基于MMC的柔性直流及直流电网机电暂态仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于MMC的柔性直流及直流电网机电暂态仿真建模方法及系统，建立暂态仿真模型，包括基于受控电流源的稳态潮流模型、交流侧暂态模型、直流侧暂态模型，所述基于受控电流源的稳态潮流模型用于生成暂态仿真所需要的初始潮流数据；至少一个基于外环控制结构进行功能扩展的附加模块，所述附加模块在柔性直流及直流电网的交流侧和直流侧设置闭锁信号产生逻辑，通过所述柔性直流及直流电网的交流侧和直流侧的外环控制结构连接。利用所述暂态仿真模型，仿真柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。本发明专利技术不考虑直流网络的初值计算，在不影响暂态仿真精度和稳定性的前提下简化了稳态潮流模型，并提高了模型的可扩展性。

Electromechanical transient simulation method and system of flexible DC and DC power grid based on MMC

The invention relates to a MMC flexible DC and DC power system electromechanical transient simulation modeling method and system based on a transient simulation model, including steady state power flow controlled current source model, AC side and DC transient model of transient model based on the power flow model for controlled current source based on data generated by the initial power flow simulation need; at least one outer loop control structure based on additional modules to extend the functionality of the additional module setting blocking signal on the AC side of flexible DC and DC power grid and DC logic, through the flexible AC DC and DC power grid and DC side outer loop control structure connection. By using the transient simulation model, the electromechanical transient characteristics of flexible DC and DC power grids under different operating conditions are simulated. Without considering the initial value calculation of the DC network, the present method simplifies the steady-state power flow model without affecting the accuracy and stability of the transient simulation, and improves the scalability of the model.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及柔性直流输电的数字仿真技术，具体涉及一种基于MMC的柔性直流及直流电网机电暂态仿真方法及系统。
技术介绍
电压源换流器型高压直流输电技术(VoltageSourceConverterBasedHighVoltageDirectCurrent,VSC-HVDC)拥有不存在换相失败、有功无功快速独立控制等优点，在大规模分布式可再生能源接入，异步电网互联等方面被认为是最有效的技术方案。VSC-HVDC拥有不同的拓扑结构，其中模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)以其开关频率低，谐波含量少和易扩展等特点成为了研究的热点，并实现了工程化的应用。MMC中含有数量众多的电力电子开关器件，适合利用电磁暂态仿真工具对其内部的动态过程和相应的控制策略进行仿真研究，例如桥臂环流控制和子模块电容电压平衡控制等。目前，相关文献已经提出了一些MMC的高效电磁暂态建模方法并获得了广泛应用。柔性直流或直流电网接入交流电网后会带来系统暂态稳定性的变化，在工程规划和设计之初就需要对交直流系统的相互作用和可能产生的稳定性问题进行深入研究。但是，由于目前计算机技术和仿真硬件资源的限制，电磁暂态仿真在进行大规模交直流电网仿真时必然需要对交流系统进行等值简化，这会导致交流系统模型的动态特性和实际电网存在差异，也会影响最终仿真结果的准确性。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种基于MMC的柔性直流及直流电网机电暂态仿真方法及系统，本专利技术建立准确实用的柔性直流及直流电网机电暂态仿真模型，通过与实际电网运行数据进行联合仿真，可以得到较为准确的交直流电网暂态稳定结果。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供一种基于MMC换流器的柔性直流及直流电网机电暂态仿真方法，其改进之处在于，包括：建立暂态仿真模型，包括基于受控电流源的稳态潮流模型、交流侧暂态模型、直流侧暂态模型，所述基于受控电流源的稳态潮流模型用于生成暂态仿真所需要的初始潮流数据；利用所述暂态仿真模型，仿真柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。进一步地，采用注入母线电流作为稳态潮流模型，将MMC换流器等效为PQ节点或PV节点；当MMC换流器等效为PQ节点，注入母线的电流相量为：其中，VR+jVI为注入母线电压相量；Pref、Qref分别为注入母线的方向为正的有功功率和无功功率；IR、II分别表示注入母线的电流相量的实部和虚部；VR、VI分别表示注入母线的电压相量的实部和虚部；当MMC换流器等效为PV节点，注入母线的方向为正的无功功率给定值Qref的值通过对母线电压给定值与反馈值的差进行积分来确定，其余参数与MMC换流器等效为PQ节点应相同。进一步地，所述交流侧暂态模型为：对于MMC换流器来说，Rc和Lc的表达式为：其中，id、iq分别表示三相电流在d、q轴上的分量，vc表示换流阀出口的电压，vp表示公共联结点PCC母线电压，i为交流母线上的电流，Rc和Lc为别为交流侧的等效电阻和等效电抗；Lt，Rt分别为换流变压器的等效电抗和等效电阻，所述换流变压器的等效电阻和等效电抗接近于0，Larm、Rarm分别为桥臂电抗和桥臂等效电阻；vpd、vpq分别为公共联结点母线PCC在d轴的电压、在q轴的电压。进一步地，所述直流侧暂态模型包括建立受控直流电流源Idc和等效电容Ceq；等效电容Ceq的表达式如下：受控直流电流源Idc的表示式如下：其中：N为MMC单个桥臂的子模块数；Csm为子模块中的电容；Pdc为受控电流源的功率；Udc为受控电流源的电压；Pac、Ploss分别为交流侧输入的有功功率和MMC换流器功率损耗；vcd、vcq分别为MMC换流器d轴和q轴的出口电压；id、iq分别为交流电流在d、q轴上的分量。进一步地，还包括建立控制系统模型，采用双闭环控制结构的dq轴解耦控制方式，包括外环控制器和内环控制器；所述外环控制器基于有功功率和无功功率的初始潮流数据和附加参考值增量，用于产生内环控制器中交流电流dq轴分量的参考值idref和iqref；所述内环电流控制器将外环控制器的输出作为参考值，同时将经过dq变换之后的电流测量值作为反馈量，利用解耦负反馈PI控制结构实现对PCC电流瞬时值的跟踪控制。进一步地，所述内环电流控制器以MMC换流器d、q轴的出口电压表示，分别为：其中，id、iq分别为交流电流在d、q轴上的分量，vp为公共联结点PCC母线电压的幅值；Pref、Qref分别为有功功率和无功功率的参考值；idref、iqref分别为d轴分量的参考值和q轴分量的参考值；分别为MMC换流器d轴和q轴的出口电压vcd、vcq参考值；vpd、vpq公共联结点母线PCC在d轴的电压、在q轴的电压；Udc为当前的直流电压，Udc0为各MMC换流器稳定后的初始直流电压，Tc为调制过程产生的延时，经相位补偿之后忽略；Kpd、Kpq分别为d、q轴的比例系数，Kid、Kiq分别为d、q轴的积分系数；s表示复数；ω表示基频角速度。进一步地，将控制系统模型中的交流电流相量转换到以PCC母线电压为基准的同步旋转dq坐标系中，用于内环控制器对交流电流id、iq进行控制，包括：交流电流dq轴的表达式为：得到的内环控制器和交流侧模型之后得到注入母线的交流电流在d、q轴上的分量id和iq，将交流电流在d、q轴上的分量id、iq的相量反变换到以系统松弛节点为基准的同步旋转坐标系下，变换的表达式为：其中：IPI、IPR分别为交流电流在d、q轴上的分量id、iq相量的实部和虚部；VPI、VPR分别为PCC母线电压的相量的实部和虚部。进一步地，还包括至少一个基于外环控制结构进行功能扩展的附加模块，所述附加模块在柔性直流及直流电网的交流侧和直流侧设置闭锁信号产生逻辑，通过所述柔性直流及直流电网的交流侧和直流侧的外环控制结构连接。进一步地，所述利用暂态仿真模型，仿真柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性，包括：所述稳态潮流模型用于生成暂态仿真所需要的初始潮流数据；所述交流侧暂态模型用于模拟柔性直流及直流电网交流侧的动态特性；所述控制系统模型用于模拟柔性直流及直流电网交流侧的控制特性，包括：定交流/直流电压控制、有功/无功功率紧急提升/回降控制功能；所述直流侧暂态模型用于模拟柔性直流及直流电网直流侧电压、电流的暂稳态过程；所述附加模块用于模拟MMC换流器闭锁特性和附加控制功能。本专利技术还提供一种柔性直流及直流电网机电暂态仿真系统，其改进之处在于，所述系统包括：建模模块：建立暂态仿真模型，包括基于受控电流源的稳态潮流模型、交流侧暂态模型、直流侧暂态模型，所述基于受控电流源的稳态潮流模型用于生成暂态仿真所需要的初始潮流数据；仿真模块：用于利用暂态仿真模型，仿真柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。进一步地，所述建模模块，进一步包括：潮流模型建模模块：用于建立生成暂态仿真所需要的初始潮流数据、基于受控电流源的稳态潮流模型；交流模型建模模块：用于建立模拟柔性直流及直流电网交流侧的动态特性的交流侧暂态模型；控制系统建模模块：用于建立模拟柔性直流及直流电网交流侧的控制特性，包括：定交流/直流电压控制、有功/无功功率紧急提升/回降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MMC换流器的柔性直流及直流电网机电暂态仿真方法，其特征在于，包括：建立暂态仿真模型，包括基于受控电流源的稳态潮流模型、交流侧暂态模型、直流侧暂态模型，所述基于受控电流源的稳态潮流模型用于生成暂态仿真所需要的初始潮流数据；利用所述暂态仿真模型，仿真柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC换流器的柔性直流及直流电网机电暂态仿真方法，其特征在于，包括：建立暂态仿真模型，包括基于受控电流源的稳态潮流模型、交流侧暂态模型、直流侧暂态模型，所述基于受控电流源的稳态潮流模型用于生成暂态仿真所需要的初始潮流数据；利用所述暂态仿真模型，仿真柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。2.如权利要求1所述的柔性直流及直流电网机电暂态建模方法，其特征在于，采用注入母线电流作为稳态潮流模型，将MMC换流器等效为PQ节点或PV节点；当MMC换流器等效为PQ节点，注入母线的电流相量为：IR=VRPref+VIQrefVR2+VI2II=VIPref-VRQrefVR2+VI2]]>其中，VR+jVI为注入母线电压相量；Pref、Qref分别为注入母线的方向为正的有功功率和无功功率；IR、II分别表示注入母线的电流相量的实部和虚部；VR、VI分别表示注入母线的电压相量的实部和虚部；当MMC换流器等效为PV节点，注入母线的方向为正的无功功率给定值Qref的值通过对母线电压给定值与反馈值的差进行积分来确定，其余参数与MMC换流器等效为PQ节点应相同。3.如权利要求1所述的柔性直流及直流电网机电暂态建模方法，其特征在于，所述交流侧暂态模型为：对于MMC换流器来说，Rc和Lc的表达式为：Lc=Lt+Larm2,Rc=Rt+Rarm2]]>其中，id、iq分别表示三相电流在d、q轴上的分量，vc表示换流阀出口的电压，vp表示公共联结点PCC母线电压，i为交流母线上的电流，Rc和Lc为别为交流侧的等效电阻和等效电抗；Lt，Rt分别为换流变压器的等效电抗和等效电阻，所述换流变压器的等效电阻和等效电抗接近于0，Larm、Rarm分别为桥臂电抗和桥臂等效电阻；vpd、vpq分别为公共联结点母线PCC在d轴的电压、在q轴的电压。4.如权利要求1所述的柔性直流及直流电网机电暂态建模方法，其特征在于，所述直流侧暂态模型包括建立受控直流电流源Idc和等效电容Ceq；等效电容Ceq的表达式如下：Ceq=6CsmN]]>受控直流电流源Idc的表示式如下：Idc=PdcUdc=Pac-PlossUdc=vcdid+vcqiqUdc]]>其中：N为MMC单个桥臂的子模块数；Csm为子模块中的电容；Pdc为受控电流源的功率；Udc为受控电流源的电压；Pac、Ploss分别为交流侧输入的有功功率和MMC换流器功率损耗；vcd、vcq分别为MMC换流器d轴和q轴的出口电压；id、iq分别为交流电流在d、q轴上的分量。5.如权利要求1所述的柔性直流及直流电网机电暂态建模方法，其特征在于，还包括建立控制系统模型，采用双闭环控制结构的dq轴解耦控制方式，包括外环控制器和内环控制器；所述外环控制器基于有功功率和无功功率的初始潮流数据和附加参考值增量，用于产生内环控制器中交流电流dq轴分量的参考值idref和iqref；所述内环电流控制器将外环控制器的输出作为参考值，同时将经过dq变换之后的电流测量值作为反馈量，利用解耦负反馈PI控制结构实现对PCC电流瞬时值的跟踪控制。6.如权利要求5所述的柔性直流及直流电网机电暂态建模方法，其特征在于，所述内环电流控制器以MMC换流器d、q轴的出口电压表示，分别为：vcd=UdcUdc01Tcs+1vcd*,vcq=UdcUdc01Tcs+1vcq*]]>其中，id、iq分别为交流电流在d、q轴上的分量，vp为公共联结点PCC母线电压的幅值；Pref、Qref分别为有功功率和无功功率的参考值；idref、iqref分别为d轴分量的参考值和q轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘栋，寇龙泽，庞辉，贺之渊，朱琳，吴学光，
申请(专利权)人：全球能源互联网研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11