本發(fā)明屬于柔性直流輸電領(lǐng)域，特別涉及一種mmc-hvdc(基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng))輸電系統(tǒng)mmc模塊小信號(hào)建模方法。

背景技術(shù)：

柔性直流輸電(voltagesourceconverterbasedhigh-voltagedc，vsc-hvdc)技術(shù)作為新一代直流輸電技術(shù)，相較于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，具有控制靈活、功率因數(shù)高等優(yōu)良特性。包括柔性直流輸電在內(nèi)的電力系統(tǒng)隨時(shí)都受到小擾動(dòng)，例如負(fù)荷波動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)緩變。所以一個(gè)良好的電力系統(tǒng)，必須要是小干擾穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)即便在穩(wěn)定情況下也無(wú)法正常運(yùn)行。

柔性直流輸電工程采用的電壓源換流器(vsc)主要有三種形式：兩電平換流器、二極管箝位型三電平換流器和模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，mmc)。相較于兩電平和三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，mmc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因具有損耗低、波形質(zhì)量高、故障處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采納。但是mmc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在對(duì)mmc-hvdc輸電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行小信號(hào)建模時(shí)大部分技術(shù)將mmc模塊直接忽略，實(shí)際上mmc模塊的自身?yè)p耗會(huì)通過(guò)影響換流器直流側(cè)有功輸出而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。鑒于此，有必要對(duì)雙端mmc-hvdc系統(tǒng)mmc小信號(hào)建模。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種mmc-hvdc輸電系統(tǒng)mmc模塊小信號(hào)建模方法，將平均值模型(averagevaluemodelsbasedonswitchingfunctions，avm)從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，運(yùn)用于mmc的小信號(hào)建模，在考慮mmc模塊外特性的基礎(chǔ)上計(jì)及了mmc模塊的自身?yè)p耗，能較好地反應(yīng)換流器外特性對(duì)所連交、直流網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種mmc-hvdc輸電系統(tǒng)mmc模塊小信號(hào)建模方法，包括以下步驟：

步驟1：將平均值模型從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，具體為：

根據(jù)mmc的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)及換流器的功率損耗ploss，mmc直流側(cè)和交流側(cè)的有功功率之間的關(guān)系式為

pac＝pdc+ploss

式中，pac為mmc交流側(cè)有功功率，pdc為mmc直流側(cè)有功功率，vdc、idc分別為直流電壓和直流電流，ej(j＝a,b,c)是由內(nèi)環(huán)控制器產(chǎn)生的j相交流端口對(duì)中性點(diǎn)的電壓指令值；

式通過(guò)派克變換改寫(xiě)為

電流損耗iloss為：

式中，ic為包含換流器損耗的等值直流電流，由式求得；

r為mmc換流器開(kāi)關(guān)與阻性損耗的等值電阻，按照穩(wěn)態(tài)時(shí)換流器的有功功率損耗為1％的比例進(jìn)行計(jì)算；isd和isq分別為公共耦合點(diǎn)pcc處電流的d軸分量和q軸分量，ucd和ucq換流器交流側(cè)輸出電壓的d軸分量和q軸分量；

換流器輸出直流電流為

idc＝ic-iloss

步驟2：將變換后的平均值模型線性化，得到mmc模塊小信號(hào)模型，具體為：

將式泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并線性化得：

且

δidc＝δic-δiloss。

根據(jù)上述方案，還包括步驟3：mmc小信號(hào)模型通過(guò)損耗電流的方式引入換流器直流側(cè)輸出直流電壓的小信號(hào)模型，具體為：

換流器直流側(cè)功率方程為

式中，下角標(biāo)i取1時(shí)為整流側(cè)，取2時(shí)為逆變側(cè)，ce為整個(gè)mmc模塊的等效電容；將式整理線性化得：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：運(yùn)用變換后的avm模型對(duì)mmc模塊進(jìn)行小信號(hào)建模，引入損耗電流，計(jì)及了mmc模塊的自身?yè)p耗，能較好地反應(yīng)基于mmc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流器外特性對(duì)所連交、直流網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)計(jì)算量較小，仿真效率高，適用于不需要觀測(cè)mmc內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性的全系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析。

附圖說(shuō)明

圖1是兩端柔性直流網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2是mmc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3是mmc模塊直流側(cè)等效受控源示意圖。

圖4是兩端柔性直流網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5是電磁暫態(tài)模型與小信號(hào)模型仿真小擾動(dòng)波形對(duì)比(換流站1交流側(cè)電流d軸分量)。

圖6是電磁暫態(tài)模型與小信號(hào)模型仿真小擾動(dòng)波形對(duì)比(換流站1交流側(cè)電流q軸分量)。

圖7是電磁暫態(tài)模型與小信號(hào)模型仿真小擾動(dòng)波形對(duì)比(換流站2交流側(cè)電流d軸分量)。

圖8是電磁暫態(tài)模型與小信號(hào)模型仿真小擾動(dòng)波形對(duì)比(換流站2交流側(cè)電流q軸分量)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。采用如圖1所示的兩端mmc-hvdc直流輸電系統(tǒng)。

圖1中左側(cè)為整流側(cè)，其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下標(biāo)為1，右側(cè)為逆變側(cè)，其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下標(biāo)為2，電流流向以圖中箭頭所示方向?yàn)檎较颉?imgfile="bda0001290516310000034.gif"wi="38"he="47"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>為換流器所連接交流有源網(wǎng)絡(luò)的等效電壓源，rn+jxn為該有源網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，為公共耦合點(diǎn)pcc處的電壓，換流變壓器為y-δ連接方式，rf和lf分別為換流變壓器和電抗器的等效電阻和電抗，為換流器的交流側(cè)輸出電壓，直流線路采用π型等效，為換流器的直流側(cè)輸出電壓；i12為直流線路電流；r12和l12為直流線路的等值電阻和電抗；c為直流網(wǎng)絡(luò)的π型等效電容和mmc模塊等效電容的合并電容。

換流器mmc模塊的小信號(hào)建模

在研究整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，不需要分析換流器內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性，只需考慮mmc模塊對(duì)于換流器所連交、直流網(wǎng)絡(luò)的外特性，從而不需要對(duì)mmc模塊的內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)建模。本發(fā)明采用avm受控源等效模型，能準(zhǔn)確反應(yīng)小擾動(dòng)情況下mmc模塊與換流器交流側(cè)和直流側(cè)之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

mmc的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，計(jì)及換流器的功率損耗ploss，mmc直流側(cè)和交流側(cè)的有功功率之間的關(guān)系式為

pac＝pdc+ploss(4)

式中，pac為mmc交流側(cè)有功功率，pdc為mmc直流側(cè)有功功率，vdc，idc分別為直流電壓和直流電流，ej(j＝a,b,c)是由內(nèi)環(huán)控制器產(chǎn)生的j相交流端口對(duì)中性點(diǎn)的電壓指令值。

式(5)通過(guò)派克變換改寫(xiě)為

電流損耗iloss為：

式中，ic為包含換流器損耗的等值直流電流，由式(8)求得；r為mmc換流器開(kāi)關(guān)與阻性損耗的等值電阻，按照穩(wěn)態(tài)時(shí)換流器的有功功率損耗為1％的比例來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

isd和isq分別為公共耦合點(diǎn)pcc處電流的d軸分量和q軸分量，ucd和ucq換流器交流側(cè)輸出電壓的d軸分量和q軸分量。

換流器輸出直流電流為

idc＝ic-iloss(9)

將式(7)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并線性化得：

δidc＝δic-δiloss(11)

由式(6)～(9)得mmc模塊的受控電流源等效模型如圖3所示。

換流器直流側(cè)功率方程為

式中，下角標(biāo)i取1時(shí)為整流側(cè)，取2時(shí)為逆變側(cè)，ce為整個(gè)mmc模塊的等效電容。將式(11)整理線性化得

將本發(fā)明的mmc模塊小信號(hào)模型與已有的交流網(wǎng)絡(luò)、控制器和直流線路的小信號(hào)模型聯(lián)立，得整個(gè)交直流混聯(lián)系統(tǒng)的小信號(hào)模型。

為驗(yàn)證本發(fā)明所提出換流器mmc模塊的小信號(hào)建模的有效性，搭建如圖4所示兩端柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)洌浩涑绷鲄⒖挤较蛉鐖D中綠色箭頭所示。ba-a1和ba-a2分別為兩條交流母線，bb-a1和bb-a2分別為兩條直流母線。按照本發(fā)明的小信號(hào)建模方式在matlab中建小信號(hào)模型，輸電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)如表1所示。

表1輸電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表

通過(guò)換流器mmc模塊的小信號(hào)建模后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真。數(shù)字仿真的擾動(dòng)方式為：在4s時(shí)，于交流網(wǎng)絡(luò)2的外環(huán)有功功率指令值設(shè)置-30kw的小擾動(dòng)，使得有功功率指令由-900kw突變?yōu)?930kw，持續(xù)0.5s。

小信號(hào)模型1忽略了mmc模塊，其交、直流網(wǎng)絡(luò)以及雙閉環(huán)控制器小信號(hào)模型同文獻(xiàn)giddanio.kalcon,grainp.adam,olimpoanaya-lara,stephenlo,andkjetiluhlen.small-signalstabilityanalysisofmulti-terminalvsc-baseddctransmissionsystems[j].ieeetransactionsonpowersystems,2012,27(13):1818-1830。小信號(hào)模型2為本發(fā)明所推導(dǎo)的小信號(hào)模型，在模型1的基礎(chǔ)上計(jì)及了mmc模塊自身?yè)p耗以及交流網(wǎng)絡(luò)等值阻抗與公共點(diǎn)電壓相角之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，與模型1和pscad中電磁暫態(tài)模型的仿真對(duì)比如圖5至圖8所示。

可以得出，因計(jì)及了mmc自身?yè)p耗，模型2相較于模型1能夠更為準(zhǔn)確地反應(yīng)該系統(tǒng)的小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)一步證明了mmc自身?yè)p耗會(huì)影響輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明所推導(dǎo)的小信號(hào)模型2與基于pscad的電磁暫態(tài)仿真模型能很好地吻合，驗(yàn)證了本發(fā)明小信號(hào)模型的正確性。