一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法

本发明涉及建模技术，特别涉及一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏等新能源发电装机容量的不断提升以及海上风电的蓬勃发展，大规模新能源经柔性直流输电送出正逐渐成为新能源并网的重要技术手段之一。大量电力电子换流器的使用正显著改变电力系统的动态特性，高比例新能源渗透与高比例电力电子化的“双高”电力系统振荡问题已经出现，并严重影响了系统安全可靠运行，是大规模新能源并网亟需解决的关键问题。

2、因此，得出高频振荡的机理和关键影响因素是必要的，而分析mmc-hvdc高频振荡现象首先需要建立能够精确反映mmc中高频段动态特性的数学模型，由于高频振荡是mmc与交流侧阻抗不匹配造成的，也需要建立合适的交流侧模型。

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技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，针对以往在前馈环节后加入一个总的延时环节的形式，与实际工程中的延时分布情况存在较大差异并且考虑到基于高频特性的交流线路多个π等效模型的准确性，研究了一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法，包括以下步骤：

4、步骤1：建立考虑正负序电流独立控制、电压前馈控制、锁相环和功率外环的mmc高频阻抗模型，包括：采用谐波线性化的方法分别建立正负序电流独立控制、电压前馈控制、锁相环和功率外环的小信号模型，然后将小信号电压扰动注入系统，将电压转换为频域分量，进而通过小信号线性化方法推导出扰动频率处的电流，最后从扰动频率处的电压和电流信号之比得到转换器阻抗。

5、本发明采用谐波线性化的建模方法。定义加入正、负序小扰动的电压时域表达式为：

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7、式中：v1、ω1分别为a相交流电压基波幅值和角速度；vp、ωp和分别为正序扰动电压的幅值、角速度和相角；vn、ωn和分别为负序扰动电压的幅值、角速度和相角。经过傅里叶变换，将a相电压频域表达式写为：

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9、式中：v1＝0.5v1；同理，交流电流和b、c相电压可写为类似的形式。

10、锁相环中的坐标变换拆解为稳态角度θ1变换和误差角度δθ两部分的乘积，表达式写为：

11、gpll＝hpll/(1+v1hpll)

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13、式中：kp和ki分别为锁相环的比例和积分系数。

14、功率外环需要考虑有功无功功率的参考值，得到正序电流内环dq轴参考值的表达式为：

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16、式中：p*、q*分别为有功功率和无功功率参考值；gpq为功率控制开环传递函数。

17、由于mmc控制器采用离散控制，分析过程将离散控制等效为零阶保持器，因此传递函数gd可表示为延时环节与零阶保持器传递函数的乘积。

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19、式中：td为系统延时；ts为零阶保持器采样时间。

20、由于正序阻抗与负序阻抗基本一致，尤其对于正负序独立控制，因此本节主要针对正序阻抗进行分析。其中采样环节传递函数为：

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22、将调制过程等效为增益为1的比例环节，并加入系统延时和信号处理环节gd，则a相输出电压为：

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24、式中：为总电压输出。

25、因此，得到交流侧动态方程为：

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27、联立上述公式可以得到正负序阻抗。

28、步骤2：分析各控制环节对阻抗的影响特性，并得到只考虑主要影响因素的简化阻抗模型，包括：通过分析加入各个控制环节对于mmc阻抗的幅频特性和相频特性高频段的影响，得出影响mmc阻抗特性的主要环节，从而建立只考虑主要影响环节的mmc高频阻抗简化模型。

29、当考虑换流器所有环节时，得到换流器的阻抗表达式相对复杂，由于锁相环对高频段阻抗特性影响很小，外环控制器及锁相环的控制频带较低，对柔性直流系统中高频谐振影响不明显，因此忽略了锁相环、功率外环、电流内环正负序独立及解耦控制时，得到简化条件下换流器的阻抗数学模型和控制框图。

30、由于换流器的控制之间存在耦合项，同时考虑到所研究系统存在高频振荡的影响。因此，换流器的阻抗可表示为：

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32、式中：ω为工频下的角频率，t为工频周期。

33、步骤3：建立基于多个pi等效的交流线路模型，从而得出适用于柔性直流输电系统高频振荡机理分析的阻抗模型，包括：交流线路模型应该尽可能采用多个pi等效模型，然而pi等效模型过多将会导致建模精细程度越高，模型也越为复杂，根据理论分析采用20个pi等效模型来模拟200km的交流线路，通过与mmc高频阻抗简化模型相结合建立柔性直流输电系统的高频振荡阻抗模型。

34、交流线路等效模型可以按细节程度不同分为阻感等效模型(不考虑电容效应)、t型等效模型、π型等效模型及分布式参数模型。在线路较短时，可以忽略电容效应，而线路较长时，则不能忽略电容效应。其中分布式参数模型建模最为精细，可以将其看成多个pi的等效模型。

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36、根据上述公式可以绘制出n个pi的等效模型阻抗特性，分别将200公里的线路等效成1，2，3，n个pi等效模型。从图7中可以看出四种等效模型在低频段的幅频和相频特性表现几乎一致，差别在于pi等效模型的个数越多中高频段的谐振点越多。

37、因此，在研究系统的高频振荡时，交流线路模型应该尽可能采用多个pi等效模型。然而pi等效模型过多将会导致建模精细程度越高，模型也越为复杂，所以根据分析采用20个pi等效模型来模拟200km的交流线路。

38、基于上述建立的mmc高频阻抗模型并结合多个pi等效的交流线路模型可以得到柔性直流输电系统的高频阻抗模型。

39、该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

40、本发明综合考虑柔性直流输电系统的高频阻抗特性，建立了考虑锁相环、功率控制外环、dq0正反变换、正序电流控制环、负序电流控制环的换流器序阻抗模型和考虑分布参数的交流线路模型，针对以往在前馈环节后加入一个总的延时环节的形式，与实际工程中的延时分布情况存在较大差异并且考虑到基于高频特性的交流线路多个π等效模型的准确性，研究了一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法。

技术特征：

1.一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤1：建立考虑正负序电流独立控制、电压前馈控制、锁相环和功率外环的mmc高频阻抗模型，具体包括：采用谐波线性化的方法分别建立正负序电流独立控制、电压前馈控制、锁相环和功率外环的小信号模型，然后将小信号电压扰动注入系统，将电压转换为频域分量，进而通过小信号线性化方法推导出扰动频率处的电流，最后从扰动频率处的电压和电流信号之比得到转换器阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤2：分析各控制环节对阻抗的影响特性，并得到只考虑主要影响因素的简化阻抗模型，具体包括：通过分析加入各个控制环节对于mmc阻抗的幅频特性和相频特性高频段的影响，得出影响mmc阻抗特性的主要环节，从而建立只考虑主要影响环节的mmc高频阻抗简化模型。

4.根据权利要求1所述的一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤3：建立基于多个pi等效的交流线路模型，从而得出适用于柔性直流输电系统高频振荡机理分析的阻抗模型，具体包括：交流线路模型应该尽可能采用多个pi等效模型，然而pi等效模型过多将会导致建模精细程度越高，模型也越为复杂，根据理论分析采用20个pi等效模型来模拟200km的交流线路，通过与mmc高频阻抗简化模型相结合建立柔性直流输电系统的高频振荡阻抗模型。

技术总结
本发明公开了一种考虑延时环节的柔性直流输电系统高频振荡阻抗建模方法。基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统由于长链路延时的作用往往会在高频段表现出负阻尼特性，与交流线路的分布参数相互影响会导致高频振荡的产生。本发明首先建立考虑正负序电流独立控制、电压前馈控制、锁相环和功率外环的MMC高频阻抗模型；其次，分析各控制环节对阻抗的影响特性，并得到只考虑主要影响因素的简化阻抗模型；最后，建立基于多个pi等效的交流线路模型，从而得出适用于柔性直流输电系统高频振荡机理分析的阻抗模型。

技术研发人员：马燕峰,张鑫宇
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22