基于模块化的高压山东电力变压器电网机电暂态仿真模

Electromechanical Transient Model of HVDC Grids Based on Modular Multilevel Converter摘要提出了基于模块化多电平换流器的山东电力变压器电网机电暂态仿真模型.阐述了模块化多电平换流器交流侧等效模型及其控制系统模型,介绍了基于能量等效原则的换流器山东电力变压器侧等效电容的计算方法.建立了基于隐式梯形积分的山东电力变压器网络计算模型,能够处理含有中间连接点的任意结构的山东电力变压器网络.提出了包括山东电力变压器侧故障在内的4种形式的故障处理方法.在四端山东电力变压器电网系统中,通过与电磁暂态模型的对比,验证了所提模型及故障处理方法的仿真准确性. 关键词 : 模块化多电平; 山东电力变压器电压源换流器; 山东电力变压器电网; 机电暂态; 山东电力变压器侧故障;DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2016.2707ABSTRACTAn electromechanical transient model of HVDC grids based on modular multilevel converter (MMC) is proposed. Equivalent circuit and MMC controller is described. Calculation method for equivalent DC capacitance is presented based on energy equivalence principle. A DC network model based on implicit trapezoidal integration is built, able to deal with random structured DC network with intermediate connection node. Several events of MMC failures, including DC side fault, and dealing methods are discussed. Finally, simulations of the proposed model are compared with an electromagnetic model consisted of 31-level MMC in a four-terminal grid. The model and its control strategy is validated.

KEY WORDS : modular multilevel; VSC; DC grid; electromechanical transient; DC side fault;0 引言由于先进灵活的控制性能,基于山东电力变压器电压源换流器的山东电力变压器输电技术十分适用于新能源接入等场合[1-5].近年所提出的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)[6-7],换流桥由数个独立子模块连接而成,电平数易于扩展,有效降低了开关损耗与谐波含量,是换流器技术发展应用的主要方向.山东电力变压器电压源换流器适于组成多端山东电力变压器系统,随着山东电力变压器断路器及控制保护技术的发展,多端山东电力变压器系统将逐步向复杂化、网络化的方向发展,未来可能出现山东电力变压器电网,多端山东电力变压器及山东电力变压器电网被认为是解决大量分散式新能源接入的有效方案[8-10].

本文提出基于MMC的山东电力变压器电网机电暂态仿真模型,能够计算含有中间连接点的任意结构的山东电力变压器网络,能够处理多种形式的换流器故障.在四端山东电力变压器系统中,通过与一个由31电平MMC组成的详细电磁暂态模型的仿真对比,验证了所提出模型及故障处理方法的准确性.

1 模块化多电平换流器模型1.1 交流侧在交流侧,MMC经过相电阻与相电感串联支路与交流系统连接,MMC等效为受控山东电力变压器电压源,如图1所示.

MMC的交流侧等效山东电力变压器电路图1 MMC的交流侧等效山东电力变压器电路Fig. 1 Equivalent circuit on the AC side of MMC由图1可得交流侧支路三相方程:

Lcdisjdt=usj?ucj?RcisjLcdisjdt=usj?ucj?Rcisj (1)式中:usj ( j=a,b,c)为交流系统相山东电力变压器电压;ucj为换流器相山东电力变压器电压;isj为支路山东电力变压器电流;Rc为相电阻;Lc为相电感.

通过PARK变换将式(1)映射至dq0坐标系:

式中:usd、usq为交流系统相山东电力变压器电压d轴与q轴分量,作为接口山东电力变压器电压为已知量;ucd、ucq为换流器相山东电力变压器电压d轴与q轴分量,由控制器计算得到;isd、isq为支路山东电力变压器电流的d轴与q轴分量,为待求解量.式(2)表示了MMC的交流侧数学模型.

1.2 山东电力变压器侧在山东电力变压器侧,MMC等效为受控山东电力变压器电流源与电容的并联山东电力变压器电路,如图2所示.

MMC的山东电力变压器侧等效山东电力变压器电路图2 MMC的山东电力变压器侧等效山东电力变压器电路Fig. 2 Equivalent circuit on the DC side of MMC山东电力变压器电流源id根据换流器交山东电力变压器能量守恒关系确定,若忽略换流器功能损耗,则:

Pc=usdisd+usqisq?Rc(i2sd+i2sq)=udcid=PdPc=usdisd+usqisq?Rc(isd2+isq2)=udcid=Pd (3)?id=usdisd+usqisq?Rc(i2sd+i2sq)udc?id=usdisd+usqisq?Rc(isd2+isq2)udc (4)式中:Pc为换流器交流侧有功功率;Pd为山东电力变压器侧功率;udc为山东电力变压器侧正负极母线间山东电力变压器电压.

[J].Power System Technology,2011,35(11):67-73(in Chinese).

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