[发明专利]一种直流电网小干扰稳定性判定方法

摘要

本发明提供一种直流电网小干扰稳定性判定方法，将模块化多电平换流器主电路等效为简化等效模型；建立并线性化换流器电磁暂态模型及换流器控制器系统；得到有功功率小干扰基本数学模型；建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型及直流电网小干扰线性化通用数学模型；获取直流电网小干扰稳定性判定依据。本发明提出的判定方法结构清晰简单，便于理解，简化换流器内部换流过程，便于数学模型建立与分析；并对换流器小干扰线性化模型进行推广，突破原始等效模型的局限性，使其适合所有工况，并能有效抑制直流电流震荡，便于稳定性分析；为研究交直流电网的相互影响提供了可靠且准确的依据，进而提高了交直流电网的运行可靠性。

主权项

1.一种直流电网小干扰稳定性判定方法，所述直流电网中设有电压源型换流站；所述电压源型换流站中设有模块化多电平换流器；所述小干扰为在额定电压或电流值的±10％范围内的电压或电流信号；其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)步骤1.将所述模块化多电平换流器的主电路等效为换流器简化等效模型；(2)步骤2.建立换流器电磁暂态模型；(3)步骤3.建立换流器控制器系统；(4)步骤4.线性化所述换流器电磁暂态模型及换流器控制系统，得到有功功率小干扰基本数学模型；(5)步骤5.建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型；(6)步骤6.建立直流电网小干扰线性化数学模型；(7)步骤7.获取直流电网小干扰稳定性判定依据；(8)所述步骤1包括：根据所述模块化多电平换流器的运行原理，将主电路通过功率平衡原理进行等效，其中，所述换流器简化等效模型包括并联的受控电流源i_d和等效电容C_eq，且所述受控电流源i_d和等效电容C_eq并联之后与虚拟电阻R_d串联；若R_d＝0，则所述换流器简化等效模型为原始等效模型；若R_d≠0，则所述换流器简化等效模型中的直流电压U_dc为所述模块化多电平换流器的出口电压，且受控电流源i_d＝P_c/U_dc，P_c为注入所述模块化多电平换流器的有功功率；(9)所述步骤2包括：2‑1.建立所述模块化多电平换流器的交流侧在dq坐标系下的电磁暂态方程：式(1)中，u_sd与u_sq分别为交流系统电压在d轴和q轴的电压分量；i_sd与i_sq分别为交流系统电流在d轴和q轴的电流分量；R_eq和L_eq分别为所述模块化多电平换流器交流侧等效电阻和电感；ω为基波角频率；e_d与e_q分别为所述模块化多电平换流器交流侧电压在d轴和q轴的电压分量；2‑2.根据所述换流器简化等效模型，得到所述模块化多电平换流器的直流侧电压的数学模型：式(2)中，i_dc为所述模块化多电平换流器输出的直流电流；(10)所述步骤3包括：3‑1.选取所述模块化多电平换流器的定直流电压、定有功功率、定交流电压及定功率控制组合方式；3‑2.根据所连交流系统特性选择控制方式组合，得到所述换流器闭环控制系统；3‑3.建立所述换流器闭环控制系统的所述模块化多电平换流器的电流内环控制器方程：式(3)中，和为所述模块化多电平换流器内部输出参考电压在d轴和q轴的电压分量；和分别为所述模块化多电平换流器内部输出电流在d轴和q轴的电流分量；k_pi和k_ii分别是内环PI控制器的比例与积分系数；S为拉普拉斯变换算子；3‑4.根据所述电流内环控制器方程，建立所述模块化多电平换流器的外环控制器方程组合；其中，所述外环控制器方程组合包括：外环定直流电压控制器方程及外环定交流电压控制器方程组合、外环定直流电压控制器方程和外环定无功功率控制器方程组合，外环定有功功率控制器方程和外环定交流电压控制器方程组合，外环定有功功率控制器方程和外环定无功功率控制器方程组合；(11)所述步骤4包括：4‑1.在所述模块化多电平换流器的稳态运行点，对所述换流器电磁暂态模型及换流器控制器系统进行小干扰线性化操作，分别得到电磁暂态与控制系统小干扰线性化数学模型；4‑2.对式(1)至(8)进行线性化操作及拉普拉斯变换；4‑3.将式(1)至(7)得到的线性化模型代入式(8)的线性化模型中，得到线性化的有功功率基本数学模型：式(9)中，F₁(s)与F₂(s)分别为d轴和q轴参考电流到有功功率小干扰数学表达式的传递函数；Δp_c(s)为有功功率小干扰线性化表达式；与分别参考电流的d轴和q轴小干扰信号；I_sd0与I_sq0分别为交流系统稳态的d轴和q轴电流，以下各式的变量中下标凡是出现“0”均表示该变量的稳态值；Δu_sd(s)与Δu_sq(s)分别为PCC点电压的d轴和q轴小干扰信号；其中，U_m为PCC点相电压基波幅值；(12)当外环控制组合为定直流电压控制和定交流电压控制时，所述步骤5包括：根据所述模块化多电平换流器的不同的外环控制组合，将所有的系统参数量和控制量通过有功功率小干扰线性化模型等效在直流侧，得到换流器小干扰线性化后的直流输出电压与系统参数量、控制量以及输出电流小干扰线性化信号之间的关系，从而建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型；5‑1.当定直流电压控制和定交流电压控制时，得到所述模块化多电平换流器的输出电压小干扰线性化模型Δu_dc(s)为：式(10)中，A(s)为输出电压小干扰线性化模型的特征多项式：5‑2.定有功功率和定交流电压控制时，所述模块化多电平换流器的输出电压小干扰线性化模型为：5‑3.简化式(10)为：式(14)中，G_udc、G_pcc、G_sd、G_sq、G_idc分别表示相应量到Δu_dc(s)的传递函数，Δu_dc(s)为换流器输出直流电压小干扰信号；Δi_dc(s)为直流电流小干扰信号；为PCC交流电压参考值小干扰信号；为直流参考电压小干扰信号；ΔU_{eq_dc}(s)和Z_odc表示定直流电压站输出直流电压小干扰线性化戴维南等效模型的等效电压和等效输出阻抗；5‑4.简化式(12)为：式(15)即为定功率控制站输出直流电压小干扰线性化戴维南等效模型，其中ΔP^*(s)为有功功率参考值小干扰信号；(13)所述步骤6包括：根据所述换流器小干扰线性化戴维南等效模型，组合得到全直流电网小干扰线性化模型：6‑1.假设直流电网存在N个换流站，其中定电压控制站的控制组合为定直流电压与定交流电压控制，将无源网络进行等效，直流电网则剩下N‑1个定功率控制站，在这N‑1个定功率控制站中，有L个是定无功控制，N‑L‑1个是定交流电压电压控制；其中，上标“i”表示第i个换流站相关的量，下标有“dc”表示定直流电压控制、有“pcc”表示定交流电压控制、有“p”表示定有功功率控制、有“q”表示定无功功率控制；6‑2.令直流电网的连接点数目为P，且联接换流站的母线节点除外；则整个直流电网的节点数为T＝N+P，直流电网的节点导纳矩阵、节点电压、节点电流分别为：式(18)中，第N+1～T的注入直流电流为零，直流电网的节点导纳方程为：6‑3.将式(19)采用高斯消除法消除第N+1～T的相关参量，并进行小干扰线性化，可得：ΔI＝Y·ΔU               (20)式(20)中，6‑4.将N个换流站的戴维南等效模型写成矩阵形式：ΔU＝ΔU_eq‑Z_eqΔI             (21)式(21)中，6‑5.将式(20)代入式(21)中：ΔU＝(E_I+Z_eqY)^‑1·ΔU_eq           (22)式(22)中，E_I为单位矩阵，根据式(14)及(15)，得到：ΔU_eq＝F_{udc_p}ΔF_d+F_{q_pcc}ΔF_q+F_sdΔF_usd+F_sqΔF_usq            (23)其中，从而可得直流电网小干扰线性化数学模型为：ΔU＝(E_I+Z_eqY)^‑1·F_{udc_p}·ΔF_d    +(E_I+Z_eqY)^‑1·F_{q_pcc}·ΔF_q    +(E_I+Z_eqY)^‑1·F_sd·ΔF_usd    +(E_I+Z_eqY)^‑1·F_sq·ΔF_usq             (26)；(14)所述步骤7包括：7‑1.将得到的直流电网小干扰线性化戴维南等效模型求取特征方程；7‑2.分析得到全系统特征根的分布情况；7‑3.得到全直流电网小干扰稳定性运行状况，并得到控制量及交流系统参量变化时对直流电网电压的影响；7‑4.根据所述直流电网小干扰线性化模型，分析各换流站参数变化时全网直流电压的变化情况；并根据det(E_I+Z_eqY)＝0根的分布情况分析系统的稳定性。