CN103904679B - 高压直流输电离散恒电流指令型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离散恒电流指令型低压限流单元的设计方法，其特点是将传统VDCOL的连续线性U-I特性进行改进，使其成为离散型的控制特性曲线，同时为了避免在故障恢复过程中直流电流指令随直流电压的改变而不停变动，使交直流系统间的不良影响加剧，故在其离散的每一段U-I特性中保持电流指令不变，只有当电压达到下一离散段的电压阈值时才会改变直流电流指令。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

高压直流输电离散恒电流指令型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离散恒电流指令型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”(VoltageDependentCurrentOrderLimiter，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；另一方面由于直流电流指令随直流电压的改变而不停变动，这种变动对于交直流系统来说也是一种扰动，很容易使交直流系统间的不良影响加剧，这一缺点在有多条直流馈入的输电系统中尤其明显。

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离散恒电流指令型低压限流单元的控制方法，其特点是通过将传统VDCOL的连续线性U-I特性进行改进，使其成为离散型的控制特性曲线，同时为了避免在故障恢复过程中直流电流指令随直流电压的改变而不停变动，使交直流系统间的不良影响加剧，故在其离散的每一段U-I特性中保持电流指令不变，只有当电压达到下一离散段的电压阈值时才会改变直流电流指令。这样，一方面使整体上电流指令的滞后于电压的升高，降低逆变侧的无功消耗；另一方面，减轻了电流指令的不断变动对交流侧电压稳定性的不良影响。

本发明的目的由以下技术措施实现：

高压直流输电离散恒电流指令型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最大值取为额定值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.将低压限流单元的U-I特性划分为离散的k个阶段，k>1，k为自然数，每个阶段的电流指令设定值分别为I₁、I₂、I₃、……、I_k，其中I₁＝I_L、I_k＝I_H，各段电流指令值I_i的大小从I₁到I_k分别按照等差数列取得，其计算式为：

$I_i=I_1+(i-1)\·\frac{I_k-I_1}{k-1},i=1,2,...,k-1,k---\left(1\right)$

3.设定每个阶段的电压阈值，按照电压水平由高到低，分别设为U₁，U₂，……，U_k-1，U_k，其中U_k＝U_H，当直流电压大于或等于某阶段的电压阈值时，电流指令就取该阶段的设定值，直到直流电压增大到下一阶段阈值为止，其控制特性式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_{dc\_set}=I_1& 0<U_{dc}<U_1\\ I_{dc\_set}=I_i& U_{i-1}\&le;U_{dc}<U_i\\ I_{dc\_set}=I_k& U_{dc}\&GreaterEqual;U_k\end{array}\right.,2\&le;i<k---\left(2\right)$

其中，I_{dc_set}为低压限流单元U-I控制特性所输出的电流指令值；U_dc为实际运行中直流电压的瞬时值。

本发明具有如下优点：

1.本发明通过对传统线性VDCOL控制特性的改进，将连续型线性化的控制特性改为离散型的控制特性，使直流电流的恢复稍滞后于直流电压的恢复，减少了逆变侧的无功消耗，提高了换流母线上的交流电压水平，从而提高了高压直流输电系统受端的电压稳定性；

2.本发明同传统线性VDCOL相比，不再动态得改变电流指令值而是阶梯形地改变VDCOL所输出的电流指令值，减弱了直流电流指令值的不断改变对交直流系统的不良影响，从而起到了提高交直流系统的暂态稳定性的作用。

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的启动电压是由线路上哪一点的直流电压决定的。

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为离散恒电流指令型VDCOL控制特性图。

其中，U₀,U₁…U_i…U_k-1为离散恒电流指令型VDCOL各阶段的电压阈值，I₁,I₂…I_i…I_k+1为离散恒电流指令型VDCOL各阶段电流指令值的大小。

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的仿真图。

其中，实线为采用离散恒电流指令型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6为分别采用两种VDCOL时逆变侧换流母线电压的仿真图。

其中，实线为采用离散恒电流指令型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，离散恒电流指令型VDCOL的U-I控制特性曲线按照直流电压由低到高被划分为多条离散的平行于横坐标轴的线段。在每段曲线中，直流电流指令值得大小不会随着直流电压的升高而改变，只有当直流电压超过此阶段的电压指令阈值时，直流电流指令才会变为下一阶段的设定值。

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-MagneticTransientinDCSystem)。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，额定直流功率为1000MW，额定直流电压为500kV，采用基于晶闸管技术的单极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。在本实施例中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、最小值I_L＝0.4pu，所设定的VDCOL控制特性被划分为4段，各段的电流指令值按直流电压由高到低分别为：0.55pu、0.7pu、0.85pu、1pu。

将传统VDCOL和离散恒电流指令型VDCOL在暂态故障发生时的无功和电压变化进行对比研究，以验证离散恒电流指令型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＝0.4pu，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。改进前和改进后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，采用离散恒电流指令型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，提出了离散恒电流指令型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，采用离散恒电流指令型低压限流单元后，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离散恒电流指令型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和直流电流指令最小值I_L；

(2)将低压限流单元的U-I特性划分为离散的k个阶段，k>1，k为自然数，每个阶段的电流指令设定值分别为I₁、I₂、I₃、……、I_k，其中I₁＝I_L、I_k＝I_H，各段电流指令值I_i的大小从I₁到I_k分别按照等差数列取得，其计算式为：

$I_i=I_1+(i-1)\&CenterDot;\frac{I_k-I_1}{k-1},i=1,2,...,k-1,k---\left(1\right)$

(3)设定每个阶段的电压阈值，按照电压水平由高到低，分别设为U₁，U₂，……，U_k-1，U_k，其中U_k＝U_H，当直流电压大于或等于某阶段的电压阈值时，电流指令就取该阶段的设定值，直到直流电压增大到下一阶段阈值为止，其控制特性式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_{dc\_set}=I_1& 0<U_{dc}<U_1\\ I_{dc\_set}=I_i& U_{i-1}\&le;U_{dc}<U_i\\ I_{dc\_set}=I_k& U_{dc}\&GreaterEqual;U_k\end{array}\right.,2\&le;i<k---\left(2\right)$

其中，I_{dc_set}为低压限流单元U-I控制特性所输出的电流指令值；U_dc为实际运行中直流电压的瞬时值。