基于端口能量的高壓直流受端系統暫態穩定分析

摘 要：本文提出一種基于端口能量的高壓直流受端系統暫態穩定分析方法。首先，采用瞬時值形式下的端口能量表達式，結合受端系統的拓撲，建立受端系統的能量函數模型。其次，考慮直流換相失敗，詳細推導故障期間直流端口和發電機端口的能量函數表達式，基于李雅普諾夫第二法，分析二者對受端系統穩定性的影響。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，受端系統總能量的變化率可以反映受端系統的暫態穩定狀態，且發電機端口能量不斷增大是導致受端系統暫態失穩的主要因素。

關鍵詞：高壓直流受端系統;端口能量;暫態功角穩定

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系統受端系統暫態穩定分析方法。首先推導了瞬時值形式下的端口能量表達式，結合受端系統的拓撲建立受端系統的能量函數。其次，詳細推導故障過程中直流端口和發電機端口的能量函數表達式。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暫態穩定性的影響。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 受端系統能量函數模型

1.1 端口能量的推導

綜上，發電機端口能量的數量級大于直流端口能量，其變化趨勢將對受端系統總能量的變化趨勢起主導作用，也即發電機端口能量是影響受端系統暫態功角穩定的主要因素。

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，系統結構圖如圖2所示。

本節分析較早和較晚切除故障兩種場景下受端系統各部分元件的能量對總能量的影響，并將基于能量的暫態穩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至故障切除來模擬瞬時性故障。受端系統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、發電機的端口能量，WS表示系統總能量。

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的時間較短，系統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，發電機端口能量略有增大，系統總能量先增大，11s后開始減小，最終系統恢復穩定。

3.2 較晚切除故障

在受端系統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的時間較長，且頻繁出現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，發電機端口能量增大，且發電機端口能量的量級大于直流端口能量，因此系統總能量呈增大趨勢。切除故障線路并重合閘后，發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，系統總能量持續增大，系統無法到達平衡點，最終失去穩定。

4 結論

本文提出一種基于端口能量的高壓直流受端系統暫態穩定分析方法，主要研究結論如下：

（1）受端系統總能量的變化率表征受端網絡上存儲能量變化的趨勢，可以反映受端系統的暫態穩定狀態。當受端系統總能量的變化率為負時，系統保持暫態穩定;當受端系統總能量的變化率為正時，系統暫態失穩。

（2）相比于發電機，直流換相失敗對于高壓直流受端系統暫態功角失穩的作用不是很大。在失穩情形下，故障期間發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量級小于發電機端口能量，因此，發電機端口能量增大是導致受端系統暫態功角失穩的主要因素。

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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：交直流互聯系統的保護與控制。