一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法及系统与流程

1.本发明涉及柔性直流输电技术领域，更具体地，涉及一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法及系统。


背景技术：

2.柔性直流输电(以下简称柔直系统)技术有效地解决了传统直流依靠外部电源支撑换相问题，不会产生换相失败，具有结构灵活、可控性高、输出谐波小等特点，在我国大容量、远距离的电力传输系统中得到了广泛应用。随着柔性直流工程投运数量的增加，单个换流站电压和容量等级从最初的
±
30kv/18mw到
±
800kv/5000mw，换流站已经从接入35kv配网提升至500kv主网，柔直系统接入系统所带来的稳定性问题逐渐凸显，柔直工程在新能源接入、城市供电、大电网互联等应用方面已经出现了低频振荡和高频振荡现象。
3.然而，柔性直流接入系统后在低频段系统谐波附近呈现容性阻抗和负阻尼、而在高频段系统谐波附近呈现“感性”阻抗和负阻尼，容易诱发系统振荡，造成系统运行不稳定，已经引起关注。
4.柔直接入系统的振荡机理问题处于研究阶段，从现有柔直工程产生的系统振荡现象看，前期研究均未发现问题，是在现场设备带电输送功率情况下产生的系统谐振，然后根据现象在采取不同解决措施进行治理。从这点来看，对柔直接入系统产生振荡的机理揭示的尚不充分，难于清晰解释目前相关工程遇到的振荡问题，不能清晰认识未来柔直工程的振荡风险。
5.为了确保柔直系统稳定运行，提出相应的措施抑制柔直系统高频振荡，必须理清两个换流单元分列运行发生高频振荡的原因，需要提出了确定两个换流单元分列运行发生系统高频振荡原因的方法。


技术实现要素：

6.本发明技术方案提供一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法及系统，以解决如何确定两个换流单元分列运行发生系统高频振荡原因的问题。
7.为了解决上述问题，本发明提供了一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法，所述方法适用于当至少存在两个换流器单元分列运行后，柔性直流系统产生高频振荡，包括：
8.建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
；
9.建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg；
10.基于奈奎斯特稳定判据，在所述换流器阻抗z
mmc
与所述交流电网阻抗zg比值等于1的频率点，交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，柔性直流输电系统产生高频振荡；
11.通过对所述换流器的阻抗进行扫描及计算，获取所述换流器的阻抗的相频特性的高频波动，所述高频波动使得所述换流器的阻抗相位在预设角度范围上下波动，这一高频
波动是由换流器中交叉耦合分量产生的，使交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|在某些频段大于或等于180
°
，如果在这个频段范围内，存在换流器阻抗z
mmc
与交流电网阻抗zg比值等于1的频率点，那么柔性直流输电系统在这些频率点就会产生高频振荡。
12.优选地，所述获取所述换流器的阻抗的相频特性有高频波动，其中小幅的高频波动伴随频率的升高而减弱。
13.优选地，所述预设角度范围包括：大于-180
°
，小于180
°
。
14.优选地，所述建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
，还包括：
15.通过频率扫描获取换流器阻抗的幅频特性和相频特性；
16.通过阻抗特性数学拟合得出换流器阻抗的数学模型；
17.通过数学计算，获取换流器阻抗z
mmc
的幅频特性和相频特性；
18.优选地，所述建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg，还包括：
19.通过频率扫描获取交流电网阻抗的幅频特性和相频特性；
20.通过阻抗特性数学拟合得到交流电网阻抗数学模型；
21.通过数学计算，获取交流电网阻抗zg的幅频特性和相频特性；
22.优选地，进行换流器阻抗z
mmc
与交流电网阻抗zg比值计算和相位差计算，再依据奈奎斯特稳定判据，确定柔直系统在那些频率点存在着产生高频振荡的风险。
23.优选地，依据上述方法就能找出两换流器分列运行产生系统高频振荡的原因。
24.基于本发明的另一方面，本发明提供一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的系统，所述系统适用于当至少存在两个换流器单元分列运行后，确定柔性直流系统产生高频振荡的原因，包括：
25.初始单元，用于建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
；建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg；
26.判断单元，用于基于奈奎斯特稳定判据，在所述换流器阻抗z
mmc
与所述交流电网阻抗zg比值等于1的频率点，交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，柔性直流输电系统产生高频振荡；
27.结果单元，用于通过对所述换流器的阻抗进行扫描及计算，获取所述换流器的阻抗的相频特性的高频波动，所述高频波动使得所述换流器的阻抗相位在90
°
上下波动，所述高频波动是由换流器中交叉耦合分量产生的，造成换流器使交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，柔性直流输电系统产生高频振荡。
28.优选地，所述获取所述换流器的阻抗的相频特性有高频波动，其中小幅的高频波动伴随频率的升高而减弱。
29.优选地，还包括：所述换流器的阻抗相位范围包括：大于-180
°
，小于180
°
。
30.优选地，所述初始单元，用于建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
，还用于：
31.通过频率扫描获取换流器的阻抗特性；
32.通过阻抗特性拟合得到换流器阻抗的数学模型；
33.通过所述数学模型进行理论计算得到换流器阻抗z
mmc
的频率特性。
34.优选地，所述初始单元，用于建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg，还
用于：
35.通过频率扫描获取换流器的阻抗特性；
36.通过阻抗特性拟合得到交流电网阻抗的数学模型；
37.通过所述数学模型进行理论计算得到交流电网阻抗zg的频率特性。
38.优选地，所述判断单元，还用于进行换流器阻抗z
mmc
与交流电网阻抗zg比值计算和相位差计算，再依据奈奎斯特稳定判据，确定柔直系统在那些频率点存在着产生高频振荡的风险。
39.本发明技术方案提供一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法及系统，针对渝鄂柔直工程南通道渝侧两个换流单元分列运行发生的系统高频振荡，理清两个换流单元分列运行发生高频振荡的原因，为换流器交叉耦合分量产生的。本发明技术方案为解决柔性直流两个换流单元分列运行(独立运行)方式下产生的系统振荡提出解决措施提供技术支持。
附图说明
40.通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
41.图1为根据本发明优选实施方式的一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法流程图；
42.图2为根据本发明优选实施方式的频率扫描得到的阻抗相位频率特性示意图；
43.图3为根据本发明优选实施方式的仿真计算得到的阻抗相位频率特性示意图；以及
44.图4为根据本发明优选实施方式的一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的系统结构图。
具体实施方式
45.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
46.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
47.图1为根据本发明优选实施方式的一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法流程图。本发明提出了一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法，是针对渝鄂柔直南通道渝侧高频振荡机理分析得出的结论，可以为其他柔直工程同样运行方式分析高频振荡产生原因提供借鉴意义。
48.本发明的工程背景是在渝鄂背靠背柔直南通道系统调试过正中，进行渝侧断面失电试验时，在施州站拉开串内开关，形成了两个母线分别带两个换流单元分别运行，这样在渝侧形成了两个换流单元开环运行，出现了13倍频为主频、约为665hz为主的系统振荡。为
了不影响渝鄂南通道运行和工程系统调试，通过研究确定，在两个换流单元开环运行方式下，如果检测到系统振荡，直流控制系统闭锁一个单元，另一个单元继续运行。
49.本发明技术方案提供了一种确定柔性直流抑制系统高频振荡原因的方法，为分析和解决柔直系统发生高频谐振问题提供技术支持。
50.为了解决上述问题，如图1所示，本发明提供了一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法，方法适用于当至少存在两个换流器单元分列运行后，柔性直流系统产生高频振荡，包括：
51.步骤101：建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
；优选地，建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
，还包括：
52.通过频率扫描获取换流器阻抗的幅频特性和相频特性；
53.通过阻抗特性数学拟合得出换流器阻抗的数学模型；
54.通过数学计算，获取换流器阻抗z
mmc
的幅频特性和相频特性。
55.本发明首先建立换流器阻抗模型，通过理论计算得到换流器阻抗z
mmc
，然后与频率扫描得到的换流器阻抗进行比较，然后进行修正，得到准确的换流器阻抗z
mmc
。
56.步骤102：建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg；
57.优选地，建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg，还包括：
58.通过频率扫描获取交流电网阻抗的幅频特性和相频特性；
59.通过阻抗特性数学拟合得到交流电网阻抗数学模型；
60.通过数学计算，获取交流电网阻抗zg的幅频特性和相频特性。
61.步骤103：基于奈奎斯特稳定判据，在换流器阻抗z
mmc
与交流电网阻抗zg比值等于1的频率点，交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，柔性直流输电系统产生高频振荡；
62.本发明应用奈奎斯特稳定判据，在zg/z
mmc
的幅值等于1的频率点，其|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，系统就会产生高频振荡，否则系统不会产生高频振荡。
63.步骤104：通过对换流器的阻抗进行扫描及计算，获取换流器的阻抗的相频特性的高频波动，在某些频段上，高频波动使得换流器的阻抗相位在90
°
上下波动。根据得出的换流器阻抗数学模型表达式，可以判断出高频波动是由换流器交叉耦合分量产生的，相位波动大于90
°
频段恶化了换流器的频率特性，使交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，如果存在在zg/z
mmc
的幅值等于1的频率点，柔性直流输电系统产生高频振荡。本技术中应用场合频段为750hz以下频段，具体频段范围根据不同的场合情况调整。
64.优选地，获取换流器的阻抗的相频特性有高频波动，其中小幅的高频波动伴随频率的升高而减弱。
65.优选地，预设角度范围包括：大于-180
°
，小于180
°
。
66.本发明因此可以确定两个换流单元分列运行发生高频振荡的原因：柔性直流控制回路链路延时，前馈电压和交叉耦合分量。
67.本发明提供一种确定柔性直流系统高频振荡原因的方法，其中方法包括：通过频率扫描和理论计算，得到换流器阻抗和所连接的交流电网阻抗，进而得到换流器阻抗和交流线路的幅频特性和相频特性的数学表达式，以便于进行阻抗特性分析；本发明技术根据
两个换流器阻抗和交流线路的幅频特性和相频特性，得出柔直系统高频谐振点的阻抗比值和相位差。本发明通过幅频特性和相频特性、以及阻抗比值和相位差，得出换流器阻抗相频特性有高频波动，且小幅的高频波动随着频率的升高而逐渐减弱，这个波动造成了换流器阻抗相位在接近90
°
上下波动，使得换流器阻抗相频特性在该频段会出现间断性的阻尼特性变差，由换流器阻抗的数学模型表达式可以确定使换流器阻抗特性变差的原因是换流器交叉耦合分量产生的，为分析和解决柔直系统发生高频谐振问题提供技术支撑。
68.本发明在柔直换流站两个换流单元分列运行方式下，换流器阻抗相频特性有高频波动，且小幅的高频波动随着频率的升高而逐渐减弱，这个波动造成了换流器阻抗相位在接近90
°
上下波动，使得换流器阻抗相频特性在该频段会出现间断性的阻尼特性变差，由换流器模型特性分析可确定使换流器阻抗特性变差的原因是交叉耦合分量产生的。由此，可以确定柔直系统产生高频谐振的主要原因是柔性直流控制回路链路延时，前馈电压和交叉耦合分量。渝鄂柔直南通道渝侧两个换流单元分列运行发生的高频振荡是在考虑了控制回路链路延时和前馈电压影响，采取了相应的控制措施后，又发生的高频振荡。所以，两个换流单元分列运行产生的高频振荡是由交叉耦合分量引起换流器相位频率特性高频波动，使得换流器阻抗特性变差所致。
69.换流器阻抗频率扫描和仿真计算结果验证了这个结论。图2为频率扫描结果，图3为仿真计算结果，图中横轴单位为hz，纵轴单位为相位角度。
70.本发明在建立的换流器阻抗数学模型中，如果将换流器阻抗中与交叉耦合分量去掉，换流器的相频特性小幅值波动就消失了，而且阻抗数学模型相频特性波动的频率与频率扫描得到的换流器相频特性波动的频率一致。
71.本发明提出的一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的方法就是在建立换流器阻抗和所连接的交流电网阻抗模型，应用奈奎斯特稳定判据，得到柔直系统高频谐振点幅频特性和相频特性，由换流器的相频特性在90
°
上下高频波动导致换流器阻抗相频特性在该频段会出现间断性的阻尼特性变差，这个高频波动就是由换流器交叉耦合分量产生的。基于渝鄂柔直南通道渝侧两个换流器单元在分列运行方式下发生的系统高频振荡的工程背景，提出了两个换流单元分列运行方式柔直系统高频振荡的原因是由换流器控制交叉耦合分量引起的。
72.渝鄂
±
420kv直流背靠背柔性直流联网工程分为南、北两个通道，南通道为施州直流，北通道为宜昌直流。每个直流换流站包含2个换流单元，采用单极对称拓扑结构。每个换流单元额定容量1250mw，南北通道4个换流单元总输送容量5000mw。渝鄂工程在2019年投运。
73.本发明提供了一种确定柔性直流系统高频振荡原因的方法，理清了柔性直流两个换流单元分列运行(独立运行)方式下产生系统振荡问题的原因，为解决柔性直流两个换流单元分列运行(独立运行)方式下产生的系统振荡提出解决措施提供技术支持。
74.图4为柔直换流器主回路示意图。
75.本发明实施方式操作步骤如下：
76.步骤s1：通过频率扫描和理论计算，得到精确的换流器阻抗和所连接的交流电网阻抗数学模型；
77.步骤s2：当渝鄂南通道施州换流站渝侧出现两个换流单元分列运行方式时，通过
仿真得到换流器阻抗和所连接的交流电网阻抗幅频特性和相频特性，并确定高频振荡点的阻抗比值和相位差；
78.步骤s3：得出换流器阻抗相频特性有高频波动，且小幅的高频波动随着频率的升高而逐渐减弱，这个波动造成了换流器阻抗相位在接近90
°
上下波动，使得换流器阻抗相频特性在该频段会出现间断性的阻尼特性变差；
79.步骤s4：由换流器阻抗精确模型判断出换流器阻抗特性变差的原因是交叉耦合分量产生的；
80.步骤s5：由此确定两个换流单元分列运行方式时，引起柔直系统高频振荡的因素为：柔性直流控制回路链路延时，前馈电压和交叉耦合分量；
81.步骤s6：为分析和解决柔直系统发生高频谐振问题提供技术支撑。
82.本发明在发生两个换流单元分列运行后，柔直系统产生高频振荡，为理清柔直系统发生高频振荡的原因，提出了确定柔直系统发生高频振荡原因的方法。本发明确定了渝鄂柔直南通道渝侧两个换流器分列运行发生高频振荡的原因，为解决此高频振荡提供了技术支撑。
83.图4为根据本发明优选实施方式的一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的系统结构图。如图4所示，本发明提供一种确定柔性直流输电系统高频振荡原因的系统，系统适用于当至少存在两个换流器单元分列运行后，确定柔性直流系统产生高频振荡的原因，包括：
84.初始单元401，用于建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
；建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg；
85.优选地，初始单元401，用于建立换流器的阻抗模型，获取换流器阻抗z
mmc
，还用于：
86.通过频率扫描获取换流器的阻抗特性；
87.通过阻抗特性拟合得到换流器阻抗的数学模型；
88.通过数学模型进行理论计算得到换流器阻抗z
mmc
的频率特性。
89.优选地，初始单元401，用于建立交流电网的阻抗模型，获取交流电网阻抗zg，还用于：
90.通过频率扫描获取换流器的阻抗特性；
91.通过阻抗特性拟合得到交流电网阻抗的数学模型；
92.通过数学模型进行理论计算得到交流电网阻抗zg的频率特性。
93.判断单元402，用于基于奈奎斯特稳定判据，在换流器阻抗z
mmc
与交流电网阻抗zg比值等于1的频率点，交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，柔性直流输电系统产生高频振荡；
94.结果单元403，用于通过对换流器的阻抗进行扫描及计算，获取换流器的阻抗的相频特性的高频波动，高频波动使得换流器的阻抗相位在900上下波动，高频波动是由换流器中交叉耦合分量产生的，造成换流器使交流电网阻抗与换流器阻抗z
mmc
的相位差的绝对值|∠z
g-∠z
mmc
|大于或等于180
°
，柔性直流输电系统产生高频振荡。
95.优选地，获取换流器的阻抗的相频特性有高频波动，其中小幅的高频波动伴随频率的升高而减弱。
96.优选地，还包括：换流器的阻抗相位范围包括：大于-180
°
，小于180
°
。
97.优选地，判断单元，还用于进行换流器阻抗z
mmc
与交流电网阻抗zg比值计算和相位差计算，再依据奈奎斯特稳定判据，确定柔直系统在那些频率点存在着产生高频振荡的风险。
98.已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
99.通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。