计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法及系统与流程

1.本发明涉及一种柔性直流输电技术领域，特别是关于一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法及系统。


背景技术：

2.柔性直流输电技术可实现有功和无功解耦独立控制、调节快速灵活、可向弱系统及孤岛系统供电，在提高系统稳定性和输电能力等方面优势显著，得到了越来越广泛的工程应用。同时与常规直流相比，柔性直流具备的占地面积小、无换相失败问题等优势使其更适用于深入负荷中心改善潮流分布。
3.柔性直流可实现故障穿越，短路故障期间不闭锁，从而避免故障清除后重启动的的繁琐过程，减少系统的恢复时间。因此，交流系统发生短路故障后，柔性直流仍向系统注入电流，进而影响系统短路电流水平。负荷中心一般主网结构紧凑、负荷密集，面临短路电流超标问题，而随着接入的柔性直流电压等级越来越高、容量越来越大，存在受端系统短路电流水平接近或超过断路器的遮断极限、导致短路故障难以清除的风险，给系统安全稳定运行带来严重威胁。柔性直流对交流系统短路电流的影响已不容忽视，所提供的短路电流值已成为电力规划和运行部门的重要关注点。
4.目前提高计算柔性直流输电提供交流三相短路电流精确度的方法主要有基于矢量叠加的迭代计算和电磁暂态仿真两种。迭代计算是预设故障后柔性直流并网点电压计算柔性直流输出电流特性，得到柔直短路电流分量与交流侧短路电流分量做矢量叠加，再根据计算得到的并网点电压修正柔性直流输出电流，经过反复迭代计算后得到短路电流；电磁暂态仿真是在电磁暂态仿真软件中搭建柔性直流输电与交流电网模型，通过实时仿真获得交流三相短路电流。两种方法都能够有效提高计及柔性直流输电的交流短路电流计算精度，但前提是兼顾计算速度与精度情况下能够准确刻画柔性直流故障穿越特性，进而才能实现精准的工程实用计算。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法及系统，其能确定故障期间柔性直流向系统注入的电流，实现柔性直流提供交流三相短路电流的快速、精确计算。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明采取以下技术方案：一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法，其包括：根据故障前的柔直等效电压的幅值和相角，输入节点方程进行故障计算，得到当前时刻的换流母线电压；根据当前时刻的换流母线电压，以及柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定下一时刻的换流母线电压；确定下一时刻的换流母线电压是否满足预设条件，满足输出下一时刻对应的等效电压的幅值和相角，以叠加计算柔直的交流三相短路电流和柔性直流提供的短路电流。
7.进一步，所述故障前的柔直等效电压的幅值和相角的计算，包括：
8.将故障前柔性直流换流母线电压设为初值，根据故障前的d轴、q轴上的电流分量的参考值求解等效电压源的幅值和相角。
9.进一步，所述下一时刻的换流母线电压的获取，包括：
10.根据柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定当前时刻相应的d轴、q轴上的电流分量的参考值；
11.根据当前时刻的换流母线电压和当前时刻d轴、q轴上的电流分量的参考值，计算得到当前时刻等效电压的幅值和相角；
12.将当前时刻等效电压的幅值和相角输入节点方程进行故障计算，得到下一时刻的换流母线电压。
13.进一步，所述预设条件为：判断下一时刻的换流母线电压与当前时刻的换流母线电压的差值绝对值是否小于设定阈值。
14.第二方面，本发明采取以下技术方案：一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效系统，其包括：第一处理模块，根据故障前的柔直等效电压的幅值和相角，输入节点方程进行故障计算，得到当前时刻的换流母线电压；第二处理模块，根据当前时刻的换流母线电压，以及柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定下一时刻的换流母线电压；计算模块，确定下一时刻的换流母线电压是否满足预设条件，满足输出下一时刻对应的等效电压的幅值和相角，以叠加计算柔直的交流三相短路电流和柔性直流提供的短路电流。
15.进一步，所述第一处理模块中，故障前的柔直等效电压的幅值和相角的计算包括：
16.将故障前柔性直流换流母线电压设为初值，根据故障前的d轴、q轴上的电流分量的参考值求解等效电压源的幅值和相角。
17.进一步，所述第二处理模块中，下一时刻的换流母线电压的获取包括：
18.根据柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定当前时刻相应的d轴、q轴上的电流分量的参考值；
19.根据当前时刻的换流母线电压和当前时刻d轴、q轴上的电流分量的参考值，计算得到当前时刻等效电压的幅值和相角；
20.将当前时刻等效电压的幅值和相角输入节点方程进行故障计算，得到下一时刻的换流母线电压。
21.进一步，所述计算模块中，预设条件为：判断下一时刻的换流母线电压与当前时刻的换流母线电压的差值绝对值是否小于设定阈值。
22.第三方面，本发明采取以下技术方案：一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
23.第四方面，本发明采取以下技术方案：一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
24.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
25.本发明采用的计算柔性直流输电提供交流三相交流短路电流的等效方法及系统，
当电力系统发生短路故障时，根据柔性直流具体的控制策略与设定参数，将柔性直流等效为并网电压控制的可控电压源，计算计及柔性交流输电的交流三相短路电流。本发明适用于各种柔性直流故障穿越控制策略与系统运行方式，精准刻画了柔性输电故障穿越特性，提高了计算故障节点短路电流的准确性，同时保证了计算速度，具有工程实用价值。
附图说明
26.图1是本发明实施例中柔性直流输电系统控制示意图；
27.图2a是本发明实施例中柔性直流输电系统外环控制器采取定有功功率、定无功功率控制限流效果示意图；
28.图2b是本发明实施例中柔性直流输电系统外环控制器采取定有功功率、定交流电压控制限流效果示意图；
29.图2c是本发明实施例中柔性直流输电系统外环控制器采取定直流电压、定无功功率控制限流效果示意图；
30.图3是本发明实施例中等效电压源应用于迭代计算方法计算短路电流的流程图；
31.图4是本发明实施例中等效电压源控制原理示意图；
32.图5是本发明实施例中等效电压源应用于矢量叠加方法计算短路电流的仿真波形图。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.针对计算柔性直流提供的交流三相短路电流难以兼顾计算速度与精度问题，本发明提供一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法及系统。本发明包括：根据柔性直流的故障穿越策略和参数设定，明确柔性直流故障期间的输出特性，确定并网点电压控制的等效电压源模型，根据系统运行方式，基于电磁暂态仿真跟踪计算或是基于叠加原理迭代计算交流短路电流。本发明可以合理的计算接入柔性直流输电电力系统的短路电流水平，进而为考虑柔直对于短路电流的影响，分析不同控制模式下柔直对不同运行方式下系统短路电流的影响提供参考。根据柔性直流具体故障穿越控制策略，确定故障期间柔性直流向系统注入的电流，实现柔性直流提供交流三相短路电流的快速、精确计算。
36.本发明采用的柔直换流器整体控制结构如图1所示，主要采取的是dq坐标系下的双闭环解耦控制，分为内环控制和外环控制。内环控制属于直接电流控制，能够获得优良的动态响应性能，一方面dq轴电流分量不再耦合，各自形成独立的控制环节，另一方面将电流由交流转换为直流，可通过pi控制实现快速无差跟踪。通过状态变量id和iq的负反馈，调节
控制输入量vd和vq，使状态变量id和iq快速跟踪其参考值i
*d
和i
*q
。外环控制根据控制目标d轴可设置为定有功功率控制或定直流电压控制，q轴可设置为定无功功率控制或定交流电压控制。根据控制目标柔性直流控制系统具体可分为四种控制模式，如表1所示。d、q轴的pi环节均设置限幅，同时为避免发生过流设置了限流环节。其中，i
dmax
为d轴pi环节输出的限幅，i
qmax
为q轴pi环节输出的限幅，i
max
为限流环节输出的限幅。
37.表1柔性直流输电控制系统d、q轴采取不同控制目标的模式分类
[0038][0039]
柔性直流故障期间的输出特性与控制方式紧密相关，不同控制模式、不同故障穿越策略及限流环节设置下的输出特性皆有所区别，如限流环节可采取等比限幅、有功优先、无功优先等，以限流环节采取等比限幅为例，分析不同控制模式下，柔性直流故障期间的输出特性。
[0040]
一、控制模式1
[0041]
柔性直流采取控制模式1方式时，柔性直流输出电流在d轴、q轴上的分量id、iq分别为：
[0042][0043][0044]
式中，v为柔直换流母线电压，p
ref
、q
ref
分别为有功功率、无功功率的设定值。
[0045]
故障期间系统电压跌落，若有功功率、无功功率设定值p
ref
、q
ref
不变，根据换流母线电压v的低落程度，可以计算出故障期间柔性直流维持设定功率不变所需的id、iq，将其与外环pi环节设定的限幅i
dmax
、i
qmax
及限流环节设置的限幅i
max
相比较，可以得到经过限值后，故障期间柔性直流输电的输出电流在d轴、q轴上的分量的参考值分别为具体如表2所示。
[0046]
表2 控制模式1经限流环节输出的d、q轴电流参考值
[0047][0048]
假定故障前柔性直流向系统注入有功功率和吸收无功功率，p
ref
》0、q
ref
《0，即id》0、iq》0。根据id、iq与外环pi环节设定的限幅i
dmax
、i
qmax
及限流环节设置的限幅i
max
的比较关系，得到限值后在第一象限的具体分布区域，如图2a所示，与表2相对应。以发生故障后，有功功率超出限幅而无功功率没超为例，此时计算得出i处于区域
③
，经限值后柔性直流输出电流为i'。
[0049]
二、控制模式2
[0050]
柔性直流采取控制模式2方式时，故障后换流母线电压v跌落，q轴采取的定交流电压控制会一致增加无功功率输出直至限幅。限值后，故障期间柔性直流输电的输出电流在d轴、q轴上的分量的参考值分别为具体如表3所示。
[0051]
表3控制模式2经限流环节输出的d、q轴电流参考值
[0052][0053]
同样可以根据id、iq与外环pi环节设定的限幅i
dmax
、i
qmax
及限流环节设置的限幅i
max
的比较关系，得到限值后在第一象限的具体分布区域，如图2b所示，与表3相对应。若发生iq没到达限幅情况时，表明柔性直流发出的无功足以将并网点电压补偿至参考值，此时故障点离柔直并网点较远，v跌幅有限，柔性直流提供的短路电流较小，假定iq＝i
qmax
计
算得到的结果也是保守的且只是微量高估。
[0054]
三、控制模式3
[0055]
柔性直流采取控制模式3方式时，故障后换流母线电压v跌落，换流站输出功率瞬间下降，使得换流站输出输出功率不平衡，进而导致直流电压下降，d轴采取的定直流电压控制会一致增加直至限幅。限值后，故障期间柔性直流输电的输出电流在d轴、q轴上的分量的参考值分别为具体如表4所示。
[0056]
表4控制模式3经限流环节输出的d、q轴电流参考值
[0057][0058]
同样可以根据id、iq与外环pi环节设定的限幅i
dmax
、i
qmax
及限流环节设置的限幅i
max
的比较关系，得到限值后在第一象限的具体分布区域，如图2c所示，与表4相对应。特殊情况下若故障发生前，柔直传输有功功率为0，则故障发生后直流电压不变，柔性直流只输出无功功率。
[0059]
四、控制模式4
[0060]
柔性直流采取控制模式4方式时，根据上述分析，可得到限值后，故障期间柔性直流输电的输出电流在d轴、q轴上的分量的参考值分别为具体如表5所示。
[0061]
表5控制模式4经限流环节输出的d、q轴电流参考值
[0062][0063]
柔性直流采取不同控制模式、不同故障穿越策略及限流环节设置下，均可根据并网点电压的跌落程度得到其输出特性，确定柔性直流故障期间向系统注入的电流，以此来实现计及柔性直流的交流短路电流计算。
[0064]
在本发明的一个实施例中，提供一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的
等效方法。本实施例中，如图3所示，该计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法包括以下步骤：
[0065]
1)根据故障前的柔直等效电压的幅值e0和相角δ0，输入节点方程进行故障计算，得到当前时刻的换流母线电压vn；令n＝1；
[0066]
其中，节点方程是指电路中以节点母线电压作为变量列写的节点电压方程，可以得到网架结构的节点导纳矩阵，传统短路电流计算基于节点方程做故障计算，在本领域中及电力系统分析教材中均将其表述为节点方程。
[0067]
2)根据当前时刻的换流母线电压vn，以及柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定下一时刻的换流母线电压v
n+1
；
[0068]
3)确定下一时刻的换流母线电压v
n+1
是否满足预设条件，满足输出下一时刻对应的等效电压的幅值e和相角δ，以叠加计算柔直的交流三相短路电流和柔性直流提供的短路电流。
[0069]
本发明的计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法可在多种交流三相短路电流计算方法中应用，如采用叠加原理的迭代计算三相短路计算方法中。
[0070]
上述步骤1)中，故障前的柔直等效电压的幅值和相角的计算，具体为：将故障前柔性直流换流母线电压设为初值v0，根据故障前的d轴、q轴上的电流分量的参考值求解等效电压源的幅值e0和相角δ0。
[0071]
本实施例中，柔直换流器采用的是电压源型换流器，但由于采用了dq解耦控制，必须依靠电网电压提供参考。其内环采用了直接电流控制，输出特性与电流源相同。因此，可将柔性直流等效为带并网点电压反馈的流控电压源，如图4所示。根据图4所示的选择计算控制器，可以求得等效电压源的幅值和相角分别为：
[0072][0073][0074]
式中，为柔性直流输出电流i与换流母线电压v的相角，x
l
为柔性直流换流器至并网点的等效阻抗，具体为：
[0075][0076][0077]
其中，l
t
换流变电抗，l
arm
为换流器桥臂电抗。
[0078]
上述步骤2)中，下一时刻的换流母线电压的获取，包括以下步骤：
[0079]
2.1)根据柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定当前时刻相应的d轴、q轴上的电流分量的参考值
[0080]
2.2)根据当前时刻的换流母线电压和当前时刻d轴、q轴上的电流分量的参考值
计算得到当前时刻等效电压的幅值en和相角δn；
[0081]
2.3)将当前时刻等效电压的幅值和相角输入节点方程进行故障计算，得到下一时刻的换流母线电压v
n+1
。
[0082]
上述步骤3)中，预设条件为：判断下一时刻的换流母线电压v
n+1
与当前时刻的换流母线电压vn的差值绝对值ε是否小于设定阈值。小于则满足预设条件，反之则返回步骤2)重新计算。
[0083]
在本实施例中，ε可以根据实际计算情况设定，例如可以取0.1。
[0084]
综上，使用时，采用本发明的等效方法，能够较好的模拟故障期间柔性直流输电的外特性，可在基于节点方程的三相短路计算过程中，提高柔性直流输电所提供的交流三相短路电流的计算精度。
[0085]
本发明的计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法也可在电磁暂态仿真计算交流三相短路电流中得到应用。在pscad/emtdc建立柔性直流接入ieee39节点系统电磁暂态仿真模型，分别针对不考虑柔直、柔性直流详细控制、柔性直流等效电压源三种方式下进行仿真，同一故障点的短路电流对比情况如图5所示。根据仿真结果可知，采用柔性直流详细模型与采用柔性直流等效电压源模型计算得到的交流短路电流完全一致，柔性直流提供的短路电流约为1ka。与采用柔性直流详细控制构建稳态后设置故障仿真计算短路电流相比，采用柔性直流等效电压源反馈跟踪仿真计算短路电流将大大提高电磁暂态仿真计算交流三相交流短路的仿真速度，缩短计算时间至少90％。
[0086]
在本发明的一个实施例中，提供一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效系统，其包括：
[0087]
第一处理模块，根据故障前的柔直等效电压的幅值和相角，输入节点方程进行故障计算，得到当前时刻的换流母线电压；
[0088]
第二处理模块，根据当前时刻的换流母线电压，以及柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定下一时刻的换流母线电压；
[0089]
计算模块，确定下一时刻的换流母线电压是否满足预设条件，满足输出下一时刻对应的等效电压的幅值和相角，以叠加计算柔直的交流三相短路电流和柔性直流提供的短路电流。
[0090]
上述第一处理模块中，故障前的柔直等效电压的幅值和相角的计算为：将故障前柔性直流换流母线电压设为初值，根据故障前的d轴、q轴上的电流分量的参考值求解等效电压源的幅值和相角。
[0091]
上述第二处理模块中，下一时刻的换流母线电压的获取包括：
[0092]
根据柔性直流故障前运行方式、故障穿越控制模式以和对应的限制条件，确定当前时刻相应的d轴、q轴上的电流分量的参考值；
[0093]
根据当前时刻的换流母线电压和当前时刻d轴、q轴上的电流分量的参考值，计算得到当前时刻等效电压的幅值和相角；
[0094]
将当前时刻等效电压的幅值和相角输入节点方程进行故障计算，得到下一时刻的换流母线电压。
[0095]
上述计算模块中，预设条件为：判断下一时刻的换流母线电压与当前时刻的换流母线电压的差值绝对值是否小于设定阈值。
[0096]
本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
[0097]
本发明一实施例中提供的计算设备结构，该计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(communications interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现一种计算柔性直流输电提供交流三相短路电流的等效方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、管理商网络、nfc(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令。
[0098]
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0099]
在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法。
[0100]
在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法。
[0101]
上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
[0102]
本发明是参照根据上述各实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0103]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0104]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0105]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。