一种适用于故障初瞬时段的换流站建模方法及装置与流程

1.本发明涉及电力电网技术领域，尤其涉及一种适用于故障初瞬时段的换流站建模方法及装置。


背景技术：

2.新型电力系统中的电源正在由传统的同步发电机向逆变器型电力电子设备过渡，且随着新能源发电占比越来越高，电网的结构、参数、特性也都因此而发生了明显变化，给故障分析与继电保护带来了巨大挑战。电力电子型电力装备充当的电源在故障后表现为受控、时变和非线性等特征，其故障暂态过程与同步发电机为主体的传统电力系统有很大区别，从而导致常规继电保护装置可能不正确动作。截至目前电网已发生多起新能源发电系统、交直流混联系统保护误动案例，给电网的安全运行带来巨大挑战，保障低惯量的新型电力系统安全运行已成为重大而紧迫的国家需求。
3.在电力电子装备大量接入的低惯量系统中，研究换流站的建模方法是厘清系统的故障机理、准确开展故障分析的前提对保障低惯量新型电力系统的安全可靠运行和故障的快速准确切除，进而缩短停电时间，具有重要价值。
4.换流站是低惯量新型电力系统的枢纽，目前针对故障初瞬时段换流站的建模方法仍采用详细模型进行仿真计算，这一过程过于复杂，无法很好地应用于电力电子装备大量接入的低惯量系统场景。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种适用于故障初瞬时段的换流站建模方法及装置，能简化故障初瞬时段换流站的建模。
6.本发明一实施例提供了一种适用于故障初瞬时段的换流站建模方法，包括：根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器额定容量，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电感；
7.根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器铜损标幺值，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电阻；
8.根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电感，计算换流站模型中滤波器的第一电感；
9.根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电容，计算换流站模型中滤波器的第一电容；
10.根据所述第一等值电感、第一等值电阻、第一电感以及第一电容构建换流站的等值电路，获得换流站模型。
11.进一步的，所述根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器额定容量，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电感，包括：
12.通过以下公式计算第一等值电感：
13.其中，l”s
为第一等值电感；x”pu
为换流变压器绕组漏抗标幺值；u
nh
为换流变压器高压侧额定电压；f为工频，sn为换流变压器额定容量。
14.进一步的，所述根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器铜损标幺值，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电阻，包括：
15.根据以下公式计算第一等值电阻：
16.其中，rs为第一等值电阻；r
pu
为换流变压器铜损标幺值。
17.进一步的，所述根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电感，计算换流站模型中滤波器的第一电感，包括：
18.通过以下公式计算第一电感：
19.其中，l's为第一电感；u
nl
为换流变压器低压侧额定电压；l为换流站中滤波器的实际电感。
20.进一步的，所述根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电容，计算换流站模型中滤波器的第一电容，包括：
21.通过以下公式计算第一电容：
22.其中，cs为第一电容；c为换流站中滤波器的实际电容。
23.在上述方法项实施例的基础上本发明对应提供了装置项实施例；
24.本发明一实施例提供了一种适用于故障初瞬时段的换流站建模装置，包括：第一等值电感确定模块、第一等值电阻确定模块、第一电感确定模块、第一电容确定模块以及简化模型构建模块；
25.所述第一等值电感确定模块，用于根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器额定容量，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电感；
26.第一等值电阻确定模块，用于根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器铜损标幺值，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电阻；
27.第一电感确定模块，用于根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电感，计算换流站模型中滤波器的第一电感；
28.第一电容确定模块，用于根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电容，计算换流站模型中滤波器的第一电容；
29.简化模型构建模块，用于根据所述第一等值电感、第一等值电阻、第一电感以及第一电容构建换流站的等值电路，获得换流站模型。
30.进一步的，第一等值电感确定模块，通过以下公式计算第一等值电感：
31.其中，l”s
为第一等值电感；x”pu
为换流变压器绕组漏抗标幺值；u
nh
为换流变压器高压侧额定电压；f为工频，sn为换流变压器额定容量。
32.进一步的，第一等值电阻确定模块，根据以下公式计算第一等值电阻：
33.其中，rs为第一等值电阻；r
pu
为换流变压器铜损标幺值。
34.进一步的，第一电感确定模块，通过以下公式计算第一电感：
35.其中，l's为第一电感；u
nl
为换流变压器低压侧额定电压；l为换流站中滤波器的实际电感。
36.进一步的，第一电容确定模块，通过以下公式计算第一电容：
37.其中，cs为第一电容；c为换流站中滤波器的实际电容。
38.通过实施本发明具有如下有益效果：
39.本发明实施例提供了一种适用于故障初瞬时段的换流站建模方法和装置，在故障初瞬时段，换流站尚未对扰动做出响应，该阶段时间短，为波过程阶段，信号能量集中在高频段，该类高频信号被阻隔在滤波电路之外而不能到达换流器，因此仅需考虑换流站滤波回路及换流变压器对外部传来的高频信号的响应即可，基于这一原因，可将换流站对故障初瞬首行波的响应特性等值为换流变压器等值阻抗和交流lc滤波器的串联，从而构建换流站模型。为此，本发明基于换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压、换流变压器额定容量、换流变压器铜损标幺值，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电感和第一等值电阻；基于换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压、换流站中滤波器的实际电感以及换流站中滤波器的实际电容，计算换流站模型中滤波器的第一电感和第一电容，最后根据第一等值电感、第一等值电阻、第一电感以及第一电容构建换流站的等值电路，获得换流站模型。与现有技术相比仅需考虑换流站中的换流变压器和滤波器对外部传来的高频信号的响应，大大简化了换流站模型的构建过程，减少了换流站模型构建过程中的运算量并兼顾了平衡精度。
附图说明
40.图1是本发明一实施例提供的一种适用于故障初瞬时段的换流站建模方法的流程示意图。
41.图2为典型的太阳能光伏并网系统的结构示意图。
42.图3为故障初瞬时段光伏并网系统中换流站的等效模型示意图。
43.图4为故障初瞬时段光伏并网系统中换流站的等值电路的示意图。
44.图5为交流线路发生故障时一模故障分量彼德逊等效电路示意图。
45.图6为基于行波理论的并网点处的一模故障分量电压和仿真结果相对误差图。
46.图7为本发明一实施例提供的适用于故障初瞬时段的换流站建模装置的结构示意图。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.如图1所示，本发明一实施例提供了一种适用于故障初瞬时段的换流站建模方法，包括：
49.步骤s101：根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器额定容量，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电感。
50.步骤s102：根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器铜损标幺值，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电阻。
51.步骤s103：根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电感，计算换流站模型中滤波器的第一电感。
52.步骤s104：根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电容，计算换流站模型中滤波器的第一电容。
53.步骤s105：根据所述第一等值电感、第一等值电阻、第一电感以及第一电容构建换流站的等值电路，获得换流站模型。
54.对于步骤s101、在一个优选的实施例中所述根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器额定容量，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电感，包括：
55.通过以下公式计算第一等值电感：
56.其中，l”s
为第一等值电感；x”pu
为换流变压器绕组漏抗标幺值；u
nh
为换流变压器高压侧额定电压；f为工频，sn为换流变压器额定容量。
57.对于步骤s102、在一个优选的实施例中，所述根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器铜损标幺值，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电阻，包括：
58.根据以下公式计算第一等值电阻：
59.其中，rs为第一等值电阻；r
pu
为换流变压器铜损标幺值。
60.对于步骤s103、在一个优选的实施例中，所述根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电感，计算换流站模型中滤波器的第一电感，包括：
61.通过以下公式计算第一电感：
62.其中，l's为第一电感；u
nl
为换流变压器低压侧额定电压；l为换流站中滤波器的实际电感。
63.对于步骤s104、在一个优选的实施例中，所述根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电容，计算换流站模型中滤波器的第一电容，包括：
64.通过以下公式计算第一电容：
65.其中，cs为第一电容；c为换流站中滤波器的实际电容。
66.对于步骤s105、具体的，在计算出第一等值电感、第一等值电阻、第一电感以及第一电容后，构建换流变压器与滤波器串联的等值电路，将所构建的等值电路作为换流站模型，完成换流站模型的构建。
67.为了更好的说明本发明所公开的技术方案，以下对本发明所公开的技术方案进行进一步的说明。
68.如图2所示，图2为一个典型的太阳能光伏并网系统，其包含太阳能光伏电源、dc-dc升压变换器、两电平vsc结构的并网逆变器、滤波器及换流变压器等主要设备。在故障初瞬时段其换流站仅需考虑换流站滤波回路及换流变压器对外部传来的高频信号的响应，故其换流站可以等效为图3所示的结构。此时根据上述步骤s101-s104计算出第一等值电感、第一等值电阻、第一电感以及第一电容，然后构建图4所示的等值电路，该等值电路即为最终的换流站模型。其中图4中的ls为上述第一等值电感和第一电感之和。
69.进一步的，利用步骤s105得到换流站模型，为了消除线路之间的耦合，相应的凯伦鲍尔相模变换解耦变换为：
[0070][0071]
其中，fa、fb、fc为三相电压，f0、f1、f2分别为电压0、1、2模分量。
[0072]
如图5所示，图5是为交流线路发生故障时一模故障分量彼德逊等效电路，关注一模下的故障分量网络，δu
f1
表示故障点处一模故障分量电压行波幅值，根据彼德逊法则，等效电路中的电源电势等于故障分量电压入射波的两倍，z
c1
表示线路的一模波阻抗，c
s1
、l
s1
和r
s1
表示滤波器和换流变压器的一模参数。
[0073]
在等效电路中，故障分量电压行波由故障点传播至光伏并网点，遇到该点处的光伏并网系统边界进而发生反射，因此pcc点处的一模故障分量电压是入射波和在pcc点处反射波的叠加，可以表示为：
[0074][0075]
式中，z
s1
表示换流站边界元件的等值阻抗：
[0076][0077]
δu
f1
表示一模故障分量电压行波的幅值：
[0078][0079]
式中，ua(0-)、ub(0-)、uc(0-)分别表示故障点故障前的各相电压幅值，z
c1
，z
c2
，z
c0
分别表示线路的一模、二模和零模波阻抗，rf表示过渡电阻，f
(ag)
，f
(ab)
，f
(abg)
，f
(abc)
分别表示单相接地，两相短路，两相接地短路和三相短路故障。
[0080]
据此，故障发生时pcc点处的一模故障分量电压为：
[0081][0082]
进一步的，通过拉普拉斯反变换，得到故障发生时pcc点处的一模故障分量电压的时域表达式，
[0083][0084]
其中，α，β表示衰减系数：
[0085][0086]
在故障初瞬，并网点的一模故障分量电压首行波可以被解析为故障点初始行波叠加两项衰减指数的形式。
[0087]
将故障发生时pcc点处的一模故障分量电压的时域表达式与仿真结果进行比对。
[0088]
示意性的在一个具体的实例中，一模故障分量电压和仿真结果相对误差最终的相对误差如图6所示。结果表明故障初瞬阶段本发明所构建的换流站模型有效。
[0089]
在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了装置项实施例；
[0090]
如图7所示，本发明一实施例提供了一种适用于故障初瞬时段的换流站建模装置，包括：第一等值电感确定模块、第一等值电阻确定模块、第一电感确定模块、第一电容确定模块以及简化模型构建模块；
[0091]
所述第一等值电感确定模块，用于根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器额定容量，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电感；
[0092]
第一等值电阻确定模块，用于根据换流变压器绕组漏抗标幺值、换流变压器高压侧额定电压以及换流变压器铜损标幺值，计算换流站模型中换流变压器的第一等值电阻；
[0093]
第一电感确定模块，用于根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电感，计算换流站模型中滤波器的第一电感；
[0094]
第一电容确定模块，用于根据换流变压器高压侧额定电压、换流变压器低压侧额定电压以及换流站中滤波器的实际电容，计算换流站模型中滤波器的第一电容；
[0095]
简化模型构建模块，用于根据所述第一等值电感、第一等值电阻、第一电感以及第一电容构建换流站的等值电路，获得换流站模型。
[0096]
在一个优选的实例中，第一等值电感确定模块，通过以下公式计算第一等值电感：其中，l”s
为第一等值电感；x”pu
为换流变压器绕组漏抗标幺值；u
nh
为换流变压器高压侧额定电压；f为工频，sn为换流变压器额定容量。
[0097]
在一个优选的实例中，第一等值电阻确定模块，根据以下公式计算第一等值电阻：其中，rs为第一等值电阻；r
pu
为换流变压器铜损标幺值。
[0098]
在一个优选的实例中，第一电感确定模块，通过以下公式计算第一电感：其中，l's为第一电感；u
nl
为换流变压器低压侧额定电压；l为换流站中滤波器的实际电感。
[0099]
在一个优选的实例中，第一电容确定模块，通过以下公式计算第一电容：其中，cs为第一电容；c为换流站中滤波器的实际电容。
[0100]
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0101]
所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可参考前述方法实施例中对应的过程，在此不再赘述。
[0102]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。