基于端口能量的高压直流受端系统暂态稳定分析

摘 要：本文提出一种基于端口能量的高压直流受端系统暂态稳定分析方法。首先，采用瞬时值形式下的端口能量表达式，结合受端系统的拓扑，建立受端系统的能量函数模型。其次，考虑直流换相失败，详细推导故障期间直流端口和发电机端口的能量函数表达式，基于李雅普诺夫第二法，分析二者对受端系统稳定性的影响。最后，在PSCAD平台上进行仿真分析，验证所提方法的有效性。算例结果表明，受端系统总能量的变化率可以反映受端系统的暂态稳定状态，且发电机端口能量不断增大是导致受端系统暂态失稳的主要因素。

关键词：高压直流受端系统;端口能量;暂态功角稳定

中图分类号：TM712  文献标识码：A

本文提出一种基于端口能量的交直流互联系统受端系统暂态稳定分析方法。首先推导了瞬时值形式下的端口能量表达式，结合受端系统的拓扑建立受端系统的能量函数。其次，详细推导故障过程中直流端口和发电机端口的能量函数表达式。在此基础上，基于李雅普诺夫第二法，分析二者能量的变化情况及大小关系对系统暂态稳定性的影响。最后，将所提方法应用到PSCAD软件改进的Cigre Benchmark高压直流输电模型中，仿真结果验证了所提方法的有效性。

1 受端系统能量函数模型

1.1 端口能量的推导

综上，发电机端口能量的数量级大于直流端口能量，其变化趋势将对受端系统总能量的变化趋势起主导作用，也即发电机端口能量是影响受端系统暂态功角稳定的主要因素。

3 算例分析

本文对PSCAD软件中的Cigre Benchmark高压直流输电模型进行改进并进行仿真分析，系统结构图如图2所示。

本节分析较早和较晚切除故障两种场景下受端系统各部分元件的能量對总能量的影响，并将基于能量的暂态稳定分析结果与时域仿真结果进行对比，验证本方法的正确性和有效性。

3.1 较早切除故障

在受端系统一回线中点处设置三相接地故障，9s故障，9.1s切除故障线路，9.25s重合闸。通过设置故障时间持续至故障切除来模拟瞬时性故障。受端系统各部分的能量变化情况如图3所示，图中WH、WC、WL、WG分别表示直流、交流滤波器、负荷、发电机的端口能量，WS表示系统总能量。

故障过程中，逆变侧交流母线电压幅值还未开始增大，逆变器换相失败持续的时间较短，系统总能量在振荡中减小。切除故障线路并重合闸后，故障消失，系统逐渐恢复正常运行，直流端口能量减小，交流滤波器、负荷端口的能量增大，发电机端口能量略有增大，系统总能量先增大，11s后开始减小，最终系统恢复稳定。

3.2 较晚切除故障

在受端系统一回线中点处设置三相接地故障，9s故障，12s切除故障线路，12.25s重合闸。受端系统各部分的能量变化情况如图4所示。

故障较晚切除时，逆变器换相失败持续的时间较长，且频繁出现六个桥臂均短路的情况。故障过程中直流端口能量减小，交流滤波器端口能量基本不变，负荷端口能量减小，发电机端口能量增大，且发电机端口能量的量级大于直流端口能量，因此系统总能量呈增大趋势。切除故障线路并重合闸后，发电机端口能量仍增大，直流端口、交流滤波器、负荷端口的能量减小，系统总能量持续增大，系统无法到达平衡点，最终失去稳定。

4 结论

本文提出一种基于端口能量的高压直流受端系统暂态稳定分析方法，主要研究结论如下：

（1）受端系统总能量的变化率表征受端网络上存储能量变化的趋势，可以反映受端系统的暂态稳定状态。当受端系统总能量的变化率为负时，系统保持暂态稳定;当受端系统总能量的变化率为正时，系统暂态失稳。

（2）相比于发电机，直流换相失败对于高压直流受端系统暂态功角失稳的作用不是很大。在失稳情形下，故障期间发电机端口能量呈增大趋势，直流端口能量呈减小趋势，且直流端口能量的数量级小于发电机端口能量，因此，发电机端口能量增大是导致受端系统暂态功角失稳的主要因素。

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作者简介：杨更宇（1996—），男，汉族，河南南阳人，硕士研究生，研究方向：交直流互联系统的保护与控制。