本發明屬于電力系統仿真及計算領域，具體涉及一種用于直流饋入電網直流系統暫態響應的簡化求解方法。

背景技術：

基于晶閘管控制的高壓直流輸電系統由直流設備系統和直流控制系統兩部分組成。直流設備系統一般包含換流變壓器、換流器、直流濾波器、平波電抗器以及直流輸電線路等，直流控制系統由整流側和逆變側的控制邏輯形成。由于直流系統的物理特性，整流側和逆變側均存在導通或者換相過程。根據直流主設備系統的響應，直流控制系統按照其控制邏輯形成換流器的觸發脈沖時刻，換流器按照其物理特性完成換流閥的自動關斷。

在逆變側交流系統發生對稱或者不對稱故障后，直流系統逆變器可能發生換相失敗。不同于交直流混聯系統，對直流饋入式電力系統而言，直流系統聯系的電網處于不同的同步電網。因此在直流饋入式系統的暫態仿真中，不用考慮整流側電網受到換相失敗的影響，從而可以對整流側系統進行適當簡化。

在簡化模型的基礎上，保留了直流系統逆變側的詳細結構，可用于對直流系統逆變側電磁暫態過程的模擬。適用于機電-電磁暫態混合仿真，且能夠進行逆變側交流系統故障后引發的換相失敗判斷。

技術實現要素：

本發明旨在提出一種用于直流饋入電網直流系統暫態響應的簡化求解方法，目的在于求解逆變側換流變壓器電壓為對稱或者不對稱情況下直流系統的響應；該方法通過對整流側的直流模型進行適當簡化，主要考慮逆變側電壓變化下直流系統的動態行為；該方法在保留直流逆變側詳細結構的基礎上化簡了直流系統的模型，計算效率高，且能夠模擬直流系統的換相失敗，在電力系統的機電-電磁暫態仿真以及直流系統的換相失敗判斷方面有重要的意義。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種用于直流饋入電網直流系統暫態響應的簡化求解方法，將高壓直流輸電系統的整流側交流電源、換流變壓器和換流器簡化為幅值可變的直流電壓源，利用觸發角與整流側交流電壓求出等值電壓，降低直流系統暫態響應求解的復雜度；具體如下：

1)直流主設備系統的狀態方程按照如下方法形成：

將整流側的交流電源、換流變壓器和換流器簡化為幅值可變的直流電壓源；結合直流主設備系統的其他元件，即逆變側換流變壓器、平波電抗器、直流濾波器以及直流輸電線路，根據逆變器中換流閥的不同導通與關斷狀態，使用各元件的電阻、電感及電容參數，按照電路原理形成不同電路結構下直流主設備系統的狀態方程：

其中x為直流主設備系統的狀態變量，輸入u為逆變側的三相電壓瞬時值；為整流側的輸入矩陣；A_i、B_i分別為第i個工況下的狀態矩陣以及逆變側輸入矩陣；u_R為整流側的等值直流電壓；

2)對于直流控制系統，按照其控制邏輯，列出其微分方程：

式中y表示直流控制系統的狀態變量；x為直流主設備系統的狀態變量；直流控制系統的輸出為整流側的觸發延遲角α與逆變側的觸發超前角β；

3)式(1)中整流側的等值直流電壓u_R將隨著直流控制系統計算過程中，整流側的觸發延遲角α而變化；利用準穩態公式，u_R表示為：

其中n_T為整流側換流器的橋數，U_R為整流器交流側的線電壓有效值，X_c與k_T分別為整流側換流變壓器的等值電抗與變比，I_d為直流線路電流；

4)在交流系統的一個仿真步長T_AC內，對直流系統按照如下步驟進行暫態響應計算：

4.1)按照式(2)形成描述直流控制邏輯的直流控制系統方程；

4.2)給定交流側的電壓以及直流控制系統和直流主設備系統的初值，設定仿真的起始時刻t＝t₀，設置i＝0；

4.3)根據該時刻的直流主設備系統運行工況，按照式(1)得到該時刻直流主設備系統的方程；

4.4)聯立直流主設備系統和直流控制系統的方程，以第i個工況起始時刻t_i時的狀態量x(t_i)和y(t_i)作為初值進行直流主設備系統和直流控制系統的暫態過程計算，根據換流器的換相電流以及觸發角的信息，確定該工況的結束時刻t_i+1；

4.5)利用4.4)的結果得到整流側的觸發延遲角α，代入式(3)得到下一工況下的整流側的等值直流電壓u_R；

4.6)設置i＝i+1,繼續進行直流主設備系統和直流控制系統下一個運行工況下的暫態過程計算，直至該時段即時長為T_AC的仿真結束。

該方法適用于含采用晶閘管換流器的直流饋入式電力系統的機電-電磁暫態混合仿真。

該方法利用準穩態公式將整流側的交流電源、換流變壓器與換流器等電氣量和狀態量等效為與觸發延遲角相關的等值直流電壓形式，能夠減少近一半的計算量。

該方法保留了逆變側的換流器模型，不妨礙逆變側換相失敗的判斷。

本發明和現有技術相比較，具備如下優點：

在直流饋入式電力系統的機電-電磁暫態過程仿真中，簡化了對直流系統整流側的處理，將整流側的交流電源，換流變壓器和換流器等值成為幅值可變的直流電壓源，電壓幅值由直流控制系統的觸發延遲角α結合準穩態公式得到；使用該方法，在暫態過程計算中可以簡化對整流側換相過程的模擬，從而降低了直流系統暫態過程計算的復雜度；由于保留了逆變側的詳細模型，因此不妨礙對逆變側換相失敗的判斷。

附圖說明

圖1直流控制系統的邏輯結構圖示例。

圖2為12脈波直流主設備系統一個運行工況的簡化等值電路圖。

圖3為直流控制系統暫態過程計算的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步補充說明：

本發明一種用于直流饋入電網直流系統暫態響應的簡化求解方法，將高壓直流輸電系統的整流側交流電源、換流變壓器和換流器簡化為幅值可變的直流電壓源，利用觸發角與整流側交流電壓求出等值電壓，降低直流系統暫態響應求解的復雜度；具體如下：

1)直流主設備系統的狀態方程按照如下方法形成：

將整流側的交流電源、換流變壓器和換流器簡化為幅值可變的直流電壓源；結合直流主設備系統的其他元件，即逆變側換流變壓器、平波電抗器、直流濾波器以及直流輸電線路，根據逆變器中換流閥的不同導通與關斷狀態，使用各元件的電阻、電感及電容參數，按照電路原理形成不同電路結構下直流主設備系統的狀態方程：

其中x為直流主設備系統的狀態變量，輸入u為逆變側的三相電壓瞬時值；為整流側的輸入矩陣；A_i、B_i分別為第i個工況下的狀態矩陣以及逆變側輸入矩陣；u_R為整流側的等值直流電壓；

2)對于直流控制系統，按照其控制邏輯，列出其微分方程：

式中y表示直流控制系統的狀態變量；x為直流主設備系統的狀態變量；直流控制系統的輸出為整流側的觸發延遲角α與逆變側的觸發超前角β；

3)式(1)中整流側的等值直流電壓u_R將隨著直流控制系統計算過程中，整流側的觸發延遲角α而變化；利用準穩態公式，u_R表示為：

其中n_T為整流側換流器的橋數，U_R為整流器交流側的線電壓有效值，X_c與k_T分別為整流側換流變壓器的等值電抗與變比，I_d為直流線路電流；

4)如圖3所示，在交流系統的一個仿真步長T_AC內，對直流系統按照如下步驟進行暫態響應計算：

4.1)按照式(2)形成描述直流控制邏輯的直流控制系統方程；

4.2)給定交流側的電壓以及直流控制系統和直流主設備系統的初值，設定仿真的起始時刻t＝t₀，設置i＝0；

4.3)根據該時刻的直流主設備系統運行工況，按照式(1)得到該時刻直流主設備系統的方程；

4.4)聯立直流主設備系統和直流控制系統的方程，以第i個工況起始時刻t_i時的狀態量x(t_i)和y(t_i)作為初值進行直流主設備系統和直流控制系統的暫態過程計算，根據換流器的換相電流以及觸發角的信息，確定該工況的結束時刻t_i+1；

4.5)利用4.4)的結果得到整流側的觸發延遲角α，代入式(3)得到下一工況下的整流側的等值直流電壓u_R；

4.6)設置i＝i+1,繼續進行直流主設備系統和直流控制系統下一個運行工況下的暫態過程計算，直至該時段即時長為T_AC的仿真結束。

下面對本發明做進一步的補充說明：

對于類似圖1的直流控制系統的形式，形成其狀態方程：

其中，y為直流控制系統的狀態量，x為直流主設備系統的狀態量。

如附圖2所示，給出了一個單極12脈波的高壓直流輸電主設備系統的結構圖。其中，直流線路整流側和逆變側分別配置了濾波器，直流線路使用T型電路進行等值。

對直流主設備系統的第i個運行工況，類似圖2的結構，形成直流主設備系統在第i個運行工況下的狀態方程：

其中u表示逆變側換流變壓器交流母線電壓，u_R為等值的整流側直流電壓A_i，B_i和分別為狀態矩陣和輸入矩陣，x為狀態變量。

聯立(1)和(2)即可得到該工況下整個直流系統的方程。根據暫態響應計算的結果，按照換流器的換相電流以及觸發時刻，得到該運行工況的結束時間，然后利用整流側的觸發延遲角α，根據準穩態公式得到整流側直流等值電壓u_R。

根據換流器的導通和關斷規則，繼續形成第i+1個工況的狀態方程，并按照上述過程進行迭代，直至仿真結束。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限于此，對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發明由所提交的權利要求書確定權利保護范圍。