CN105552927A - 一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统及方法 - Google Patents

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CN105552927A CN201610060320.5A CN201610060320A CN105552927A CN 105552927 A CN105552927 A CN 105552927A CN 201610060320 A CN201610060320 A CN 201610060320A CN 105552927 A CN105552927 A CN 105552927A
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Abstract

本发明提供一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统及方法，系统包括无功补偿器及用于控制无功补偿器的控制器；方法检测直流输电系统逆变侧的交流母线的三相电压；分析和判别三相电压信号值并将分析结果发送至故障判别单元，比较及计算预设的交流母线电压整定值与三相电压信号值；根据三相无功电流指令信号触发无功补偿器的功率开关管；分别控制无功补偿器的各相输出无功电流分量，对母线电压跌落进行补偿；控制无功补偿器的各相输出有功电流分量，维持子模块电容电压恒定。本发明的系统及方法能够有效且准确的补偿电网电压跌落，对负序、零序实现无功补偿控制，抑制换相失败的发生；进而保证了电网换相高压直流输电系统的有效运行。

Description

一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统及方法
技术领域
本发明涉及电力系统高压直流输电领域，具体涉及一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统及方法。
背景技术
基于晶闸管的电网换相高压直流输电(Line-Commutated-ConverterHighVoltageDirectCurrent，LCC-HVDC)系统具有输电容量大、线路造价低、非同步联网能力强，在远距离大容量输电及大区域联网等方面具有很大优势并在我国电力系统应用广泛。
换相失败是LCC-HVDC系统最常见的故障之一。导致换相失败故障的原因有很多，但当晶闸管及其触发系统均正常工作时，发生换相失败的主要原因是当受端电网发生故障时引起的电网电压跌落或波动。
公开号为CN103337870A的中国专利公开的《一种高压直流输电换相失败的防御方法》通过其换相失败防御系统输出矩形波指令给控制保护系统，在控制保护系统的触发角指令中减去该矩形波，提前触发晶闸管。该方法是一种增大关断角的换相失败防御措施。
公开号为CN103737907A的中国专利公开的《一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法》采用在发生交流电网故障时，通过减小直流电流指令的方法来抑制换相失败。该方法可避免提前触发带来的增大直流电流、增大直流输电系统的功率因数角等不利影响，使晶闸管所需的换相面积减小，有利于防御直流输电系统发生换相失败故障。但是，由于LCC-HVDC直流母线串联有较大容量的平波电抗器，其电流下降速度较慢，因此该方法抑制换相失败的反应速度相对较慢。
上述方法主要是增大关断角或减小直流电流，可作为换相失败的辅助防御手段，但无法从根本上避免换相失败的发生。
在《高电压技术》2014年第40卷第8期2440-2448页刊登的“含有STATCOM的高压直流输电系统控制方法”一文(作者赵成勇等)提出了含有静止无功补偿器(STATCOM)的HVDC系统控制方法，当受端电网三相故障引起三相电压跌落时，该方法可以减少换相失败的发生概率。但当受端电网发生单相接地故障时，电网电压会出现零序分量，这使得三相三线制STATCOM的补偿效果受到很大影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统及方法，该系统及方法在受端电网发生故障时能够有效且准确的补偿电网电压跌落，抑制换相失败的发生；采用Y0型接线的STATCOM可对负序、零序实现无功补偿控制，同时不存在三相三线制STATCOM中三相之间的耦合问题，因此更容易实现各H桥子模块电容电压的平衡控制；在电网正常运行时，无功补偿器可用于无功动态补偿，有效提高了系统功率因数，进而保证了电网换相高压直流输电系统的有效运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统，所述系统包括无功补偿器及用于控制所述无功补偿器的控制器；
所述无功补偿器并联在直流输电系统逆变侧的交流母线及中性线之间，所述中性线接地；
所述交流母线的受端侧连接有受端电网。
优选的，所述无功补偿器为单相无功补偿器；
所述单相无功补偿器包括功率链和单相变压器；
所述功率链与所述单相变压器的二次侧绕组并联，且所述单相变压器的一次侧绕组的两端分别连接至两个输出端。
优选的，所述无功补偿器为单相无功补偿器；
所述单相无功补偿器中设有功率链；
所述功率链的两端分别连接至两个输出端。
优选的，所述无功补偿器为三相无功补偿器；
所述三相无功补偿器包括采用三相四线制接线且并联的三个的单相无功补偿器，且所述单相无功补偿器中设有功率链；
各所述单相无功补偿器的中性线接地。
优选的，所述无功补偿器为三相无功补偿器；
所述三相无功补偿器包括三相五柱式变压器及功率链单元，且所述功率链单元采用Y0/y0接法并联至所述三相五柱式变压器的二次侧绕组；
所述功率链单元包括三个并联的功率链、且每个所述功率链分别与在所述三相变压器的二次侧中的每一相绕组并联；
所述三相五柱式变压器的中性线接地。
优选的，所述功率链包括依次连接的第一输出端、电抗器、H桥子模块单元及第二输出端；
所述H桥子模块单元包括依次连接的多个H桥子模块，且每个所述H桥子模块均设有2个输出端。
优选的，所述H桥子模块包括电容器及功率开关管单元；所述功率开关管单元包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3及第四功率开关管S4；
所述第一功率开关管S1的发射极分别连接至所述第二功率开关管S2的集电极及所述H桥子模块的第一输出端；所述第一功率开关管S1的集电极连接至电容器的正极；
所述第二功率开关管S2的发射极连接至所述电容器的负极；
所述第三功率开关管S3的发射极分别连接至所述第四功率开关管S4的集电极及所述H桥子模块的第二输出端；所述第三功率开关管S3的集电极连至所述电容器的正极；
所述第四功率开关管S4的发射极连接至电容器的负极。
优选的，所述控制器包括电压检测单元、故障判别单元、电压调控单元及内环调控单元；
所述电压检测单元用于检测对直流输电系统逆变侧的交流母线的三相电压；
所述故障判别单元用于分析所述电压检测单元输出的三相电压信号，并判别所述受端电网是否发生故障；
所述电压调控单元控制所述无功补偿器调控逆变侧交流母线电压；当所述电压调控单元接收到所述故障判别单元发出的电网故障信号时，比较及计算对预设的交流母线电压整定值与所述三相电压信号，输出三相无功电流指令信号；
所述内环调控单元输入所述三相无功电流指令信号，并采用分相控制方式分别对所述无功补偿器的各相无功电流控制、子模块电容电压控制以及功率开关管进行触发控制。
一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿方法，所述方法通过一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统实现，所述并联补偿系统包括无功补偿器及用于控制所述无功补偿器的控制器，且所述无功补偿器并联在直流输电系统逆变侧的交流母线及中性线之间；所述方法包括如下步骤：
步骤1.检测直流输电系统逆变侧的交流母线的三相电压；
步骤2.分析和判别所述三相电压信号值并将分析结果发送至故障判别单元，所述故障判别单元判断所述受端电网是否发生故障；
若所述受端电网发生故障，则进入步骤3；
若所述受端电网未发生故障，则返回步骤1；
步骤3.比较及计算预设的交流母线电压整定值与所述三相电压信号值；输出三相无功电流指令信号；
步骤4.根据所述三相无功电流指令信号触发无功补偿器的功率开关管；
采用分相控制方式分别控制所述无功补偿器的各相输出无功电流分量，对母线电压跌落进行补偿；同时所述控制无功补偿器的各相输出有功电流分量，维持子模块电容电压恒定。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统及方法，该系统包括无功补偿器及用于控制无功补偿器的控制器；该方法检测直流输电系统逆变侧的交流母线的三相电压；分析和判别三相电压信号值并将分析结果发送至故障判别单元，比较及计算预设的交流母线电压整定值与三相电压信号值；根据三相无功电流指令信号触发无功补偿器的功率开关管；采用分相控制方式分别控制无功补偿器的各相输出无功电流分量，对母线电压跌落进行补偿；同时控制无功补偿器的各相输出有功电流分量，维持子模块电容电压恒定。本发明提出的系统及方法能够有效且准确的补偿电网电压跌落，抑制换相失败的发生；采用Y0型接线的STATCOM可对负序、零序实现无功补偿控制，进而保证了电网换相高压直流输电系统的有效运行。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、本发明所提供的技术方案中，系统及方法在受端电网发生故障时能够有效且准确的补偿电网电压跌落，抑制换相失败的发生；采用Y0型接线的STATCOM可对负序、零序实现无功补偿控制，同时不存在三相三线制STATCOM中三相之间的耦合问题，因此更容易实现各H桥子模块电容电压的平衡控制；在电网正常运行时，所述无功补偿器可用于无功动态补偿，有效提高了系统功率因数，进而保证了电网换相高压直流输电系统的有效运行。
2、本发明所提供的技术方案，当受端电网发生故障时，能有效补偿电网电压跌落，从而准确抑制换相失败的发生。
3、本发明所提供的技术方案，采用三相四线无功补偿器，可以避免三相三线制STATCOM的缺点，采用分相控制方式，不仅可以补偿正、负序电压，而且也可补偿零序电压。
4、本发明所提供的技术方案，采用三相四线无功补偿器，不存在三相三线制STATCOM中三相之间的耦合问题，因此更容易实现各H桥子模块电容电压的平衡控制。
5、本发明所提供的技术方案，在电网正常运行时，所述无功补偿器可用于无功动态补偿，提高系统功率因数。
6、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明的一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统的主接线图；
图2是本发明的第一种单相结构图；
图3是本发明的第二种单相结构图；
图4是本发明的第一种三相结构图；
图5是本发明的第二种三相结构图；
图6是本发明的功率链结构图；
图7是本发明的H桥子模块拓扑结构图；
图8是本发明的控制器框图；
图9是本发明的一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿方法的流程图。
其中，1-直流输电系统逆变侧，2-交流母线，3-受端电网，4-三相无功补偿器，5-控制器，6-H桥子模块，7-功率链，8-单相无功补偿器，9-单相变压器，10-三相五柱式变压器，11-电压检测单元，12-故障判别单元，13-电压调控单元，14-内环调控单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统，包括无功补偿器及用于控制无功补偿器的控制器5；
无功补偿器并联在直流输电系统逆变侧1的交流母线2及中性线之间，所述中性线接地；
交流母线2的受端侧连接有受端电网3。
如图2所示，无功补偿器为单相无功补偿器8；
单相无功补偿器8包括功率链7和单相变压器9；
功率链7与单相变压器9的二次侧绕组并联，且单相变压器9的一次侧绕组的两端分别连接至两个输出端。
如图3所示，无功补偿器为单相无功补偿器8；
单相无功补偿器8中设有功率链7；
功率链7的两端分别连接至两个输出端。
如图4所示，无功补偿器为三相无功补偿器4；
三相无功补偿器4包括采用三相四线制接线且并联的三个的单相无功补偿器8，且单相无功补偿器8中设有功率链7；
各单相无功补偿器8的中性线接地。
如图5所示，无功补偿器为三相无功补偿器4；
三相无功补偿器4包括三相五柱式变压器10及功率链单元，且功率链单元采用Y0/y0接法并联至三相五柱式变压器10的二次侧绕组；
功率链单元包括三个并联的功率链7、且每个功率链7分别与在三相变压器的二次侧中的每一相绕组并联；
三相五柱式变压器10的中性线接地。
如图6所示，功率链7包括依次连接的第一输出端、电抗器、H桥子模块6单元及第二输出端；
H桥子模块6单元包括依次连接的多个H桥子模块6，且每个H桥子模块6均设有2个输出端。
如图7所示，H桥子模块6包括电容器及功率开关管单元；功率开关管单元包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3及第四功率开关管S4；
第一功率开关管S1的发射极分别连接至第二功率开关管S2的集电极及H桥子模块6的第一输出端；第一功率开关管S1的集电极连接至电容器的正极；
第二功率开关管S2的发射极连接至电容器的负极；
第三功率开关管S3的发射极分别连接至第四功率开关管S4的集电极及H桥子模块6的第二输出端；第三功率开关管S3的集电极连至电容器的正极；
第四功率开关管S4的发射极连接至电容器的负极。
如图8所示，控制器5包括电压检测单元11、故障判别单元12、电压调控单元13及内环调控单元14；
电压检测单元11用于检测对直流输电系统逆变侧1的交流母线2的三相电压；
故障判别单元12用于分析电压检测单元11输出的三相电压信号，并判别受端电网是否发生故障；
电压调控单元13控制无功补偿器调控逆变侧交流母线2电压；当电压调控单元13接收到故障判别单元12发出的电网故障信号时，比较及计算对预设的交流母线2电压整定值与三相电压信号，输出三相无功电流指令信号；
内环调控单元14输入三相无功电流指令信号，并采用分相控制方式分别对无功补偿器的各相无功电流控制、子模块电容电压控制以及功率开关管进行触发控制。
如图9所示，一种适用于直流输电系统换相失败的抑制方法，方法通过一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统实现，并联补偿系统包括无功补偿器及用于控制无功补偿器的控制器5，且无功补偿器并联在直流输电系统逆变侧1的交流母线2及中性线之间；包括如下步骤：
步骤1.检测直流输电系统逆变侧1的交流母线2的三相电压；
步骤2.分析和判别三相电压信号值并将分析结果发送至故障判别单元12，故障判别单元12判断受端电网是否发生故障；
若受端电网发生故障，则进入步骤3；
若受端电网未发生故障，则返回步骤1；
步骤3.比较及计算预设的交流母线2电压整定值与三相电压信号值；输出三相无功电流指令信号；
步骤4.根据三相无功电流指令信号触发无功补偿器的功率开关管；
采用分相控制方式分别控制无功补偿器的各相输出无功电流分量，对母线电压跌落进行补偿；同时控制无功补偿器的各相输出有功电流分量，维持子模块电容电压恒定。
本发明提供一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿方法的具体应用例，如下：
如图1所示，在直流输电系统逆变侧(或受端)1的交流母线2和中性线(接地线)0之间并联无功补偿器4，当受端交流电网3发生故障时，补偿交流母线2的电压跌落；
图2给出了本发明的无功补偿器的一种单相结构形式，图中包括一个功率链7和一个单相变压器9。功率链7的两端分别并联在单相变压器9二次侧绕组两端，单相变压器9一次侧两端分别连接单相无功补偿器8的两个输出端。
图3给出了本发明的无功补偿器的另一种单相结构形式，包括一个功率链7。功率链7的两端分别连接单相无功补偿器8的两个输出端。
图4给出了本发明的无功补偿器的三相结构图，图中包括3个单相无功补偿器8，采用三相四线制接线，中性线接地。
图5给出了本发明的无功补偿器的另一种三相结构图，图中包括三个功率链7和一个三相变压器10，其中三相变压器10为五柱式变压器，采用Y0/y0接法，功率链7的两端分别并联在三相变压器10二次侧绕组两端，即a相功率链7的两端分别并联在三相变压器10二次侧a相绕组两端、b相功率链7的两端分别并联在三相变压器10二次侧b相绕组两端、c相功率链7的两端分别并联在三相变压器10二次侧c相绕组两端。三相变压器10的中性线接地。
本发明的三相无功补偿器4无论采用图4所示的三个单相无功补偿器结构，还是采用图5所示三个基于三相五柱式变压器的结构，都可以实现三相电流的独立控制，不仅可以补偿正、负序电压，而且也可补偿零序电压，能避免三相三线制STATCOM中三相之间的耦合问题，更容易实现各H桥子模块电容电压的平衡控制。
如图6所示，图6中包括4只带有反并联二极管的功率开关管，即第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4，以及电容器C。其中，第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2集电极连接，并连接H桥子模块的第一输出端m1，第一功率开关管S1的集电极连接电容器C的正极，第二功率开关管S2的发射极连接电容器C的负极；
第三功率开关管S3的发射极与第四功率开关管S4集电极连接，并连接H桥子模块的第二输出端m2，第三功率开关管S3的集电极连接电容器C的正极，第四功率开关管S4的发射极连接电容器C的负极。
图7给出了功率链7的结构图，图中由电抗器L与N个H桥子模块级联而成，每个子模块有两个输出端m1和m2。电抗器L的一端连接功率链的第一输出端R1，电抗器的另一端连接第一子模块的第一输出端，第一子模块的第二输出端连接第二子模块的第一输出端，第二子模块的第二输出端连接第三子模块的第一输出端，以此类推，第(N-1)子模块的第二输出端连接到第N子模块的第一输出端，第N子模块的第二输出端连接功率链7的第二输出端R2。
图8为本发明的基于无功补偿器的HVDC换相失败抑制方案的控制器5的框图，图中包括电压检测单元11、故障判别单元12、电压调控单元13和内环调控单元14。
其中，电压检测单元11，用于对直流输电系统逆变侧1交流母线2的A、B和C相电压进行检测；
故障判别单元12，用于对电压检测单元11输出的电压信号UA、UB和UC进行分析，判别受端电网3是否发生故障；
电压调控单元13，用于通过控制无功补偿器4，对逆变侧交流母线2电压进行调控，当接收到故障判别单元发出的电网故障信号F时，通过对预设的交流母线电压整定值U*与电压信号UA、UB和UC进行比较和运算，输出三相无功电流指令信号和
内环调控单元14，用于通过输入三相无功电流指令信号和采用分相控制方式，分别实现无功补偿器4的各相无功电流控制、子模块6电容电压控制以及功率开关管触发控制。
本应用例的一种基于无功补偿器的直流输电系统换相失败抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：检测直流输电系统逆变侧1交流母线2的A、B和C相电压；
步骤2：将检测的三相电压UA、UB和UC送到故障判别单元12进行分析和判别，判断受端电网是否发生故障；
步骤3：当受端电网3发生故障时，通过对预设的交流母线电压整定值U*与电压信号UA、UB和UC进行比较和运算，输出三相无功电流指令信号和
步骤4：根据无功电流指令信号和通过触发无功补偿器4的功率开关管，采用分相控制方式，分别控制无功补偿器的各相输出无功电流分量，对母线2电压跌落进行补偿，同时通过控制无功补偿器4的各相输出有功电流分量，维持子模块电容电压恒定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统，其特征在于，所述系统包括无功补偿器及用于控制所述无功补偿器的控制器；
所述无功补偿器并联在直流输电系统逆变侧的交流母线及中性线之间，所述中性线接地；
所述交流母线的受端侧连接有受端电网。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无功补偿器为单相无功补偿器；
所述单相无功补偿器包括功率链和单相变压器；
所述功率链与所述单相变压器的二次侧绕组并联，且所述单相变压器的一次侧绕组的两端分别连接至两个输出端。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无功补偿器为单相无功补偿器；
所述单相无功补偿器中设有功率链；
所述功率链的两端分别连接至两个输出端。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无功补偿器为三相无功补偿器；
所述三相无功补偿器包括采用三相四线制接线且并联的三个的单相无功补偿器，且所述单相无功补偿器中设有功率链；
各所述单相无功补偿器的中性线接地。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无功补偿器为三相无功补偿器；
所述三相无功补偿器包括三相五柱式变压器及功率链单元，且所述功率链单元采用Y0/y0接法并联至所述三相五柱式变压器的二次侧绕组；
所述功率链单元包括三个并联的功率链、且每个所述功率链分别与在所述三相变压器的二次侧中的每一相绕组并联；
所述三相五柱式变压器的中性线接地。
6.如权利要求2至5任一项所述的系统，其特征在于，所述功率链包括依次连接的第一输出端、电抗器、H桥子模块单元及第二输出端；
所述H桥子模块单元包括依次连接的多个H桥子模块，且每个所述H桥子模块均设有2个输出端。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述H桥子模块包括电容器及功率开关管单元；所述功率开关管单元包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3及第四功率开关管S4；
所述第一功率开关管S1的发射极分别连接至所述第二功率开关管S2的集电极及所述H桥子模块的第一输出端；所述第一功率开关管S1的集电极连接至电容器的正极；
所述第二功率开关管S2的发射极连接至所述电容器的负极；
所述第三功率开关管S3的发射极分别连接至所述第四功率开关管S4的集电极及所述H桥子模块的第二输出端；所述第三功率开关管S3的集电极连至所述电容器的正极；
所述第四功率开关管S4的发射极连接至电容器的负极。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器包括电压检测单元、故障判别单元、电压调控单元及内环调控单元；
所述电压检测单元用于检测对直流输电系统逆变侧的交流母线的三相电压；
所述故障判别单元用于分析所述电压检测单元输出的三相电压信号，并判别所述受端电网是否发生故障；
所述电压调控单元控制所述无功补偿器调控逆变侧交流母线电压；当所述电压调控单元接收到所述故障判别单元发出的电网故障信号时，比较及计算对预设的交流母线电压整定值与所述三相电压信号，输出三相无功电流指令信号；
所述内环调控单元输入所述三相无功电流指令信号，并采用分相控制方式分别对所述无功补偿器的各相无功电流控制、子模块电容电压控制以及功率开关管进行触发控制。
9.一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿方法，其特征在于，所述方法通过一种抑制直流输电系统换相失败的并联补偿系统实现，所述并联补偿系统包括无功补偿器及用于控制所述无功补偿器的控制器，且所述无功补偿器并联在直流输电系统逆变侧的交流母线及中性线之间；所述方法包括如下步骤：
步骤1.检测直流输电系统逆变侧的交流母线的三相电压；
步骤2.分析和判别所述三相电压信号值并将分析结果发送至故障判别单元，所述故障判别单元判断所述受端电网是否发生故障；
若所述受端电网发生故障，则进入步骤3；
若所述受端电网未发生故障，则返回步骤1；
步骤3.比较及计算预设的交流母线电压整定值与所述三相电压信号值；输出三相无功电流指令信号；
步骤4.根据所述三相无功电流指令信号触发无功补偿器的功率开关管；
采用分相控制方式分别控制所述无功补偿器的各相输出无功电流分量，对母线电压跌落进行补偿；同时所述控制无功补偿器的各相输出有功电流分量，维持子模块电容电压恒定。
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