针对交直流混合输电系统的动态稳定性，本节介绍直流输电系统的准稳态模型。准稳态模型对直流系统换流器采用平均值模型，并只对直流输电线和直流控制计及暂态。直流输电系统的基本控制手段就是通过控制这四个变量来满足不同的运行要求。直流输电系统的准稳态模型是一种通用模型，其基本特点是只模拟控制的结果，而不模拟控制系统本身。......
2023-06-29
柔性直流输电系统准稳态模型
【摘要】：近年来，柔性直流输电系统在电网中的应用越来越广泛。在研究包含柔性直流输电系统的动态特性和控制问题中，常采用准稳态模型。直流输电系统内部的动态元件包括VSC直流侧电容以及输电线路的等效电感。式中两端VSC注入直流系统的有功功率计算公式为图2.18双端直流系统内部的动态模型综上所述，构成了用于暂态稳定分析的双端主电路模型。
近年来，柔性直流输电系统在电网中的应用越来越广泛。在潮流计算中，柔性直流输电系统可以等效为四象限功率可控的功率源或负荷，其建模方法可以参考传统直流输电系统。在研究包含柔性直流输电系统的动态特性和控制问题中，常采用准稳态模型。采用该模型时，由于考虑了控制器动态特性，因此仿真的步长通常要比纯交流系统的机电暂态仿真小。采用柔性直流输电系统的准稳态模型的交直流电力系统机电暂态仿真原理如图2.17所示。对直流线路来说，两侧换流器相当于两个电压源，其数值取决于触发控制角和交流侧电压模值，直流线路本身可以采用适当的动态模型[4]。对于直流线路，若不研究直流线路的动态特性，也可以采用集总参数模型。
图2.17 交直流电力系统机电暂态仿真原理
柔性直流输电系统采用准稳态模型，具有以下特点：
（1）换相失败可以比较准确地确定，通过实际计算关断角来确定是否发生换相失败。
（2）直流系统在故障后的恢复过程可以得到较好的模拟，而不是事先指定恢复速度，因为实际的恢复过程必须基于交流电压的恢复过程。
（3）直流系统两个极的控制器是独立模拟的，因而可以模拟直流线路的故障。
（4）由于模拟了定电流、定电压和定关断角等控制器的实际动态过程，因而可以比较准确地模拟直流系统中控制模式的切换过程。
双端直流输电系统内部的动态模型如图2.18所示。图2.18中，Pc1、Pc2以及ud1、ud2分别为VSC1和VSC2注入直流系统的有功功率以及相应直流侧电压；id为直流输电线路上的电流；Cd为直流侧电容；rd、ld则分别代表直流输电线路的等效电阻和电感[4]。
由图2.18可以看出，VSC直流侧电压将直接影响其交流侧的电压输出。因此，在暂态稳定分析中计及直流输电系统的内部动态过程十分必要。直流输电系统内部的动态元件包括VSC直流侧电容以及输电线路的等效电感。如图2.18所示的新型高压直流输电（Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current，VSC-HVDC）内部直流系统，对电容电压利用基尔霍夫电流定律，对输电线路电流利用基尔霍夫电压定律，可得双端VSC-HVDC电容电压、输电线路电流的动态方程：
式中，除了Cd、ld、RdB为有效值以外，其余各量均为标幺值。式（2.15）中两端VSC注入直流系统的有功功率计算公式为
图2.18 双端直流系统内部的动态模型
综上所述，构成了用于暂态稳定分析的双端主电路模型。
VSC能够调节其交流输出电压的幅值与相角，实现对有功功率、无功功率、直流电压以及交流母线电压灵活、快速地控制。VSC-HVDC控制系统均采用比例积分（PI）调节器，有功功率、无功功率、交流母线电压以及直流电压的控制器如图2.19所示，其中Kp、KQ、KU、Ku、TP、TQ、TU、Tu分别为比例积分调节器的比例系数和积分时间常数，TmP、TmQ、TmU、Tmu为测量环节的时间常数，TM和Tδ分别为模拟VSC输出电压幅值和相位调节的时间常数，下标“ref”代表相应物理量的设定值。M0和δ0为稳态运行时的调制比以及相对于交流母线电压相位的移相角度，ΔM和Δδ均为比例积分调节器输出的调节量。另外，控制系统控制的VSC交流侧有功功率Ps以及无功功率Qs计算公式为
VSC-HVDC正常运行时需要有一端VSC采用定直流电压控制，充当整个直流网络的有功平衡换流器，其工作原理如图2.19所示。以定直流电压的VSC向交流系统输送有功功率为例，如果系统扰动引起其直流侧电压升高，负的偏差信号作用于比例积分调节器将使得移相角度的绝对值增大，即换流变压器两端电压的相角差增大。因此，向交流系统输送的有功功率增加，直流电容放电，电压恢复到设定值，其他情况也可做类似的分析。
图2.19 基于比例积分调节器的VSC-HVDC主控制系统
（a）有功功率控制器；（b）无功功率控制器
图2.19 基于比例积分调节器的VSC-HVDC主控制系统（续）
（c）交流电压控制器；（d）直流电压控制器
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2023-06-29
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