CN104333032A - 降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略。柔性直流输电换流阀是模块化多电平电压源型换流阀。通过环流控制策略，在换流阀基波电流及直流分量基础上叠加二倍频环流分量，此二倍频环流分量是由环流控制策略生成的幅值和相角分别可控的环流分量或根据需要不使能环流控制时引入的自然环流，可降低换流阀电流峰值，尤其是降低交流侧故障后桥臂电流峰值，使其不超过桥臂过流保护限值，提高柔性直流输电系统交流故障穿越能力。本发明原理简单、思路清晰，易于实现。

Description

降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略

技术领域

本发明属于柔性直流输电系统控制技术领域，尤其涉及一种柔性直流输电系统中可降低阀电流峰值的环流控制策略。

背景技术

柔性直流输电系统指的是基于电压源换流器(Volatge Source Converter,VSC)的高压直流输电系统(HVDC)，具有可同时独立调节有功功率和无功功率、不存在换相失败问题、可向无源系统供电、谐波水平低等优点，主要应用于风电并网、孤岛供电、异步联网等领域，是高压直流输电领域的研究热点和发展方向。

随着柔性直流工程向超高电压，超大功率发展，阀组能力发挥到接近极限。交流侧电压跌落时，会引起换流阀过流，因此，可能会触发保护，使换流器闭锁甚至跳闸，降低了柔性直流输电系统的供电可靠性。目前，主要依靠换流阀电流控制来抑制故障电流的上升，但由于采样延时、控制器计算和通讯的延时，出现故障的瞬间，桥臂电流峰值的过流还是会导致保护电路动作。

为提高柔性直流输电系统交流低电压故障的穿越能力，本发明提出了一种降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，通过环流控制策略降低换流阀的电流峰值，尤其是降低交流侧故障后桥臂电流的峰值，使其不超过桥臂过流保护限值，提高柔性直流输电系统穿越交流低电压故障的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种全新的降低柔性直流输电换流阀的环流控制策略，以提高柔性直流输电系统交流低电压故障的穿越能力。

为实现上述目的，本发明采用的方案是：

一种降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，所述柔性直流输电换流阀是模块化多电平电压源型换流阀，所述环流控制策略，是在换流阀基波电流及直流分量基础上叠加二倍频环流分量，此二倍频环流分量是由环流控制策略生成的幅值和相角分别可控的环流分量或根据需要不使能环流控制时引入的自然环流，可降低换流阀电流峰值，尤其是降低交流侧故障后桥臂电流峰值，使其不超过桥臂过流保护限值，提高柔性直流输电系统交流故障穿越能力。

所述幅值和相角分别可控的环流控制策略由环流外环控制和环流内环控制两部分组成。

所述环流外环控制是由柔性直流输电系统交流侧有功功率、无功功率和换流阀目标电流峰值按环流参考值算法计算得到dq轴环流参考值。

所述环流内环控制由dq轴环流参考值得到ABC三相环流电压参考值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，可降低满功率和轻度过载时的换流阀电流峰值，降低了柔性直流输电系统交流侧电压跌落故障时的换流阀电流峰值，以提高柔性直流输电系统的交流低电压故障的穿越能力。

(2)本发明提供的降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，原理简单、思路清晰，便于实现。

附图说明

图1环流控制策略原理。

图2环流可控的柔性直流输电控制框图。

图3环流外环控制框图。

图4环流内环控制框图。

图5B相下桥臂电流波形。

图6有功功率波形。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的环流控制策略原理如图1所示。图中曲线1为无环流时换流阀电流，曲线2和曲线3分别为不使能环流控制时的自然环流和换流阀电流，曲线4和曲线5分别为通过控制策略注入的幅值与相角分别可控的环流和注入可控环流后的换流阀电流。从图中曲线5可以看出通过环流控制，降低了换流阀电流峰值，因而可提高柔性直流输电系统交流低电压故障的穿越能力。所述柔性直流输电换流阀是模块化多电平电压源型换流阀，所述环流控制策略，是在换流阀基波电流及直流分量基础上叠加二倍频环流分量，此二倍频环流分量是由环流控制策略生成的幅值和相角分别可控的环流分量或根据需要不使能环流控制时引入的自然环流。叠加二倍频环流分量后，可降低换流阀的电流峰值，尤其是降低交流侧故障后桥臂的电流峰值，使其不超过桥臂过流保护限值，因而可提高柔性直流输电系统交流低电压故障的穿越能力。所述环流控制策略由环流外环控制和环流内环控制两部分组成，实现环流的幅值和相角的分别可控，进而控制环流与换流阀基波电流叠加后的换流阀电流峰值。实现环流可控的柔性直流输电控制如图2所示，由环流控制和系统控制两部分组成。

环流外环控制是由柔性直流输电系统换流阀目标电流峰值、交流侧有功功率和无功功率经幅值计算和相角计算分别得到环流幅值和相角参考值，再经坐标变换得到dq轴环流参考值，环流外环控制框图如图3所示。

环流内环控制由dq轴环流参考值得到ABC三相环流电压参考值，其框图如图4所示，图中2ω₀t为锁相环节得到的A相环流电压相角，acb/dq、dq/acb分别为三相静止坐标系到两相旋转坐标系的负序变换和负序逆变换，PI为比例积分调节器，L₀为桥臂电抗。

系统控制由外环功率控制和内环电流控制组成，外环功率控制根据有功功率、无功功率参考值生产dq轴电流参考值，经内环电流解耦控制得到dq坐标系下内部电动势参考值，再经dq/abc坐标变换生成三相静止坐标系下内部电动势参考值。

最后，环流控制输出的ABC三相环流电压参考值、柔性直流输电系统控制输出的ABC三相内电动势参考值和直流电压叠加生成ABC相上、下桥臂参考电压，经调制算法，生成各相桥臂中功率模块的触发脉冲，实现环流可控的柔性直流输电换流器控制。

下面，详细阐述一下本发明的具体设计方法。本发明与已有柔性直流输电系统控制及其环流控制不同点在于是否使能环流控制以及使能环流控制时环流目标值设定值是否为0，以使能环流控制时环流目标值超前换流阀基波电流90°为例，介绍环流目标值的设定方法。

首先，根据换流阀目标电流峰值计算环流幅值参考值。

假设换流阀基波电流：

i₁＝sinωt   (式1)

目标环流：

i₂＝Asin(2ωt+90°)   (式2)

式中，A为目标环流幅值标幺值。

则注入环流后，换流阀电流：

i＝i₁+i₂

                                   (式4)

＝sinωt+Acos2ωt

当ωt≠90°时，环流阀电流最大值：

I_max＝A+1/8A   (式4)

设环流阀目标电流峰值标幺值为M，则令I_max＝A+1/8A≤M，可得：

$\frac{2M-\sqrt{{4M}^2-2}}{4}\≤A\≤\frac{2M+\sqrt{4M^2-2}}{4}$ (式5)

上式成立的前提是即通过环流控制最多可将换流阀基波电流峰值降低至原来的倍，时，该算法无解。

为使环流损耗最低，环流幅值参考值取最小值。

其次，根据系统交流侧有功功率P和无功功率Q计算环流目标值的相角。换流阀基波电压和基波电流的夹角＝arctan(P/Q)，因为环流为负序性质，将该角度顺时针旋转90°即为环流目标值的相角。

最后，将计算所得幅值参考值和相角参考值经坐标变换得到dq轴环流参考值。

本发明在PSCAD/EMTDC平台上搭建模块化多电平柔性直流输电系统仿真模型，该模型中的主回路参数仅为验证本发明所述方法的正确性。仿真关键参数如表1所示，采用定有功功率(－980MW,“－”表示吸收)/定无功功率(300Mvar)。仿真中桥臂过流保护限值为1.94kA，2s时交流侧电压跌落至0.3p.u.，环流目标值为0(无环流)和环流目标值为0.2p.u.(有环流)时，B相下桥臂电流波形、有功功率波形分别如图5、图6所示。

表1 仿真系统关键参数

当交流系统故障时，桥臂电流会升高，受电流内环的控制，桥臂电流会降低。由图5、图6曲线6所示，无环流注入时，故障后桥臂电流上升至2kA，超过桥臂过流保护限值，触发保护，使换流器闭锁甚至跳闸，传输功率降至0。由图5、图6曲线7所示，注入可控环流后，正常工况下桥臂电流峰值明显降低，故障后桥臂电流上升至1.6kA，不超过桥臂过流保护限值，不会触发保护，功率降至300MW运行，实现故障穿越，提高柔性直流输电系统供电可靠性。

本发明以控制注入环流相角超前换流阀基波电流90°为例介绍该方法的具体实施步骤及技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。任何牵涉到通过控制环流来降低换流阀电流峰值的方法都属于本发明的保护范围。本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，所述柔性直流输电换流阀是模块化多电平电压源型换流阀，其特征在于：通过环流控制策略生成或引入一个二倍频交流电流分量，使之与原换流阀电流进行叠加，以降低换流阀的电流峰值，尤其是降低交流侧低电压故障后的桥臂电流峰值，使其不超过桥臂过流保护限值，提高柔性直流输电系统交流故障穿越能力；叠加的电流分量是换流阀基波电流的一个二倍频环流电流分量；此二倍频环流电流分量是由环流控制策略生成的幅值和相角分别可控的环流分量或根据需要不使能环流控制时引入的自然环流。

2.根据权利要求1所述的降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，其特征在于：环流控制策略由环流外环控制和环流内环控制两部分组成。

3.根据权利要求1所述的降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，其特征在于：所述的环流外环控制是由柔性直流输电系统交流侧有功功率、无功功率和换流阀目标电流峰值按环流参考值算法计算得到dq轴环流参考值。

4.根据权利要求1所述的降低柔性直流输电换流阀电流峰值的环流控制策略，其特征在于：所述的环流内环控制由dq轴环流参考值得到ABC三相环流电压参考值。