基于相分量的VSC-HVDC机电暂态仿真方法及系统与流程

基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真方法及系统
技术领域
[0001]
本发明涉及电力系统仿真与建模领域，特别是涉及一种基于相分量的机电暂态仿真方法及系统。


背景技术：

[0002]
新能源发电的快速发展且规模化接入电网导致电力系统出现越来越多的交直流混联模式，在交直流混联电网中存在大量电压源型换流器(vsc)，因此vsc-hvdc的运行特性直接影响了含大规模新能源发电的电力系统动态特性，这对于电力系统的仿真提出更高的要求。目前对于交直流混联系统的仿真，一般集中在电磁暂态仿真方面。电磁暂态仿真精度高，能够反映换流器开关动作，但是其受制于仿真步长小，电磁暂态仿真难以对大规模的交直流混联电网进行仿真。而机电暂态仿真具有计算规模大、仿真速度快的特点，因此机电暂态仿真成为分析vsc-hvdc的重要工具。如今已经建立了几种机电暂态仿真模型，如vsc-hvdc两端系统的小信号模型、基于时变动态相量直流模型的机电暂态模型、基于时变动态相量的vsc机电暂态仿真模型。
[0003]
vsc-hvdc两端系统的小信号模型：在列些状态方程中利用小信号原理对方程进行线性化，从而重点研究了直流输电中的稳定性问题。
[0004]
基于时变动态相量直流模型的机电暂态模型：该模型将支流部分分离出来，对其建立动态向量模型；对除去直流部分的系统建立传统的机电暂态模型。依据多速率的仿真原理，对不同的部分进行不同速率仿真，从而加快整体仿真速度。
[0005]
基于时变动态相量的vsc机电暂态仿真模型：在dq坐标系下利用直流和二倍频分量研究了换流器在不对称故障下的仿真问题。
[0006]
上述改进的模型均无法有效兼顾仿真的精度和效率，在总结分析现有的机电暂态仿真方法的基础上，本发明提出一种基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真模型，能够在机电暂态仿真中兼顾仿真速度和仿真精度。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是提供一种基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真方法及系统，能够在机电暂态仿真中兼顾仿真速度和仿真精度。
[0008]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0009]
一种基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真方法，所述仿真方法包括：
[0010]
建立基于相分量的vsc-hvdc换流器模型；所述vsc-hvdc换流器模型包含基于相分量的vsc换流器交流侧机电暂态模型、基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型以及基于相分量的vsc控制机电暂态模型；
[0011]
对交流系统进行潮流计算，得到双端vsc-hvdc两侧pcc点处电压u
t
和电流i
t
；
[0012]
基于所述pcc点处电压和电流计算外环控制量；
[0013]
基于所述外环控制量计算vsc侧交流侧电流i
re
、i
im
；
[0014]
基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型功率守恒计算vsc直流侧电流；
[0015]
建立基于相分量的vsc-hvdc直流线路换模型；
[0016]
将所述vsc直流侧电流输入至所述vsc-hvdc直流线路换模型中，计算直流线路的电压和电流。
[0017]
可选的，所述基于相分量的vsc换流器交流侧机电暂态模型如下：
[0018][0019][0020]
其中，u
t
为pcc点相电压；u
c
为换流器出口电压；u
tre
、u
tim
、u
cre
、u
cim
、i
cre
、i
cim
分别为u
t
、u
c
、i
c
的实部和虚部分量，ic是换流器出口电流，lc是换流器出口侧电感，b
c
为滤波电容，i
sre
，i
sim
为交流系统电流的实部和虚部，ω为角速度；
[0021]
所述基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型如下：
[0022][0023]
由式p
d
＝p
c
可得
[0024][0025]
其中，p
c
为换流器交流侧有功功率；p
d
为直流侧功率；u
dc
为直流侧正负极母线间电压；i
d
为vsc直流侧电流，u
re
、u
im
为换流器交流侧电压的实部和虚部；i
re
、i
im
为换流器交流侧电流的实部和虚部，r
c
为换流器出口侧等效电阻；
[0026]
所述基于相分量的vsc控制机电暂态模型包括内环控制模型和外环控制模型，所述内环控制模型简化为1；
[0027]
所述外环控制模型为：
[0028]
可选的，基于所述pcc点处电压和电流计算外环控制量具体采用以下公式：
[0029][0030]
其中，p为有功功率控制量，q为无功功率控制量，u
tre
、u
tim
、i
tre
、i
tim
分别是u
t
和i
t
移相后的实轴和虚轴分量；
[0031]
采用所述外环控制模型计算实轴电流参考值i
reref
和虚轴电流参考值i
imref
。
[0032]
可选的，基于所述外环控制量计算vsc侧交流侧电流具体采用以下公式：
[0033]
i
re
＝i
reref
[0034]
i
im
＝i
imref
。
hvdc直流线路换模型中，计算直流线路的电压和电流。
[0052]
可选的，所述换流器模型构建模块具体采用以下公式：
[0053]
所述基于相分量的vsc换流器交流侧机电暂态模型如下：
[0054][0055][0056]
其中，u
t
为pcc点相电压；u
c
为换流器出口电压；u
tre
、u
tim
、u
cre
、u
cim
、i
cre
、i
cim
分别为u
t
、u
c
、i
t
的实部和虚部分量，ic是换流器出口电流，lc是换流器出口侧电感，b
c
为滤波电容，i
sre
，i
sim
为交流系统电流的实部和虚部，ω为角速度；
[0057]
所述基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型如下：
[0058][0059]
由式p
d
＝p
c
可得
[0060][0061]
其中，p
c
为换流器交流侧有功功率；p
d
为直流侧功率；u
dc
为直流侧正负极母线间电压；i
d
为vsc直流侧电流，u
re
、u
im
为换流器交流侧电压的实部和虚部；i
re
、i
im
为换流器交流侧电流的实部和虚部，r
c
为换流器出口侧等效电阻；
[0062]
所述基于相分量的vsc控制机电暂态模型包括内环控制模型和外环控制模型，所述内环控制模型简化为1；
[0063]
所述外环控制模型为：
[0064]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0065]
1.基于相分量的vsc-hvdc机电暂态模型与vsc-hvdc两端系统的小信号模型相比，基于相分量的vsc-hvdc机电暂态模型也可以研究直流输电中的稳定性问题，同时对于多端直流系统换流器间相互作用也适用，可以推广到大规模电网仿真中，并且在保证精度的同时可以提高仿真速度。
[0066]
2.基于相分量的vsc-hvdc机电暂态模型与基于时变动态相量直流模型相比基于相分量的vsc-hvdc机电暂态模型克服了基于时变动态相量直流模型在机电暂态仿真中所固有的数据接口以及数据交换问题，因此在仿真速度方面会更加优异。同时，对于交流系统和直流系统建立同样的模型，克服了基于时变动态相量直流模型中对于直流系统和交流系统需建立两种模型的问题。
[0067]
3.基于相分量的vsc-hvdc机电暂态模型与基于时变动态相量的vsc机电暂态仿真模型相比，基于相分量的vsc-hvdc机电暂态模型适用性要更好，可以推广到同时含有lcc-hvdc和vsc-hvdc系统，具有更好的普适性。
附图说明
[0068]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0069]
图1为本发明实施例基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真方法流程图；
[0070]
图2为本发明实施例换流器交流侧等效电路；
[0071]
图3为本发明实施例换流器直流侧等效电路；
[0072]
图4为本发明实施例基于相分量的vsc控制机电暂态模型；
[0073]
图5为本发明实施例含内环控制的换流器系统结构图；
[0074]
图6为本发明实施例基于相分量模型的含内环控制的换流器系统结构图；
[0075]
图7为本发明实施例外环控制系统图；
[0076]
图8为本发明实施例直流侧线路模型；
[0077]
图9为本发明实施例基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真系统结构示意图。
具体实施方式
[0078]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0079]
本发明的目的是提供一种基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真方法及系统，能够在机电暂态仿真中兼顾仿真速度和仿真精度。
[0080]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0081]
图1为本发明实施例基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真方法流程图，如图1所示，所述方法包括：
[0082]
步骤1：建立基于相分量的vsc-hvdc换流器模型。
[0083]
具体的，所述基于相分量的vsc-hvdc换流器模型包含：基于相分量的vsc换流器交流侧机电暂态模型、基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型以及基于相分量的vsc控制机电暂态模型。
[0084]
其中，基于相分量的vsc换流器交流侧机电暂态模型如下：
[0085]
换流器交流侧模型为受控电压源，见附图2，列写出交流侧系统模型方程如下：
[0086][0087][0088]
方程中各物理量采用相分量表示，为书写方便省去相分量里的时间变量。考虑到三相的相似性，方程中用a相来描述其物理特性。
[0089]
其中，u
t
为pcc点相电压；u
c
为换流器出口电压；u
tre
、u
tim
、u
cre
、u
cim
、i
cre
、i
cim
分别为u
t
、u
c
、i
t
的实部和虚部分量，ic是换流器出口电流，lc是换流器出口侧电感，b
c
为滤波电容，i
sre
，i
sim
为交流系统电流的实部和虚部，ω为角速度；
[0090]
基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型如下：
[0091]
换流器直流侧模型为受控电流源与电容并联，见附图3。
[0092]
计算直流侧模型的电流如下，根据能量守恒关系，在忽略损耗条件下交直流两侧注入功率相等，可求得直流侧电流。
[0093][0094]
由式p
d
＝p
c
可得
[0095][0096]
其中，p
c
为换流器交流侧有功功率；p
d
为直流侧功率；u
dc
为直流侧正负极母线间电压；i
d
为vsc直流侧电流，u
re
、u
im
为换流器交流侧电压的实部和虚部；i
re
、i
im
为换流器交流侧电流的实部和虚部，r
c
为换流器出口侧等效电阻；
[0097]
基于相分量的vsc控制机电暂态模型见附图4，包括内环控制模型和外环控制模型，其中，所述内环控制模型设计实轴和虚轴独立控制的含内环控制的换流器系统结构见附图5。通过对实轴和虚轴变量以及电网电压分别补偿的方式实现了实轴和虚轴的独立控制，进一步考虑到内环的截至频率是开关频率的十分之一，外环的截至频率是内环截至频率的十分之一，将附图5的内环控制进一步简化，将内环与换流器组合的传递函数看做为1，此时其电流控制环节的结构简化见附图6，附图6即为基于相分量的vsc内环控制机电暂态模型。
[0098]
外环控制模型：外环控制模型见附图7。值得注意的是，由于采用相分量形式，本发明中的外环控制环节用一个简单的移相环节来代替锁相。以pcc点ut的相位作为参考相位进行的移相环节实现了控制量实部和虚部的解耦，这是本发明发明点之一。
[0099]
步骤2：进行交流系统潮流计算。
[0100]
对交流系统进行潮流计算，得到双端vsc-hvdc两侧pcc点处电压u
t
和电流i
t
，步骤2的输出电压u
t
和电流i
t
为步骤3的输入。
[0101]
步骤3：外环控制环节计算。
[0102]
利用移相环节对步骤2的输出量电压u
t
电流i
t
进行移相，基于相分量原理，可以获知电压相量和电流相量的信息，然后以pcc(point ofcommon coupling，电力系统中的公共连接点)点u
t
的相位作为参考相位后得到u
tre
、u
tim
和i
tre
、i
tim
，根据控制要求利用u
tre
、u
tim
和i
tre
、i
tim
计算外环控制量，外环控制量计算如下：
[0103]
[0104]
其中，p为有功功率控制量，q为无功功率控制量，u
tre
、u
tim
、i
tre
、i
tim
分别是u
t
和i
t
移相后的实轴和虚轴分量；
[0105]
采用所述外环控制模型计算实轴电流参考值i
reref
和虚轴电流参考值i
imref
，作为内环控制环节的输入量。
[0106]
步骤4：内环控制环节及vsc模型仿真计算。
[0107]
根据外环控制环节的计算结果i
reref
、i
imref
，一方面利用包含内环控制环节的vsc模型计算vsc交流测电流i
re
、i
im
，i
re
＝i
reref
，i
im
＝i
imref
，另一方面，根据基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型功率守恒计算vsc直流测电流。实际上，计算过程即为公式3和公式4：
[0108][0109]
由式p
d
＝p
c
可得
[0110][0111]
步骤5：建立基于相分量的vsc-hvdc直流线路换模型并计算直流线路电流和电压。
[0112]
直流侧线路模型采用pi型电路模型，见附图8，建立线路模型方程，并将方程中物理量的实部和虚部分别列写，串联支路方程和对地电容支路方程(以i节点为例)如下，其中，r
l
、l
l
、c
l
分别为线路的等效电阻、线路等效电感和线路等效电容。
[0113][0114][0115]
对上述方程进行差分化，差分化后的方程为：
[0116][0117][0118]
建模时将各换流器直流侧电容并入直流网络，其微分与差分方程分别为：
[0119][0120][0121]
其中，u
rei
，u
imi
为线路上i节点电压的实部和虚部；u
rej
，u
imj
为线路上j节点电压的实部和虚部，i
cre
，i
cim
为mmc支路并入直流侧时电流的实部和虚部，c
conv
为直流侧并联的电容，t为仿真时间，δt为仿真步长。
[0122]
根据步骤4输出的vsc直流测电流，将其带入直流线路的模型中，计算直流线路的电压和电流。
[0123]
最后，判断仿真是否结束，若结束，输入仿真结果。否则，更新pcc点处电压u
t
后进行下一步长计算。
[0124]
图9为本发明实施例基于相分量的vsc-hvdc机电暂态仿真系统结构示意图，如图9所示，所述系统包括：
[0125]
换流器模型构建模块201，用于建立基于相分量的vsc-hvdc换流器模型；所述vsc-hvdc换流器模型包含基于相分量的vsc换流器交流侧机电暂态模型、基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型以及基于相分量的vsc控制机电暂态模型；
[0126]
潮流计算模块202，用于对交流系统进行潮流计算，得到双端vsc-hvdc两侧pcc点处电压u
t
和电流i
t
；
[0127]
外环控制量计算模块203，用于基于所述pcc点处电压和电流计算外环控制量；
[0128]
vsc侧交流侧电流计算模块204，用于基于所述外环控制量计算vsc侧交流侧电流；
[0129]
vsc直流侧电流计算模块205，用于基于相分量的vsc直流侧机电暂态模型功率守恒计算vsc直流侧电流；
[0130]
直流线路换模型构建模块206，用于建立基于相分量的vsc-hvdc直流线路换模型；
[0131]
直流线路的电压和电流计算模块207，用于将所述vsc直流侧电流输入至所述vsc-hvdc直流线路换模型中，计算直流线路的电压和电流。
[0132]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0133]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。