CN103904678A - 高压直流输电分段变速率低压限流单元的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电分段变速率低压限流单元的控制方法，其特点是将电压下降或恢复过程划分为几个不同的阶段，在每个阶段根据电压水平的不同而设置不同的功率恢复速率（斜率）。通过对传统低压限流单元控制特性的改进，减小了直流系统故障恢复过程中的无功消耗，有效缓解了交直流系统在暂态过程中的电压跌落，提高了直流受端系统的暂态电压稳定性。

Description

高压直流输电分段变速率低压限流单元的控制方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流输电分段变速率低压限流单元的控制方法，属于高压直流输电领域。

背景技术

在交直流输电系统中，当交流故障导致换流母线电压出现较大幅度的下降时，直流系统所输送的功率也会下降。换流母线电压的大幅下降一方面会导致换流器触发控制角增大从而增加了换流器的无功需求；另一方面电压的大幅下降导致换流站滤波器和电容器提供的无功功率明显减少，这进一步加剧了换流站的无功不平衡。其结果将导致系统电压的继续恶化，严重时使得直流系统无法正常工作。因此，有必要在直流系统控制器中引入“依赖于电压的电流指令限制单元”（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL），简称“低压限流单元”。

现有的VDCOL控制系统通过检测换直流电压U_dc，并通过一阶惯性进行滤波，作为其U-I特性关系的输入。另一方面，直流电流通过采样保持和同步环节，与U-I特性的输出进行比较，取两者的较小值做为直流控制系统的直流电流整定值。传统VDCOL的U-I特性曲线的特点是在电压变化的区间内，输入电压与输出电流指令呈线性关系。

现有的VDCOL控制的不足之处在于逆变侧交流系统故障切除后，逆变侧换流母线电压迅速上升，进而使直流电压也快速上升，从而使依赖于直流电压大小的电流指令限制单元的输出随之增大，但是直流电流的过快上升将使逆变侧所消耗的无功功率增大，使得逆变侧交流系统缺乏有效的无功支撑，从而使逆变侧有发生电压失稳甚至电压崩溃的危险。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足而提出一种高压直流输电分段变速率低压限流单元的控制方法，其特点是通过将电压下降或恢复过程划分为几个不同的阶段，在每个阶段根据电压水平的不同而设置不同的功率恢复速率（斜率）。在交流侧故障切除，交直流电压恢复的过程中，直流电流/功率的过快上升会导致直流逆变侧无功功率需求的增大，使逆变侧缺乏有效的电压支撑，不利于直流系统受端的电压稳定性。故在恢复初期，适宜将电流/功率的恢复速率限制在较低的水平，然后随着电压恢复水平的提高，再缓慢提高其恢复速率。

本发明的目的由以下技术措施实现：

高压直流输电分段变速率低压限流单元的控制方法包括以下步骤：

1.根据直流系统自身特性，设定低压限流单元启动电压U_H、直流电流指令最大值I_H和最小值I_L。根据工程经验，U_H设定在0.7～0.9pu；直流电流指令I_H最大值为1.0pu；直流电流指令I_L需大于直流输电系统的最小直流电流，以防止直流电流断续。最小直流电流为额定直流电流的10%。

2.将低压限流单元控制特性按照电流指令的大小平均划分为N个恢复阶段，N≥2。N越大，划分的恢复阶段就越多，直流电流指令变化就越平滑。然后针对每个恢复阶段设定不同的恢复速率，k₁、k₂……k_N，其中k₁＞k₂＞……＞k_N。所依赖的电压等级越高，则恢复速率越大。

3.计算低压限流单元控制特性中各个速率变化转折点处的坐标（U_i，I_i），i=1,2,3……N+1。设U_H=U₁，I_H=I₁，I_L=I_N+1，其余各转折点坐标计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_i=I_1-\frac{(i-1)(I_1-I_{N+1})}{N}\\ U_i=U_{i-1}-\frac{I_{i-1}-I_i}{k_{i-1}}\end{array}\right.$ 其中2≤i≤N+1。   （1）

本发明具有如下优点：

通过动态地改变VDCOL控制特性中所划分的各个恢复阶段的功率恢复速率，减小了直流系统逆变侧故障恢复过程中的无功消耗，有效缓解了交直流系统在暂态过程中的电压跌落，提高了直流受端系统的暂态电压稳定性。

附图说明

图1为单极高压直流输电系统结构图

其中，1为送端交流系统；2为整流侧换流变压器；3为整流器；4为整流侧接地极；5为整流侧平波电抗器；6为直流输电线路；7为逆变侧平波电抗器；8为逆变器；9为逆变侧接地极；10为逆变侧换流变压器；11为受端交流系统。

图2为典型VDCOL控制系统模型图

其中，I_des为直流电流期望值，I_ord为直流电流指令值，U_dc为实际直流电压，I_d为实际直流电流，Rv是复合电阻，用来确定VDCOL的启动电压。

图3为传统VDCOL控制特性图

其中，U_H为低压限流单元启动电压，U_L为最小电流指令电压阈值，I_H和I_L分别为直流电流指令最大值和最小值。

图4为分段变速率VDCOL控制特性图

其中，U₁,U₂…U_i…U_N,U_N+1为分段变速率VDCOL各转折点处的电压，I₁,I₂…I_i…I_N,I_N+1为分段变速率VDCOL各转折点处的电流。

图5为分别采用两种VDCOL时直流系统逆变侧吸收的无功功率仿真图

其中，实线为采用分段变速率VDCOL时逆变侧向交流系统发出的无功功率，虚线为采用传统VDCOL时逆变侧向交流系统发出的无功功率图。

图6为分别采用两种VDCOL时逆变侧换流母线电压仿真图

其中，实线为采用分段变速率VDCOL时逆变侧换流母线线电压的有效值（标幺值），虚线为采用传统VDCOL时逆变侧换流母线线电压的有效值（标幺值）。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例：

如图1所示，交流系统通过换流变压器与换流器相连接，送端和受端的换流器通过电抗器和直流输电线路连接。送端换流器工作在整流运行状态，将交流电转换为直流电；受端换流器工作在逆变运行状态，将接受到的直流电重新转化为交流电。为了保证直流功率的稳定输送，选择整流侧采用定电流控制方式，根据直流电流指令值控制直流电流的大小；选择逆变侧采用定熄弧角控制方式，保证逆变侧维持足够的换相裕度。整流侧控制特性和逆变侧控制特性相交于一点，这样便确定了整个直流输电系统的工作状态。

如图2所示，VDCOL所依赖的直流电压为直流线路中点处的电压值。为了得到线路中点处的电压值，引入补偿电阻R_v，再根据逆变侧直流电流I_d和电压U_d来计算线路中点的电压值，然后再通过一阶惯性环节作为VDCOL控制特性的输入信号。同时，直流电流期望值I_des通过采样保持环节处理之后与VDCOL控制特性的输出信号进行比较，取其较小值作为直流电流指令值。

如图3所示，传统VDCOL控制特性曲线由低压限流单元启动电压U_H、最小电流指令电压阈值U_L、直流电流指令最大值I_H和最小值I_L这四个值的大小来确定。直流电流指令值与直流电压值成正比例线性关系。

如图4所示，分段变速率VDCOL的U-I控制特性曲线按照电流指令由高到低划分为多个恢复阶段，且每个阶段的恢复速率随着直流电压水平的升高而增大。

PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件简介

PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件是一种电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，EMTDC即直流系统电磁暂态（Electro-Magnetic Transient in DC System）。EMTDC的主要功能是分析电力系统中的各种暂态过程。EMTDC的优点是：它可对包含复杂非线性元件（如直流输电设备）的大型电力系统进行全三相的精确模拟，其输入、输出界面非常直观、方便。EMTDC是在一定的时域内采用逐步法进行计算的，所以一般认为其所能处理的仿真过程时间较短，适于进行1～2s以内的电磁暂态计算。

在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立直流输电系统仿真模型，直流输电系统额定直流功率为1000MW，额定直流电压为500kV，额定直流电流为3kA，采用单极12脉动换流器。直流系统整流测采用定电流控制方式，逆变侧采用定熄弧角控制。设定低压限流单元启动电压U_H=0.9pu、直流电流指令最大值I_H=1.0pu和最小值I_L=0.4pu。将VDCOL控制特性划分为3个阶段，各阶段的恢复速率（斜率）分别为1.2、0.9、0.6。则计算出的控制特性各转折点处的U-I坐标如表1所示。

表1分段变速率低压限流单元控制特性转折点坐标

序号	直流电压（pu）	直流电流（pu）
			1	0.900	1.000
2	0.850	0.850
			3	0.683	0.700
4	0.308	0.550

将传统VDCOL和分段变速率VDCOL在暂态故障发生时的无功和电压变化进行对比研究，以验证分段变速率VDCOL在提高受端系统电压稳定性方面的有效性。改进前的VDCOL参数分别取为U_H=0.9pu，I_H=1.0pu，U_L=0.308pu，I_L=0.55pu。故障设置为逆变侧换流母线发生三相接地故障，故障持续时间为0.1S。其无功和电压变化情况分别为如图5和图6所示。从仿真曲线可以看出，采用分段变速率VDCOL后逆变侧的无功消耗减少，换流母线电压得到了提升。

本发明在通过对高压直流输电系统中所使用的低压限流单元的控制特性进行改进，提出了分段变速率低压限流单元控制特性的计算方法，然后在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立了仿真模型对所提出的控制方法的有效性进行了验证。

实施例表明，采用分段变速率低压限流单元后，直流系统逆变侧所消耗的无功功率降低；从换流母线电压水平来看，采用离散恒电流指令型低压限流单元之后，暂态换流母线电压也得到了提升。故所提出的离散恒电流指令型低压限流单元能够有效提高直流受端系统的暂态电压稳定性。

Claims (1)

1.一种高压直流输电分段变速率低压限流单元的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）根据直流系统自身特性，设定低压限流单元启动电压U_H、直流电流指令最大值I_H和最小值I_L；

2）将低压限流单元U-I控制特性按照电流指令的大小平均划分为N个恢复阶段，N≥2，针对每个恢复阶段设定不同的恢复速率，k₁、k₂……k_N，其中k₁＞k₂＞……＞k_N，所依赖的电压等级越高，则恢复速率越大；

3）计算低压限流单元控制特性中各个速率变化转折点处的坐标（U_i，I_i），i=1,2,3……N+1，设U_H=U₁，I_H=I₁，I_L=I_N+1，其余各转折点坐标计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_i=I_1-\frac{(i-1)(I_1-I_{N+1})}{N}\\ U_i=U_{i-1}-\frac{I_{i-1}-I_i}{k_{i-1}}\end{array}\right.$ 其中，2≤i≤N+1。

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