CN103986179A - 基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法，其特点是将广域测量系统所采集到的直流系统受端附近区域内关键节点处的交流电压信号与直流电压信号按照不同权重进行加权计算，然后将得到交直流电压混合加权信号作为低压限流单元的输入，从而使得直流功率的恢复不仅依赖于直流电压，而且考虑到了受端交流系统关键节点处电压恢复的情况。该种低压限流单元的控制方法不仅能克服AC-VDCOL对直流故障不敏感的缺点，而且克服了DC-VDCOL不能根据受端交流系统电压恢复状况而调整直流功率的缺点，能够在一定程度上减弱交直流系统间的不良相互作用。

Description

基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权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

随着电力需求的不断增长，电力系统日渐接近其极限运行，其运行和控制更为复杂，发生扰动和故障的可能性更大，后果也更加严重。这对电力系统安全运行带来了更大的挑战。作为电网动态实时监测的新技术和重要手段，广域测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)对电网的安全稳定运行发挥了重要的作用。广域测量系统由相量测量单元(Phasor Measurement Unit,PMU)同步采集广域电网的实时运行参数，借助高速通信网络传输至数据处理中心站，得到同一时间坐标下电网全局的动态信息。从系统全局角度对电力系统进行监测、操作、保护、控制、规划是大电网发展的必然趋势，而利用广域测量系统实时获取电力系统广域动态信息是实现该目标的重要途径。 

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”。低压限流单元可按照输入信号的大小，线性地改变直流电流指令值，从而降低直流系统输送的直流功率，减小换流器的无功消耗。根据VDCOL所取输入信号的不同，VDCOL可分为两类：一种是依赖直流电压起动的DC-VDCOL；另一种是依赖交流电压起动的AC-VDCOL。 

现有的VDCOL控制的不足之处在于由交流电压起动的AC-VDCOL特性在交流电压跌落时可以限制无功的消耗，但可能在直流故障时没有什么效果；由直流电压起动的DC-VDCOL在直流故障和交流电压跌落时都有效果，但在受端交流电压还没恢复稳定时，直流系统功率的快速上升会对受端交流系统造成的不良相互影响，使得直流系统吸收大量 的无功，如果受端交流网络不够强的话，将会严重影响受端交流系统的电压稳定情况，使得受端发生电压失稳，甚至是电压崩溃事故。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足而提出一种基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法，其特点是将广域测量系统所采集到的直流系统受端附近区域内关键节点处的交流电压信号与直流电压信号按照不同权重进行加权计算，然后将得到交直流电压混合加权信号作为低压限流单元的输入，从而使得直流功率的恢复不仅依赖于直流电压，而且考虑到了受端交流系统关键节点处电压恢复的情况。 

本发明的目的由以下技术措施实现： 

基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法包括以下步骤： 

(1)在直流受端关键节点处配置相量测量单元(PMU)，测量同一时标下的各节点电压的幅值和相角，通过高速通信网络将数据传输到相量数据集中器(phasor data center，PDC)； 

(2)相量数据集中器按照各个PMU的时标，整合不同地点的数据，形成相量数据库，并开放给系统调用； 

(3)调用相量数据库中各节点电压的实时数据，与直流电压信号进行加权计算，得到低压限流单元的输入信号的标幺值，其计算公式如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{in}}^{*}={\mathrm{\ξ}}_0{U}_{\mathrm{dc}}^{*}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{ac}\_i}^{*}\\ U_{\mathrm{dc}}^{*}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_{\mathrm{dc}\_N}}\\ U_{\mathrm{ac}\_i}^{*}=\frac{U_{\mathrm{ac}\_i}}{U_{\mathrm{ac}\_\mathrm{iN}}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，为低压限流单元的输入信号的标幺值；为直流电压的标幺值； 为受端交流系统各关键节点处交流电压有效值的标幺值；U_dc为直流电压的测量值；U_{dc_N}为直流电压的额定值；U_{ac_i}为受端交流系统各关键节点处交流电压有效值；U_{ac_iN}为受端交流系统各关键节点处额定交流母线电压的有效值；ξ₀、ξ₁、 ξ₂、……ξ_i……、ξ_n为各交直流信号的加权系数，且满足关系式

(4)建立低压限流单元输入信号与输出直流电流指令之间的线性关系，其关系式可表示如下： 

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ord}}^{*}=I_{\min }^{*}& 0<U_{\mathrm{in}}^{*}\&le;U_{\min }^{*}\\ I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ord}}^{*}=\frac{I_{\max }^{*}-I_{\min }^{*}}{U_{\max }^{*}-U_{\min }^{*}}(U_{\mathrm{in}}^{*}-U_{\max }^{*})+I_{\max }^{*}& U_{\min }^{*}<U_{\mathrm{in}}^{*}<U_{\max }^{*}\\ I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ord}}^{*}=I_{\max }^{*}& U_{\mathrm{in}}^{*}\&GreaterEqual;U_{\max }^{*}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，为输入信号的低电压阈值；为输入信号的高电压阈值；为低压限流单元直流电流指令的最小值；为低压限流单元直流电流指令的最大值。 

本发明具有如下优点： 

根据广域测量系统收集到的直流受端关键节点处的电压水平，并将其与直流电压本身进行加权计算，然后将计算得到的交直流电压混合信号作为低压限流单元的输入信号，该种低压限流单元的控制方法不仅能克服AC-VDCOL对直流故障不敏感的缺点，而且克服了DC-VDCOL不能根据受端交流系统电压恢复状况而调整直流功率的缺点，能够在一定程度上减弱交直流系统间的不良相互作用。 

附图说明

图1为控制信号流程框图。 

其中，1为全球卫星定位系统；2为相量测量单元；3为相量数据集中器；4为信号计算处理单元；5为低压限流单元。 

图2为基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元控制结构图。 

其中，为直流电压加权信号；为各关键交流节点电压加权信号；为交直流电压混合加权信号；为直流系统稳态运行时直流电流的期望值；为直流电流输出指令。 

图3为基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元伏安控制特性曲线。 

其中，为输入信号的低电压阈值；为输入信号的高电压阈值；为低压限流单元直流电流指令的最小值；为低压限流单元直流电流指令的最大值。 

图4为直流输电线路发生接地故障时逆变侧交流母线电压仿真图。 

图5为逆变侧交流系统发生三相接地短路故障时交流母线电压仿真图。 

图6为逆变侧交流系统发生单相接地短路故障时交流母线电压仿真图。 

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，由全球卫星定位系统(GPS)为相量测量单元(PMU)提供同步时钟信号，为各个PMU测量得到的节点电压数据添加共同的时间标记；然后，将各个PMU得到的数据通过高速通信网络传递到相量数据集中器，相量数据集中器按照各个PMU的时标，整合不同地点的数据，形成相量数据库，开放给系统调用；之后，将需要的信号进行加权计算，从而得到低压限流单元的交直流电压混合加权信号；最后将加权信号作为低压限流单元的输入信号，并依赖此信号进行直流电流的控制。 

如图2所示，低压限流单元接收到交直流电压混合加权信号后，经过一阶惯性环节得到低压限流单元伏安特性的输入，然后根据其伏安特性曲线得到直流电流指令值；与此同时，直流系统稳态情况下的电流期望值通过采样保持处理，然后和所得到的直流电流指令值进行比较，取其较小值作为直流电流指令。 

如图3所示，低压限流单元的伏安特性曲线依赖交直流电压混合加权信号的变化来改变其输出的直流电流指令值。设定值与直流电流的额定值相同，故在稳态情况下，由低压限流单元的伏安特性所产生的直流电流指令并不起作用，直流电流指令值由决定；在暂态故障情况下，当的大小降低到以下时，其输出的直流电流指令将小于额定直流电流，故通过低值选通模块而产生的直流电流指令值由低压限流单元的输出来决定，从而达到在暂态情况下限制直流功率，降低逆变侧无功功率消耗，改善受端交流系统电压稳定性的作用。 

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。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。设定低压限流单元的高电压阈值低电压阈值 直流电流指令最大值最小值低压限流单元输入信号中的交流系统关键节点取为逆变侧换流母线电压，取其加权系数ξ₁＝0.5。直流电压加权系数ξ₀＝0.5。在所搭建的仿真模型中，分别施加不同类型故障，以验证所提出的基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法的有效性，施加的故障类型分别为直流输电线路对地接地短路、逆变侧交流系统三相接地短路和单相接地短路。在1秒时施加故障，故障持续时间为0.05秒。其逆变侧交流母线电压的仿真结果分别如图4、图5、图6所示。由仿真结果可以看出，所提出的基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法在各种故障情况下均能迅速恢复逆变侧的交流母线电压。 

本发明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了改进，提出了基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权型低压限流单元的控制方法，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。 

Claims (1)

1.一种基于广域测量系统的交直流电压信号混合加权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)在直流受端关键节点处配置相量测量单元，测量同一时标下的各节点电压的幅值和相角，通过高速通信网络将数据传输到相量数据集中器；

(2)相量数据集中器按照各个相量测量单元的时标，整合不同地点的数据，形成相量数据库，并开放给系统调用；

(3)调用相量数据库中各节点电压的实时数据，与直流电压信号进行加权计算，得到低压限流单元的输入信号的标幺值，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{in}}^{*}={\mathrm{\&xi;}}_0{U}_{\mathrm{dc}}^{*}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{ac}\_i}^{*}\\ U_{\mathrm{dc}}^{*}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_{\mathrm{dc}\_N}}\\ U_{\mathrm{ac}\_i}^{*}=\frac{U_{\mathrm{ac}\_i}}{U_{\mathrm{ac}\_\mathrm{iN}}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，为低压限流单元的输入信号的标幺值；为直流电压的标幺值； 为受端交流系统各关键节点处交流电压有效值的标幺值；U_dc为直流电压的测量值；U_{dc_N}为直流电压的额定值；U_{ac_i}为受端交流系统各关键节点处交流电压有效值；U_{ac_iN}为受端交流系统各关键节点处额定交流母线电压的有效值；ξ₀、ξ₁、ξ₂、……ξ_i……、ξ_n为各交直流信号的加权系数，且满足关系式

(4)建立低压限流单元输入信号与输出直流电流指令之间的线性关系，其关系式可表示如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ord}}^{*}=I_{\min }^{*}& 0<U_{\mathrm{in}}^{*}\&le;U_{\min }^{*}\\ I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ord}}^{*}=\frac{I_{\max }^{*}-I_{\min }^{*}}{U_{\max }^{*}-U_{\min }^{*}}(U_{\mathrm{in}}^{*}-U_{\max }^{*})+I_{\max }^{*}& U_{\min }^{*}<U_{\mathrm{in}}^{*}<U_{\max }^{*}\\ I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ord}}^{*}=I_{\max }^{*}& U_{\mathrm{in}}^{*}\&GreaterEqual;U_{\max }^{*}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，为输入信号的低电压阈值；为输入信号的高电压阈值；为低压限流单元直流电流指令的最小值；为低压限流单元直流电流指令的最大值。