受端大电网和特高压直流系统交互仿真模型建模方法与流程

本发明属于特高压直流输电系统分析与建模领域，涉及特高压逆变站运行机理与建模方法。

背景技术：

直流输电具有输电距离不受同步运行的稳定极限限制、输送容量大、线路损耗小、功率调节快速灵活、非同步联络能力强等优点，在我国具有非常广阔的发展前景。相比高压直流输电，特高压直流输电(±800kv)，具有输电距离更长、输送容量更大、线损更低、运行方式更为灵活等优势，目前正在我国快速发展。高压/特高压直流输电在带来巨大效益的同时，也给两端交流系统的安全稳定运行带来诸多不利的影响。直流输电系统对于受端交流系统表现为不良的无功负荷特性，在为受端交流系统提供电力的同时，其消耗的无功功率约占传输功率的40％一60％，这无疑给受端交流系统的电压支撑带来了巨大的压力，使得大干扰后交直流系统的暂态电压稳定性面临严峻考验，尤其在受端交流系统相对较弱时更是如此。换相失败是直流输电系统运行中最常见的故障之一，它将导致直流电流增大，直流输送功率减少，严重时将导致直流闭锁，这会引起交流通道上大规模的功率转移，可能威胁受端交流系统的暂态稳定性。总之，直流系统嵌入交流系统运行后将使受端电网面临诸多挑战，严重时可能威胁到整个交直流电力系统的安全稳定运行，有必要从安全稳定的角度对交直流电力系统的运行进行全面的分析。

研究交直流系统的各种性态，需要建立准确的仿真模型。传统的直流准稳态模型和机电过程的模型己经不能满足精确分析大系统的需要，

一方面，现有的大部分商业仿真软件的直流换流站模型都很粗糙，大部分网、省公司的仿真软件版本，都没有配置相应的换流站模型；有的机电暂态仿真软件采用准稳态模型描述换流站，然而准稳态在系统发生不对称故障时并不适用。另一方面，现有仿真模型，都是基于电磁过程的，考虑了详细的半导体器件开关特性，以及详细的控制器模型，计算步长小，计算量大，不适合大电网机电暂态过程及电压稳定问题的仿真研究。针对这方面的问题，国内清华大学、中国电科院等单位也正在从事这方面的研究工作。比如，清华大学之前就在尝试用rtds和matlab进行混合仿真，提高仿真的速度，但是其换流器模型仍然用的是详细模型。

技术实现要素：

针对上述问题，为了更为精准地描述特高压逆变站在大扰动下的功率波动特性，同时使得所建模型有一定的适用性和易用性，本发明提出一种受端大电网和特高压直流系统交互仿真模型建模方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

如图1所示，一种受端大电网和特高压直流系统交互仿真模型建模方法，逆变站的模型结构分解成若干个局部模块，包括阀组模块、换流变压器模块、无功补偿设备模块和控制器模块，对所述阀组模块、换流变压器模块、无功补偿设备模块和控制器模块分别建模；

根据直流系统的运行机理与事件驱动型模型结构，将阀组模块、换流变压器模块、无功补偿设备模块和控制器模块的模型结构连接，形成整体的逆变站仿真模型，对常数参数进行预先赋值，确定重点参数，通过调节重点参数，辨识出模型中待辨识参数。

阀组模块、换流变压器模块和无功补偿设备模块都与控制器模块连接，阀组模块与换流变压器模块相连接，换流变压器模块与无功补偿设备模块相连接。换流母线电压u1通过换流变压器模块后，将交流电压u输入到换流阀组；控制器确定换流阀组和换流变压器模块的参数；换流阀组输出有功功率p和无功功率q，有功功率p和无功功率q输入到换流变压器模块，换流变压器模块的输出为换流变压器模块的有功功率ps和无功损耗后的无功功率qs1；换流母线电压u1输入到无功补偿设备，无功补偿设备输出无功功率qs2；无功补偿设备的输出无功功率qs2与换流变压器模块的输出无功功率qs1加和为直流系统传输到交流系统的无功功率qs。

阀组模块用于仿真逆变站中阀组在大扰动下的功率波动特性；

特高压逆变站存在两个极，每个极有两个阀组，每个阀组为一个十二脉动的换流器；分析换流器逆变侧直流电压ud和直流电流idc变化，计算换流器的有功功率p和无功功率q，即换流阀组输出有功功率p和无功功率q；

通过公式p＝ud*idc计算换流器的有功功率p；

无功功率q通过公式q＝p*tanγ计算，式中γ为熄弧角。

换流变压器模块ht用于仿真换流变压器输入功率p与输出功率ps的关系；

ps＝λ1p，(1)

其中，ps为换流变压器的输出功率，p为换流变压器输入功率；

λ1表示换流变压器有功功率的输入输出关系系数；λ2表示换流变压器的无功功率损耗；k为换流变压器变比；qs为换流变压器输出的无功功率，q为换流变压器输入的无功功率。

无功补偿设备模块用于逆变站中无功补偿设备的功率描述，无功补偿设备包括滤波器和动态无功补偿设备svg；

qf＝qc(3)

qg＝nqf,n＜1(5)

滤波器的无功功率qf为滤波器主电容器的无功功率qc，主电容器发出的无功功率qc与主电容器端电压有关，通过式(4)计算主电容器的无功功率qc；

动态无功补偿设备svg的无功功率qg通过式(5)计算，公式(5)用于描述无功补偿设备svg与滤波器(交流滤波器)的容量配置关系；

其中，us为交流系统电压，ci为第i个滤波器(交流滤波器)的电容值，i和m为交流滤波器编号，i＝1,2,...m，n为动态无功补偿设备svg的无功功率与滤波器的无功功率的比例系数。

控制器模块依据事件驱动策略仿真控制器；

对于不同的扰动，控制器模块进行状态判定，根据状态判定结果产生相应的动作行为，驱动仿真模型结构改变，使得逆变站功率输出发生变化；

对于交流系统故障，以交流系统的正序电压衡量交流系统故障的严重程度；

以速断保护能否将交流系统故障切除作为交流系统状态变化以及仿真模型结构变化的判据，若速断保护能够正确动作切除交流系统故障，则阀组不会被闭锁；若速断保护没有正确动作切除交流系统故障，则阀组被闭锁；

综合交流系统正序电压u1、逆变侧直流电压ud和直流电流id判断直流系统是否发生故障，执行控制器控制策略；

控制器控制策略为表1，其中，u1为交流系统正序电压，t1为速断保护动作时限，ud为逆变侧直流电压，udn为额定直流电压，idn为额定直流电流；udi为不同故障状态下逆变侧直流电压，idci不同故障状态下为直流电流，i＝1,2,3,4。

表1控制器控制策略

重点参数包括正序电压幅值、正序电压持续时间u1(t)、直流系统初始功率p0、极功率转移功能是否投入和无功补偿设备的投切。

待辨识参数包括有功功率限幅值、限幅时间、有功功率恢复爬坡率、有功功率闭锁系数、无功功率冲击幅度、无功功率恢复爬坡率、闭锁后无功冲击值和交流滤波器全部切除后逆变站输出的无功功率。

常数参数包括换流器的时间常数。

本发明的有益效果是：本发明忽略了阀组中半导体器件的开关过程，简化了逆变站的控制方式，使得模型得到简化；根据逆变站的组成，将逆变站的模型结构分解成若干个子模块，包括阀组模块、换流变压器模块、无功补偿设备模块、控制器模块，对上述四个模块分别建模；根据直流系统的运行机理与事件驱动的总体模型结构，将上述四个模块结构连接在一起，形成整体的逆变站模型；依据事件驱动思想设计了模型控制器，使得模型输出有一定的精准度，同时有利于实现交直流系统交互仿真。与传统的电磁暂态模型相比，该模型更为简单，使用该模型计算量小；相较于现有的直流逆变站模型而言，该模型对大扰动下逆变站的功率描述更为精准，模型不会过于复杂，有一定的适用性和易用性，适用于大电网的机电暂态仿真分析，具有足够的精度能够准确反映大扰动下逆变站的功率变化，忽略直流系统电磁暂态使其能够用于大电网的机电过程仿真，从而为大型系统的精确分析和采取的一些相关措施提供有力的手段和工具。

附图说明

图1是本发明一种受端大电网和特高压直流系统交互仿真模型建模方法结构图；

图2是本发明的事件驱动策略原理图；

附图的标记含义如下：

p：阀组输出的有功功率；q：阀组输出的无功功率；ps：注入交流系统的有功功率；qs：注入交流系统的无功功率；u：交流电压；us：交流系统电压；k：换流变压器变比；kref：换流变压器变比参考值；idc：直流电流；hc：阀组；ht：换流变压器；hf：滤波器；hg：svg；f：交流系统频率。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1，一种受端大电网和特高压直流系统交互仿真模型建模方法，逆变站的模型结构分解成若干个局部模块，包括阀组模块hc、换流变压器模块ht、无功补偿设备模块hf、hg和控制器模块，对所述阀组模块hc、换流变压器模块ht、无功补偿设备模块hf、hg和控制器模块分别建模；

根据直流系统的运行机理与事件驱动型模型结构，将阀组模块hc、换流变压器模块ht、无功补偿设备模块hf、hg和控制器模块的模型结构连接，形成整体的逆变站仿真模型，对常数参数(影响力较弱或难以获取的参数)进行预先赋值，确定重点参数，通过调节重点参数，阀组模块hc、换流变压器模块ht和无功补偿设备模块hf、hg都与控制器模块连接，阀组模块hc与换流变压器模块ht相连接，换流变压器模块ht与无功补偿设备模块hf、hg相连接。

换流母线电压u1通过换流变压器模块ht后，将交流电压u输入到换流阀组hc；控制器确定换流阀组hc和换流变压器模块ht的参数；换流阀组hc输出有功功率p和无功功率q，有功功率p和无功功率q输入到换流变压器模块ht，换流变压器模块ht的输出为换流变压器模块ht的有功功率ps和无功损耗后的无功功率qs1；换流母线电压u1输入到无功补偿设备hf、hg，无功补偿设备hf、hg输出无功功率qs2；无功补偿设备hf、hg的输出无功功率qs2与换流变压器模块ht的输出无功功率qs1加和为直流系统传输到交流系统的无功功率qs。

辨识出模型中待辨识参数。重点参数包括正序电压幅值、正序电压持续时间u1(t)、直流系统初始功率p0、极功率转移功能是否投入和无功补偿设备的投切。

待辨识参数包括有功功率限幅值、限幅时间、有功功率恢复爬坡率、有功功率闭锁系数、无功功率冲击幅度、无功功率恢复爬坡率、闭锁后无功冲击值和交流滤波器全部切除后逆变站输出的无功功率。

影响力较弱或难以获取的参数为常数参数，包括换流器的时间常数。

阀组模块hc用于仿真逆变站中阀组在大扰动下的功率波动特性；

特高压逆变站存在两个极，每个极有两个阀组，每个阀组为一个十二脉动的换流器；分析换流器逆变侧直流电压ud和直流电流idc变化，计算换流器的有功功率p和无功功率q；

通过公式p＝ud*idc计算换流器的有功功率p；

无功功率q通过公式q＝p*tanγ计算，式中γ为熄弧角。

换流变压器模块ht用于仿真换流变压器输入功率p与输出功率ps的关系；

ps＝λ1p，(1)

其中，ps为换流变压器的输出功率，p为换流变压器输入功率；

λ1表示换流变压器有功功率的输入输出关系系数；λ2表示换流变压器的无功功率损耗；k为换流变压器变比；qs为换流变压器输出的无功功率，q为换流变压器输入的无功功率。

无功补偿设备模块(hf、hg)用于逆变站中无功补偿设备的功率描述，无功补偿设备包括滤波器hf和动态无功补偿设备svg(hg)；

qf＝qc(3)

qg＝nqf,n＜1(5)

滤波器hf的无功功率qf为滤波器主电容器的无功功率qc，主电容器发出的无功功率qc与主电容器端电压有关，通过式(4)计算主电容器的无功功率qc；

动态无功补偿设备svg的无功功率qg通过式(5)计算，公式(5)用于描述无功补偿设备svg与滤波器(交流滤波器)的容量配置关系；

其中，us为交流系统电压，ci为第i个滤波器(交流滤波器)的电容值，i和m为交流滤波器编号，i＝1,2,...m，n为动态无功补偿设备svg的无功功率与滤波器hf的无功功率的比例系数。

如图2，控制器模块依据事件驱动策略仿真控制器；

对于不同的扰动，控制器模块进行状态判定，根据状态判定结果产生相应的动作行为，驱动仿真模型结构改变，使得逆变站功率输出发生变化；

对于交流系统故障，以交流系统的正序电压衡量交流系统故障的严重程度；

以速断保护能否将交流系统故障切除作为交流系统状态变化以及仿真模型结构变化的判据，若速断保护能够正确动作切除交流系统故障，则阀组不会被闭锁；若速断保护没有正确动作切除交流系统故障，则阀组被闭锁；

综合交流系统正序电压u1、逆变侧直流电压ud和直流电流id判断直流系统是否发生故障，执行控制器控制策略；

控制器控制策略为表1，其中，u1为交流系统正序电压，t1为速断保护动作时限，ud为逆变侧直流电压，udn为额定直流电压，idn为额定直流电流；udi为不同故障状态下逆变侧直流电压，idci不同故障状态下为直流电流，i＝1,2,3,4。

表1控制器控制策略

以上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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。