本发明公开了一种全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模及电网保护方法，步骤1：建立运行在故障穿越状态下的全控型AC/DC换流器的等值电路；步骤2：建立交流侧内电势、交流侧端电压与交流侧电流之间的关系函数；步骤3：建立交流侧内电势与直流侧端电压之间的关系函数；步骤4：建立直流侧端电压、交流侧端电压与交流侧电流的关系函数；步骤5：建立直流侧电流与交流侧电流的关系函数；步骤6：合并步骤4与步骤5中建立的关系函数，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映AC/DC换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移矩阵。本发明还提供一种电网保护方法，利用本发明的端口暂态量转移矩阵计算混联电网短路电流。
1.一种全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于，全控型AC/DC换流器用于交直流混联电网中，包括以下步骤：步骤1：根据全控型AC/DC换流器的结构，建立交直流混联电网发生短路故障时，运行在故障穿越状态下的全控型AC/DC换流器的等值电路；
步骤2：根据步骤1中建立的等值电路，建立AC/DC换流器交流侧内电势、交流侧端电压与交流侧电流之间的关系函数；
步骤3：根据全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧的电压调制关系，建立全控型AC/DC换流器交流侧内电势与直流侧端电压之间的关系函数；
步骤4：将步骤3得到的关系函数代入步骤2得到的关系函数中，从而得到全控型AC/DC换流器直流侧端电压、交流侧端电压与交流侧电流的关系函数；
步骤5：根据全控型AC/DC换流器满足交流侧与直流侧有功功率守恒约束以及步骤4建立的关系函数，建立全控型AC/DC换流器直流侧电流与交流侧电流的关系函数；
步骤6：合并步骤4与步骤5中建立的关系函数，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映AC/DC换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移矩阵，所述直流侧电气量是指直流侧端电压与直流侧电流，所述交流侧电气量是指交流侧端电压与交流侧电流。
2.根据权利要求1所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：运行在故障穿越状态下的全控型AC/DC换流器的等值电路包括交流侧等值电路与直流侧等值电路；在交流侧等值电路中，交流侧内电势等于交流侧电流经过换流电抗器时产生的压降与交流侧端电压之和。
3.根据权利要求2所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤2中第i个全控型AC/DC换流器的交流侧内电势、交流侧端电压与交流侧输电流之间的关系函数为：EAi＝UAi+βIAiXCi；
σAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧电流相位角，EAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧内电势，UAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧端电压，IAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧电流，XCi为第i个全控型AC/DC换流器的换流电抗器的电抗。
4.根据权利要求3所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤3中第i个中全控型AC/DC换流器交流侧内电势与直流侧端电压之间的关系函数为：EAi＝UDi/2×MAi；
式中，UDi为第i个全控型AC/DC换流器的直流侧端电压，MAi表示调制信号对应的工频向量，MAi＝MAdi+jMAqi，MAdi为调制信号对应的工频向量的d轴分量，MAqi为调制信号对应的工频向量的q轴分量，j表示复数的虚部单位。
5.根据权利要求4所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤4中第i个全控型AC/DC换流器直流侧端电压、交流侧端电压与交流侧电流的关系函数为：
6.根据权利要求5所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧有功功率守恒约束为：全控型AC/DC换流器的交流侧输出功率与直流侧输出功率之和为0；其中，第i个全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧有功功率守恒约束的表达式为：UAiIAi cosσAi+UDiIDi＝0。
7.根据权利要求6所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：步骤5中，将步骤4建立的关系函数代入全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧有功功率守恒约束中，从而得到全控型AC/DC换流器直流侧电流与交流侧电流的关系函数；其中，第i个全控型AC/DC换流器直流侧电流与交流侧电流的关系函数为：式中，γ为调节系数，γ＝XCiIAi/UAi。
8.根据权利要求7所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，其特征在于：对于第i个全控型AC/DC换流器，在步骤4中建立的关系函数与步骤5中建立的关系函数合并写成如下矩阵形式：令第i个全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵为Tfi，则有如下关系式：
从而得到第i个全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵的表达式
9.一种电网保护方法，其特征在于：所述电网为交直流混联电网，采用权利要求1至8中任一所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法建立混联电网中各个全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵，根据全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵计算混联电网的短路电流，根据短路电流采取相应的保护措施。
全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模及电网保护
方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统运维技术领域，具体涉及一种全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，以及基于该建模方法的电网保护方法。
背景技术
[0002] 高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)以其在远距离大容量输电和异步电网互联等方面的显著优势而得到广泛应用。近年来，随着直流输电技术的快速发展，一大批高压直流输电工程在我国投运，我国电力系统已逐步进入交直流混联电网时代。目前，我国已建成全世界规模最大、运行工况最复杂的交直流混联电网，保障大型交直流电网的安全稳定运行已成为重要且紧迫的国家需求。
[0003] 在交直流混联电网中，通常采用相控型或全控型AC/DC换流器来实现交直流电网的混联，混联节点交流侧和直流侧的暂态量映射关系由AC/DC换流器的端口暂态电压、电流来反映。AC/DC换流器换流器运行在故障穿越状态下的短路电流计算是实施交直流混联电网保护的基础，由于AC/DC换流器的暂态过程十分复杂，需要根据其短路电流初始值和外特性测试来对其值进行简化，再带入短路计算。可以看出，AC/DC换流器的建模是进行交直流混联电网短路电流计算的关键。
[0004] 因此，需要根据电网发生短路故障时AC/DC换流器的暂态特性，建立AC/DC换流器的短路计算暂态模型。
发明内容
[0005] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，解决现有技术中缺乏针对混联电网计算短路电流的基础的技术问题，能够通过建立端口暂态量转移矩阵反映AC/DC换流器交流侧与直流侧暂态电气量的映射关系，能够为混联电网短路电流的准确计算提供基础。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，全控型AC/DC换流器用于交直流混联电网中，包括以下步骤：
[0007] 步骤1：根据全控型AC/DC换流器的结构，建立交直流混联电网发生短路故障时，运行在故障穿越状态下的全控型AC/DC换流器的等值电路；
[0008] 步骤2：根据步骤1中建立的等值电路，建立AC/DC换流器交流侧内电势、交流侧端电压与交流侧电流之间的关系函数；
[0009] 步骤3：根据全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧的电压调制关系，建立全控型AC/DC换流器交流侧内电势与直流侧端电压之间的关系函数；
[0010] 步骤4：将步骤3得到的关系函数代入步骤2得到的关系函数中，从而得到全控型AC/DC换流器直流侧端电压、交流侧端电压与交流侧电流的关系函数；
[0011] 步骤5：根据全控型AC/DC换流器满足交流侧与直流侧有功功率守恒约束以及步骤4建立的关系函数，建立全控型AC/DC换流器直流侧电流与交流侧电流的关系函数；
[0012] 步骤6：合并步骤4与步骤5中建立的关系函数，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映AC/DC换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移矩阵，所述直流侧电气量是指直流侧端电压与直流侧电流，所述交流侧电气量是指交流侧端电压与交流侧电流。
[0013] 优选的，全控型AC/DC换流器的等值电路包括交流侧等值电路与直流侧等值电路；交流侧等值电路为交流侧输出电流后，交流侧内电势经过换流电抗器下降至交流侧端电压。
[0014] 优选的，步骤2中第i个全控型AC/DC换流器的交流侧内电势、交流侧端电压与交流侧输电流之间的关系函数为：
[0015] EAi＝UAi+βIAiXCi；
[0016] 式中，β为转换系数，β的表达式如下：
[0017]
[0018] σAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧电流相位角，EAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧内电势，UAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧端电压，IAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧电流，XCi为第i个全控型AC/DC换流器的换流电抗器的电抗。
[0019] 本发明还提供一种电网保护方法，所述电网为交直流混联电网，采用本发明中所述的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法建立混联电网中各个全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵，根据全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵计算混联电网的短路电流，根据短路电流采取相应的保护措施。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0021] 1、本发明提出的全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵建模方法能够准确、有效的建立出全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵，所建立的端口暂态量转移矩阵能够有效反映了电网故障时交直流混联电网交流侧和直流侧暂态电气量的映射关系，为混联电网短路电流的准确计算提供基础。
[0022] 2、通过建立全控型AC/DC换流器的等值电路能够简化计算，利用转换系数β能够将交流侧内电势与交流侧端电压、交流侧电流的关系函数写成线性形式。
[0023] 3、本发明的端口暂态量转移矩阵中各参数均与全控型AC/DC换流器的物理参数相关，并且均为可测得的已知量，因此可以根据本发明的端口暂态另转移矩阵建模方法，求得混联电网中各个全控型AC/DC换流器的暂态量转移矩阵。
附图说明
[0024] 图1是全控型AC/DC换流器的结构示意图；
[0025] 图2是运行在故障穿越状态下的全控型AC/DC换流器的等值电路图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。现提出一种全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，为今后交直流混联电网的短路电流计算提供了理论基础，具有重要的学术意义和工程价值。
[0027] 一种全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，全控型AC/DC换流器用于交直流混联电网中，全控型AC/DC换流器的结构如图1所示，包括以下步骤：
[0028] 步骤1：根据全控型AC/DC换流器的结构，建立交直流混联电网发生短路故障时，运行在故障穿越状态下的全控型AC/DC换流器的等值电路，等值电路如图2所示。
[0029] 步骤2：根据步骤1中建立的等值电路，建立AC/DC换流器交流侧内电势、交流侧端电压(端电压指对地电压)与交流侧电流(交流侧输出的工频电流)之间的关系函数。
[0030] 步骤3：根据全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧的电压调制关系，建立全控型AC/DC换流器交流侧内电势与直流侧端电压之间的关系函数；
[0031] 步骤4：将步骤3得到的关系函数代入步骤2得到的关系函数中，从而得到全控型AC/DC换流器直流侧端电压|(直流侧对地电压)、交流侧端电压与交流侧电流的关系函数；
[0032] 步骤5：根据全控型AC/DC换流器满足交流侧与直流侧有功功率守恒约束以及步骤4建立的关系函数，建立全控型AC/DC换流器直流侧电流(直流侧输出电流)与交流侧电流的关系函数；
[0033] 步骤6：合并步骤4与步骤5中建立的关系函数，并改写成矩阵形式，从而得到能够反映AC/DC换流器直流侧电气量与交流侧电气量映射关系的端口暂态量转移矩阵，所述直流侧电气量是指直流侧端电压与直流侧电流，所述交流侧电气量是指交流侧端电压与交流侧电流。
[0034] 本发明提出的全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵建模方法能够准确、有效的建立出全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵，所建立的端口暂态量转移矩阵能够有效反映了电网故障时交直流混联电网交流侧和直流侧暂态电气量的映射关系，为混联电网短路电流的准确计算提供基础。
[0035] 本具体实施方式中，运行在故障穿越状态下的全控型AC/DC换流器的等值电路包括交流侧等值电路与直流侧等值电路；交流侧等值电路为交流侧输出电流后，交流侧内电势经过换流电抗器下降至交流侧端电压。
[0036] 本具体实施方式中，步骤2中第i个全控型AC/DC换流器的交流侧内电势、交流侧端电压与交流侧输电流之间的关系函数为：
[0037] EAi＝UAi+βIAiXCi；
[0038] 式中，β为转换系数，β的表达式如下：
[0039]
[0040] σAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧电流相位角，EAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧内电势，UAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧端电压，IAi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧电流，XCi为第i个全控型AC/DC换流器的换流电抗器的电抗。
[0041] 通过建立全控型AC/DC换流器的等值电路能够简化计算，利用转换系数β能够将交流侧内电势与交流侧端电压、交流侧电流的关系函数写成线性形式。
[0042] 步骤2中的关系函数是按如下步骤推导而来：首先根据交流侧等值电路的结构写出如下函数：EAi＝UAi+jXCi(IAdrefi+jIAqrefi)；然后进行如下变形：
[0043]
[0044] 式中，j为复数的虚部单位，IAdrefi为第i个全控型AC/DC换流器的交流侧电流q轴分量参考值，e表示幂运算的自然底数；
[0045] 由式(1)可得交流侧内电势大小与端电压、输出电流的函数关系为：
[0046]
[0047] 式(2)中利用转换系数β能够将交流侧内电势与交流侧端电压、交流侧电流的关系函数写成线性形式。
[0048] 本具体实施方式中，步骤3中第i个中全控型AC/DC换流器交流侧内电势与直流侧端电压之间的关系函数为：
[0049] EAi＝UDi/2×MAi； (3)
[0050] 式中，MAi表示调制信号对应的工频向量，MAi＝MAdi+jMAqi，MAdi为调制信号对应的工频向量的d轴分量，MAqi为调制信号对应的工频向量的q轴分量，j表示复数的虚部单位。
[0051] 本具体实施方式中，步骤4中第i个全控型AC/DC换流器直流侧端电压、交流侧端电压与交流侧电流的关系函数为：
[0052]
[0053] 式(4)由式(3)代入式(2)得到。
[0054] 本具体实施方式中，全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧有功功率守恒约束为：全控型AC/DC换流器的交流侧输出功率与直流侧输出功率之和为0；其中，第i个全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧有功功率守恒约束的表达式为：
[0055] UAiIAi cosσAi+UDiIDi＝0 (5)
[0056] 本具体实施方式中，步骤5中，将步骤4建立的关系函数代入全控型AC/DC换流器的交流侧与直流侧有功功率守恒约束中，从而得到全控型AC/DC换流器直流侧电流与交流侧电流的关系函数；其中，第i个全控型AC/DC换流器直流侧电流与交流侧电流的关系函数为：
[0057]
[0058] 式中，γ为调节系数，γ＝XCiIAi/UAi；
[0059] 式(6)由式(4)代入(5)得到。
[0060] 本具体实施方式中，对于第i个全控型AC/DC换流器，在步骤4中建立的关系函数与步骤5中建立的关系函数合并(即式(4)与式(6)合并)写成如下矩阵形式：
[0061]
[0062] 令第i个全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵为Tfi，则有如下关系式：从而得到第i个全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵的表达式
为：
[0063] 本发明的端口暂态量转移矩阵中各参数均与全控型AC/DC换流器的物理参数相关，并且均为可测得的已知量，因此可以根据本发明的端口暂态另转移矩阵建模方法，求得混联电网中各个全控型AC/DC换流器的暂态量转移矩阵。
[0064] 一种电网保护方法，所述电网为交直流混联电网，采用本发明的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法建立混联电网中各个全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵，根据全控型AC/DC换流器的端口暂态量转移矩阵计算混联电网的短路电流，根据短路电流采取相应的保护措施。
[0065] 本发明提出的计及换流器故障穿越的全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模方法，能够准确、有效地实现全控型AC/DC换流器端口暂态量转移矩阵建模，其有效反映了电网故障时交直流混联电网交流侧和直流侧暂态电气量的映射关系，在交直流混联电网的短路电流计算中具有重要意义。
