考虑直流自身动态特性的多直流耦合程度评估方法与流程

本发明涉及多回直流输电系统技术领域，尤其涉及一种考虑直流自身动态特性的多直流耦合程度评估方法。

背景技术：

高压直流(HVDC)远距离、大容量输电的技术特点使之成为跨区域资源优化配置的主要手段之一，从经济和运行角度看，直流一般接入受端电网的负荷中心，这导致多回直流输电系统的落点，无论是空间距离还是电气距离都较为接近，受端换流站之间耦合紧密，交直流以及多回直流之间相互影响显著，给电网规划和运行带来了巨大的挑战，多直流馈入受端系统的安全稳定性引起了广泛关注。

国内外大量研究表明在多直流馈入系统中，受端交流系统的故障会造成所接入电网的电压稳定性问题。在多馈入的系统中，换流站之间存在相互影响，这种影响会对交流系统的电压稳定特性产生影响。在理论研究和工程应用中，提出了诸多指标来评估和量化交直流及直流之间的相互作用。

电压灵敏因子(Voltage Sensitivity Factor，VSF)是将直流输电系统看作是挂靠在换流站交流母线的一个可变负荷，沿用传统的电压稳定性分析结论，该参数虽能直观地反映出电压和无功之间的关系，但作为状态参数，只能反映出某一时刻某一局部的稳定性，需要与其他参数或方法结合才有实际意义。特征值分析法可以帮助确定电压稳定的薄弱环节和区域，此法的缺点是线性化程度不好，计算量大、对大规模电网进行处理时可能遇到维数灾。在多直流落点系统中，各回直流系统换流站间存在较强的相互作用，对整个系统的安全稳定运行有很大影响，因此首先需要对各回直流系统换流站间的相互耦合程度进行量化描述，国际大电网(CIGRE)B4工作组在2008年提出的多馈入相互影响因子(Multi-infeed Interaction Factor，MIIF)被广泛用来评估各直流之间的相互作用。该方法虽然能较准确的反应各直流母线的电压相互作用影响，但是该方法是一个实验型参数，需要依靠暂态稳定仿真来获取，效率低且存在较大的测量和扰动误差。并且，除了与逆变器连接的交流电网外，直流系统的调节器在多直流相互作用中也起着非常重要的作用，而CIGRE提出的传统多馈入相互作用因子计算方法缺乏这方面的考虑。现有技术通过多端口戴维南等值方法，用网络阻抗矩阵元素来衡量不同直流换流母线电压相互影响。该方法虽然计算简单，但却忽略了直流系统的暂态响应，计算结果与实际情况存在偏差。现有技术提出了故障期间评估多直流间交互影响强度指标--暂态电压支撑强度指标。该方法从电网结构角度评估对直流间交互影响强度，但忽略了电网中的电压敏感性元件影响。

以上分析方法在研究交直流电压相互作用时，忽略直流控制系统内部的动态调节过程，认为直流控制系统可以使直流电压或者电流随着反馈信号瞬间达到新的运行点或维持不变，即假设直流电抗器为理想电抗器、不考虑直流控制器调节时间的延时作用，在不同直流控制模式下，均认为直流控制器为理想特性。交流系统故障期间，由于直流电抗器的电感值为有限值，线路上存在电容，换流器调节器的增益、时间常数等因素，在故障后，直流电流会有大幅度上升。而直流电流的上升会导致换流器功率因素的降低，导致换流器吸收无功功率增大，进而进一步降低换流母线处的电压。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种考虑直流自身动态特性的多直流耦合程度评估方法，该方法考虑换流器控制因素以及直流线路参数的影响，分析了故障后直流电流的变化、调节器的时间常数对电压相互作用因子计算的影响，推导了考虑直流变化的多馈入相互作用因子表达式。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了两馈入直流输电系统的仿真模型，验证了分析的正确性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案，包括：

本发明公开了一种考虑直流自身动态特性的多直流耦合程度评估方法，包括：

交流故障期间，直流线路换流母线处的电压变化时，考虑直流电抗器的电感值为有限值，直流线路上存在电容以及整流侧直流电流调节器延时的原因，确定在故障初期整流侧直流电流调节器尚未动作之前的直流电流变化量；

根据确定的直流电流变化量，计算换流母线处的多馈入电压相互作用因子；

根据所述多馈入电压相互作用因子的值，确定受端电网各直流线路间的耦合程度。

进一步地，故障初期整流侧直流电流调节器尚未动作之前的直流电流变化量，具体为：

其中，ic为输电线路的电容放电电流，为衰减系数,ΔU为换流母线处的电压变化；R为直流输电线路等值电阻值、L为直流输电线路的等值电感值，Rz为等值电阻。

进一步地，所述输电线路的电容放电电流ic具体为：

其中，ω1为固有震荡角频率，L为直流输电线路的等效电感值，C为直流输电线路的等效电容值。

进一步地，若直流线路是电缆线路，则具有较大的电容，输电线路的电容放电电流ic不可忽略；若直流线路是架空线路，对地电容较小，输电线路的电容放电电流ic忽略不计。

进一步地，故障后初始阶段直流电流的变化主要由线路参数决定，对同一系统在故障后初始阶段直流电流近似呈直线上升，则

由于实际工程中，直流输电系统的线路参数和控制参数在运行中不再变化，因此实际应用中的t1取值根据实际系统历史运行数据测得。

进一步地，根据确定的直流电流变化量，计算换流母线处的多馈入电压相互作用因子，具体为：

以两直流馈入系统为例，当直流线路1换流母线处的电压变化ΔU1时，直流线路2直流变化ΔI2，则

换流母线处的电压变化量比值为：

其中，ΔU2为直流系统2逆变侧所连换流母线电压变化量；Z12为直流系统1和直流系统2换流母线之间线路上等效阻抗；Z2为与直流系统2逆变侧换流母线相连的交流系统的等效阻抗。

进一步地，另直流线路2的直流变化ΔI2等于Δidrmax，得到：

进一步地，若整流侧为理想控制器，即时间常数t1为0时，表示整流侧可以始终保持直流电流为恒定值，则

本发明有益效果：

本发明对传统计算多直流馈入电压相互作用因子方法的有效性进行了分析，在此基础上，考虑整流侧、逆变侧控制特性及直流线路参数，分析了交流故障后直流电流的变化、调节器的时间常数对多馈入相互作用因子计算的影响。分析表明，故障后直流电流的上升、调节器的时间常数对多馈入相互作用因子的计算影响较大。考虑故障后直流电流的上升因素，提出了考虑直流控制作用的多馈入电压相互作用因子计算方法，最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析验证了正确性。

附图说明

图1为定电流控制框图；

图2为定关断角控制框图；

图3为直流输电系统等效电路；

图4为两直流馈入系统简化模型；

图5为CIGRE直流输电标准测试系统；

图6为直流电流变化曲线图；

图7为直流电流变化与电压变比曲线图；

图8为不同短路阻抗下换流母线电压值；

图9为MIIF计算结果对比。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

1故障期间直流电流变化影响因素分析

直流输电系统的控制方式一般为整流侧定电流控制，逆变侧定关断角控制。在交流系统发生故障后，整流侧通过触发延迟角α的调节来维持来直流电流Id的恒定，逆变侧通过触发超前角β的调节来维持关断角γ保持不变，控制框图如图1和图2所示。

交流故障期间，换流母线处电压下降，理想控制模式下，控制器能实时维持直流电流Id和关断角γ的恒定。在实际直流工程的控制系统中，逆变侧直流电压下降时，由于高压直流工程输电距离往往在1000km以上，逆变侧限流指令传到整流侧会产生一定的时延，可以认为这段时间整流侧定电流控制的电流指令值尚未变化，同时整流侧一般通过比例—积分(PI)控制器实现定电流控制，PI控制器的调节也有一定的滞后性，因此可以认为故障初始时刻α角不变，逆变侧距离故障点较近，因此可认为可较好的维持关断角不变。由于直流电抗器的电感值为有限值，线路上存在电容，整流侧定电流调节装置延时等原因，直流电流有一个增大的过程，故障初期直流系统等值电路如图3所示，直流输电线路用T形网络代替。

故障初期，整流侧直流电流调节器尚未动作之前，直流电流变化量为：

输电线路的电容放电电流：

式中：为衰减系数,为固有震荡角频率为一等效电阻。ΔU为换流母线处电压变化。如果直流线路是电缆线路，则具有较大的电容，公式(2)不可忽略，若直流线路是架空线路，对地电容较小，可以忽略公式(2)，则

因此故障后初始阶段直流电流的变化主要由线路参数决定，对同一系统在故障后初始阶段直流电流近似呈直线上升，由于实际工程中，直流输电系统的线路参数和控制参数等在运行中往往不再变化，因此实际应用中的t1取值可以根据实际系统历史运行数据测得。

2直流电流变化对换流母线电压的影响

受端电网各直流系统之间相互耦合，逆变站的换流母线电压受到交流和直流系统之间的共同作用，以两直流馈入系统为例，如图4所示，换流母线电压与直流电流关系：

当直流系统1换流母线处的电压变化ΔU1时，若直流电流保持恒定，即ΔU1≠0,ΔI2＝0，则由公式(6)得：

换流母线处的电压变比值为：

公式(7)与通过多端口戴维南等值方法，得到第i回换流母线节点自阻抗Zeqii及第i回和第j回换流母线之间的互阻抗Zeqij计算的电压相互作用因子一致，这里标记为Z_MIIF2,1，即

考虑直流变化时，当直流系统1换流母线处的电压变化ΔU1时，由于直流电抗器的电感值为有限值，线路上存在电容，整流侧定电流调节装置延时等原因，直流系统2直流变化ΔI2，则由公式(4)得：

换流母线处的电压变比值为：

整理得：

公式(3)中ΔU为统一表示在本发明情景下与直流线路电流变化量Δidr相关的换流母线电压变化量，在两直流馈入系统里，需要加下标以用来区分对应的变化量属于哪个直流系统。对应的在公式(3)中，Δidr对应ΔI2，ΔU对应ΔU2。

将公式(3)代入公式(10)整理得：

标记为I_MIIF2,1。

具体代入过程如下：

将上式右边第二项移项后可得：

即可得到公式(11)。

由公式(11)知道，若整流侧为理想控制器，即时间常数t1为0时，表示整流侧可以始终保持直流电流为恒定值，则

3仿真分析

3.1直流电流变化对交流电压的影响

国际大电网会议直流输电标准测试系统(CIGRE HVDC Benchmark Model)是用于直流输电控制研究的标准系统，如图5所示。在PSCAD/EMTDC软件中搭建CIGRE直流输电标准测试系统并进行仿真分析。在仿真过程中，直流控制系统采用典型控制模式，即整流侧定电流、逆变侧定关断角控制模式。首先，仿真分析换流母线电压变化与直流电流变化的关系，在2.5s时经不同阻抗三相短路故障，故障持续时间0.1s，实验数据见表1，仿真结果如图6所示，图7可以看出直流电流波动最大值与换流母线处电压下降有明显的线性关系。

表1不同短路阻抗下换流母线电压变化与直流电流变化

实验数据表2分析了在直流整流侧定电流控制为理想模式和正常控制模式下对仿真结果的影响，在2.5s时经不同阻抗三相短路故障，故障持续时间0.1s，图8将实验数据与计算数据进行了比对，从实验结果可以看出，若整流侧为理想控制器，直流电流维持恒定，不同短路阻抗下换流母线处电压波动较小，在交流故障期间避免直流电流的增大有利与提高换流母线电压。

表2直流变化对换流母线电压的影响

3.2直流电流变化对电压相互作用因子计算的影响

以国际大电网会议直流输电标准测试系统为基础，搭建如图4所示的两直流馈入系统，在直流1换流母线处设置接地短路故障，使直流系统1换流母线处的电压降约为1％，记录直流系统2换流母线处的电压降，并计算电压相互作用因子。实验数据见表3所示，图9将实验数据进行了比对，从仿真实验可以看出，考虑直流变化计算得到的电压相互作用因子相比基于网络阻抗计算得到的电压相互作用因子更接近时域仿真数据。

表3直流变化对电压相互作用因子计算的影响

本发明考虑整流侧、逆变侧以及直流线路参数，对交流系统故障期间直流电流变化进行了分析。分析了直流变化对换流母线处电压的影响及对电压相互作用因子计算的影响，仿真表明，考虑直流变化的电压相互作用因子计算方法更接近时域仿真结果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。