本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)建模技術領域，尤其涉及一種uhvdc實用模型及其建模方法，此模型適用于對大電網(wǎng)機電過程的仿真計算。

背景技術：

特高壓直流輸送電能容量大，同時兼顧傳輸損耗低、輸電功率調節(jié)靈活、輸電可靠性高等優(yōu)點，因此在遠距離、大區(qū)域的電網(wǎng)互聯(lián)及大容量輸電等方面應用廣泛。uhvdc(特高壓直流輸電)輸電系統(tǒng)在帶來巨大效益的同時，也帶來了運行的復雜性跟一系列的新問題。直流系統(tǒng)發(fā)生的換相失敗以及閉鎖會對交流系統(tǒng)產(chǎn)生較大的系統(tǒng)沖擊，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

現(xiàn)有研究直流系統(tǒng)的仿真工具主要有兩類，一類是機電暫態(tài)仿真程序，如pss/e、bpa、psasp等，其采用的直流模型較為粗糙，不能準確仿真不對稱交流故障下直流系統(tǒng)的運行特性，也不能準確模擬換相失敗的情形；另一類是電磁暫態(tài)仿真程序，比如pscad、rtds，可以準確的模擬交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障后換流閥的工作情況，包括換相失敗的工況，然而其仿真速度慢，在一般暫態(tài)穩(wěn)定計算中，不允許在較長的時間內使用這種模型。

針對目前的直流模型在受端大電網(wǎng)仿真分析時的不適用性，需要建立一種適用于大電網(wǎng)機電仿真的特高壓直流實用模型，一方面其具有足夠的精度能夠準確反映不同故障下逆變站的功率變化，另一方面忽略直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)使其能夠用于大電網(wǎng)的機電暫態(tài)仿真，從而為大型系統(tǒng)的精確分析和采取的一些相關措施提供有力的手段和工具。

技術實現(xiàn)要素：

針對目前直流模型在受端大電網(wǎng)仿真分析時的不適用性，本發(fā)明提出了一種適用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc實用模型建模方法，本發(fā)明采用的技術方案如下：

為實現(xiàn)上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種適用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc模型，包括換流變壓器模塊、換流閥組、無功補償設備和控制器；換流閥組與換流變壓器模塊相連接，無功補償設備與換流變壓器模塊相連接，控制器與換流閥組相連接。

換流變壓器模塊解耦為第一變壓器模塊和第二變壓器模塊；換流母線電壓(交流電壓)u1通過第二變壓器模塊將電壓輸入到換流閥組；控制器根據(jù)故障場景選擇確定換流閥組的參數(shù)；換流閥組輸出有功功率ps和無功功率，同時，有功功率ps和無功功率輸入到第一變壓器模塊，第一變壓器模塊ht1的輸出為換流變壓器模塊無功損耗后的無功功率qs1；換流母線電壓u1輸入到無功補償設備，無功補償設備輸出無功功率qs2；無功補償設備的輸出無功功率qs2與第一變壓器模塊的輸出無功功率qs1加和為直流系統(tǒng)逆變站傳輸?shù)浇涣飨到y(tǒng)的無功功率qs。

換流變壓器模塊解耦為第一變壓器模塊和第二變壓器模塊；解耦為兩個模塊后，每個模塊的輸入量與輸出量都很少，更為簡單易用，容易實現(xiàn)。

換流變壓器模塊解耦包括以下步驟：

1)換流變壓器模塊解耦前，換流變壓器模塊的輸入為換流母線電壓u1、直流系統(tǒng)輸出有功功率和無功功率，輸出為注入到交流系統(tǒng)的有功功率ps、無功功率qs和逆變站的換相電壓，換流變壓器模塊解耦為第一變壓器模塊和第二變壓器模塊后，第二變壓器模塊為單輸入單輸出模塊，第一變壓器模塊為兩輸入單輸出模塊，從而更易進行建模，簡單易用，容易實現(xiàn)。

2)模擬第二變壓器模塊：第二變壓器模塊將換流母線電壓u1按照換流變的變比轉化為換相電壓，第二變壓器模塊的輸入為換流母線電壓u1，輸出為逆變站的換相電壓；

3)模擬第一變壓器模塊，忽略第一變壓器模塊有功功率損耗和正序電壓對第一變壓器模塊功率損耗的影響，只考慮換流變壓器損耗的無功功率，第一變壓器模塊的輸入為直流系統(tǒng)的有功功率和無功功率，輸出為逆變站經(jīng)過換流變壓器后輸出的無功功率qs1；

考慮到暫態(tài)過程中，與注入交流系統(tǒng)的有功功率相比，換流變壓器自身的有功功率損耗占的比重并不大，因此，簡化模型中將不計變壓器的有功功率損耗。另一方面，相比于變壓器視在功率變化所引起的自身功率損耗的變化，正序電壓對變壓器功率損耗的影響較小，因此，認為正序電壓只影響到換流器的換相電壓，不計其對換流變壓器功率損耗的影響。因此在此模型中只考慮換流變壓器損耗的無功功率。變壓器無功功率與其電流關系大，即其與視在功率強相關。因此，此模塊輸入為直流系統(tǒng)的有功功率和無功功率，輸出為逆變站經(jīng)過換流變壓器后輸出的無功功率。

1)對不同故障類型下的響應進行特性分析：用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc模型包括換流變壓器模塊、換流閥組、無功補償設備和控制器；，根據(jù)實測數(shù)據(jù)和在電磁暫態(tài)仿真工具中的仿真數(shù)據(jù)，觀察在不同擾動類型下的特高壓直流系統(tǒng)輸出功率動態(tài)響應波形，結合模型中各模塊在實際情況中的工作機理，分析得到各模塊在交流電網(wǎng)故障下的動態(tài)特性；

在通過采用不同的函數(shù)來表示各模塊不同特性后，將函數(shù)或函數(shù)組合代入各個模塊，進行模型的參數(shù)擬合；得出在不同故障場景下uhvdc模型的參數(shù)表；

2)分模塊進行建模：采用不同的函數(shù)來表示不同的模塊特性，用函數(shù)或者函數(shù)組合表示各個模塊；換流變壓器模塊解耦為第一變壓器模塊和第二變壓器模塊，由于其影響都是近似成比例的，第一變壓器模塊和第二變壓器模塊分別簡化為一個比例函數(shù)模塊；

(201)換流閥組

采用不同的函數(shù)實現(xiàn)換流閥組不同階段的特性；功率的下跌和爬升采用爬坡函數(shù)實現(xiàn)，低功率維持采用限幅函數(shù)；

(202)換流變壓器模塊

換流變壓器模塊一方面影響到換流器的換相電壓，另一方面，由于其自身存在有功功率和無功功率損耗，因此將影響到換流器注入到交流系統(tǒng)的功率；采用比例函數(shù)模擬換流變壓器模塊；

(203)無功補償模塊根據(jù)實測以及仿真數(shù)據(jù)，對不同擾動類型下的無功補償設備提供的無功功率波形進行特性分析：無功補償設備包括濾波器和靜止型動態(tài)無功補償裝置svg；

在擾動發(fā)生的時間尺度下，濾波器的電容器發(fā)出的無功功率受濾波器端電壓的影響；用正序電壓描述三相交流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)的故障程度用正序電壓描述，用階躍函數(shù)模擬正序電壓；用階梯函數(shù)模擬濾波器的投切；

慣性環(huán)節(jié)在階躍函數(shù)作用下的動態(tài)過程與采用詳細模型時的仿真波形十分相似，因此，考慮用一階慣性環(huán)節(jié)模擬濾波器在擾動過程中的動態(tài)過程，一方面認為可以實現(xiàn)仿真的準確度，另一方面，一階慣性環(huán)節(jié)簡單易用，符合建模的目的與要求；

考慮到成本等因素，作為動態(tài)無功補償裝置svg，盡管在容量配置上與交流濾波器相差甚遠，但是能夠起到平衡無功輸出的作用；動態(tài)無功補償裝置svg用常數(shù)與一階慣性環(huán)節(jié)來模擬；直流系統(tǒng)逆變站傳輸?shù)浇涣飨到y(tǒng)的無功功率qs為無功補償設備的輸出無功功率qs2與第一變壓器模塊的輸出無功功率qs1加和。

3)模型的參數(shù)擬合

在通過采用不同的函數(shù)來表示各模塊不同特性后，將函數(shù)或函數(shù)組合代入各個模塊，進行模型的參數(shù)擬合；得出在不同故障場景下的參數(shù)表表1，其中，有功功率限幅時間tp、有功功率恢復爬坡率kp、無功功率沖擊幅度qamp和爬坡率kq。

表1不同故障場景下的參數(shù)表

4)進行控制器的解耦與開環(huán)：

控制器通過預設模式匹配得到不同故障場景下逆變站注入交流系統(tǒng)有功功率ps與無功功率qs，使有功功率ps與無功功率qs與實測數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)匹配；uhvdc模型轉變?yōu)殚_環(huán)的總體結構，更為簡單實用，可用于預設場景的仿真分析；

在不同類型的故障下，直流系統(tǒng)注入到交流系統(tǒng)的有功功率的變化趨勢是一致的，差別在于有功功率跌落的幅值不同和有功功率恢復時間的不同；而直流系統(tǒng)消耗的無功的基本趨勢也一致，差別在于無功沖擊的幅值和快慢不同。因此，控制器模塊可通過預設模式匹配得到不同故障場景下逆變站注入交流系統(tǒng)有功功率與無功功率，使其與實測數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)匹配。由此，整個模型轉變?yōu)殚_環(huán)的總體結構，更為簡單實用，可用于預設場景的仿真分析。

5)各部分模塊的拼接：控制器的動作過程需要考慮根據(jù)直流系統(tǒng)的運行機理與事件驅動，從而形成一個仿真場景，進而形成基于時間表的仿真時序；根據(jù)所形成的時序表，將換流變壓器模塊、換流閥組、無功補償設備和控制器連接起來：換流閥組與換流變壓器模塊相連接，無功補償設備、濾波器與換流閥組相連接，控制器與換流變壓器模塊相連接；換流母線電壓(交流電壓)u1通過第二變壓器模塊將電壓輸入到換流閥組；控制器根據(jù)故障場景選擇確定換流閥組的參數(shù)；換流閥組輸出有功功率ps和無功功率，同時，有功功率ps和無功功率輸入到第一變壓器模塊，第一變壓器模塊ht1的輸出為換流變壓器模塊無功損耗后的無功功率qs1；換流母線電壓u1輸入到無功補償設備，無功補償設備輸出無功功率qs2；無功補償設備的輸出無功功率qs2與第一變壓器模塊的輸出無功功率加和為直流系統(tǒng)逆變站傳輸?shù)浇涣飨到y(tǒng)的無功功率qs。

較優(yōu)地，在matlab里搭建所述uhvdc模型。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明公開一種適用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc模型及建模方法，能夠根據(jù)不同的故障場景得到逆變站注入交流系統(tǒng)有功功率和無功功率的情況，使得整個模型由閉環(huán)系統(tǒng)變?yōu)殚_環(huán)系統(tǒng)，變得更加簡單實用，適用于受端大電網(wǎng)的仿真分析一方面其具有足夠的精度能夠準確反映不同故障下逆變站的功率變化，另一方面忽略直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)使其能夠用于大電網(wǎng)的機電暫態(tài)仿真，從而為大型系統(tǒng)的精確分析和采取的一些相關措施提供有力的手段和工具。

附圖說明

圖1為一種適用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc實用模型結構圖；

圖2為uhvdc實用模型的建模方法流程圖；

圖3為不同類型故障下的直流系統(tǒng)輸出有功的動態(tài)響應曲線；

圖4a為單相接地故障下uhvdc實用模型與詳細模型的有功功率p仿真曲線對比；

圖4b為為單相接地故障下uhvdc實用模型與詳細模型的無功功率qs仿真曲線對比。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。

如圖1，一種適用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc模型，包括換流變壓器模塊ht、換流閥組hc、無功補償設備hf、hg和控制器；換流閥組hc與換流變壓器模塊ht相連接，無功補償設備hf、hg與換流變壓器模塊ht相連接，控制器與換流閥組hc相連接。

換流變壓器模塊ht解耦為第一變壓器模塊ht1和第二變壓器模塊ht2；換流母線電壓交流電壓u1通過第二變壓器模塊ht2將電壓輸入到換流閥組hc；控制器根據(jù)故障場景選擇確定換流閥組hc的參數(shù)；換流閥組hc輸出有功功率ps和無功功率，同時，有功功率ps和無功功率輸入到第一變壓器模塊ht1，第一變壓器模塊ht1的輸出為換流變壓器模塊無功損耗后的無功功率qs1；換流母線電壓u1輸入到無功補償設備hf、hg，無功補償設備hf、hg輸出無功功率qs2；無功補償設備hf、hg的輸出無功功率qs2與第一變壓器模塊ht1的輸出無功功率qs1加和為直流系統(tǒng)逆變站傳輸?shù)浇涣飨到y(tǒng)的無功功率qs。

換流變壓器模塊解耦為第一變壓器模塊ht1和第二變壓器模塊ht2；解耦為兩個模塊后，每個模塊的輸入量與輸出量都很少，更為簡單易用，容易實現(xiàn)。

換流變壓器模塊解耦包括以下步驟：

1)換流變壓器模塊解耦前，換流變壓器模塊ht的輸入為換流母線電壓u1、直流系統(tǒng)輸出有功功率和無功功率，輸出為注入到交流系統(tǒng)的有功功率ps、無功功率qs和逆變站的換相電壓，換流變壓器模塊解耦為第一變壓器模塊ht1和第二變壓器模塊ht后，第二變壓器模塊ht2為單輸入單輸出模塊，第一變壓器模塊ht1為兩輸入單輸出模塊，從而更易進行建模，簡單易用，容易實現(xiàn)。

2)模擬第二變壓器模塊ht2：第二變壓器模塊ht2將換流母線電壓u1按照換流變的變比轉化為換相電壓，第二變壓器模塊ht2的輸入為換流母線電壓u1，輸出為逆變站的換相電壓；

3)模擬第一變壓器模塊ht1，忽略第一變壓器模塊ht1有功功率損耗和正序電壓對第一變壓器模塊ht1功率損耗的影響，只考慮換流變壓器損耗的無功功率，第一變壓器模塊ht1的輸入為直流系統(tǒng)的有功功率和無功功率，輸出為逆變站經(jīng)過換流變壓器后輸出的無功功率qs1；

考慮到暫態(tài)過程中，與注入交流系統(tǒng)的有功功率相比，換流變壓器自身的有功功率損耗占的比重并不大，因此，簡化模型中將不計變壓器的有功功率損耗。另一方面，相比于變壓器視在功率變化所引起的自身功率損耗的變化，正序電壓對變壓器功率損耗的影響較小，因此，認為正序電壓只影響到換流器的換相電壓，不計其對換流變壓器功率損耗的影響。因此在此模型中只考慮換流變壓器損耗的無功功率。變壓器無功功率與其電流關系大，即其與視在功率強相關。因此，此模塊輸入為直流系統(tǒng)的有功功率和無功功率，輸出為逆變站經(jīng)過換流變壓器后輸出的無功功率。

如圖2所示，一種適用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc模型建模方法，包括以下步驟：

1)對不同故障類型下的響應進行特性分析：用于受端大電網(wǎng)仿真分析的uhvdc模型包括換流變壓器模塊ht、換流閥組hc、無功補償設備hf、hg和控制器；根據(jù)實測數(shù)據(jù)和在電磁暫態(tài)仿真工具中的仿真數(shù)據(jù)，觀察在不同擾動類型下的特高壓直流系統(tǒng)輸出功率動態(tài)響應波形，結合模型中各模塊在實際情況中的工作機理，分析得到各模塊在交流電網(wǎng)故障下的動態(tài)特性；

通過實測數(shù)據(jù)和大量詳細模型得到的仿真數(shù)據(jù)，可以分析得到，如圖3所示，盡管在不同擾動下，逆變站注入到交流系統(tǒng)的有功功率波形存在差異，這些差異表現(xiàn)為有功功率下跌的幅值不同、低功率維持的時間不同、功率爬升的速率不同，然而有功功率的變化趨勢是一致的，因此，將換相失敗下的逆變站有功功率變化可以分為以下三個階段：功率下跌階段、低功率維持階段、功率爬升階段。

2)分模塊進行建模：采用不同的函數(shù)來表示不同的模塊特性，用函數(shù)或者函數(shù)組合表示各個模塊；換流變壓器模塊解耦為第一變壓器模塊ht1和第二變壓器模塊ht2，由于其影響都是近似成比例的，第一變壓器模塊ht1和第二變壓器模塊ht2分別簡化為一個比例函數(shù)模塊；

(201)換流閥組

采用不同的函數(shù)實現(xiàn)換流閥組hc不同階段的特性；功率的下跌和爬升采用matlab中的爬坡(ramp)函數(shù)實現(xiàn)，低功率維持采用限幅函數(shù)(saturation)；

(202)換流變壓器模塊

換流變壓器模塊ht一方面影響到換流器的換相電壓，另一方面，由于其自身存在有功功率和無功功率損耗，因此將影響到換流器注入到交流系統(tǒng)的功率；采用比例函數(shù)(gain)模擬換流變壓器模塊；

(203)無功補償模塊根據(jù)實測以及仿真數(shù)據(jù)，對不同擾動類型下的無功補償設備hf、hg提供的無功功率波形進行特性分析：無功補償設備hf、hg包括濾波器hf和靜止型動態(tài)無功補償裝置svg(hg)；

在擾動發(fā)生的時間尺度下，濾波器hf的電容器發(fā)出的無功功率受濾波器hf端電壓的影響；用正序電壓描述三相交流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)的故障程度用正序電壓描述，用階躍函數(shù)(step)模擬正序電壓；用階梯函數(shù)(step)模擬濾波器的投切；

慣性環(huán)節(jié)在階躍函數(shù)作用下的動態(tài)過程與采用詳細模型時的仿真波形十分相似，因此，考慮用一階慣性環(huán)節(jié)(transferfcn)模擬濾波器在擾動過程中的動態(tài)過程，一方面認為可以實現(xiàn)仿真的準確度，另一方面，一階慣性環(huán)節(jié)簡單易用，符合建模的目的與要求；

考慮到成本等因素，作為動態(tài)無功補償裝置svg(hg)，盡管在容量配置上與交流濾波器相差甚遠，但是能夠起到平衡無功輸出的作用；動態(tài)無功補償裝置svg用常數(shù)(constant)與一階慣性環(huán)節(jié)(transferfcn)來模擬；直流系統(tǒng)逆變站傳輸?shù)浇涣飨到y(tǒng)的無功功率qs為無功補償設備hf、hg的輸出無功功率qs2與第一變壓器模塊ht1的輸出無功功率qs1加和。

3)進行模型的參數(shù)擬合

在通過采用不同的函數(shù)來表示各模塊不同特性后，將函數(shù)或函數(shù)組合代入各個模塊，進行模型的參數(shù)擬合；得出在不同故障場景下的參數(shù)表表1，其中，有功功率限幅時間tp、有功功率恢復爬坡率kp、無功功率沖擊幅度qamp和爬坡率kq。

表1不同故障場景下的參數(shù)表

4)進行控制器的解耦與開環(huán)：

控制器通過預設模式匹配得到不同故障場景下逆變站注入交流系統(tǒng)有功功率ps與無功功率qs，使有功功率ps與無功功率qs與實測數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)匹配；uhvdc模型轉變?yōu)殚_環(huán)的總體結構，更為簡單實用，可用于預設場景的仿真分析；

在不同類型的故障下，直流系統(tǒng)注入到交流系統(tǒng)的有功功率的變化趨勢是一致的，差別在于有功功率跌落的幅值不同和有功功率恢復時間的不同；而直流系統(tǒng)消耗的無功的基本趨勢也一致，差別在于無功沖擊的幅值和快慢不同。因此，控制器模塊可通過預設模式匹配得到不同故障場景下逆變站注入交流系統(tǒng)有功功率與無功功率，使其與實測數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)匹配。由此，整個模型轉變?yōu)殚_環(huán)的總體結構，更為簡單實用，可用于預設場景的仿真分析。

5)各部分模塊的拼接：控制器的動作過程需要考慮根據(jù)直流系統(tǒng)的運行機理與事件驅動，從而形成一個仿真場景，進而形成基于時間表的仿真時序；根據(jù)所形成的時序表，將換流變壓器模塊、換流閥組、無功補償設備和控制器連接起來：換流閥組hc與換流變壓器模塊相連接，無功補償設備hg、濾波器hf與換流閥組hc相連接，控制器與換流變壓器模塊相連接；換流母線電壓交流電壓u1通過第二變壓器模塊ht2將電壓輸入到換流閥組hc；控制器根據(jù)故障場景選擇確定換流閥組hc的參數(shù)；換流閥組hc輸出有功功率ps和無功功率，同時，有功功率ps和無功功率輸入到第一變壓器模塊ht1，第一變壓器模塊ht1的輸出為換流變壓器模塊無功損耗后的無功功率qs1；換流母線電壓u1輸入到無功補償設備hf、hg，無功補償設備hf、hg輸出無功功率qs2；無功補償設備hf、hg的輸出無功功率qs2與第一變壓器模塊ht1的輸出無功功率加和為直流系統(tǒng)逆變站傳輸?shù)浇涣飨到y(tǒng)的無功功率qs。

在matlab里按照以上步驟搭建此uhvdc實用模型，故障場景選擇單相接地故障，將uhvdc實用模型的仿真結果與詳細模型的仿真結果進行對比，如圖4a、4b所示，驗證此模型的有效性，圖4a、4b分別為單相接地故障下uhvdc實用模型與詳細模型的有功功率p和無功功率qs仿真曲線對比，4a為單相接地故障下逆變站注入交流系統(tǒng)的有功功率p，4b為單相接地故障下逆變站注入交流系統(tǒng)的無功功率qs。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。