用于同步机-构网型MMC并联供电系统暂态稳定分析方法与流程

用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法
技术领域
1.本技术涉及电力系统输配电技术领域，尤其涉及一种用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法。


背景技术：

2.随着电力电子器件的高速发展，基于电压源型换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,vsc-hvdc)技术也得到广泛应用。其中模块化多电平换流器mmc凭借其谐波分量较少，不需要应用功率器件串联技术等优势，成为了大规模新能源基地并网中首选的电压源换流器。与此同时，mmc-hvdc作为重要的非同步机电源，在未来电力系统中能够替代同步机电源向系统中供电。
3.mmc作为非同步机电源时，主要有跟网型和构网型两种典型控制策略。跟网型mmc通常采用电流矢量控制，外环控制器实现有功/无功量的解耦控制，有功控制环通常定有功功率，无功环可以采用定无功功率/交流电压控制策略，采用锁相环(phase locked loop,pll)跟踪并网点电压，实现与有源电网的同步。构网型mmc的核心思想是控制并网点电压的幅值和相位，可以模拟发电机的惯量和阻尼特性，在为无源网络供电时发挥着独特的优势。然而，目前对构网型mmc与同步机并联向负荷供电系统的暂态稳定解析计算相关研究较少，因此难以定量衡量系统的暂态稳定性及稳定机理，也难以为系统继电保护装置的时间整定提供参考。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法，以解决现有技术难以定量衡量系统的暂态稳定性及稳定机理，同时无法为系统继电保护装置的时间整定提供客观指导的问题。
5.为实现上述目的，本技术提供一种用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法，包括：
6.基于同步机-构网型mmc并联供电系统，建立系统故障后的暂态稳定解析分析模型；
7.根据所述暂态稳定解析分析模型，获得同步机-构网型mmc并联供电系统稳定平衡点、不稳定平衡点处同步机的功角，计算系统临界切除角；
8.利用所述系统临界切除角计算系统的临界切除时间，作为系统暂态稳定性的评估指标。
9.进一步地，所述建立系统故障后的暂态稳定解析分析模型，包括：
10.针对故障后的同步机-构网型mmc并联供电系统，采用定交流电压幅值和频率的控制策略的构网型mmc换流器用电压源进行等效建模，以及采用定交流电压幅值和频率的控制策略的构网型mmc换流器用电流源进行等效建模。
11.进一步地，所述采用定交流电压幅值和频率的控制策略的构网型mmc换流器用电
压源进行等效建模，包括：
12.确定故障后的同步机-构网型mmc并联供电系统的同步机的电磁功率p
pos
为：
[0013][0014]
式中，构网型mmc的并网点电压指令值为e
ref
，同步机内电势为eq'，同步机功角为δg，同步机节点和构网型mmc的等效对地支路电导分别为g
12p
、g
13p
，同步机和构网型mmc之间的互导纳幅值为y
12p
，相角为
[0015]
进一步地，所述采用定交流电压幅值和频率的控制策略的构网型mmc换流器用电流源进行等效建模，包括：
[0016]
确定故障期间构网型mmc的注入电流矢量i
sfau
为：
[0017][0018]
式中，i
max
为mmc的电流限幅值，为mmc的注入电流相位设定值，j为复数单位；
[0019]
则mmc的并网点电压矢量us为：
[0020][0021]
式中，y
12f
、y
13f
、y
23f
分别表示故障期间同步机和构网型mmc之间的互导纳、同步机的对地支路导纳以及构网型mmc的对地支路导纳；
[0022]
设中间导纳项y
g1
、y
g2
分别为：
[0023][0024]
式中，g
g1
、b
g1
分别为y
g1
的电导和电纳，y
g2
、分别为y
g2
的幅值和相角；
[0025]
则同步机的注入电流ig为：
[0026]
ig＝y
g1eq
′‑yg2isfau
；
[0027]
根据同步机的内电势矢量eq'和注入电流ig，得到故障期间系统同步机的电磁功率p
fau
为：
[0028][0029]
进一步地，所述获得同步机-构网型mmc并联供电系统稳定平衡点、不稳定平衡点处同步机的功角，计算系统临界切除角，包括：
[0030]
根据潮流计算结果，获得原动机的机械功率pm，所述原动机的机械功率与同步机的稳态输出电磁功率相等，则系统稳定平衡点和不稳定平衡点处同步机的功角δs和δu分别为：
[0031][0032]
进一步地，所述计算系统临界切除角，包括：
[0033]
利用等面积法则，当系统临界切除角δ
cca
为使得加速面积与减速面积相等时，同步机的故障切除角满足以下等式：
[0034][0035]
对所述等式进行求解，得到系统临界切除角δ
cca
的值。
[0036]
进一步地，所述利用所述系统临界切除角计算系统的临界切除时间，包括：
[0037]
确定故障发生时同步机的转子运动方程为微分方程组：
[0038][0039]
式中，ωg表示同步机的转子转速，ω0为系统额定角频率，tj为发电机的惯性常数；
[0040]
采用欧拉法求解所述微分方程组：
[0041][0042]
式中，t为时刻，δt为积分时间步长；
[0043]
则系统的临界切除时间tc满足以下判据：
[0044]
δg(tc)≤δ
cca
≤δg(tc+δt)；
[0045]
计算过程中每一个时刻保存同步机功角δg和转子角频率ωg的值，根据所述判据求得系统的临界切除时间。
[0046]
本技术还提供一种用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析系统，包括：
[0047]
模型构建单元，用于基于同步机-构网型mmc并联供电系统，建立系统故障后的暂态稳定解析分析模型；
[0048]
临界切除角确定单元，用于根据所述暂态稳定解析分析模型，获得同步机-构网型mmc并联供电系统稳定平衡点、不稳定平衡点处同步机的功角，计算系统临界切除角；
[0049]
临界切除时间确定单元，用于利用所述系统临界切除角计算系统的临界切除时
间，作为系统暂态稳定性的评估指标。
[0050]
本技术还提供一种终端设备，包括：
[0051]
一个或多个处理器；
[0052]
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
[0053]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上任一项所述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法。
[0054]
本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法。
[0055]
相对于现有技术，本技术的有益效果在于：
[0056]
1)本技术应用于同步机-构网型mmc并联供电系统的暂态稳定解析评估，故障后系统中构网型mmc用电压源建模，故障期间系统中构网型mmc用电流源建模，能够正确反映系统的运行特性。
[0057]
2)本技术提出了同步机-构网型mmc并联供电系统的暂态稳定解析计算的整体框架，并提出了系统临界切除角、临界切除时间的解析计算方法，能够为电力系统的暂态稳定性定量评估提供理论依据。
[0058]
3)本技术提出的暂态稳定解析计算方法得到的解析解，能够定量评估系统的暂态稳定性，并且精度较高，从而为继电保护装置的时间整定提供参考，实际工程意义重大。
[0059]
4)本技术提出的暂态稳定解析计算方法对各种工况的鲁棒性良好，因此能够用于系统的暂态稳定机理分析，能够作为同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析的理论基础。
附图说明
[0060]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0061]
图1是本技术某一实施例提供的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法的流程示意图；
[0062]
图2为本技术某一实施例提供的同步机-构网型mmc并联供电系统拓扑结构示意图；
[0063]
图3为本技术某一实施例提供的改变构网型mmc注入电流相位时暂态稳定解析计算结果与时域仿真结果对比结果图；
[0064]
图4为本技术某一实施例提供的改变故障位置时暂态稳定解析计算结果与时域仿真结果对比结果图；
[0065]
图5为本技术某一实施例提供的改变负荷供电占比时暂态稳定解析计算结果与时域仿真结果对比结果图；
[0066]
图6是本技术某一实施例提供的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析系统的结构示意图；
[0067]
图7是本技术某一实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
[0068]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0069]
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
[0070]
应当理解，在本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0071]
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0072]
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0073]
请参阅图1，本技术某一实施例提供一种用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法。如图1所示，该用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法包括步骤s10至步骤s30。各步骤具体如下：
[0074]
s10、基于同步机-构网型mmc并联供电系统，建立系统故障后的暂态稳定解析分析模型。
[0075]
在一个具体实施方式中，针对故障后的同步机-构网型mmc并联供电系统，构建暂态稳定解析分析模型具体包括以下两个部分：
[0076]
1)采用定交流电压幅值和频率的控制策略的构网型mmc换流器用电压源进行等效建模：
[0077]
对于故障后系统，设构网型mmc的并网点电压指令值为e
ref
，同步机内电势为eq'，同步机功角为δg，同步机节点和构网型mmc的等效对地支路电导分别为g
12p
、g
13p
，同步机和构网型mmc之间的互导纳幅值为y
12p
，相角为则故障后系统同步机的电磁功率p
pos
形式为：
[0078][0079]
2)采用定交流电压幅值和频率的控制策略的构网型mmc换流器用电流源进行等效建模：
[0080]
确定故障期间构网型mmc的注入电流矢量i
sfau
为：
[0081][0082]
式中，i
max
为mmc的电流限幅值，为mmc的注入电流相位设定值，j为复数单位；
[0083]
则mmc的并网点电压矢量us为：
[0084][0085]
式中，y
12f
、y
13f
、y
23f
分别表示故障期间同步机和构网型mmc之间的互导纳、同步机
的对地支路导纳以及构网型mmc的对地支路导纳；
[0086]
设中间导纳项y
g1
、y
g2
分别为：
[0087][0088]
式中，g
g1
、b
g1
分别为y
g1
的电导和电纳，y
g2
、分别为y
g2
的幅值和相角；
[0089]
则同步机的注入电流ig为：
[0090]
ig＝y
g1eq
′‑yg2isfau
；
[0091]
根据同步机的内电势矢量eq'和注入电流ig，得到故障期间系统同步机的电磁功率p
fau
为：
[0092][0093]
s20、根据所述暂态稳定解析分析模型，获得同步机-构网型mmc并联供电系统稳定平衡点、不稳定平衡点处同步机的功角，计算系统临界切除角；
[0094]
本步骤中，基于步骤s10得到的模型，进一步计算系统临界切除角。
[0095]
具体地，根据潮流计算结果，获得原动机的机械功率pm，所述原动机的机械功率与同步机的稳态输出电磁功率相等，则系统稳定平衡点和不稳定平衡点处同步机的功角δs和δu分别为：
[0096][0097]
根据等面积法则，当系统临界切除角δ
cca
为使得加速面积与减速面积相等时，同步机的故障切除角满足以下等式：
[0098][0099]
对所述等式进行求解，得到系统临界切除角δ
cca
的值。
[0100]
s30、利用所述系统临界切除角计算系统的临界切除时间，作为系统暂态稳定性的评估指标。
[0101]
本步骤中，首先确定故障发生时同步机的转子运动方程为微分方程组：
[0102][0103]
式中，ωg表示同步机的转子转速，ω0为系统额定角频率，tj为发电机的惯性常数；
[0104]
采用欧拉法求解所述微分方程组：
[0105][0106]
式中，t为时刻，δt为积分时间步长；
[0107]
则系统的临界切除时间tc满足以下判据：
[0108]
δg(tc)≤δ
cca
≤δg(tc+δt)；
[0109]
计算过程中每一个时刻保存同步机功角δg和转子角频率ωg的值，根据所述判据求得系统的临界切除时间。
[0110]
综上所述，本技术实施例提供的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法，通过将系统临界切除时间作为评估指标，能够精准的、定量的评估系统的暂态稳定性，且用于各种工况下的鲁棒性良好，同时对于继电保护装置的时间整定具有指导意义。
[0111]
为了帮助理解，在一个具体地实施例中，提供了一种采用的同步机-构网型mmc并联供电系统拓扑结构，如图2所示。其中，同步机、构网型mmc分别通过线路1、2与负荷节点相连，从而向负荷供电。mmc的输送功率为600mw。同步机的输送功率为200mw，负荷额定功率为800mw。
[0112]
进一步地，系统主回路具体参数如表1所示：
[0113]
表1
[0114]
[0115][0116]
对于图2所示系统，设置故障位置位于线路1，距离同步机侧节点占比m＝0.5，故障期间mmc的注入电流相位设置为通过步骤1计算得到的故障后系统同步机电磁功率p
pos
表达式为：
[0117]
p
pos
＝0.0064-0.8953cos(δg+1.6427)；
[0118]
通过步骤2计算得到的故障期间系统同步机电磁功率p
fau
表达式为：
[0119]
p
fau
＝0.002-0.0537cos(δ
g-4.6)；
[0120]
根据步骤3，故障前同步机的电磁功率pm为0.1798，因此可以求得稳定平衡点和不稳定平衡点处同步机的功角δs和δu分别为：
[0121]
δs＝0.1229,δu＝2.8748；
[0122]
根据等面积法则，能够求得临界切除角的解析解为δ
cca
＝2.0585。
[0123]
根据步骤4，能够求得临界故障切除时间的解析解。此外，通过电磁暂态仿真得到
的临界切除时间和二者误差如下表2所示：
[0124]
表2
[0125][0126]
考虑故障位置m＝0.5。在系统的初始运行点处，以0.2p.u.为间隔，在四象限内改变电流的注入相位，临界切除时间的解析计算和时域仿真结果如图3所示。
[0127]
保持故障期间注入电流相位不变，在系统的初始运行点处，改变故障点距离同步机侧节点占比m，临界切除时间的解析计算和时域仿真结果如图4所示。
[0128]
保持故障期间注入电流相位不变，故障位置m＝0.5且负荷功率不变，分别改变同步机的有功出力，对应5种工况下发电机和mmc的输出功率以及二者的比例k
p
如下表3所示。在此五种工况下，临界切除时间的解析计算和时域仿真结果如图5所示。
[0129]
表3
[0130][0131]
根据上表可知，通过本技术所提出的暂态稳定解析计算方法得到的临界切除时间解析解，能够准确的反映系统的暂态稳定性，并且误差在10％以内。这是由于本技术的暂态稳定解析模型将构网型mmc在故障期间等效为电流源，故障清除后则用电压源特性模拟。本技术提出的暂态稳定解析计算方法具有良好的鲁棒性，在故障期间mmc电流注入相位改变，故障位置改变，同步机和负荷供电占比改变的情况下，采用本技术提出的暂态稳定解析计算方法得到的临界切除时间解析解，均能反映系统在上述因素改变时暂态稳定特性的变化趋势，对各种工况的适用性较强。
[0132]
请参阅图6，本技术某一实施例还提供一种用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析系统，包括：
[0133]
模型构建单元01，用于基于同步机-构网型mmc并联供电系统，建立系统故障后的暂态稳定解析分析模型；
[0134]
临界切除角确定单元02，用于根据所述暂态稳定解析分析模型，获得同步机-构网型mmc并联供电系统稳定平衡点、不稳定平衡点处同步机的功角，计算系统临界切除角；
[0135]
临界切除时间确定单元03，用于利用所述系统临界切除角计算系统的临界切除时间，作为系统暂态稳定性的评估指标。
[0136]
可以理解的是，本实施例提供的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分
析系统用于执行如上述任意一项实施例所述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法，并实现与其相同的效果，在此不再进一步赘述。
[0137]
请参阅图7，本技术某一实施例提供一种终端设备，包括：
[0138]
一个或多个处理器；
[0139]
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
[0140]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法。
[0141]
处理器用于控制该终端设备的整体操作，以完成上述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
[0142]
在一示例性实施例中，终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific 1ntegrated circuit，简称as1c)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device,简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行如上述任一项实施例所述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0143]
在另一示例性实施例中，还提供一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的用于同步机-构网型mmc并联供电系统暂态稳定分析方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0144]
以上所述是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本技术的保护范围。