基于端口能量的高壓直流受端系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析

摘 要：本文提出一種基于端口能量的高壓直流受端系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法。首先，采用瞬時值形式下的端口能量表達式，結合受端系統(tǒng)的拓撲，建立受端系統(tǒng)的能量函數(shù)模型。其次，考慮直流換相失敗，詳細推導故障期間直流端口和發(fā)電機端口的能量函數(shù)表達式，基于李雅普諾夫第二法，分析二者對受端系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后，在PSCAD平臺上進行仿真分析，驗證所提方法的有效性。算例結果表明，受端系統(tǒng)總能量的變化率可以反映受端系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，且發(fā)電機端口能量不斷增大是導致受端系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的主要因素。

關鍵詞：高壓直流受端系統(tǒng);端口能量;暫態(tài)功角穩(wěn)定

中圖分類號：TM712 ?文獻標識碼：A

本文提出一種基于端口能量的交直流互聯(lián)系統(tǒng)受端系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法。首先推導了瞬時值形式下的端口能量表達式，結合受端系統(tǒng)的拓撲建立受端系統(tǒng)的能量函數(shù)。其次，詳細推導故障過程中直流端口和發(fā)電機端口的能量函數(shù)表達式。在此基礎上，基于李雅普諾夫第二法，分析二者能量的變化情況及大小關系對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。最后，將所提方法應用到PSCAD軟件改進的Cigre Benchmark高壓直流輸電模型中，仿真結果驗證了所提方法的有效性。

1 受端系統(tǒng)能量函數(shù)模型

1.1 端口能量的推導

綜上，發(fā)電機端口能量的數(shù)量級大于直流端口能量，其變化趨勢將對受端系統(tǒng)總能量的變化趨勢起主導作用，也即發(fā)電機端口能量是影響受端系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的主要因素。

3 算例分析

本文對PSCAD軟件中的Cigre Benchmark高壓直流輸電模型進行改進并進行仿真分析，系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

本節(jié)分析較早和較晚切除故障兩種場景下受端系統(tǒng)各部分元件的能量對總能量的影響，并將基于能量的暫態(tài)穩(wěn)定分析結果與時域仿真結果進行對比，驗證本方法的正確性和有效性。

3.1 較早切除故障

在受端系統(tǒng)一回線中點處設置三相接地故障，9s故障，9.1s切除故障線路，9.25s重合閘。通過設置故障時間持續(xù)至故障切除來模擬瞬時性故障。受端系統(tǒng)各部分的能量變化情況如圖3所示，圖中WH、WC、WL、WG分別表示直流、交流濾波器、負荷、發(fā)電機的端口能量，WS表示系統(tǒng)總能量。

故障過程中，逆變側交流母線電壓幅值還未開始增大，逆變器換相失敗持續(xù)的時間較短，系統(tǒng)總能量在振蕩中減小。切除故障線路并重合閘后，故障消失，系統(tǒng)逐漸恢復正常運行，直流端口能量減小，交流濾波器、負荷端口的能量增大，發(fā)電機端口能量略有增大，系統(tǒng)總能量先增大，11s后開始減小，最終系統(tǒng)恢復穩(wěn)定。

3.2 較晚切除故障

在受端系統(tǒng)一回線中點處設置三相接地故障，9s故障，12s切除故障線路，12.25s重合閘。受端系統(tǒng)各部分的能量變化情況如圖4所示。

故障較晚切除時，逆變器換相失敗持續(xù)的時間較長，且頻繁出現(xiàn)六個橋臂均短路的情況。故障過程中直流端口能量減小，交流濾波器端口能量基本不變，負荷端口能量減小，發(fā)電機端口能量增大，且發(fā)電機端口能量的量級大于直流端口能量，因此系統(tǒng)總能量呈增大趨勢。切除故障線路并重合閘后，發(fā)電機端口能量仍增大，直流端口、交流濾波器、負荷端口的能量減小，系統(tǒng)總能量持續(xù)增大，系統(tǒng)無法到達平衡點，最終失去穩(wěn)定。

4 結論

本文提出一種基于端口能量的高壓直流受端系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法，主要研究結論如下：

（1）受端系統(tǒng)總能量的變化率表征受端網(wǎng)絡上存儲能量變化的趨勢，可以反映受端系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。當受端系統(tǒng)總能量的變化率為負時，系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定;當受端系統(tǒng)總能量的變化率為正時，系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。

（2）相比于發(fā)電機，直流換相失敗對于高壓直流受端系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)的作用不是很大。在失穩(wěn)情形下，故障期間發(fā)電機端口能量呈增大趨勢，直流端口能量呈減小趨勢，且直流端口能量的數(shù)量級小于發(fā)電機端口能量，因此，發(fā)電機端口能量增大是導致受端系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)的主要因素。

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作者簡介：楊更宇（1996—），男，漢族，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：交直流互聯(lián)系統(tǒng)的保護與控制。