一种交直流混联系统不对称故障分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种交直流混联系统不对称故障分析方法，包括采用序分量法及阻抗模拟法对交流系统故障建模，建立直流系统不对称运行状况模型，联立交流系统故障模型和直流系统不对称运行状况模型，采用弦截法对所述模型求解，获取最终结果。本发明方法与电磁暂态仿真结果相比误差微小，具有分析速度快、分析精度高、收敛可靠等优点。
【专利说明】一种交直流混联系统不对称故障分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统运行和控制【技术领域】，尤其涉及一种将交流系统故障模型和适用于不对称运行状况的直流系统模型联立求解的交直流混联系统不对称故障分析方法。
【背景技术】
[0002]直流输电具有输送容量大、输送距离远、高度可控、运行灵活等技术优势，且不存在因输送距离出现的稳定性制约问题，在长距离大容量输电和区域系统互联等方面有其优越性。随着国家智能电网建设的大力推进，包括向家坝一上海±800千伏特高压直流输电示范工程在内的多项直流输电工程已经投入运行，包括溪洛渡一浙西±800千伏特高压直流输电工程在内的多项工程也在紧锣密鼓的建设中，我国即将进入交直流混联输电的新格局。
[0003]电力系统故障分析为继电保护装置的整定提供理论依据。传统的交流系统故障分析方法已经较为成熟，其主要有两种分析方法，即基于序分量法的故障分析方法和基于相分量法的故障分析方法，但是这两种方法未考虑直流系统接入的影响或仅对直流系统做简化等值。交流系统出现故障时，直流系统换流装置引起的波形畸变及快速暂态过程对交流故障特征的影响不能忽视。交直流混联系统在故障时会产生许多新的电气特性，可以为继电保护装置的整定提供新的判据。因此，本发明提出的交直流混联系统故障分析方法，对于研究交直流混联系统各种故障的新电气特性，具有重要意义。
[0004]在有直流接入时，传统的分析方法通常将整流侧等值作为负荷，而将逆变侧等值作为电源，出现故障时根据电压跌落情况人为的认定是否换相失败及直流闭锁。这种等值模型不能反映直流系统的真实响应特性，由此分析得到的电气特性并不准确，可能会给继电保护装置的整定值设定带来较大误差。交直流混联系统故障分析方法的提出，首先要对直流系统不对称运行状况进行精确建模，包括对直流系统的换流器建模，对直流控制系统和直流线路的故障特性建模；其次，在传统交流系统故障模型的基础上，提出一种求解方法，将交流系统故障模型与直流系统模型联立求解，得到最终的分析结果。
[0005]需要说明的是，本发明提出的分析方法，是对交直流混联系统故障下的稳态运行状况进行分析，故障下的暂态过程包含衰减直流分量和大量高频分量，这一过程持续时间很短，且不同厂商提供的控制策略对应的暂态过程均不相同，因此，暂态过程不在本申请的分析范围之内。其次，虽然可以通过在电磁暂态仿真软件中搭建交直流混联系统，模拟各种故障来精确分析，但是对于大型混联系统来说，仿真耗时漫长，且无法做到定性分析。
【发明内容】
[0006]本发明首先采用序分量法及阻抗模拟法对传统交流系统故障进行建模，然后采用可以模拟不对称运行状况的改进开关函数模型对换流器进行建模，并建立了简化的控制系统模型和直流线路模型，最后采用弦截法将交直流系统故障模型联立求解。采用本发明对交直流混联系统进行不对称故障分析，具有计算效率高、分析结果精度好的优点，同时该系统还适用于大规模混联电网的分析。
[0007]本发明的技术方案是，一种交直流混联系统不对称故障分析方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1:采用序分量法和阻抗模拟法对交流系统故障建模。根据交流网络支路的阻抗信息，采用序分量法对非故障部分建立三序节点导纳阵，并进行戴维南等值，采用阻抗模拟法模拟故障部分的等值序阻抗，形成交流系统故障的等值阻抗模型。直流系统等值为正负序阻抗，作为故障模型的未知变量，修正等值阻抗模型；换流母线的三相电压作为故障模型的输出。将交流系统故障模型表示成函数的形式，即:
[0009](Ua re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im) — g (Zl re, Zl im, Z2 re, Z2 im) (I)
[0010]其中，Zl re, Zl iffl, Z2 re, Z2 iffl分别为直流系统等值正序阻抗的实部和虚部、等值负序阻抗的头部和虚部;Ua re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im为换流母线ABC相电压的头部和虚部。
[0011]步骤2:直流系统不对称运行状况建模。建立换流器模型，由换流母线的三相交流电压及触发角、直流电流的直流分量计算直流电压直流分量和二次谐波分量；建立控制系统模型，由直流电压直流分量计算直流电流的直流分量和触发角；建立直流线路模型，由直流电压的二次谐波分量计算直流电流的二次谐波分量；再由直流电流的直流分量和二次谐波分量根据换流器模型计算换流母线注入电流；最后由换流母线电压和注入电流计算得到直流等值正负序阻抗。将直流系统不对称运行状况模型用函数的形式描述，即:
[0012](a , Id, Z1 re, Z1 im, Z2 re, Z2 im) — f (Ua—re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im, a，Id) (2)
[0013]其中，a为整流侧或逆变侧的触发角山为直流电流的直流分量J1MZ1 im，Z2re, Z2 iffl分别为直流系统等值正序阻抗的实部和虚部、等值负序阻抗的实部和虚部;Ua—re，Uaim) Ub re, Ub im, Ucre, Uc im为换流母线二相电压的头部和虚部。
[0014]步骤3:联立步骤I建立的交流系统故障模型和步骤2建立的直流系统不对称运行状况模型，采用弦截法对模型统一求解，获取最终结果。
[0015]进一步地:
[0016]步骤I中，对于交流系统的故障，采用序分量法，可以在故障点处将故障后网络分为两部分:一部分是故障端口向系统内看进去的网络，这部分网络规模大，网络三序之间解耦，可以建立三序节点导纳阵，并采用戴维南定理等值为电流源并联阻抗的形式；另一部分是故障端口向故障电路看进去的网络，这部分网络规模小，网络三序之间有耦合，可以采用阻抗模拟的方式模拟各种故障下的三序等值阻抗。将这两部分的等值阻抗并联处理，可以得到交流系统故障时的等值阻抗模型Y，同时计算得到故障端口的故障电流4。利用注入电流与节点电压的关系方程C=T1I，求得各节点电压故障分量^，则故障系统的节点电压=其中，F(Q)为故障前各节点电压。
[0017]直流系统在交流故障时可以等值为正负序阻抗(由于换流变压器的寧接法和YQ/Y接法，换流变阀侧没有零序分量的通路)追加进交流网络，该阻抗的大小由交直流系统共同决定。因此，对于交流故障网络，给定直流等值正负序阻抗，将其追加进正负序节点导纳阵，继而可以按照上述故障分析方法计算各节点和支路的电气特性，包括换流母线所在的节点电压值。
[0018]步骤2中需要对直流系统建模。建模主要包括三个部分，分别是直流系统换流器建模、直流控制系统建模和直流输电线路建模。
[0019]首先，采用改进的开关函数模型对直流系统换流器建模。不对称故障会造成换流母线三相电压不平衡，导致零点漂移，这会造成各相的实际换相角各不相同，实际导通时刻也会发生偏移，传统的开关函数不再适用于换流器电压不平衡时的运行分析。采用改进开关函数模型，以基本分量Sn、修正分量Sm、换相分量SlilZSlii(电压开关函数为su，电流开关函数为Si)的叠加
【权利要求】
1.一种交直流混联系统不对称故障分析方法，包括以下步骤: 步骤1:采用序分量法和阻抗模拟法对交流系统故障建模，根据交流网络支路的阻抗信息，采用序分量法对非故障部分建立三序节点导纳阵，并进行戴维南等值；采用阻抗模拟法模拟故障部分的等值序阻抗，联立非故障部分和故障部分，形成交流系统故障的等值阻抗模型； 直流系统等值为正负序阻抗，将其作为故障模型的未知变量，修正等值阻抗模型；将换流母线的三相电压作为故障模型的输出； 将交流系统故障模型表示成函数的形式，即:
(Ua—re，Ua—im，Ub—re，Ub—；[m，Uc—re，Uc—im)g (Zi—re，Z2 re, ^111)(I) 其中，Z1 Zl im, Z2 re, Z2 im分别为直流系统等值正序阻抗的实部和虚部、等值负序阻抗的头部和虚部;Ua re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im为换流母线ABC相电压的头部和虚部； 步骤2:根据直流系统不对称运行状况建模，包括: 建立换流器模型，由换流母线的三相交流电压及触发角、直流电流的直流分量计算直流电压直流分量和二次谐波分量； 建立控制系统模型，由直流电压直流分量计算直流电流的直流分量和触发角； 建立直流线路模型，由直流电压的二次谐波分量计算直流电流的二次谐波分量；再由直流电流的直流分量和二次谐波分量根据换流器模型计算换流母线注入电流；最后由换流母线电压和注入电流计算得到直流等值正负序阻抗，直流系统不对称运行状况模型以函数的形式表述为:
(α，Id，Zi—re，Zi」m，Z2 re, ^111) f (Ua—re，Ua」m，Ub—re，Ubjm，Uc—re，Uc」m，ct，Ij) (2) 其中，α为整流侧或逆变侧的触发角山为直流电流的直流分量^ im，Z2 Z2im分别为直流系统等值正序阻抗的实部和虚部、等值负序阻抗的实部和虚部；Ua Ua im, Ubre, Ub im, Uc re, Uc im为换流母线三相电压的实部和虚部； 步骤3:联立步骤I建立的交流系统故障模型和步骤2建立的直流系统不对称运行状况模型，采用弦截法对模型求解，获取最终结果。
2.根据权利要求1所述的故障分析方法，其中对于步骤I中交流系统故障建模过程如下: 采用序分量法，在故障点处将故障后网络分为两部分:一部分是故障端口向系统内看进去的网络，将该部分建立三序节点导纳阵，并采用戴维南定理等值为电流源并联阻抗的形式；另一部分是故障端口向故障电路看进去的网络，将该部分采用阻抗模拟方式模拟各种不对称故障下的三序等值阻抗；将所述两部分的等值阻抗并联处理，得到交流系统故障时的等值阻抗模型Y，同时计算得到故障端口的故障电流4，利用注入电流与节点电压的关系方程斤=T1^，求得各节点电压故障分量亇，则故障系统的节点电压= +j/'，其中Ft5i为故障前各节点电压； 将直流系统在交流不对称故障时等值为正负序阻抗追加进交流网络，继而根据上述故障分析方法计算各节点和支路的电气特性以及换流母线所在的节点电压值。
3.根据权利要求1所述的故障分析方法，其中对于步骤2中的直流系统不对称状况建模包括:直流系统换流器建模、直流控制系统建模和直流输电线路建模。
4.根据权利要求3所述的故障分析方法，其中所述直流系统换流器建模采用改进的开关函数模型进行，以基本分量Sn、修正分量Sm、换相分量SljlZSlii的叠加
来模拟不对称故障下的触发及导通，式中Su为电压开关函数，Si为电流开关函数。
5.根据权利要求3所述的故障分析方法，其中所述直流控制系统建模是在直流系统的 每一个运行点将触发角、直流电压和直流电流用函数表示为 ;
其中，Id为直流电流的直流分量，α为触发角，Ud为直流电压的直流分量，Iiph2分别代表相应的函数关系，该函数式既表示整流侧的控制目标，也表示逆变侧的控制目标。
6.根据权利要求3所述的故障分析方法，其中所述直流输电线路建模包括建立直流线
路的等值模型来计算二次谐波阻抗的大小，
其中，id(2)为直流电流的二次谐波分量，Ud(2)为直流电压的二次谐波分量，Ζ?(2ω)为直流线路的等值二次谐波阻抗。
7.根据权利要求1所述的故障分析方法，其中步骤3中，所述弦截法是在插值原理的基础上，利用两套函数初值，将牛顿拉夫逊法的偏导数用差商取代的算法，采用弦截法对模型联立求解的过程如下: 将步骤I的函数关系式(I)和步骤2的函数关系式(2)写成方程组的形式联立求解:
对于方程组(3)的12个未知变量，设两套初值:
弦截法矩阵求解各变量增量的形式由式(4)表示:
其中，Fk，Gk为方程组(3)中相应方程左侧部分的函数值，J矩阵中，J(i，j)为第i个方程对第j个变量的弦斜率，即差商，对应于牛顿拉夫逊法中的第i个变量对第j个变量的偏导数， 对方程⑷求逆，可得:
求得一组新的初值:
采用下列两组值作为下次迭代的初值:
重复以上过程，直至满足收敛条件，
或达到最大迭代次数，迭代结束，获取最终结果，其中，ε为设置的收敛精度。
【文档编号】H02J5/00GK104135038SQ201410355582
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】刘崇茹, 贠飞龙, 朱逸超, 郭龙, 赵云灏, 吴旻昊, 李庚银 申请人:华北电力大学