CN106849148B - 一种混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

一种混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，LCC整流站采用定直流电流控制、最小触发角控制与低压限流控制；MMC逆变站选用定直流电压控制并配置后备最大调制比控制及定电流控制。正常运行时，整流站运行在定电流控制模式、逆变站运行在定直流电压控制模式。当整流站交流侧发生故障时，整流站运行方式切换至最小触发角控制模式以补偿整流站直流电压的降落，逆变站运行方式切换至最大调制比控制方式以降低逆变站的直流电压参考值。而且，整流站和逆变站控制模式的使能信号均采自取各站的电气量无需依靠换流站间的通信。本发明能够充分发挥LCC造价低MMC控制灵活等优点，可较大限度提高直流系统的输送功率，降低功率输送中断发生的概率。

Description

一种混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种LCC和MMC的混合直流输电系统，属于高压输电技术领域。

背景技术

基于电网换相换流器(LCC：Line Commutated Converter)的传统直流输电技术具有技术成熟、成本低、过负荷能量强等优点，但也存在换相失败、谐波含量大、需无功补偿等问题；基于模块化多电平电压源换流器(MMC：Modular Multi-level Converter)的柔性直流输电技术，能够独立调节有功无功功率，具有优越的可控性和灵活性，是解决受端电网薄弱、无源电网受电的有效途径，然而柔性直流技术成本高、损耗大、控制复杂。基于LCC-MMC的混合直流输电系统整流站延用电网换相换流站(LCC)，逆变站新建模块化多电平换流站(MMC)。该方案有望充分发挥两种输电技术的优势，弥补各自的缺陷，扩大直流电网的应用范围，为大区电网提供更多的新型互联模式，为大城市直流供电、负荷中心的多落点受电提供新思路，为大规模新能源接入电网与送出消纳提供新方法。

但当该拓扑结构的混合直流输电系统发生整流站交流故障时，交流电压跌落会导致整流站直流电压的下降，而逆变站MMC换流站直流电压却不受影响。由于两站间电压差减小，会造成功率输送减小甚至中断。因此，有必要研究该拓扑结构下的整流站交流故障穿越问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种LCC-MMC拓扑结构下的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，在不增加硬件投入的情况下，使混合直流系统较大限度的传输有功功率，从而减小传输功率骤降对逆变站交流系统的冲击。

本发明具体采用以下技术方案：

一种混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，所述交流故障穿越方法包括以下步骤：

1)所述混合直流输电系统整流站采用电网换相换流器(LCC)，正常运行时工作在定直流电流控制模式；逆变站采用电压源型换流器(MMC)，正常运行时工作在定直流电压控制模式；

2)检测整流站交流母线的各相电压值，若有任一相电压值低于预设的电压整定值，即认为整流站交流侧发生故障，则整流站控制模式切换至最小触发角控制模式，若该控制模式能维持整流站直流电压稳定，即直流电压保持在直流电压阈值以上，则待故障消除后，返回步骤1)，否则进入步骤3)；

3)若最小触发角控制模式下不能维持整流站直流电压稳定，即直流电压降低并低于直流电压阈值时，则整流站进入低压限流控制模式(VDCOL)，自动降低低压限流控制模式下的直流电流设定值，待直流电压恢复，即大于或等于直流电压阈值后，返回步骤1)；

4)检测逆变站正负极直流电流的100Hz分量，当100Hz分量幅值超过设定的直流电流100Hz保护阈值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，则直流电流100Hz保护启动，逆变站控制模式切换至最大调制比控制模式，否则返回步骤1)。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述步骤1)中，LCC整流站预存的控制模式包括定直流电流控制、最小触发角控制及低压限流控制模式；MMC逆变站预存的控制模式包括定直流电压控制、最大调制比控制模式。

所述步骤2)中，整流站三相交流电压中任意一相电压低于预设的电压整定值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，立即切换整流站控制模式为最小触发角控制模式；

其中，所述预设的电压整定值为整流站交流侧额定相电压的0.6～0.9倍。

在步骤2)的所述最小触发角控制模式中，最小限制角取5°。

在步骤2)中，所述整流站直流电压稳定是指整流站直流电压能够保持在直流电压阈值及以上，其中所述直流电压阈值范围为0.45～0.35倍的整流站直流电压额定值；否则认为直流电压不稳定，需要进入步骤3)。

在步骤3)中，整流站进入低压限流工作模式，将整流站直流侧电流限制在0.3～0.4倍整流站直流侧电流额定值。

所述步骤4)中，逆变站正负极直流电流中任意一极100Hz分量大于直流电流中100Hz保护动作阈值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，应立即切换逆变站控制模式为最大调制比控制模式；

其中，所述直流电流100Hz保护阈值为0.03～0.05倍整流站直流侧电流额定值。

在所述步骤4)中，在逆变站最大调制比控制模式后，当逆变站正负极直流电流的100Hz分量恢复，即小于设定的直流电流100Hz保护阈值时，直流电流100Hz保护退出，逆变站恢复为定直流电压控制模式。

在步骤4)中，所述直流电流100Hz保护原理如下式所示：

其中，I_{dc_P_100Hz}和I_{dc_N_100HZ}分别为提取的直流正极电流和直流负极电流中的100Hz分量幅值；I_{dc_P_N}和I_{dc_N_N}为正负极直流额定电流，正负极直流额定电流值相同即整流站直流侧电流额定值；I_{dc_P}、I_{dc_N}为正负极直流线路上的实际直流电流值；k₁和k₂为保护系数，均取0.03；保护动作延时取10ms；当100Hz保护信号消失后，逆变站切换至定直流电压控制模式。

所述步骤2)、3)、4)中，整流站与逆变站控制模式切换的判据均取自本站的电气量，无需依赖站间通信。

本发明具有以下有益的技术效果：

该控制策略能够提高所述混合直流系统在整流站发生交流故障时的功率输送能力，降低功率输送中断发生的概率，而且该策略无需依靠换流站间通信即可实现控制模式的自动切换。

附图说明

图1是LCC-MMC的混合直流系统构架图；

图2本发明所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法流程流程图；

图3是整流站LCC换流站外特性曲线图；

图4是逆变站MMC换流站外特性曲线图；

图5是加入最大调制比的MMC控制策略框图。

具体实施方式：

下面结合说明书附图和具体实施例进一步详细介绍本发明的技术方案。

以图1所示拓扑结构为实施例，所述混合直流输电系统整流站采用电网换相换流器(LCC)，正常运行时工作在定直流电流控制模式；逆变站采用电压源型换流器(MMC)，正常运行时工作在定直流电压控制模式，在图1中，LCC整流站采用12脉动换流站，用于将交流侧电能整流为具有期望直流电压的直流电能并将其传送到直流传输线，包括换流变压器T1、T12、交流滤波器UF、平波电抗器L1、L12及整流交流侧电网AC1等部分；逆变站采用MMC换流站，用于将所述的直流线路的电能逆变为交流电能并注入各自对应的交流电网，包括控制直流电压的MMC以及换流变压器T2，桥臂电抗器L2，逆变交流侧电网AC2等部分。交流侧额定电压为525kV，额定直流电流为±160kV，额定输送容量1000MW，直流传输线路采用架空线形式。

以附图1所示的拓扑结构为例，并参照附图2，本申请公开的一种混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法的流程步骤如下所述：

步骤1：混合直流输电系统整流站采用电网换相换流器(LCC)，正常运行时工作在定直流电流控制模式；逆变站采用电压源型换流器(MMC)，正常运行时工作在定直流电压控制模式。

步骤2：通过检测整流站交流母线AC1的相电压值U_AC1判断是否发生交流故障。当整流站三相交流电压中任意一相电压低于预设的电压整定值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，立即切换整流站控制模式为最小触发角控制模式；其中，所述预设的电压整定值为整流站交流侧额定相电压的0.6～0.9倍。整流站直流电压稳定是指整流站直流电压能够保持在直流电压阈值及以上，其中所述直流电压阈值范围为0.45～0.35倍的整流站直流电压额定值。

在附图1的实施例中，若有任一相电压值低于额定相电压的0.7倍额定值，则整流站控制方式切换至最小触发角控制模式，最小限制角取5°；若该控制模式能维持整流站直流电压保持在0.45倍直流电压以上，则待故障消除后，返回步骤1，否则进入步骤3；

步骤3：若最小触发角控制模式下不能维持整流站直流电压稳定即直流电压降低并低于直流电压阈值时，则整流站进入低压限流控制模式(VDCOL)，自动降低低压限流控制模式下的直流电流设定值，待直流电压恢复即大于或等于直流电压阈值后，返回步骤1。其中，整流站进入低压限流工作模式后，将整流站直流侧电流限制在0.3～0.4倍整流站直流侧电流额定值。

在本申请的实施例中，整流站直流电压继续降低且低于低压限流特性的直流电压阈值0.45倍额定直流电压时，整流站进入低压限流工作模式(VDCOL)。此时直流电流被限制在0.3～0.4倍直流额定电流值；待直流电压恢复后，则返回步骤1。图3所示为整流站的直流电压/电流特性曲线，其中AB段表示最小触发角控制特性，BC段表示定直流控制特性，CD段表示低压限流控制特性。

步骤4：逆变站检测到正极或负极的直流电流100Hz分量超过直流电流100Hz保护阈值时，控制模式切换至最大调制比控制模式，控制策略如图5所示。保护动作信号消失后返回步骤1。

逆变站正负极直流电流中任意一极100Hz分量大于直流电流中100Hz保护动作阈值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，应立即切换逆变站控制模式为最大调制比控制模式。

实施例1，所述直流电流100Hz保护阈值为0.03～0.05倍整流站直流侧电流额定值。进入逆变站最大调制比控制模式后，当逆变站正负极直流电流的100Hz分量恢复，即小于设定的直流电流100Hz保护阈值时，直流电流100Hz保护退出，逆变站恢复为定直流电压控制模式。

实施例2，实时就地监视逆变站站直流电流变化与正负极直流电流中100Hz分量的大小，判断是否启动直流电流100Hz保护，并进入最大调制比控制模式。直流电流100Hz保护原理如下式所示：

其中，I_{dc_P_100Hz}为提取的直流电流100Hz分量；I_{dc_P_N}和I_{dc_N_N}为正负极直流额定电流，正负极直流额定电流值相同即整流站直流侧电流额定值；I_{dc_P}、I_{dc_N}为正负极直流线路上的实际直流电流值；k₁和k₂为保护系数，均取0.03，I_setP为正极性直流电流100Hz保护阈值，I_setN为正极性直流电流100Hz保护阈值；保护动作延时取10ms。当100Hz保护信号消失后，逆变站切换至定直流电压控制模式，图4所示为逆变站的直流电压/电流特性曲线，EF段是定直流电压控制特性、FG段为最大调制比控制电压波动范围。

典型控制策略模块，采用典型的MMC控制模式：外环为直流电压环及无功功率环、内环为电流解耦控制。图5中，U_{d2_ref}、U_d2分别表示逆变站MMC的直流电压参考值与实际值，Q_ref、Q分别表示无功功率的参考值与实际值，i_{d_ref}、i_d、i_{q_ref}、i_q分别表示dq轴电流的参考值与实际值。u_d、u_q分别表示电压dq轴分量，v_d、v_q分别表示dq轴调制电压。

最大调制比控制模块，是计算典型控制策略输出的三相调制电压v_k(k＝a,b,c)的峰值平均值v_m，再由式2计算后得到实时调制比m；最后，调制比m与调制比参考值m_ref＝1的偏差量进入PI控制器，最终结果为直流电压参考值偏差量△U_{d2_ref}，即修正的直流电压参考值。

m＝2v_m/U_d2 (2)

式中，m表示调制比(半桥式MMC调制比m的线性范围为0～1.0，正常运行时通常在0.85～0.9之间)；v_m表示阀侧三相调制相电压峰值平均值。

本发明能够实现LCC-MMC拓扑结构的混合直流系统在整流站发生交流不对称故障时的穿越，提高直流功率的输送能力；在发生严重三相对称故障时，不会出现过电流及过电压现象，基于低压限流的控制策略能够快速恢复系统供电；而且，整流站与逆变站控制模式切换的判据均取自本站的电气量，无需依赖站间通信。

以上是本发明对实施例的详细说明，尽管是针对上述特定的实施例，应当明白在不脱离上述权利要求限定的本公开范围内可以进行各种改变和修改。

Claims (10)

1.一种混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述交流故障穿越控制方法包括以下步骤：

1)所述混合直流输电系统整流站采用电网换相换流器(LCC)，正常运行时工作在定直流电流控制模式；逆变站采用电压源型换流器(MMC)，正常运行时工作在定直流电压控制模式；

2)检测整流站交流母线的各相电压值，若有任一相电压值低于预设的电压整定值，即认为整流站交流侧发生故障，则整流站控制模式切换至最小触发角控制模式，若该控制模式能维持整流站直流电压稳定，即直流电压保持在直流电压阈值以上，则待故障消除后，返回步骤1)，否则进入步骤3)；

3)若最小触发角控制模式下不能维持整流站直流电压稳定，即直流电压降低并低于直流电压阈值时，则整流站进入低压限流控制模式(VDCOL)，自动降低低压限流控制模式下的直流电流设定值，待直流电压恢复，即大于或等于直流电压阈值后，返回步骤1)；

4)检测逆变站正负极直流电流的100Hz分量，当100Hz分量幅值超过设定的直流电流100Hz保护阈值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，则直流电流100Hz保护启动，逆变站控制模式切换至最大调制比控制模式，否则返回步骤1)。

2.根据权利要求1所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

所述步骤1)中，LCC整流站预存的控制模式包括定直流电流控制、最小触发角控制及低压限流控制模式；MMC逆变站预存的控制模式包括定直流电压控制、最大调制比控制模式。

3.根据权利要求1所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

所述步骤2)中，整流站三相交流电压中任意一相电压低于预设的电压整定值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，立即切换整流站控制模式为最小触发角控制模式；

其中，所述预设的电压整定值为整流站交流侧额定相电压的0.6～0.9倍。

4.根据权利要求3所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

在步骤2)的所述最小触发角控制模式中，最小限制角取5°。

5.根据权利要求1所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

在步骤2)中，所述整流站直流电压稳定是指整流站直流电压能够保持在直流电压阈值及以上，其中所述直流电压阈值范围为0.45～0.35倍的整流站直流电压额定值；否则认为直流电压不稳定，需要进入步骤3)。

6.根据权利要求1或5所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

在步骤3)中，整流站进入低压限流工作模式，将整流站直流侧电流限制在0.3～0.4倍整流站直流侧电流额定值。

7.根据权利要求1所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

所述步骤4)中，逆变站正负极直流电流中任意一极100Hz分量大于直流电流中100Hz保护动作阈值时，即认为整流站交流侧发生交流故障，应立即切换逆变站控制模式为最大调制比控制模式；

其中，所述直流电流100Hz保护阈值为0.03～0.05倍整流站直流侧电流额定值。

8.根据权利要求7所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

在所述步骤4)中，在逆变站为最大调制比控制模式后，当逆变站正负极直流电流的100Hz分量恢复，即小于设定的直流电流100Hz保护阈值时，直流电流100Hz保护退出，逆变站恢复为定直流电压控制模式。

9.根据权利要求1所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

在步骤4)中，所述直流电流100Hz保护原理如下式所示：

或

其中，I_{dc_P_100Hz}和

分别为提取的直流正极电流和直流负极电流中的100Hz分量幅值；I_{dc_P_N}和I_{dc_N_N}为正负极直流额定电流，正负极直流额定电流值相同即整流站直流侧电流额定值；I_{dc_P}、I_{dc_N}为正负极直流线路上的实际直流电流值；I_setP为正极性直流电流100Hz保护阈值，I_setN为正极性直流电流100Hz保护阈值；k₁和k₂为保护系数，均取0.03；保护动作延时取10ms；当100Hz保护信号消失后，逆变站切换至定直流电压控制模式。

10.根据权利要求1所述的混合直流输电系统整流站交流故障穿越控制方法，其特征在于：

所述步骤2)、3)、4)中，整流站与逆变站控制模式切换的判据均取自本站的电气量，无需依赖站间通信。

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