本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)建模技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于特高壓直流閉鎖后的逆變站功率建模方法，此模型可用于研究特高壓直流閉鎖后對受端的影響，可應(yīng)用于實際交流電網(wǎng)機(jī)電過程的仿真研究與工程。

背景技術(shù)：

特高壓直流輸電(UHVDC)具有輸送容量大，輸電損耗小，傳輸距離長等優(yōu)點，有助于我國實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置，因而發(fā)展十分迅速，其在我國“西電東送”的戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要的作用。

日常運行中直流輸電系統(tǒng)換流器故障或直流線路故障會引起直流系統(tǒng)換相失敗或直流閉鎖，在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，直流與交流相互影響，交流系統(tǒng)側(cè)短路故障會引起直流系統(tǒng)換相失敗甚至直流閉鎖故障。但其發(fā)生閉鎖后，會對受端交流電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響。特高壓逆變站發(fā)生閉鎖后，受端電網(wǎng)受到的影響主要是由該站輸出的有功和無功大幅變化造成的。

而現(xiàn)如今針對特高壓直流閉鎖后逆變站輸出有功和無功的研究較少，描述其功率變化特性的模型更是缺乏。因而，建立閉鎖后逆變站輸出功率模型，并且應(yīng)用于實際交流電網(wǎng)機(jī)電過程的仿真研究與工程，可為進(jìn)一步研究閉鎖情況下受端電網(wǎng)的動態(tài)影響提供必要的基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種適用于特高壓直流閉鎖后的逆變站功率建模方法，分別提出了特高壓直流閉鎖情況下的逆變站有功模型建模方法和無功模型建模方法，可應(yīng)用于實際交流電網(wǎng)機(jī)電過程的仿真研究和工程。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種適用于特高壓直流閉鎖后的逆變站功率建模方法，其特征是，功率包括有功功率及無功功率，其中有功功率的建模過程包括以下步驟：

步驟S11，單極閉鎖后完成極間功率轉(zhuǎn)移，計算健全極所需電流參考值I_ref健全極；

步驟S12，有功功率為直流電流與直流電壓的乘積，當(dāng)I_ref健全極不超過最大允許額定電流I_max，有功輸出模型為：

其中，P₀為正常運行時的逆變站輸出的有功功率；t₀時刻發(fā)生單極閉鎖，P_min閉鎖后直流功率降到的最低功率值，τ為極功率轉(zhuǎn)移時間，I_ref健全極對應(yīng)的極電壓為電壓U_d1；

當(dāng)I_ref健全極超過了最大允許額定電流I_max時，有功輸出模型為：

其中，k為過載運行倍數(shù)，t_k為過載運行時間，k·I_max對應(yīng)的極電壓為電壓U_d2；I_max對應(yīng)的極電壓為電壓U_d3；

無功功率的建模過程，包括以下步驟：

步驟S21，在極功率轉(zhuǎn)移過程中，根據(jù)不同階段的有功功率確定此階段的無功消耗值Q_c；

步驟S22，根據(jù)當(dāng)前運行的無功補(bǔ)償設(shè)備組數(shù)計算逆變站無功設(shè)備補(bǔ)償無功功率Q_f；

步驟S23，根據(jù)公式Q_i＝Q_f-Q_c計算逆變站輸出無功Q_i；

步驟S24，按照直流系統(tǒng)的無功控制策略判斷無功功率是否在允許范圍內(nèi)并進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)備的投切，重復(fù)以上過程，當(dāng)無功功率不再變化后，逆變站輸出無功模型可得出。

進(jìn)一步的，單極閉鎖后健全極所需電流計算公式為：

其中，P_ref為極功率參考值，P_損失為故障極的傳輸功率，U_雙極、U_健全極分別為運行時的雙極電壓和健全極電壓。

進(jìn)一步的，逆變側(cè)無功消耗計算公式如下：

其中，為逆變側(cè)的功率因數(shù)，P_d為直流有功，Q_c為逆變側(cè)消耗無功功率。

進(jìn)一步的，單組無功補(bǔ)償裝置能夠提供的無功功率由以下公式計算：

式中，U_i、U_N分別為正常運行時交流系統(tǒng)電壓與額定交流系統(tǒng)電壓；Q_f0,Q_fN分別為正常運行時交流系統(tǒng)電壓下的相應(yīng)無功功率與額定交流系統(tǒng)電壓下的無功功率；

則無功補(bǔ)償設(shè)備提供的無功功率計算公式為：

Q_f＝nQ_f0

式中，n為當(dāng)前投入運行的無功設(shè)備組數(shù)。

進(jìn)一步的，無功功率的控制方法為：

1)當(dāng)滿足Q_f-Q_c≤Q_min時，無功設(shè)備提供的無功不足以彌補(bǔ)換流站消耗的無功，換流站從交流系統(tǒng)吸收無功，此時無功控制發(fā)出無功補(bǔ)償裝置投入命令，經(jīng)過時間t₁后投入無功設(shè)備；

2)當(dāng)滿足Q_f-Q_c≥Q_max時，無功設(shè)備提供的無功多余換流站所消耗的無功，換流站向交流系統(tǒng)注入多余的無功，此時無功控制發(fā)出無功補(bǔ)償裝置切除命令，經(jīng)過時間t₂后切除無功設(shè)備。

進(jìn)一步的，U_d1、U_d2、U_d3值根據(jù)直流系統(tǒng)控制特性圖確定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：本發(fā)明在結(jié)合特高壓直流閉鎖后的極功率轉(zhuǎn)移及無功控制原理的基礎(chǔ)上，提出了特高壓直流閉鎖后的逆變站輸出模型。針對逆變站輸出有功給出了具體的時域數(shù)學(xué)模型，針對逆變站輸出無功給出了詳細(xì)的無功模型建模流程。該模型具有一定的正確性和有效性，可應(yīng)用實際交流電網(wǎng)機(jī)電過程的仿真研究與工程，有助于更有效地研究特高壓直流閉鎖后對受端電網(wǎng)的影響。

附圖說明

圖1是特高壓直流單極閉鎖后的極功率轉(zhuǎn)移流程；

圖2是特高壓直流輸電系統(tǒng)的基本控制特性；

圖3是極功率轉(zhuǎn)移過程中健全極的電流參考值變化圖；

圖4是本發(fā)明建立的有功模型和實測數(shù)據(jù)的對比；

圖5是逆變站無功模型的建模流程；

圖6是逆變器功率特性圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的一種適用于特高壓直流閉鎖后的逆變站功率建模方法，功率包括有功功率及無功功率，其中有功功率的建模過程包括以下步驟：

步驟S11，單極閉鎖后完成極間功率轉(zhuǎn)移，計算健全極所需電流參考值I_ref健全極；

特高壓直流輸電系統(tǒng)采用雙極兩端中性點接地方式，每極采用2個12脈動換流器串聯(lián)的接線方式。雙極(正負(fù)極)同時運行，當(dāng)某一極的設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，此極稱為故障極，相應(yīng)的另一極稱為健全極。

當(dāng)特高壓直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖時，完成極間功率轉(zhuǎn)移(PPT)功能，即將故障極的功率轉(zhuǎn)移到健全極上。將故障極的功率轉(zhuǎn)移到健全極上的流程大致如圖1所示：雙極控制層接收到極功率參考值P_ref后，當(dāng)一極發(fā)生閉鎖后，故障極處于閉鎖狀態(tài)，而健全極仍處于雙極功率控制模式，為了維持傳輸功率不變，極間功率轉(zhuǎn)移功能將故障極損失的功率P_損失送到健全極，健全極將其轉(zhuǎn)換成電流指令I(lǐng)_{ref補(bǔ)償}后加到本極的電流指令I(lǐng)_ref原上以補(bǔ)償損失的傳輸功率。最后，雙極控制層將電流指令值I_ref健全極傳送到健全極的換流器控制層。

因此，單極閉鎖后健全極所需電流計算公式為：

其中，P_ref為極功率參考值，P_損失為故障極的傳輸功率，U_雙極、U_健全極分別為運行時的雙極電壓和健全極電壓，這些參數(shù)都可以根據(jù)當(dāng)前直流系統(tǒng)運行狀態(tài)直接得到。

步驟S12，確定極功率轉(zhuǎn)移過程中不同階段的有功功率模型。

單極閉鎖后，健全極的直流電壓在逆變站控制方式下會因直流電流的變化而產(chǎn)生一定的變化。如圖2控制特性圖所示，橫坐標(biāo)I_d代表直流電流，縱坐標(biāo)U_d代表直流電壓；α代表整流側(cè)的觸發(fā)角，γ代表逆變側(cè)的熄弧角。整流側(cè)基本控制特性由定電流特性(圖中直線IC段)和定觸角α₀特性(JI段)組成；逆變側(cè)基本控制特性由定電壓特性(BK段)和定電流特性(BE段)組成；正常時由整流器定電流特性決定運行電流，由逆變器定電壓特性決定運行電壓(即圖2中的點A)。

在極功率轉(zhuǎn)移過程的不同階段，健全極的電流參考值會有改變，參見圖3所示，即代表定電流控制的IC會移動(移動至各虛線)；運行點A也會因此移動至A′,A″,A″′,各運行點的縱坐標(biāo)為各自的直流電壓。因此，運行點A也會變化，導(dǎo)致直流電壓變化。已知直流的有功功率為直流電流與直流電壓的乘積，為了模型的精確性，需將直流電壓的變化考慮在內(nèi)。

逆變站有功模型的建立準(zhǔn)則為直流系統(tǒng)電流與逆變站電壓的乘積。當(dāng)I_ref健全極在電流允許范圍內(nèi)時，I_ref健全極不超過最大允許額定電流I_max，經(jīng)現(xiàn)有工程觀察總結(jié)得到的，單極閉鎖后的逆變站有功輸出模型為：

分為三個階段：在t₀時刻前，直流系統(tǒng)未發(fā)生閉鎖，則逆變站輸出有功功率為初始值P₀(正常運行時的有功功率)；t₀時刻發(fā)生單極閉鎖，故障極的功率幾乎瞬間降為0，健全極的功率會受故障極影響降到最低功率值P_min，同時極功率轉(zhuǎn)移功能起作用，有功開始恢復(fù)，極功率轉(zhuǎn)移時間為τ，從最低功率值P_min到極功率完成后功率值之間的過程采用直線爬坡過程模擬，斜率就是在經(jīng)過短暫的時間τ后，即極功率轉(zhuǎn)移完成后，健全極的電流參考值變?yōu)镮_ref健全極，此時I_ref健全極對應(yīng)的極電壓為電壓U_d1，此這個階段的有功功率就是這兩個值的乘積。

P_min為閉鎖后直流功率降到的最低功率值，由大量數(shù)據(jù)分析可得，P_min與P_健全存在一定的倍數(shù)關(guān)系，即P_min＝λP_健全，P_健全此功率值是正常運行時(即閉鎖前)健全極的直流有功，正常運行時此值是已知的。當(dāng)健全極為全壓運行時，λ為0.6；當(dāng)健全極為半壓運行時，λ為0.3。電壓U_d1值需要根據(jù)直流系統(tǒng)控制特性圖確定。τ代表極功率轉(zhuǎn)移完成的時間，在實際工程中此過程時間很短暫，一般為幾百毫秒，此參數(shù)對模型影響較小，可以給定為0.15s。

當(dāng)I_ref健全極超過了最大允許額定電流I_max時，經(jīng)現(xiàn)有工程觀察總結(jié)得到的，單極閉鎖后的逆變站有功輸出模型為：

分為四個階段：在t₀時刻前，直流系統(tǒng)未發(fā)生閉鎖，則逆變站輸出有功功率為初始值P₀；t₀時刻發(fā)生單極閉鎖，故障極的功率幾乎瞬間降為0，健全極的功率會受故障極影響降到P_min，同時極功率轉(zhuǎn)移功能起作用，有功開始恢復(fù)，極功率轉(zhuǎn)移時間為τ，從最低功率值P_min到過載運行狀態(tài)的有功功率值之間的過程采用直線爬坡過程模擬，斜率為在經(jīng)過短暫的時間τ后，即極功率轉(zhuǎn)移后，為過載運行狀態(tài)，健全極先以k倍的最大允許額定電流I_max運行t_k秒，此時k·I_max對應(yīng)的極電壓為電壓U_d2，有功等于直流電流k·I_max乘以直流電壓U_d2；之后電流回降至最大額定電流I_max運行的最終穩(wěn)定階段，此時I_max對應(yīng)的極電壓為電壓U_d3，有功等于直流電流I_max乘以直流電壓U_d3。

其中，U_d2、U_d3分別是直流電流參考值為k·I_max、I_max時對應(yīng)的直流極電壓，U_d2、U_d3值需要根據(jù)直流系統(tǒng)控制特性圖確定。最大允許運行額定電流I_max、過載運行倍數(shù)k以及過載運行時間t_k是直流工程中設(shè)置好的參數(shù)，可以直接獲取。

以河南天中直流工程某次閉鎖的實測數(shù)據(jù)，對應(yīng)公式(3)的模型建立逆變站有功模型，并將模型與實測數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖4所示，說明了此模型的正確性、有效性，能夠準(zhǔn)確表示閉鎖后有功的變化。

無功功率的建模過程，如圖5所示，包括以下步驟：

步驟S21，在極功率轉(zhuǎn)移過程中，根據(jù)不同階段的有功功率確定此階段的無功消耗值Q_c。

在極功率轉(zhuǎn)移過程中，由于直流有功的大幅度變化，換流站消耗的無功也會跟隨直流有功產(chǎn)生變化?，F(xiàn)有技術(shù)中已有穩(wěn)態(tài)情況下，逆變側(cè)無功消耗計算公式如下：

其中，U_d為逆變側(cè)電壓，I_d為直流電流；U_i為換流母線的交流電壓；X_i為換流變漏抗，為逆變側(cè)的功率因數(shù)，P_d為直流有功，Q_c為逆變側(cè)消耗無功功率。也就是說，在運行方式和運行參數(shù)都確定的情況下，消耗無功隨著有功變化的運行曲線能夠確定，圖6曲線是根據(jù)此公式在定γ角控制下作出的逆變側(cè)有功與無功的關(guān)系圖。即對應(yīng)每個有功值必有一個確定的無功消耗值。因此，可以根據(jù)不同階段的有功功率確定此階段的無功消耗值。

步驟S22，根據(jù)當(dāng)前運行的無功補(bǔ)償設(shè)備組數(shù)計算逆變站無功設(shè)備補(bǔ)償無功功率Q_f。

單組無功補(bǔ)償裝置能夠提供的無功功率由以下公式計算：

式中，U_i、U_N分別為正常運行時交流系統(tǒng)電壓與額定交流系統(tǒng)電壓；Q_f0,Q_fN分別為正常運行時交流系統(tǒng)電壓下的相應(yīng)無功功率與額定交流系統(tǒng)電壓下的無功功率。其中Q_fN、U_N為單組無功補(bǔ)償設(shè)備的在額定電壓下的無功功率(或稱為額定補(bǔ)償功率)及其額定電壓，用戶可以直接給定。

進(jìn)一步，無功補(bǔ)償設(shè)備提供的無功功率需按照當(dāng)前投入運行的無功補(bǔ)償設(shè)備組數(shù)計算，即

Q_f＝nQ_f0 (6)

式中，n為當(dāng)前投入運行的無功設(shè)備組數(shù)，Q_f0為當(dāng)前電壓下單組無功補(bǔ)償裝置提供的無功功率。

步驟S23，根據(jù)公式Q_i＝Q_f-Q_c計算逆變站輸出無功Q_i。

根據(jù)當(dāng)前無功補(bǔ)償容量和逆變站無功消耗計算逆變站輸出到交流系統(tǒng)的無功功率，計算公式為：

Q_i＝Q_f-Q_c (7)

步驟S24，按照直流系統(tǒng)的無功控制策略判斷無功功率是否在允許范圍內(nèi)(限值[Q_min,Q_max])并進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)備的投切，重復(fù)以上過程，當(dāng)無功功率不再變化后，逆變站輸出無功模型可得出。

已知，現(xiàn)有技術(shù)中無功功率控制策略為：

1)當(dāng)滿足Q_f-Q_c≤Q_min時，無功設(shè)備提供的無功不足以彌補(bǔ)換流站消耗的無功，換流站從交流系統(tǒng)吸收無功，此時無功控制發(fā)出無功補(bǔ)償裝置投入命令，經(jīng)過指定時間t₁后投入無功設(shè)備。

2)當(dāng)滿足Q_f-Q_c≥Q_max時，無功設(shè)備提供的無功多余換流站所消耗的無功，換流站向交流系統(tǒng)注入多余的無功，此時無功控制發(fā)出無功補(bǔ)償裝置切除命令，經(jīng)過指定時間t₂后切除無功設(shè)備。

進(jìn)而按照直流系統(tǒng)的無功控制策略判斷無功功率是否在允許范圍內(nèi)(限值[Q_min,Q_max])并進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)備的投切。無功投切策略中的最小投切組數(shù)、限值Q_min、Q_max以及投切時間t₁、t₂都是在站控中已經(jīng)設(shè)定好，用戶可直接獲取。

按照時間的推移計算單極閉鎖后的每個時間點的逆變站輸出無功Q_i＝Q_f-Q_c，重復(fù)以上無功功率控制策略，當(dāng)無功功率不再變化后，逆變站輸出無功模型可得出。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。