参考值为k·I_max、I_max时对应的直流极电压，U_d2、U_d3值需要根据直流系统控制特性图确定。最大允许运行额定电流I_max、过载运行倍数k以及过载运行时间t_k是直流工程中设置好的参数，可以直接获取。

以河南天中直流工程某次闭锁的实测数据，对应公式(3)的模型建立逆变站有功模型，并将模型与实测数据对比，结果如图4所示，说明了此模型的正确性、有效性，能够准确表示闭锁后有功的变化。

无功功率的建模过程，如图5所示，包括以下步骤：

步骤S21，在极功率转移过程中，根据不同阶段的有功功率确定此阶段的无功消耗值Q_c。

在极功率转移过程中，由于直流有功的大幅度变化，换流站消耗的无功也会跟随直流有功产生变化。现有技术中已有稳态情况下，逆变侧无功消耗计算公式如下：

其中，U_d为逆变侧电压，I_d为直流电流；U_i为换流母线的交流电压；X_i为换流变漏抗，为逆变侧的功率因数，P_d为直流有功，Q_c为逆变侧消耗无功功率。也就是说，在运行方式和运行参数都确定的情况下，消耗无功随着有功变化的运行曲线能够确定，图6曲线是根据此公式在定γ角控制下作出的逆变侧有功与无功的关系图。即对应每个有功值必有一个确定的无功消耗值。因此，可以根据不同阶段的有功功率确定此阶段的无功消耗值。

步骤S22，根据当前运行的无功补偿设备组数计算逆变站无功设备补偿无功功率Q_f。

单组无功补偿装置能够提供的无功功率由以下公式计算：

式中，U_i、U_N分别为正常运行时交流系统电压与额定交流系统电压；Q_f0,Q_fN分别为正常运行时交流系统电压下的相应无功功率与额定交流系统电压下的无功功率。其中Q_fN、U_N为单组无功补偿设备的在额定电压下的无功功率(或称为额定补偿功率)及其额定电压，用户可以直接给定。

进一步，无功补偿设备提供的无功功率需按照当前投入运行的无功补偿设备组数计算，即

Q_f＝nQ_f0 (6)

式中，n为当前投入运行的无功设备组数，Q_f0为当前电压下单组无功补偿装置提供的无功功率。

步骤S23，根据公式Q_i＝Q_f-Q_c计算逆变站输出无功Q_i。

根据当前无功补偿容量和逆变站无功消耗计算逆变站输出到交流系统的无功功率，计算公式为：

Q_i＝Q_f-Q_c (7)

步骤S24，按照直流系统的无功控制策略判断无功功率是否在允许范围内(限值[Q_min,Q_max])并进行无功补偿设备的投切，重复以上过程，当无功功率不再变化后，逆变站输出无功模型可得出。

已知，现有技术中无功功率控制策略为：

1)当满足Q_f-Q_c≤Q_min时，无功设备提供的无功不足以弥补换流站消耗的无功，换流站从交流系统吸收无功，此时无功控制发出无功补偿装置投入命令，经过指定时间t₁后投入无功设备。

2)当满足Q_f-Q_c≥Q_max时，无功设备提供的无功多余换流站所消耗的无功，换流站向交流系统注入多余的无功，此时无功控制发出无功补偿装置切除命令，经过指定时间t₂后切除无功设备。

进而按照直流系统的无功控制策略判断无功功率是否在允许范围内(限值[Q_min,Q_max])并进行无功补偿设备的投切。无功投切策略中的最小投切组数、限值Q_min、Q_max以及投切时间t₁、t₂都是在站控中已经设定好，用户可直接获取。

按照时间的推移计算单极闭锁后的每个时间点的逆变站输出无功Q_i＝Q_f-Q_c，重复以上无功功率控制策略，当无功功率不再变化后，逆变站输出无功模型可得出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。