高压直流输电动态相量建模与仿真

文中运用一种新的建模方法一基于时变傅立叶级数的动态相量(Dynamic phasors)法对HVDC进行建模和仿真。该方法通过保留系统状态变量对应的时变傅立叶级数中重要的项而对原系统进行简化，在建模过程中，用开关函数来表示阀的开关状态，换流桥每个桥臂都有3个不同状态，用它们的状态分段组合可以表示整个换流桥的状态，从而可以考虑直流换流桥的换相过程。最后通过简单的算例，将动态相量模型和详细电磁暂态(EMT)模型仿真计算结果相比较，证明HVDC的动态相量模型是精确而有效的，不仅可准确地描述HVDC在给定扰动下暂态变化过程，而且可节省计算时间。     

交直流系统的换流器动态相量模型

建立准确而有效的换流器数学模型是研究大规模交直流混联系统动态特性的关键问题。分析在交流系统不对称情况下,换流阀导通时刻偏移和三相换相角不平衡的HVDC换流器动态特性。由此,提出基于序分量的适用于各种运行工况及故障的改进换流器动态相量模型,该模型突破了传统换流器动态相量模型的应用局限性。将其应用于贵广Ⅱ回HVDC系统详细模型和CIGRE HVDC系统标准模型的交直流系统动态特性的全面仿真计算,与应用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件得到的仿真结果相比较,结果表明该模型准确有效。     

模块化多电平换流器动态相量建模

模块化多电平换流器(MMC)包含大量由开关器件组成的子模块,导致基于这种换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC)电磁暂态模型仿真速度和规模受到限制,机电暂态模型无法显示换流器内部环流等特性,时域解析数学模型用于环流分析时计算复杂、灵活性差。为了快速地计算MMC交直流侧电压、电流,在MMC开关函数模型和状态方程表示的等效模型的基础上推导了动态相量模型。在Matlab中编写以各阶动态相量为状态变量的状态方程进行计算,得到包括直流侧2次环流在内的换流器内外部电压、电流特性,并与应用Matlab/Simulink仿真软件得到的电磁暂态模型进行了暂、稳态和仿真耗时的对比。结果表明,所提动态相量模型计算的交流侧输出电压、电流和直流侧环流与电磁暂态模型吻合,动态相量模型是正确且高效的。     

基于动态相量法的直流系统暂态响应实时快速仿真计算方法

为解决交流系统大扰动下电流源型直流输电(line commutate converter based HVDC,LCC-HVDC)系统电磁暂态精度响应实时求取困难的问题,该文基于动态相量法仿真框架,详细讨论了大扰动下LCC-HVDC直流输电系统的建模方案,并针对工程现场的计算精度与计算复杂度要求和逆变侧容易发生的换相失败现象,重构了易于拓展的仿真模型计算框架。多故障场景的仿真对比实验表明,与传统的动态相量仿真方案相比,所提出的框架能够准确反映直流系统在逆变侧交流系统受扰下的暂态响应特征,同时提高了计算速度,实现了LCC-HVDC系统暂态响应的高精度、实时化计算。     

VSC-HVDC系统的动态相量法建模仿真分析

运用一种新的建模方法——基于时变傅里叶级数的动态相量法对基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）系统进行建模分析。在系统开关函数模型的基础上,该方法通过忽略系统动态方程中状态变量所对应的时变傅里叶级数中那些不重要的高次项而对原系统进行简化,从而得到系统的动态相量模型及其方程。结果表明,动态相量法模型仿真相当于详细时域模型仿真结果的包络线,而且可以极大地减少系统的仿真时间,可以作为电磁暂态和机电暂态模型的接口,应用于电力系统的混合仿真。     

不对称运行条件下VSC-HVDC动态相量建模

为了提高仿真精度和减少计算量,采用动态相量法,针对不对称运行条件下的基于电压源型换流器的直流输电系统(VSC-HVDC)进行建模。动态相量法基于时变傅立叶级数,所建模型为近似时不变的大信号模型。该模型比准稳态模型精确,同时与详细电磁暂态模型相比,能够显著提高计算效率。使用动态相量模型对不对称条件下的VSC-HVDC响应特性进行了仿真,并与电磁暂态程序的计算结果对比表明,此模型是精确有效的。     

电压源型直流输电的动态相量建模与仿真

为适应电力系统快速精确仿真和分析控制的需要,采用了一种新的建模方法—基于时变傅立叶级数的动态相量法,对电压源型直流输电(VSC-HVDC)进行建模和仿真。该方法通过保留与系统状态变量相对应的时变傅立叶级数中的重要项对原系统进行简化,首先建立用开关函数描述的VSC-HVDC换流站详细时域模型,在此基础上,给出VSC-HVDC动态相量模型的详细推导过程。在对VSC-HVDC进行动态相量建模的过程中,换流站的开关函数考虑直流分量和基频分量,直流传输线路只考虑直流分量,从而大大简化高频开关过程,在保证仿真精度的同时,大大缩短了仿真时间。通过MATLAB仿真软件用动态相量模型与详细时域电磁暂态(EMT)模型分别对VSC-HVDC进行仿真比较的结果表明,动态相量模型精确而有效,不仅可以精确描述VSC-HVDC的暂态变化过程,而且可以大大节省仿真计算时间。     

中点钳位式三电平STATCOM的动态相量建模与仿真

首先介绍了中点钳位式(NPC)三电平静止同步补偿器(STATCOM)的结构和原理．采用一种改进的空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法，用以解决换流器直流侧两个电容的电压均衡问题：通过开关函数详细描述了换流桥的离散动态过程，使用动态相量法得到STATCOM的动态模型．并同时给出了电源、负荷和输电线路的动态相量模型：最后使用Simulink／Matlab平台分别实现了含NPC三电平STATCOM测试系统的电磁暂态模型和动态相量模型的建模．仿真结果验证了动态相量模型的精确性和有效性．     

MMC-MTDC系统的电磁-机电暂态建模与实时仿真分析

提出了基于希尔伯特变换的移频建模方法,并建立了基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电(MMC-MTDC)系统的电磁-机电暂态移频相量模型,进一步地在实时仿真器上实现了电磁-机电暂态分区并行计算。相较于传统电磁-机电暂态联合仿真方法,该建模方法与仿真平台的电磁-机电暂态仿真适用性强,接口简单实用。分别建立了模块化多电平换流器单端系统、±200 kV五端柔性直流输电系统接入IEEE 39节点交流系统的移频相量模型,并且完成了电磁-机电暂态分区并行实时仿真测试。通过对多种暂态现象的模拟及其与电磁暂态模型结果的对比,验证了所提电磁-机电暂态移频相量建模与实时仿真的准确性、有效性和灵活性。     

直流配电系统动态相量-电磁暂态混合仿真与误差机理分析EI北大核心CSCD

为了高效地实现多端直流配电系统的准确动态仿真,在动态相量–电磁暂态混合仿真框架下,文章首先分析应用于直流配电系统时所涉及的子系统建模、接口机制和数据交互时序等执行要素。然后以混合仿真误差产生机理为切入点,以电磁暂态子系统为主要关注对象,详细分析简单阻感支路和复杂系统两种情况下混合仿真的误差传递过程,并推导了数值稳定的必要条件。其次,以串行时序为例,设计直流配电系统动态相量–电磁暂态混合仿真算法的主流程,并提出动态相量提取修正、直流量特征纹波添加等精度提升方法。最后,基于MATLAB/Simulink搭建多端直流配电系统同构串行混合仿真平台,通过对比全电磁暂态仿真,验证混合仿真的高效性及精度提升方法的有效性。     

三相分布参数线路动态相量法的建模与仿真

传统的机电暂态模型由于建立在"准稳态"假设基础之上,因此不能用来仿真变化迅速的电磁暂态过程,而电磁暂态模型,虽然能准确反映电磁暂态过程,但由于仿真步长很小,仿真速度受到限制,不适合用来仿真大型电力系统。该文基于动态相量理论,对三相分布参数的线路进行推导和建模,提出一种适用于分布参数线路的大步长动态相量模型,并分析了其产生的误差。通过对算例的仿真和与电磁暂态模型仿真结果的比较,验证了动态相量模型能突破电磁暂态模型对分布参数线路仿真步长的限制,用来仿真三相分布参数线路上的电磁暂态过程。     

基于RT-LAB的机电-电磁暂态混合实时仿真及其在MMC-HVDC中的应用

模块化多电平柔性直流输电系统含有数千个微秒级控制周期的高速开关器件,现有机电和电磁仿真均无法同时兼顾详细的换流器内部物理特性及其接入交流大电网后与交流系统的交互特性。基于RT-LAB平台下新开发的机电—电磁混合仿真接口程序,首次提出百MW模块化多电平柔性直流系统接入交流大电网的混合实时仿真模型;为验证建模方法的正确性,在电磁侧开发模块化多电平柔性直流输电系统(modular multi-level converter HVDC,MMC-HVDC)系统详细电磁暂态模型,在机电侧搭建IEEE标准四机机电暂态模型,分别对柔直系统模型的启动、有功阶跃和交流系统故障进行仿真,仿真结果表明交直流系统相互作用明显,同时也证明基于该平台混合仿真的有效性及正确性。     

MMC改进动态相量模型建模与仿真研究

提出了模块化多电平换流器改进动态相量模型的建模方法,并在理论上证明了改进动态相量方法与传统动态相量方法的统一性。该方法可避免积分与卷积运算,使MMC动态相量模型推导的工作量大大减小。所建模型将8阶MMC改进动态相量模型模块、交流接口模块、直流接口模块、MMC控制模块和二次环流抑制模块分开建模,当外接电路不同时,只需修改接口模块电气参数与控制模块中的控制策略即可,方便MMC与外电路连接形成多端网络。最后在稳态运行和换流站交流侧发生三相接地短路故障情况下,对比了Matlab平台建立的MMC动态相量模型与PSCAD平台建立的MMC电磁暂态模型的仿真结果,验证了所提方法的正确性。改进动态相量模型方法在获得较高精度的同时,可以大大加快仿真速度,节省仿真时间,使得该模型有望在大规模柔性直流电网建模仿真研究中得到更广泛的应用。     

基于动态相量法的改进多端模块化多电平换流器HVDC小干扰稳定模型

针对含多端模块化多电平换流器高压直流(MMC-HVDC)交直流混联系统的稳定问题,提出一种基于动态相量法的改进小干扰稳定分析模型。由于传统小干扰稳定模型均基于准稳态假定,因此难以反应电力电子型器件的快速动态过程。综合考虑多端MMC-HVDC有源及无源网络下的控制策略,推导并建立基于动态相量法的改进小干扰模型。建立含海上风电场的多端MMC-HVDC测试系统,并对比分析电磁暂态模型、传统小干扰模型及改进小干扰模型在动态响应下的精度及仿真时间。根据仿真结果,所提改进小干扰模型能够较好地跟随系统动态响应,预测系统振荡过程,并能显著削减仿真时间,其有效性和适应性得到了证明。     

高压直流建模研究的相关问题

总结了电力系统稳定性分析中高压直流输电系统的一般性建模方法;讨论了直流模型的分类及模型的适用性;分析了常用商用电力系统分析软件中的直流模型,建议开发商适当增加内置直流模型与用户自定义模块间的接口,以拓展直流模型的适用范围;重点分析了基于采样数据建模方法和动态相量理论对直流换流器准稳模型的改进。认为采样数据建模方法建立了适合于电力系统次同步振荡研究的换流器小信号模型,但不能用于电力系统暂态稳定仿真计算中;动态相量法推导了换流器的大信号模型,但仍不能正确反映换相失败现象和不对称工作条件下高压直流系统的动态行为。认为在大规模交直流电力系统的暂态稳定性研究中,机电-电磁混合仿真思路较有潜力,而其关键问题在于各种扰动下电磁暂态仿真范围的合理确定。     

可仿真任意工况的MMC等值电磁暂态仿真模型与平均值模型

基于对MMC在启动以及直流故障期间桥臂电容电压动态过程的分析,提出了改进的MMC等值电磁暂态仿真模型,并根据桥臂总电容电压的动态特性提出了可仿真任意工况的MMC平均值模型。在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC的详细电磁暂态仿真模型、等值电磁暂态模型和平均值模型,通过启动、电流阶跃、交流故障和直流故障、环流抑制器投切仿真,验证了所提出的等值电磁暂态仿真模型和平均值模型可以分别在换流站级和电力系统级的研究上取代详细开关模型并提高仿真速度。     

基于动态相量法的逆变型分布式电源微电网建模与仿真

微电网中变流器的电磁暂态过程加剧了微电网的动态特性分析难度,为了快速准确地分析微电网的动态特性,文中采用动态相量法建立了逆变型分布式电源微电网的动态相量模型。通过MATLAB/Simulink分别用动态相量模型和电磁暂态模型对含2个逆变型分布式电源的微电网进行仿真分析,仿真结果表明,动态相量模型在较高精度范围内近似电磁暂态模型,验证了模型的正确性和有效性。而且,所提出的动态相量模型在保证较高精度的同时,提高了仿真速度,节省了仿真时间,为复杂微电网的建模提供了一种新方法。     

基于粒子群优化算法的交流不对称故障下HVDC谐波计算

将基于调制理论的谐波分析计算方法与粒子群优化算法相结合,提出了一种基于粒子群优化算法的HVDC谐波计算方法.首先建立改进的换流器动态相量模型,解决了交直流系统的接口问题;然后,利用调制理论对频域下谐波相互作用进行分析,把交直流系统的谐波计算转化为对换流母线电压的优化;最后,应用粒子群优化算法,求解不对称故障情况下换流母线电压最优值,同时得到交直流系统的谐波分布.为验证算法,以CIGRE HVDC模型为例,采用该方法对交流系统各种不对称故障情况编制程序并计算,并与PSCAD/EMTDC软件得到的电磁暂态仿真结果相比较,证明了该算法准确有效.     

直流馈入下交流系统故障特性分析及故障分量电流差动保护改进

由于直流系统的故障响应具有快速非线性特征,基于准稳态的分析方法不再适用于高压交直流互联(HVDC/AC)系统,因此对于交流保护的适应性分析将更为困难。为解决上述问题,在原有HVDC/AC系统动态相量等值方法的基础上,计及直流系统的非线性以及不同故障严重程度下直流系统控制策略切换的影响,提出更为准确的HVDC/AC系统等值计算方法。基于此,分析直流系统的接入对交流线路暂态故障特性的影响,研究该影响与故障分量电流差动保护动作性能之间的关系,并提出基于电流暂降检测的故障分量电流差动保护自适应动作判据。基于PSCAD/EMTDC平台的仿真结果验证了理论分析的正确性及改进策略的有效性。     

HVDC系统高精度闭环动态相量仿真模型

为实现多故障类型下对高压直流输电(high-voltage direct-current, HVDC)系统进行快速精确的闭环计算,使用动态相量法对包括换流变压器在内的完整HVDC系统进行了详细的建模推导。首先分析了交流不对称情况下实际触发角的偏移和各换相过程的不平衡情况,提出了适用于不对称故障的改进换流器动态相量模型。随后,使用考虑电压损耗的换流变压器模型代替理想变压器模型,提高了阀侧交流电压的计算精度,并结合直流线路动态相量模型,重构了HVDC全系统的仿真流程,实现了系统的闭环计算。将所建模型应用于CIGRE Benchmark标准直流系统,并与PSCAD仿真结果进行对比,结果证明了所提模型准确有效。