一種交直流混聯(lián)系統(tǒng)不對稱故障分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種交直流混聯(lián)系統(tǒng)不對稱故障分析方法，包括采用序分量法及阻抗模擬法對交流系統(tǒng)故障建模，建立直流系統(tǒng)不對稱運行狀況模型，聯(lián)立交流系統(tǒng)故障模型和直流系統(tǒng)不對稱運行狀況模型，采用弦截法對所述模型求解，獲取最終結(jié)果。本發(fā)明方法與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果相比誤差微小，具有分析速度快、分析精度高、收斂可靠等優(yōu)點。
【專利說明】一種交直流混聯(lián)系統(tǒng)不對稱故障分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運行和控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種將交流系統(tǒng)故障模型和適用于不對稱運行狀況的直流系統(tǒng)模型聯(lián)立求解的交直流混聯(lián)系統(tǒng)不對稱故障分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002]直流輸電具有輸送容量大、輸送距離遠、高度可控、運行靈活等技術(shù)優(yōu)勢，且不存在因輸送距離出現(xiàn)的穩(wěn)定性制約問題，在長距離大容量輸電和區(qū)域系統(tǒng)互聯(lián)等方面有其優(yōu)越性。隨著國家智能電網(wǎng)建設(shè)的大力推進，包括向家壩一上?！?00千伏特高壓直流輸電示范工程在內(nèi)的多項直流輸電工程已經(jīng)投入運行，包括溪洛渡一浙西±800千伏特高壓直流輸電工程在內(nèi)的多項工程也在緊鑼密鼓的建設(shè)中，我國即將進入交直流混聯(lián)輸電的新格局。
[0003]電力系統(tǒng)故障分析為繼電保護裝置的整定提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)故障分析方法已經(jīng)較為成熟，其主要有兩種分析方法，即基于序分量法的故障分析方法和基于相分量法的故障分析方法，但是這兩種方法未考慮直流系統(tǒng)接入的影響或僅對直流系統(tǒng)做簡化等值。交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，直流系統(tǒng)換流裝置引起的波形畸變及快速暫態(tài)過程對交流故障特征的影響不能忽視。交直流混聯(lián)系統(tǒng)在故障時會產(chǎn)生許多新的電氣特性，可以為繼電保護裝置的整定提供新的判據(jù)。因此，本發(fā)明提出的交直流混聯(lián)系統(tǒng)故障分析方法，對于研究交直流混聯(lián)系統(tǒng)各種故障的新電氣特性，具有重要意義。
[0004]在有直流接入時，傳統(tǒng)的分析方法通常將整流側(cè)等值作為負荷，而將逆變側(cè)等值作為電源，出現(xiàn)故障時根據(jù)電壓跌落情況人為的認定是否換相失敗及直流閉鎖。這種等值模型不能反映直流系統(tǒng)的真實響應(yīng)特性，由此分析得到的電氣特性并不準確，可能會給繼電保護裝置的整定值設(shè)定帶來較大誤差。交直流混聯(lián)系統(tǒng)故障分析方法的提出，首先要對直流系統(tǒng)不對稱運行狀況進行精確建模，包括對直流系統(tǒng)的換流器建模，對直流控制系統(tǒng)和直流線路的故障特性建模；其次，在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)故障模型的基礎(chǔ)上，提出一種求解方法，將交流系統(tǒng)故障模型與直流系統(tǒng)模型聯(lián)立求解，得到最終的分析結(jié)果。
[0005]需要說明的是，本發(fā)明提出的分析方法，是對交直流混聯(lián)系統(tǒng)故障下的穩(wěn)態(tài)運行狀況進行分析，故障下的暫態(tài)過程包含衰減直流分量和大量高頻分量，這一過程持續(xù)時間很短，且不同廠商提供的控制策略對應(yīng)的暫態(tài)過程均不相同，因此，暫態(tài)過程不在本申請的分析范圍之內(nèi)。其次，雖然可以通過在電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建交直流混聯(lián)系統(tǒng)，模擬各種故障來精確分析，但是對于大型混聯(lián)系統(tǒng)來說，仿真耗時漫長，且無法做到定性分析。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明首先采用序分量法及阻抗模擬法對傳統(tǒng)交流系統(tǒng)故障進行建模，然后采用可以模擬不對稱運行狀況的改進開關(guān)函數(shù)模型對換流器進行建模，并建立了簡化的控制系統(tǒng)模型和直流線路模型，最后采用弦截法將交直流系統(tǒng)故障模型聯(lián)立求解。采用本發(fā)明對交直流混聯(lián)系統(tǒng)進行不對稱故障分析，具有計算效率高、分析結(jié)果精度好的優(yōu)點，同時該系統(tǒng)還適用于大規(guī)?；炻?lián)電網(wǎng)的分析。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種交直流混聯(lián)系統(tǒng)不對稱故障分析方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:采用序分量法和阻抗模擬法對交流系統(tǒng)故障建模。根據(jù)交流網(wǎng)絡(luò)支路的阻抗信息，采用序分量法對非故障部分建立三序節(jié)點導(dǎo)納陣，并進行戴維南等值，采用阻抗模擬法模擬故障部分的等值序阻抗，形成交流系統(tǒng)故障的等值阻抗模型。直流系統(tǒng)等值為正負序阻抗，作為故障模型的未知變量，修正等值阻抗模型；換流母線的三相電壓作為故障模型的輸出。將交流系統(tǒng)故障模型表示成函數(shù)的形式，即:
[0009](Ua re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im) — g (Zl re, Zl im, Z2 re, Z2 im) (I)
[0010]其中，Zl re, Zl iffl, Z2 re, Z2 iffl分別為直流系統(tǒng)等值正序阻抗的實部和虛部、等值負序阻抗的頭部和虛部;Ua re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im為換流母線ABC相電壓的頭部和虛部。
[0011]步驟2:直流系統(tǒng)不對稱運行狀況建模。建立換流器模型，由換流母線的三相交流電壓及觸發(fā)角、直流電流的直流分量計算直流電壓直流分量和二次諧波分量；建立控制系統(tǒng)模型，由直流電壓直流分量計算直流電流的直流分量和觸發(fā)角；建立直流線路模型，由直流電壓的二次諧波分量計算直流電流的二次諧波分量；再由直流電流的直流分量和二次諧波分量根據(jù)換流器模型計算換流母線注入電流；最后由換流母線電壓和注入電流計算得到直流等值正負序阻抗。將直流系統(tǒng)不對稱運行狀況模型用函數(shù)的形式描述，即:
[0012](a , Id, Z1 re, Z1 im, Z2 re, Z2 im) — f (Ua—re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im, a，Id) (2)
[0013]其中，a為整流側(cè)或逆變側(cè)的觸發(fā)角山為直流電流的直流分量J1MZ1 im，Z2re, Z2 iffl分別為直流系統(tǒng)等值正序阻抗的實部和虛部、等值負序阻抗的實部和虛部;Ua—re，Uaim) Ub re, Ub im, Ucre, Uc im為換流母線二相電壓的頭部和虛部。
[0014]步驟3:聯(lián)立步驟I建立的交流系統(tǒng)故障模型和步驟2建立的直流系統(tǒng)不對稱運行狀況模型，采用弦截法對模型統(tǒng)一求解，獲取最終結(jié)果。
[0015]進一步地:
[0016]步驟I中，對于交流系統(tǒng)的故障，采用序分量法，可以在故障點處將故障后網(wǎng)絡(luò)分為兩部分:一部分是故障端口向系統(tǒng)內(nèi)看進去的網(wǎng)絡(luò)，這部分網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，網(wǎng)絡(luò)三序之間解耦，可以建立三序節(jié)點導(dǎo)納陣，并采用戴維南定理等值為電流源并聯(lián)阻抗的形式；另一部分是故障端口向故障電路看進去的網(wǎng)絡(luò)，這部分網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，網(wǎng)絡(luò)三序之間有耦合，可以采用阻抗模擬的方式模擬各種故障下的三序等值阻抗。將這兩部分的等值阻抗并聯(lián)處理，可以得到交流系統(tǒng)故障時的等值阻抗模型Y，同時計算得到故障端口的故障電流4。利用注入電流與節(jié)點電壓的關(guān)系方程C=T1I，求得各節(jié)點電壓故障分量^，則故障系統(tǒng)的節(jié)點電壓=其中，F(xiàn)(Q)為故障前各節(jié)點電壓。
[0017]直流系統(tǒng)在交流故障時可以等值為正負序阻抗(由于換流變壓器的寧接法和YQ/Y接法，換流變閥側(cè)沒有零序分量的通路)追加進交流網(wǎng)絡(luò)，該阻抗的大小由交直流系統(tǒng)共同決定。因此，對于交流故障網(wǎng)絡(luò)，給定直流等值正負序阻抗，將其追加進正負序節(jié)點導(dǎo)納陣，繼而可以按照上述故障分析方法計算各節(jié)點和支路的電氣特性，包括換流母線所在的節(jié)點電壓值。
[0018]步驟2中需要對直流系統(tǒng)建模。建模主要包括三個部分，分別是直流系統(tǒng)換流器建模、直流控制系統(tǒng)建模和直流輸電線路建模。
[0019]首先，采用改進的開關(guān)函數(shù)模型對直流系統(tǒng)換流器建模。不對稱故障會造成換流母線三相電壓不平衡，導(dǎo)致零點漂移，這會造成各相的實際換相角各不相同，實際導(dǎo)通時刻也會發(fā)生偏移，傳統(tǒng)的開關(guān)函數(shù)不再適用于換流器電壓不平衡時的運行分析。采用改進開關(guān)函數(shù)模型，以基本分量Sn、修正分量Sm、換相分量SlilZSlii(電壓開關(guān)函數(shù)為su，電流開關(guān)函數(shù)為Si)的疊加

【權(quán)利要求】
1.一種交直流混聯(lián)系統(tǒng)不對稱故障分析方法，包括以下步驟: 步驟1:采用序分量法和阻抗模擬法對交流系統(tǒng)故障建模，根據(jù)交流網(wǎng)絡(luò)支路的阻抗信息，采用序分量法對非故障部分建立三序節(jié)點導(dǎo)納陣，并進行戴維南等值；采用阻抗模擬法模擬故障部分的等值序阻抗，聯(lián)立非故障部分和故障部分，形成交流系統(tǒng)故障的等值阻抗模型； 直流系統(tǒng)等值為正負序阻抗，將其作為故障模型的未知變量，修正等值阻抗模型；將換流母線的三相電壓作為故障模型的輸出； 將交流系統(tǒng)故障模型表示成函數(shù)的形式，即:
(Ua—re，Ua—im，Ub—re，Ub—；[m，Uc—re，Uc—im)g (Zi—re，Z2 re, ^111)(I) 其中，Z1 Zl im, Z2 re, Z2 im分別為直流系統(tǒng)等值正序阻抗的實部和虛部、等值負序阻抗的頭部和虛部;Ua re, Ua im, Ub re, Ub im, Uc re, Uc im為換流母線ABC相電壓的頭部和虛部； 步驟2:根據(jù)直流系統(tǒng)不對稱運行狀況建模，包括: 建立換流器模型，由換流母線的三相交流電壓及觸發(fā)角、直流電流的直流分量計算直流電壓直流分量和二次諧波分量； 建立控制系統(tǒng)模型，由直流電壓直流分量計算直流電流的直流分量和觸發(fā)角； 建立直流線路模型，由直流電壓的二次諧波分量計算直流電流的二次諧波分量；再由直流電流的直流分量和二次諧波分量根據(jù)換流器模型計算換流母線注入電流；最后由換流母線電壓和注入電流計算得到直流等值正負序阻抗，直流系統(tǒng)不對稱運行狀況模型以函數(shù)的形式表述為:
(α，Id，Zi—re，Zi」m，Z2 re, ^111) f (Ua—re，Ua」m，Ub—re，Ubjm，Uc—re，Uc」m，ct，Ij) (2) 其中，α為整流側(cè)或逆變側(cè)的觸發(fā)角山為直流電流的直流分量^ im，Z2 Z2im分別為直流系統(tǒng)等值正序阻抗的實部和虛部、等值負序阻抗的實部和虛部；Ua Ua im, Ubre, Ub im, Uc re, Uc im為換流母線三相電壓的實部和虛部； 步驟3:聯(lián)立步驟I建立的交流系統(tǒng)故障模型和步驟2建立的直流系統(tǒng)不對稱運行狀況模型，采用弦截法對模型求解，獲取最終結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障分析方法，其中對于步驟I中交流系統(tǒng)故障建模過程如下: 采用序分量法，在故障點處將故障后網(wǎng)絡(luò)分為兩部分:一部分是故障端口向系統(tǒng)內(nèi)看進去的網(wǎng)絡(luò)，將該部分建立三序節(jié)點導(dǎo)納陣，并采用戴維南定理等值為電流源并聯(lián)阻抗的形式；另一部分是故障端口向故障電路看進去的網(wǎng)絡(luò)，將該部分采用阻抗模擬方式模擬各種不對稱故障下的三序等值阻抗；將所述兩部分的等值阻抗并聯(lián)處理，得到交流系統(tǒng)故障時的等值阻抗模型Y，同時計算得到故障端口的故障電流4，利用注入電流與節(jié)點電壓的關(guān)系方程斤=T1^，求得各節(jié)點電壓故障分量亇，則故障系統(tǒng)的節(jié)點電壓= +j/'，其中Ft5i為故障前各節(jié)點電壓； 將直流系統(tǒng)在交流不對稱故障時等值為正負序阻抗追加進交流網(wǎng)絡(luò)，繼而根據(jù)上述故障分析方法計算各節(jié)點和支路的電氣特性以及換流母線所在的節(jié)點電壓值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障分析方法，其中對于步驟2中的直流系統(tǒng)不對稱狀況建模包括:直流系統(tǒng)換流器建模、直流控制系統(tǒng)建模和直流輸電線路建模。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的故障分析方法，其中所述直流系統(tǒng)換流器建模采用改進的開關(guān)函數(shù)模型進行，以基本分量Sn、修正分量Sm、換相分量SljlZSlii的疊加
來模擬不對稱故障下的觸發(fā)及導(dǎo)通，式中Su為電壓開關(guān)函數(shù)，Si為電流開關(guān)函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的故障分析方法，其中所述直流控制系統(tǒng)建模是在直流系統(tǒng)的 每一個運行點將觸發(fā)角、直流電壓和直流電流用函數(shù)表示為 ;
其中，Id為直流電流的直流分量，α為觸發(fā)角，Ud為直流電壓的直流分量，Iiph2分別代表相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)式既表示整流側(cè)的控制目標，也表示逆變側(cè)的控制目標。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的故障分析方法，其中所述直流輸電線路建模包括建立直流線


路的等值模型來計算二次諧波阻抗的大小，
其中，id(2)為直流電流的二次諧波分量，Ud(2)為直流電壓的二次諧波分量，Ζ?(2ω)為直流線路的等值二次諧波阻抗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障分析方法，其中步驟3中，所述弦截法是在插值原理的基礎(chǔ)上，利用兩套函數(shù)初值，將牛頓拉夫遜法的偏導(dǎo)數(shù)用差商取代的算法，采用弦截法對模型聯(lián)立求解的過程如下: 將步驟I的函數(shù)關(guān)系式(I)和步驟2的函數(shù)關(guān)系式(2)寫成方程組的形式聯(lián)立求解:
對于方程組(3)的12個未知變量，設(shè)兩套初值:
弦截法矩陣求解各變量增量的形式由式(4)表示:
其中，F(xiàn)k，Gk為方程組(3)中相應(yīng)方程左側(cè)部分的函數(shù)值，J矩陣中，J(i，j)為第i個方程對第j個變量的弦斜率，即差商，對應(yīng)于牛頓拉夫遜法中的第i個變量對第j個變量的偏導(dǎo)數(shù)， 對方程⑷求逆，可得:
求得一組新的初值:
采用下列兩組值作為下次迭代的初值:
重復(fù)以上過程，直至滿足收斂條件，
或達到最大迭代次數(shù)，迭代結(jié)束，獲取最終結(jié)果，其中，ε為設(shè)置的收斂精度。
【文檔編號】H02J5/00GK104135038SQ201410355582
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】劉崇茹, 贠飛龍, 朱逸超, 郭龍, 趙云灝, 吳旻昊, 李庚銀 申請人:華北電力大學(xué)