一种交直流混联系统机电‑电磁暂态混合仿真的交接方法

摘要

本发明公开了一种交直流混联系统机电‑电磁暂态混合仿真的交接方法，应用于交流和高压直流混联电力系统的混合仿真计算；在交直流混联系统的混合仿真中，对交流系统采用机电暂态仿真，得到交流系统各个节点的电压电流的基波分量幅值和相位；对高压直流输电系统采用电磁暂态过程的数值仿真，得到直流输电系统各个参量在时域的响应；在交流系统一个步长的仿真计算后，得到直流系统的电磁暂态计算结果；通过对直流系统的电磁暂态计算结果进行基波分量计算，并代入交流系统进行验算，如果验算结果满足误差要求，即完成交流系统一个积分步长的仿真计算；通过设定交接的参量分别为功率和电流，本方法可适用于交流系统对称和不对称故障下的混合仿真。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统仿真及计算领域，涉及含双端直流输电的交直流混联系统机电-电磁暂态混合仿真的交接方法。

背景技术

交直流混联电力系统是指在电力网络中，交流输电和直流输电并存。直流输电系统由直流主设备系统和直流控制系统两部分组成。直流主设备系统一般由换流变压器、换流器、直流滤波器、平波电抗器以及直流输电线路等组成。直流控制系统由整流侧和逆变侧的控制逻辑形成。交流系统由交流电力网络、发电机和负荷等组成。

在对交流电力系统进行暂态仿真时，采用机电暂态仿真，一般采用准稳态模型，电压和电流均为相量。而对直流系统采用电磁暂态仿真时，电压电流量均为瞬时量。

交流电力系统的机电暂态仿真中，交直流物理分界点的物理量的计算结果会影响到直流系统的暂态仿真。而直流系统的电磁暂态仿真中，交直流物理分界点的物理量的计算结果会影响到交流系统的机电暂态仿真。这里的物理量是指电压、电流和功率，物理分界点是指在交流系统暂态仿真中，交流和直流系统模型分界的边界节点。

发明内容

本发明的目的在于一种适用于交直流混联电力系统机电-电磁暂态混合仿真的交接方法，在对交流系统进行机电暂态仿真，直流系统进行电磁暂态仿真的基础上，该方法给出一种模型边界，交接方案以及实现仿真计算的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种交直流混联系统机电-电磁暂态混合仿真的交接方法，

将交直流混联电力系统以换流变压器交流侧母线为物理分界点，将交流系统以及换流器交流侧的滤波器划归为交流侧，将整流以及逆变侧换流变压器以及直流输电系统统一划归为直流侧，换流变压器交流侧的母线电压为交流侧和直流侧之间的物理交接点；

对交流侧采用机电暂态仿真，对直流侧采用电磁暂态仿真，交流侧的机电暂态仿真以交流侧半个周期为一个仿真步长，记为Δt；直流侧的电磁暂态仿真若采用数值积分方法，则选取微秒级的步长，若采用解析计算方法，不受仿真步长限制；在交直流系统的物理分界点上进行机电-电磁暂态仿真的物理量交接，物理量为仿真过程中整流侧和逆变侧换流变压器交流母线的电压、电流或者功率；

对于交流系统的对称故障，以交流母线电压与视在功率作为交接物理量，采用迭代计算的方法，已知t时刻交直流系统的状态量，求解t+Δt时刻交直流系统的状态量的具体步骤如下：

1)给出换流变压器交流侧的视在功率估计值S⁽⁰⁾，代入交流系统，并以t时刻交流系统的状态量为初值，对交流系统进行一个步长的机电暂态仿真，得到换流变压器交流侧母线电压估计值V⁽⁰⁾，设置迭代次数i＝0；

2)将换流变压器交流侧母线迭代电压V⁽ⁱ⁾代入直流系统，以t时刻直流系统的状态量为初值，对直流系统进行一个交流步长的电磁暂态仿真，获取直流系统整流和逆变侧状态量的时域解；

3)对步骤2)得到的状态量的时域解进行基波分量计算，得到换流变压器交流侧视在功率的基波分量S⁽ⁱ⁺¹⁾；

4)如果||S⁽ⁱ⁺¹⁾-S⁽ⁱ⁾||<ε，ε为设定允许误差，该步长的计算结束；否则，将步骤3)得到的换流变压器交流侧视在功率的基波分量S⁽ⁱ⁺¹⁾代入交流系统进行机电暂态仿真，计算迭代次数为i+1的换流变压器交流侧母线迭代电压V⁽ⁱ⁺¹⁾，然后置i＝i+1，转到步骤2)；

对于交流系统的非对称故障，以交流母线三相电压与三相电流作为交接物理量，采用迭代计算的方法，已知t时刻交直流系统的状态量，求解t+Δt时刻交直流系统的状态量的具体步骤如下：

1)给出换流变压器交流侧的三相电流估计值代入交流系统，并以t时刻交流系统的状态量为初值，对交流系统进行一个步长的机电暂态仿真，得到换流变压器交流侧母线三相电压估计值设置迭代次数i＝0；

2)将换流变压器交流侧母线三相迭代电压代入直流系统，以t时刻直流系统的状态量为初值，对直流系统进行一个交流步长的电磁暂态仿真，获取直流系统整流和逆变侧状态量的时域解；

3)对步骤2)得到的状态量的时域解进行基波分量计算，得到换流变压器交流侧注入电流的基波分量

4)如果ε为设定允许误差，该步长的计算结束；否则，将步骤3得到的换流变压器交流侧注入电流的基波分量代入交流系统进行机电暂态仿真，计算迭代次数为i+1的换流变压器交流侧母线三相迭代电压置i＝i+1，然后转到步骤2。

所述的交直流混联系统机电-电磁暂态混合仿真的交接方法，适用于含采用晶闸管换流器，6脉波、12脉波直流输电的交直流混联电力系统的仿真。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

本发明所提出的方法，在机电-电磁暂态仿真计算中，满足基尔霍夫电压和电流定律；该发明避免了混合仿真中对交流系统等值所带来的计算误差，并对交流系统不对称故障下混合仿真的交接问题提出了解决方案。

附图说明

图1交直流系统的边界划分示意图。

图2交直流系统的交接参量，其中图2a为交流系统对称故障，图2b为交流系统非对称故障。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明一种交直流混联系统机电-电磁暂态混合仿真的交接方法，按照如下的原则进行交直流系统机电-电磁暂态混合仿真的边界划分和交接处理。

1、交直流系统的模型边界划分以及交接参量；

交直流混联系统中，采用机电暂态仿真的交流部分和采用电磁暂态仿真的直流部分，其物理上的划分如图1所示。其中，换流变压器交流侧的母线电压为二者之间的物理交接点。将交流系统以及换流器交流侧的滤波器划归为交流系统进行机电暂态仿真，将整流以及逆变侧换流变压器以及直流输电系统划分为直流系统进行电磁暂态仿真。

2、在交流系统对称故障下，交直流系统以交接点的视在功率和交流母线电压为交接参量，如图2中图2a所示。已经求取交直流系统在时间t时刻的状态量后，对t+Δt时刻的状态量按照如下的方式进行计算：

1)给出换流变压器交流侧的视在功率估计值S⁽⁰⁾，代入交流系统，并以t时刻交流系统的状态量为初值，对交流系统进行一个步长的机电暂态仿真，得到换流变压器交流侧母线电压设置迭代次数i＝0；

2)将换流变压器交流侧母线迭代电压V⁽ⁱ⁾代入直流系统，以t时刻直流系统的状态量为初值，对直流系统进行一个交流步长的电磁暂态仿真，获取直流系统整流和逆变侧状态量的时域解；

3)对步骤2)得到的状态量的时域解进行基波分量计算，得到换流变压器交流侧视在功率的基波分量S⁽ⁱ⁺¹⁾；

4)如果||S⁽ⁱ⁺¹⁾-S⁽ⁱ⁾||<ε，ε为设定允许误差，该步长的计算结束；否则，将步骤3)得到的换流变压器交流侧视在功率的基波分量S⁽ⁱ⁺¹⁾代入交流系统进行机电暂态仿真，计算迭代次数为i+1的换流变压器交流侧母线电压V⁽ⁱ⁺¹⁾，置i＝i+1，然后转到步骤2)。

3、在交流系统非对称故障下，交直流系统以交接点的交流母线三相电压和三相电流为交接参量，如图2中图2b所示。已经求取交直流系统在时间t时刻的状态量后，对t+Δt时刻的状态量按照如下的方式进行计算：

1)给出换流变压器交流侧的三相电流估计值代入交流系统，并以t时刻交流系统的状态量为初值，对交流系统进行一个步长的机电暂态仿真，得到换流变压器交流侧母线电压设置迭代次数i＝0；

2)将换流变压器交流侧母线三相迭代电压代入直流系统，以t时刻直流系统的状态量为初值，对直流系统进行一个交流步长的电磁暂态仿真，获取直流系统整流和逆变侧状态量的时域解；

3)对步骤2)得到的状态量的时域解进行基波分量计算，得到换流变压器交流侧注入电流的基波分量

4)如果该步长的计算结束；否则，将步骤3)得到的换流变压器交流侧注入电流的基波分量代入交流系统进行机电暂态仿真，计算迭代次数为i+1的换流变压器交流侧母线三相迭代电压置i＝i+1，然后转到步骤2。

下面对本发明做进一步的补充说明：

对于含直流输电的电力系统混合仿真而言，为了得到直流系统详细的电磁暂态过程，并且避免对交流系统进行电磁暂态仿真，因此一般采用机电-电磁暂态仿真，即对交流系统采用机电暂态仿真，对直流系统进行电磁暂态仿真。二者的区别在于交流电力系统采用准稳态模型，在机电暂态仿真中得到的状态量以相量形式表示，而直流系统采用RLC模型，在电磁暂态中获得状态量随着时间变化的信息。

要对二者进行混合仿真，需要进行机电-电磁暂态的交接以及制定相应的仿真计算流程，以满足基尔霍夫电流定律。

以交流系统对称故障为例，说明其计算过程。交流系统的微分-代数方程可以记为：

其中，V和S分别表示换流变压器交流侧的母线电压和视在功率。在进行完从第k-1步到第k步的仿真之后(对应时间段为t～t+Δt)，对交流系统有：

其中视在功率S^(k)为直流系统以V^(k)为输入得到响应的函数，满足：

式中，表示为对z时域解的傅里叶变换，z为直流系统的状态量，在第k步计算中满足：

由此可见，在一步的仿真计算中，要同时满足式(2)、(3)和(4)。由于(3)和(4)的解析表达式不存在，所以要采用迭代计算方法。

上述解释适用于交流系统发生对称故障。在交流系统发生不对称故障的时候，要计及三相的分量，所以交流系统的仿真要引入负序和零序分量，而采用三相电流作为交接参量。即在式(1)～(4)中，用换流变压器交流侧的三相电压V_ABC替代换流变压器交流侧的母线电压V，三相电流I_ABC替代视在功率S，交流系统及负序和零序网络，这里不再赘述。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定权利保护范围。