一种直流系统注入交流系统电流计算方法

摘要

发明提供了一套直流输电系统注入交流系统电流的计算方法，该计算方法能够反映交流系统运行条件及对应的直流控制方式变化情况下的注入电流变化，包括定功率定电压、定功率定熄弧角、定电流定电压、定电流定熄弧角，以及低压限流环节参与下的定电流控制和直流系统换相失败情况下的控制特性。本发明是研究交直流系统相互影响的核心算法，可用于交直流电网规划和运行控制，克服了描述交直流相互关系采用变量多的缺点，解决了直流系统注入交流系统电流的计算问题，为电网规划与运行提供了一种研究交直流系统相互影响的技术方法。

主权项

1.一种计算直流系统注入交流系统电流的方法，其特征在于能够根据交流系统不同运行工况，考虑直流系统多种控制方式及换相失败因素，推导得出计算直流系统注入交流系统电流的解析表达式，具体包括以下步骤：步骤A：直流系统运行工况及注入交流系统电流基础计算方法直流输电功率表示为如下形式：P_d=U_dI_ord             (1)式中，P_d是直流输电功率，U_d是直流电压，I_ord是直流电流控制指令值，当系统运行条件没有激活低压限流环节VDCOL，并采用定电流CC或定功率CP控制模式时，U_d、I_d和I_ord的关系为：式中，I_ref是直流电流给定参考值，P_ref是直流输电功率给定参考值；直流系统整流侧与逆变侧具有相似性和对称性；其中，在逆变侧，直流系统的有功功率表示为：P_d=U_diI_di               (3)式中，U_di、I_di分别是逆变侧直流电压和电流，根据直流系统换流器特性，式(3)中直流系统逆变侧直流电压的描述为：$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{di}}={\mathrm{AU}}_{\mathrm{com}}-{\mathrm{BI}}_{\mathrm{di}}\\ A=\frac{3\sqrt{2}}{\pi }{\mathrm{NK}}_T\cos \gamma \\ B=\frac{3}{\pi }{\mathrm{NX}}_i\end{array}\right.---\left(4\right)$式中，U_com是直流逆变侧换流母线线电压有效值，K_T为换流变压器变比，N为串联的六脉动换流器个数，γ是逆变侧熄弧角，X_i为逆变侧等效换流感抗，当忽略换流器有功损耗时，直流系统逆变侧注入交流系统电流的有效值I_inj和相角δ_inj表示为：式中，Q_C为换流站交流滤波器及电容器无功出力；Q_d为直流系统消耗的无功功率；为功率因数角；δ_com为换流母线电压相角，在工程应用中，采用同步相量测量单元测出；在各种控制方式或情况下，式(5)描述的直流系统注入交流系统电流相角计算公式不变；的余弦如式(6)所示：因此，功率因数角的正切函数为：步骤B：正常运行条件下直流注入交流系统电流（1）定电流控制模式下注入交流系统电流当直流系统采用CC控制模式时，逆变侧直流电流I_di在控制器的作用下将等于直流电流控制给定值I_ref，联立式(2)～(5)、(7)，得换流母线电压与注入系统电流的关系，即为：式中，f₁₁为直流电压与换流母线电压的比值：$f_{11}(U_{\mathrm{com}},\gamma )=\frac{U_{\mathrm{di}}}{U_{\mathrm{com}}}=A-\frac{{\mathrm{BI}}_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{com}}}---\left(9\right)$在直流系统采用CC控制模式下，式(9)中直流系统注入交流系统电流是熄弧角γ和换流母线线电压U_com的函数，若直流系统逆变侧采用定熄弧角CEA控制模式，在控制器作用下维持熄弧角γ为常数；若采用定电压CV控制模式，在受端交流系统电压变化小的情况下，熄弧角γ变化幅度有限，其余弦值变化小，将其假设为常数，因此，直流系统注入系统电流用只含有换流母线线电压U_com一个变量的函数描述，如式(10)所示：$I_{\mathrm{inj}}=f_1(U_{\mathrm{com}},\gamma )\approx \widetilde{f_1}\left(U_{\mathrm{com}}\right)---\left(10\right)$当系统运行状态发生变化并对直流系统产生影响时，交直流系统之间无功交换增大，则不能忽略无功功率影响，需采用式(8)～(10)来详细计算直流系统注入交流系统的电流值；对于直流系统整流侧注入交流系统电流的计算公式与逆变侧形式一致，只是将式(8)中的直流逆变侧直流电压U_di替换为整流侧直流电压U_dr，熄弧角γ替换为触发角α，注入交流系统的电流符号为负，表示在整流侧电流方向为从交流系统流向直流系统；（2）定功率控制模式下注入交流系统电流当直流系统采用CP控制模式时，在控制器作用下直流输电功率为常数P_ref，在实际系统中该功率为整流侧直流功率；因此，对于逆变侧，考虑直流线路损耗条件下，求解得：$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{di}}=\frac{{\mathrm{AU}}_{\mathrm{com}}\pm \sqrt{A^2{U_{\mathrm{com}}}^2-4(B-R_d)P_{\mathrm{ref}}}}{2(B-R_d)}=f_{21}(U_{\mathrm{com}},\gamma )\\ U_{\mathrm{di}}=\frac{P_{\mathrm{ref}}-{I_{\mathrm{di}}}^2{R}_d}{I_{\mathrm{di}}}=f_{22}(U_{\mathrm{com}},\gamma )\end{array}\right.---\left(11\right)$I_di的取值结合直流系统正常运行条件予以选择；因此，式(7)表示为如下形式：将式(12)代入式(5)，并根据熄弧角变化幅度小而假设其为常数，因此得出CP控制模式下直流换流母线电压U_com与直流注入系统电流I_inj的关系，即为：对于直流系统整流侧，由于整流侧直流输电功率即为直流功率给定值P_ref，因此注入交流系统电流的计算公式与逆变侧有区别，表示为：$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{dr}}=\frac{{\mathrm{AU}}_{\mathrm{com}}\pm \sqrt{A^2{U_{\mathrm{com}}}^2-4{\mathrm{BP}}_{\mathrm{ref}}}}{2B}={f_{21}}^{*}(U_{\mathrm{com}},\alpha )\\ U_{\mathrm{dr}}=\frac{P_{\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{dr}}}={f_{22}}^{*}(U_{\mathrm{com}},\alpha )\end{array}\right.---\left(14\right)$式中，U_dr和I_dr分别是整流侧直流电压和电流，α为整流侧触发角；式中函数右上角的“*”符号是为了区别于逆变侧的计算公式，根据式(14)得出功率因数角与换流母线电压和触发角α之间的函数关系，进而求解出整流侧直流系统注入交流系统的电流有效值，如式(15)所示，注入交流系统的电流符号为负；步骤C：VDCOL参与控制下直流系统注入交流系统电流当系统电压下降引起直流电压下降并将VDCOL激活时，此时系统定电流控制器的整定值将在MIN环节作用下选择VDCOL环节输出的电流值，此时直流系统处于VDCOL参与下的直流电流控制，设VDCOL环节U_d-I_d特性曲线斜率为k，即有：$k=\frac{I_{d\_\mathrm{high}}-I_{d\_\mathrm{low}}}{U_{d\_\mathrm{high}}-U_{d\_\mathrm{low}}}---\left(16\right)$联立式(4)，求解出直流电压、直流电流与换流母线电压和熄弧角γ之间的函数关系：$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{di}}=f_{31}(U_{\mathrm{com}},\gamma )\\ U_{\mathrm{di}}=f_{32}(U_{\mathrm{com}},\gamma )\end{array}\right.---\left(17\right)$因而，逆变侧直流输电功率为：P_d=U_diI_di=f₃₃(U_com,γ)             (18)联立式(5)、(7)、(17)、(18)，得到在VDCOL环节控制条件下采用换流母线电压U_com描述直流系统注入交流系统电流的形式，即为：一般情况下，当直流系统电压下降至VDCOL投入时，逆变侧已进入最小熄弧角控制模式，即γ等于常数γ_min，因而有：$I_{\mathrm{inj}}=\widetilde{f_3}\left(U_{\mathrm{com}}\right)---\left(20\right)$在VDCOL参与控制时，交直流系统运行状态已发生变化，换流站无功补偿设备出力与直流系统吸收无功功率相差大，因此无功功率影响因素不能忽略；若只考虑有功功率因素，计算得出的注入电流将与实际情况出现偏差；对于直流系统整流侧注入交流系统电流的计算公式形式与逆变侧一致，在计算过程中换流母线电压采用整流侧测量得到得换流母线电压有效值，熄弧角γ则替换为触发角α，注入交流系统的电流符号为负；步骤D：换相失败情况下注入交流系统电流当换流母线大幅下降情况下，引发直流系统发生连续换相失败，相当于在换流器上出现跨接在直流端的短路支路，直流系统注入交流系统有功功率为零，此时直流系统换流器无功消耗也为零；与此同时，直流系统换流母线电压将支撑换流站滤波器和电容器继续发出无功功率，因此无功补偿装置将向系统注入电流；因而当直流系统发生连续换相失败时，注入直流系统注入交流系统的电流表示为：$I_{\mathrm{inj}}\approx \frac{Q_c}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{com}}}=\frac{\omega {{\mathrm{CU}}_{\mathrm{com}}}^2}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{com}}}=\frac{\mathrm{\omega C}}{\sqrt{3}}{U}_{\mathrm{com}}=f_4\left(U_{\mathrm{com}}\right)---\left(21\right)$这里所提及的换相失败是指持续时间相对长的情况，对于短时换相失败的情况，由于系统的暂态过程未结束，采用式(21)计算出的结果会存在误差；直流系统整流侧很少发生有换流母线残压的连续换相失败，因此直流系统整流侧发生换流母线残压的连续换相失败的情况不予考虑。