本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行，具體涉及一種含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的計算方法。

背景技術(shù)：

1、隨著能源需求的增長和可再生能源(如風(fēng)能和太陽能)的大規(guī)模接入，交直流混合輸電系統(tǒng)在電力輸送中的應(yīng)用逐漸增多。傳統(tǒng)的純交流輸電系統(tǒng)和純直流輸電系統(tǒng)各有優(yōu)劣，而交直流混合電力系統(tǒng)通過靈活結(jié)合兩者的優(yōu)點，能夠更好地滿足復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)的需求，提高能源傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。

2、模塊化多電平換流器(mmc)作為一種先進的電力電子技術(shù)，在交直流混合輸電系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。mmc具有高效率、低損耗、電壓調(diào)節(jié)能力強等優(yōu)點，使其成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中主要的電壓源、電流源和功率轉(zhuǎn)換器。mmc可以在交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)之間實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換和電壓調(diào)節(jié)，適應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)條件下的功率流動需求。

3、在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，短路電流的計算通?；诤喕哪Ｐ秃图僭O(shè)條件，適用于單一類型的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如純交流或純直流系統(tǒng))。然而，隨著交直流混合輸電系統(tǒng)的出現(xiàn)，特別是包含mmc的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的短路電流計算方法已經(jīng)不能滿足對系統(tǒng)復(fù)雜動態(tài)特性的精確分析要求。在電力系統(tǒng)設(shè)計和運行中，短路電流計算是評估設(shè)備耐受能力和系統(tǒng)保護設(shè)置的關(guān)鍵指標(biāo)。對于含mmc的交直流混合電力系統(tǒng)，需要準(zhǔn)確預(yù)測短路故障時各節(jié)點和各模塊的電流分布，以確保系統(tǒng)在故障時的安全和穩(wěn)定運行。迫切需要一種的求解方法，能夠綜合考慮交直流網(wǎng)絡(luò)、mmc的動態(tài)特性及其與電力電子設(shè)備的相互影響。這種方法應(yīng)能夠在計算精度和計算效率之間找到平衡，以應(yīng)對復(fù)雜的實際工程應(yīng)用場景。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、1.所要解決的技術(shù)問題：

2、針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的計算方法，為電力系統(tǒng)的規(guī)劃運行提供指導(dǎo)依據(jù)的求解方法。

3、2.技術(shù)方案：

4、一種含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的計算方法，其特征在于：包括以下步驟：

5、步驟一：建立mmc-hvdc交直流混合輸電系統(tǒng)的模型；所述mmc-hvdc交直流混合輸電系統(tǒng)的模型耦合送端變電站至受端變電所包括的直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)的電路拓撲，且在送端變電站的輸出端與受端變電所的輸入端均設(shè)置對應(yīng)的pcc節(jié)點；此時，mmc作為核心換流器，實現(xiàn)電網(wǎng)之間的直流電力傳輸和換流；所述pcc節(jié)點為mmc與公共電網(wǎng)連接的節(jié)點。

6、步驟二：把mmc-hvdc交直流混合輸電系統(tǒng)中的mmc故障模型解耦簡化為電流源，根據(jù)發(fā)生短路故障的類型進行分類，得到每個分類對應(yīng)的mmc輸出的短路電流的計算公式，進而構(gòu)建出mmc-hvdc交直流混合輸電系統(tǒng)的整體故障模型。

7、步驟三：含mmc的交直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,基于同步機的電壓源特性,含mmc的交直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后次暫態(tài)電勢不會突變，確定校核含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的校核電流。

8、步驟四：將pcc處的電壓與mmc輸出的短路電流進行pq解耦，將mmc故障模型解耦簡化為電流源模型得到基于混合參數(shù)(h參數(shù))的多端口網(wǎng)絡(luò)模型：

9、步驟五：根據(jù)等效簡化的多端口網(wǎng)絡(luò)模型，計算mmc的短路電流。

10、步驟六：帶入交直流混合輸電系統(tǒng)的參數(shù)得到故障點的短路電流和pcc處電壓。

11、進一步地，步驟二具體包括：

12、s21:如果故障發(fā)生時pcc節(jié)點的電壓小于預(yù)設(shè)的電壓下降閾值，此時mmc輸出的短路電流immc如式(1)所示：

13、

14、上式中：為pcc處正序電壓有效值；為pcc處正序電壓相位；和分別為mmc的有功功率和無功功率指令值；和分別為有功電流和無功電流指令值；

15、s22：如果故障發(fā)生時pcc節(jié)點的電壓大于預(yù)設(shè)的電壓下降閾值，采用外環(huán)控制器限流環(huán)節(jié)對有功電流和無功電流指令值進行等比例限幅，此時mmc的指令值如式(2)所示；

16、

17、上式中，ivdref、ivqref分別外環(huán)控制器限流環(huán)節(jié)的pi控制器限流環(huán)節(jié)輸出的電流指令值的d、q軸分量；ivdmax、ivqmax分別為pi控制器限幅環(huán)節(jié)限幅值ivmax的d、q軸分量；此時mmc輸出的短路電流如式(3)所示：

18、

19、s23：如果故障發(fā)生與pcc節(jié)點間的距離大于預(yù)設(shè)的電氣距離閾值，此時無法準(zhǔn)確判斷mmc發(fā)出的無功功率，通過pcc節(jié)點處與故障點之間的電氣距離近似判斷此時mmc輸出的無功電流大??；此時mmc輸出的短路電流immc如式(4)所示:

20、

21、s24:如果故障發(fā)生與pcc節(jié)點間的距離小于預(yù)設(shè)的電氣距離閾值，且pcc處電壓無法達到指令值時，在限流環(huán)節(jié)的作用下，mmc按照有功功率指令值輸出有功功率后剩余的通流容量均輸出無功功率，從而實現(xiàn)對換流母線的電壓支撐；此時mmc采用定交流電壓控制策略，mmc輸出的短路電流如式(5)所示：

22、

23、s25：如果故障發(fā)生與pcc節(jié)點間的距離小于預(yù)設(shè)的電氣距離閾值，且mmc輸出的有功功率與pcc處電壓均無法達到對應(yīng)的指令值時，mmc輸出的短路電流如下式(6)所示：

24、mmc輸出的短路電流為：

25、

26、進一步地，步驟三中，當(dāng)含mmc的交直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,基于同步機的電壓源特性,故障后次暫態(tài)電勢不會突變,取起始次暫態(tài)電流i″作為同步機輸出的短路電流ishort來校核含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路計算機理，如式(7)所示：

27、ishort＝i″＝e″/x′d′?(7)

28、式中:x′d′為次暫態(tài)電抗，i″為次暫態(tài)電流，e″為次暫態(tài)電壓。

29、進一步地，步驟四具體包括：

30、s41：對含電壓源及受控電流源的電力系統(tǒng)，將正常穩(wěn)態(tài)運行時的潮流計算結(jié)果、故障點等效電壓源、mmc故障前后輸出電流的改變量及mmc失效前后輸出電流的改變量對應(yīng)的等效電壓源，疊加正常穩(wěn)態(tài)運行時的相關(guān)量，得到mmc失效后的各電壓、電流分量；

31、s42：由于mmc失效前后輸出電流的變量對換流站遠區(qū)結(jié)點電壓的影響與同步機電源相比，在短路比較大的電力系統(tǒng)中可以忽略不計，忽略pcc處的電壓變化，由節(jié)點電壓方程可得：

32、

33、式中：zmm為mmc所接入節(jié)點m的自阻抗；δupcc1和δupcc2分別為故障點等效電壓源和mmc故障前、后輸出電流的改變量作用時pcc處的電壓改變量；upcc為基于上述假設(shè)的pcc處電壓近似計算結(jié)果；ud0和由式(9)求得：

34、

35、式中：為步驟二中不同情況下的短路電流求解式；

36、通過上述方法得到故障后的pcc處電壓，再根據(jù)可得mmc輸出的短路電流，此時將mmc視為電流源參與交流電網(wǎng)短路電流計算；

37、s43：消除網(wǎng)絡(luò)中不關(guān)注的聯(lián)絡(luò)節(jié)點以簡化電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，將其等效為基于混合參數(shù)(h參數(shù))的多端口網(wǎng)絡(luò)；多端口網(wǎng)絡(luò)中，將電流源支路定義為一類端口，電壓源支路定義為二類端口，支路的待求電流、電壓通過替代原理等效為電流源或電壓源支路并歸為一類或二類端口。

38、進一步地，步驟五具體包括：

39、s51:對支路進行編號，端口支路放在前面：

40、

41、上式中，ic和uv分別是電流源支路的電流和電壓源支路的電壓；h11、h12、h21、h22為h參數(shù)；

42、得到電流源支路的電壓uc和電壓源支路的電流iv為：

43、

44、上式中ic和uv分別是電流源支路的電流和電壓源支路的電壓；h11、h12、h21、h22為h參數(shù)；

45、s52:確定支路電壓和節(jié)點電壓之間的關(guān)系為：

46、ub＝atun????(12)

47、上式中，un表示n個節(jié)點的電壓向量，a表示網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣；

48、s53:由節(jié)點電壓方程和基爾霍夫電壓定律可得：

49、

50、式中：ic和uv分別為電流源支路的電流和電壓源支路的電壓，jn為注入n個節(jié)點的電流源向量，yn為n個節(jié)點導(dǎo)納矩陣，yb為b個支路導(dǎo)納矩陣，un為n個節(jié)點電壓向量；

51、s54:將式(12)、(13)帶入式(11)推導(dǎo)整理出h參數(shù)，如下式(14)所示：

52、

53、

54、進一步地，步驟六中，如果系統(tǒng)中有m個同步機電源和n個柔性直流輸電系統(tǒng)接人時，故障點短路電流id和第i個柔性直流輸電系統(tǒng)所在的pcc處電壓如下式(15)所示：

55、

56、上式中，h11(i,k)、h12(i,k)表示對應(yīng)的h參數(shù)中第i行第k列元素；h21(d,k)、h22(d,k)表示對應(yīng)的h參數(shù)中第d行第k列；id表示故障點短路電流；uvk為第k條直流系統(tǒng)電流源支路的電壓；immck為第k條直流系統(tǒng)電壓源之路的電流。

57、進一步地，用于設(shè)計含有mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)，設(shè)計過程包括：在matlab或simulink中根據(jù)權(quán)利要求6所述的短路電流計算方法建立mmc-hvdc交直流混合輸電系統(tǒng)的模型；通過對模擬模型中mmc-hvdc的控制方式和參數(shù)組合進行調(diào)整，得到mmc-hvdc不同控制方式和參數(shù)組合下短路電流的計算結(jié)果，進而實現(xiàn)設(shè)計含有mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)。

58、3.有益效果：

59、(1)本方法提供的一種含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的計算方法，通過對mmc-hvdc交直流混合輸電系統(tǒng)構(gòu)建模型，模型中，將mmc作為核心換流器，在mmc與公共電網(wǎng)連接的pcc節(jié)點，為短路電流的計算提供方便。

60、(2)本方法提供的一種含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的計算方法中，針對短路故障發(fā)生時，系統(tǒng)動態(tài)特性復(fù)雜的特性，對發(fā)生短路故障的類型進行分類，建立故障狀態(tài)下的詳細數(shù)學(xué)模型即整體故障模型，通過近似求解并網(wǎng)點(pcc)處電壓將mmc交流側(cè)故障模型簡化為電流源模型以實現(xiàn)pcc處電壓和mmc輸出電流之間的解耦。實現(xiàn)充分考慮mmc的動態(tài)特性，包括mmc的內(nèi)部電感、mmc的電容及mmc的控制策略。

61、(3)本方法提供的一種含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的計算方法中，提供了構(gòu)建含mmc的交直流混合輸電系統(tǒng)短路電流的求解過程，實現(xiàn)最終的短路電流的計算。

62、綜上所述，本方法利用mmc模塊具有的復(fù)雜動態(tài)特性和控制邏輯，結(jié)合了節(jié)點分析法和時域仿真技術(shù)，能夠更精確地模擬和計算系統(tǒng)在短路故障下的電流響應(yīng)。通過考慮mmc模塊的實際運行狀態(tài)和電路動態(tài)特性，有效提高了短路電流計算的準(zhǔn)確性，為電力系統(tǒng)的安全評估和保護裝置的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。