CN105656071A - 一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法，通过对端跌落电压预测以及改变功率指令实现系统的低电压穿越，从而保证故障期间系统不出现过压现象，同时能够为负载提供一定的能量，实现不间断供电，引入直流母线电压检测以及功率控制，通过检测直流母线电压，直流母线电压的变化斜率实现对于跌落深度的判断；功率控制以跌落深度检测为依据，改变换流阀系统的功率输出，保证双端系统的功率平衡，双端之间无通信，增强了系统的稳定性。

Description

一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法

技术领域

本发明涉及柔性输配电技术领域，具体涉及一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法。

背景技术

直流输电被认为是未来电力传输的发展方向，相对于交流传输系统，直流系统稳定性高，传输损耗小，特别是随着高压大容量功率器件的发展以及高压直流断路器的出现，直流电网已经具备了替代交流电网的技术基础，目前直流输电包含两种技术路线，一种是以晶闸管为基础的电流源型高压直流输电技术(LCC-HVDC)，另外一种是以基于模块化多电平级联换流器的电压源型高压直流输电技术(VSC-HVDC)，也称为柔性直流输电技术。VSC-HVDC技术相对于LCC-HVDC技术具有明显的技术优势，模块化多电平级联变换器能够实现四象限的运行，可以实现系统的黑启动，潮流反转，能够实现系统无功的提供/吸收；其输出波形直流高，因而滤波设备的成本以及体积相对于LCC-HVDC系统来说大大降低；同时模块化的设计思路让VSC-HVDC的设计以及关键设备生产更加标准化，系统运行时拥有更好的冗余度，其可靠性，稳定性以及维护成本较低。目前柔性直流输电的技术还在积累的阶段，开展的示范工程主要针对新能源送出，弱电网供电，城市扩容以及区域电网互联。但是随着电子技术，通信技术的发展，其应用前景会越来越广泛。

交流电压跌落是一项交流电网中常见的电网故障，即在电网正常运行过程中，突然出现交流单相/双相/三相的电压降低，柔性直流输电系统一个重要的应用领域是孤岛、弱电网供电，运行过程中存在电压跌落的风险，为了提高输电系统的可靠性，柔性直流输电系统能够实现低电压穿越尤为重要，为实现柔性直流输电系统的低电压穿越，传统控制策略针对单端换流阀系统已经开展了大量的理论研究以及工程试验，目前工程中常采用正负序分离的控制策略，即将三相交流电压，电流按照正序，负序进行分离，按照正常情况控制正序电流，同时将负序电流控制为零，保证了故障状态下系统的稳定运行；由于采用了基于正负序电压前馈的控制策略，换流阀系统能够有效降低故障发生时的冲击，针对换流器本身的低电压穿越工程技术难题已经解决。

柔性直流输电系统，包含了双端换流阀，其中，单端换流阀可工作在恒功率模式或者恒直流母线电压模式，对端换流阀可工作在另外一种模式，同时考虑传输能量反转的情况，换流阀可以工作在整流模式或者逆变模式，如果柔性直流输电系统在恒功率侧换流阀出现了交流电压跌落，其能够提供或者吸收的功率降低，而对端恒电压模式的换流阀能够提供或者吸收的功率仍然较高，在情况下，可以配合对端，按照直流母线电压的变化实现功率调节，该模式下可以实现低电压过程中直流母线的控制，但是，如果整流侧换流阀工作在恒功率模式，对端逆变侧换流阀工作在恒电压模式情况下，当逆变侧换流阀出现交流电压跌落，由于其输出电流有限(受功率器件的限制)而且输出电压降低，其额定输出功率降低；但是整流侧输出功率不发生变化，这将导致整流侧提供的功率将大于逆变侧的功率，额外的能量将存储在子模块电容上，导致直流母线电压上升，而且现在国内多项柔性直流输电示范工程并没有包含双端换流阀的低电压穿越时的电网电压跌落情况通信，恒功率端并不能通过通信取得对端电压跌落情况的信息，该情况下，直流系统电压升高至保护门限，导致低电压穿越失败，从以上分析可知，目前亟需一种控制策略实现无双端通信的柔性直流输电系统控制策略实现系统的低电压穿越。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于双端无通信情况下的跌落深度自适应的柔性直流输电系统低电压穿越控制策略，针对柔性直流输电常用模式下(单端工作在恒功率模式，对端工作在恒电压模式)，恒电压端发生低电压跌落后，直流母线控制能力降低，通过对端跌落电压预测以及改变功率指令实现系统的低电压穿越，从而保证故障期间系统不出现过压现象，同时能够为负载提供一定的能量，实现不间断供电，双端之间无通信，增强了系统的稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法，包括以下步骤：

步骤1：恒功率端换流阀系统检测直流母线电压V_dc，当直流母线电压V_dc在系统要求的波动范围之内，则换流系统工作正常，控制系统不做任何调整并继续对直流母线电压V_dc进行检测；

当直流母线电压V_dc超过了系统要求的波动范围，则判定双端系统不满足功率平衡，对端换流阀出现了交流侧电压跌落，进入步骤2；

步骤2：判断对端交流电压跌落深度，直流母线电压上升是由于功率不平衡所导致，而单端直流母线可以等效为C_eq：

$C_{eq}=\frac{C}{N}$

其中，C为子模块电容值，N为上桥臂中子模块数量，由功率不平衡导致直流母线上升的斜率满足如下表达式；

$2(\frac{1}{2}{C}_{eq}{V}_{dc\_new}^2--\frac{1}{2}{C}_{eq}{V}_{dc}^2)=\∫(P-P_{new})dt$

其中，V_{dc_new}为新的直流母线电压值，P为系统在低电压穿越前的功率指令，P_new为恒电压端环流系统发生低电压跌落后所吸收的功率，直流母线电压V_dc远大于直流母线电压的增量dV_dc，得到如下表达式：

$2C_{eq}{V}_{dc}{\mathrm{dV}}_{dc}=\∫(P-P_{new})dt\⇒2C_{eq}\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}{V}_{dc}=P-P_{new}$

通过检测直流母线电压V_dc的斜率推导出对端的功率信息P_new；

依据对端功率信息推导恒电压端电压跌落后正序电压的d轴分量V_{d_new}，V_{d_new}即故障电压信息，满足如下关系式：

$V_{d\_new}=\frac{P_{new}}{I_{d\_max}}$

其中I_{d_max}为换流阀系统输出电流最大值；

步骤3：根据步骤2得到的对端功率P_new及故障电压信息V_{d_new}，在此基础上，恒功率端换流阀系统将降低输出功率，新的传输功率满足：

P_n′_ew≤P_new

其中，P_n′_ew为恒功率端新的功率指令，将新的功率指令P_n′_ew提供给恒功率端控制器，在柔性直流输电系统中，恒功率端输出将不再大于恒电压端系统吸收功率，保证了直流母线电压V_dc不再变化。

进一步的，还包括步骤4：在运行低电压穿越规定的时间T_set(T_set>0)后，恒功率端恢复故障之前的功率，若交流系统故障消除，则传输系统正常运行；若交流系统故障未消除，恒功率端恢复故障之前的功率导致直流母线电压V_dc持续变化超出系统允许范围，导致系统保护。

进一步的，所述步骤1中，在进行直流母线电压检测时，引入滤除开关频率谐波的低通滤波器以及滤除两倍工频的陷波滤波器。

进一步的，所述步骤1中，当高压限值≥直流母线电压V_dc≥低压限值，即电压值V_dc正常，则直流母线电压V_dc在系统要求的波动范围之内，则换流系统工作正常；

当直流母线电压V_dc<低压限值或直流母线电压V_dc>高压限值，即电压值V_dc异常，则直流母线电压V_dc超过了系统要求的波动范围，则双端系统不满足功率平衡，对端换流阀出现了交流侧电压跌落。

本发明在传统的针对换流阀低电压穿越的双序控制策略基础上，在工作于恒功率模式的换流阀系统控制中，引入直流母线电压检测以及功率控制，通过检测直流母线电压，直流母线电压的变化斜率实现对于跌落深度的判断；功率控制以跌落深度检测为依据，改变换流阀系统的功率输出，保证双端系统的功率平衡；

直流母线电压检测，实现对于直流母线电压的变化率的精确判断方式如下，考虑能量由恒功率端传送至恒电压端，当恒电压端发生低电压故障下，其输出功率降低，直流母线电压上升，为了调节直流母线电压，恒电压端提升其电流指令，但是电流受硬件条件限制，并不能无限增大，导致恒电压端吸收功率小于系统额定功率，最终系统母线电压将不受恒电压端控制，该情况下，恒电压端吸收功率以达其硬件上限，也不够保证双端功率平衡，功率的不平衡将导致直流母线电压上升，当母线电压的绝对值超过直流母线电压允许波动范围后，恒功率端判断对端(恒电压端)出现了电压跌落，系统功率不平衡，这时，恒功率端输出功率固定，恒电压端保持工作在最大可吸收功率状态，两端功率之差恒定，因而母线电压上升斜率固定，恒电压端通过检测直流母线电压上升斜率，以此为依据计算整体功率的不平衡状态，最终实现跌落深度的预测；

进一步针对功率控制，以上述得出的交流电压跌落深度的预测为依据，改变恒功率端换流阀的功率，保证恒功率端功率小于或等于恒电压端所能吸收的功率，从而保证了恒电压端换流阀系统的控制能力，保证其电压控制的有效性，从而实现低电压穿越的要求。

进一步的，在直流母线电压检测的过程中，需要对电压信号进行相应的滤波，以降低直流母线电压上升斜率判断的准确性，直流母线电压包含开关频率的高频干扰和两倍工频的低频干扰，开关频率的高频干扰是由模块化级联多电平的电路的运行模式以及环流抑制作用下的额外电平切换导致的，两倍工频的电压波动存在于子模块电容电压的波动，特别是系统出现不平衡跌落的情况下，通过在进行直流母线电压检测时，引入滤除开关频率谐波的低通滤波器以及滤除两倍工频的陷波滤波器，避免上述信号对直流母线电压上升斜率的影响。

针对低电压故障功率恢复的要求，本发明在规定的低电压穿越时间之后，恒功率端将自动恢复其之前的功率指令，如果交流电压跌落在规定时间内已经恢复，系统输出功率也返回跌落前的水平；如果低电压故障仍然存在，恒功率端恢复之前的功率指令，系统会出现过压保护，但是该情况下，系统已经完成了低电压穿越下系统在规定时间不跳闸的工程需求，通过上述情况的分析，可以看出本方案在不同工况下的适应性以及功率恢复情况下的可行性。

附图说明

图1为柔性直流输电系统框图；

图2为恒功率模式控制框图；

图3为恒电压模式控制框图；

图4为本发明提出的恒功率端换流阀系统控制框图；

图5为新功率指令生成流程图；

图6为引入新型控制策略前后的V_dc电压在低电压穿越下的波形，其中：图6a为未引入新型控制策略下V_dc波形，整流侧功率波形，逆变侧功率波形，系统直流电压持续上升至过压，图6b为引入新型控制策略下V_dc波形，整流侧功率波形，逆变侧功率波形，系统直流电压稳定。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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，为柔性直流输电系统框图，整流侧换流阀工作在恒功率模式，逆变侧换流阀工作在恒直流电压模式，系统工作在满功率状态下，低电压穿越发生在逆变侧；

如图2所示，图2为恒功率端传统控制策略，功率指令用于生成电流d轴分量，通过相应的电流控制器生成相应的调制信号；如图4所示，为本发明的恒功率端控制策略，通过引入直流母线电压V_dc跌落检测，用于生成新的电流d轴指令，通过电流控制器生成调制信号，如图3所示，本发明的恒电压端控制策略，电压给定通过电压控制器生成d轴电流分量的指令，通过相应的电流控制器生成调制信号。

在系统正常工作的时候，恒功率端工作在整流模式输出满功率，恒电压端工作在逆变模式吸收满功率，当逆变端出现低电压故障的时候，交流侧电压降低，吸收的功率P_new满足以下表达式

P_new＝V_{d_new}I_d

其中，V_{d_new}为交流侧正序电压的d轴分量，I_d为交流侧正序电流的d轴分量；

由于系统工作在满功率，输出交流电流受功率器件的电流极限所限制，加上由于电压跌落的交流侧正序电压d轴分量降低，系统所能够吸收的最大功率降低，但是由于双端不存在交流电压信息的交互，恒功率端不了解对端的电压跌落信息，导致系统出现功率不平衡，整流端输出的额外功率将用来为子模块电容进行充电，将导致子模块过压，而直流母线由子模块电压构成，直流母线也存在过压危险；

本发明通过检测直流母线电压V_dc的变化斜率判断对端交流母线电压跌落深度，值得注意的是，恒功率端新的功率指令生成依据恒电压端交流电压跌落情况。

$V_{d\_new}<\frac{P_{max}}{P}{V}_d$

其中，V_{d_new}为电压跌落的d轴分量，V_d为电压正常工作时的d轴分量，P_max为系统输出最大功率，P为系统工作功率，如果恒电压端故障电压较低满足上式，则其所能吸收最大功率仍然大于系统正常运行功率，直流母线电压V_dc不会上升；如果恒电压端故障电压不满足上式，则恒电压端所能吸收最大功率小于系统正常运行功率，恒功率端必须降低自身输出功率实现功率平衡。

如图5所示，本发明包括以下步骤：

步骤1：恒功率端换流阀系统检测直流母线电压V_dc，当高压限值≥直流母线电压V_dc≥低压限值，即电压值V_dc正常，则直流母线电压V_dc在系统要求的波动范围之内，则换流系统工作正常，控制系统不做任何调整并继续对直流母线电压V_dc进行检测；

当直流母线电压V_dc<低压限值或直流母线电压V_dc>高压限值，即电压值V_dc异常，则直流母线电压V_dc超过了系统要求的波动范围，则双端系统不满足功率平衡，对端换流阀出现了交流侧电压跌落，进入步骤2；

步骤2：判断对端交流电压跌落深度，由以上的分析可知，直流母线电压上升是由于功率不平衡所导致，而单端直流母线可以等效为C_eq

$C_{eq}=\frac{C}{N}$

其中，C为子模块电容值，N为上桥臂中子模块数量，由功率不平衡导致直流母线上升的斜率满足如下表达式；

$2(\frac{1}{2}{C}_{eq}{V}_{dc\_new}^2-\frac{1}{2}{C}_{eq}{V}_{dc}^2)=\&Integral;(P-P_{new})dt$

其中，V_{dc_new}为新的直流母线电压值，P为系统在低电压穿越前的功率指令，P_new为恒电压端环流系统发生低电压跌落后所吸收的功率，直流母线电压V_dc远大于直流母线的增量ΔV_dc，得到如下表达式：

$2C_{eq}{V}_{dc}{\mathrm{dV}}_{dc}=\&Integral;(P-P_{new})dt\&DoubleRightArrow;2C_{eq}\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}{V}_{dc}=P-P_{new}$

通过检测直流母线电压V_dc的变化斜率推导出对端的功率信息P_new；

依据对端功率信息可推导恒电压端电压跌落后正序电压的d轴分量V_{d_new}，满足如下关系式：

$V_{d\_new}=\frac{P_{new}}{I_{d\_max}}$

其中I_{d_max}为换流阀系统输出电流最大值；

步骤3：根据步骤2得到的对端功率P_new及故障电压信息V_{d_new}，从而恒功率侧环流系统可以改变其功率给定值，配合对端电压跌落，实现整体系统的功率平衡，其新的功率指令必须小于恒电压侧换流阀能够输出的最大功率，因而功率满足如下表达式：

P_n′_ew≤P_new

其中，P_n′_ew为恒功率端新的功率指令，将新的功率指令P_n′_ew提供给恒功率端控制器，在柔性直流输电系统中，恒功率端输出将不再大于恒电压端系统吸收功率，保证了直流母线电压V_dc不再变化，值得注意的是，给定功率可以适当低于P_new，从而恒电压侧的调节功能，但是如果恒功率端给定功率过小，系统无法保证为负载侧提供足够的功率，而且系统在交流故障消除后的功率恢复所需要时间较长，不利于系统供电质量的提升；

步骤4：在运行低电压穿越规定的时间T_set(T_set>0)后，恒功率端恢复故障之前的功率，若交流系统故障消除，则传输系统正常运行；若交流系统故障未消除，恒功率端恢复故障之前的功率导致直流母线电压V_dc持续变化超出系统允许范围，导致系统保护。

作为优选实施例的，在步骤1中，在进行直流母线电压检测时，引入滤除开关频率谐波的低通滤波器以及滤除两倍工频的陷波滤波器，对电压信号进行相应的滤波，以降低直流母线电压上升斜率判断的准确性，直流母线电压包含开关频率的高频干扰和两倍工频的低频干扰，开关频率的高频干扰是由模块化级联多电平的电路的运行模式以及环流抑制作用下的额外电平切换导致的，两倍工频的电压波动存在于子模块电容电压的波动，特别是系统出现不平衡跌落的情况下，为了避免上述信号对直流母线电压上升斜率的影响，在直流母线电压检测上引入滤除开关频率谐波的低通滤波器以及滤除两倍工频的陷波滤波器。

参见图6a和图6b，该控制策略下系统的仿真波形图，从图6a可以看到，未引入该控制策略的时候，恒功率端由于缺乏对端电压跌落的信息，输出恒定功率，导致直流母线电压V_dc上升；从图6b可以看到，引入了本发明的控制策略后，系统首先在直流母线电压V_dc超过一定幅值后检测直流母线电压变化斜率，以此为依据生成新的控制指令，保证了直流系统不过压。

针对低电压故障功率恢复的要求，本发明在规定的低电压穿越时间之后，恒功率端将自动恢复其之前的功率指令，如果交流电压跌落在规定时间内已经恢复，系统输出功率也返回跌落前的水平；如果低电压故障仍然存在，恒功率端恢复之前的功率指令，系统会出现过压保护，但是该情况下，系统已经完成了低电压穿越下系统在规定时间不跳闸的工程需求，通过上述情况的分析，可以看出本方案在不同工况下的适应性以及功率恢复情况下的可行性。

Claims (4)

1.一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：恒功率端换流阀系统检测直流母线电压V_dc，当直流母线电压V_dc在系统要求的波动范围之内，则换流系统工作正常，控制系统不做任何调整并继续对直流母线电压V_dc进行检测；

当直流母线电压V_dc超过了系统要求的波动范围，则判定双端系统不满足功率平衡，对端换流阀出现了交流侧电压跌落，进入步骤2；

步骤2：判断对端交流电压跌落深度，直流母线电压上升是由于功率不平衡所导致，而单端直流母线可以等效为C_eq：

$C_{eq}=\frac{C}{N}$

其中，C为子模块电容值，N为上桥臂中子模块数量，由功率不平衡导致直流母线上升的斜率满足如下表达式；

$2(\frac{1}{2}{C}_{eq}{V}_{dc\_new}^2-\frac{1}{2}{C}_{eq}{V}_{dc}^2)=\&Integral;(P-P_{new})dt$

其中，V_{dc_new}为新的直流母线电压值，P为系统在低电压穿越前的功率指令，P_new为恒电压端环流系统发生低电压跌落后所吸收的功率，直流母线电压V_dc远大于直流母线电压的增量dV_dc，得到如下表达式：

$2C_{eq}{V}_{dc}{\mathrm{dV}}_{dc}=\&Integral;(P-P_{new})dt\&DoubleRightArrow;2C_{eq}\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}{V}_{dc}=P-P_{new}$

通过检测直流母线电压V_dc的斜率推导出对端的功率信息P_new；

依据对端功率信息推导恒电压端电压跌落后正序电压的d轴分量V_{d_new}，V_{d_new}即故障电压信息，满足如下关系式：

$V_{d\_new}=\frac{P_{new}}{I_{d\_max}}$

其中I_{d_max}为换流阀系统输出电流最大值；

步骤3：根据步骤2得到的对端功率P_new及故障电压信息V_{d_new}，在此基础上，恒功率端换流阀系统将降低输出功率，新的传输功率满足：

P′_new≤P_new

其中，P′_new为恒功率端新的功率指令，将新的功率指令P′_new提供给恒功率端控制器，在柔性直流输电系统中，恒功率端输出将不再大于恒电压端系统吸收功率，保证了直流母线电压V_dc不再变化。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法，其特征在于，还包括步骤4：在运行低电压穿越规定的时间T_set(T_set>0)后，恒功率端恢复故障之前的功率，若交流系统故障消除，则传输系统正常运行；若交流系统故障未消除，恒功率端恢复故障之前的功率导致直流母线电压V_dc持续变化超出系统允许范围，导致系统保护。

3.根据权利要求1所述的一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法，其特征在于，所述步骤1中，在进行直流母线电压检测时，引入滤除开关频率谐波的低通滤波器以及滤除两倍工频的陷波滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种适用于无双端通信的柔直低穿控制方法，其特征在于，所述步骤1中，当高压限值≥直流母线电压V_dc≥低压限值，即电压值V_dc正常，则直流母线电压V_dc在系统要求的波动范围之内，则换流系统工作正常；

当直流母线电压V_dc<低压限值或直流母线电压V_dc>高压限值，即电压值V_dc异常，则直流母线电压V_dc超过了系统要求的波动范围，则双端系统不满足功率平衡，对端换流阀出现了交流侧电压跌落。