CN107017654A - 一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，包括电压电流测量端、电网SCADA系统、控制率生成单元、控制输出量计算单元、控制启动/退出单元、特高压直流输电逆变侧控制系统和特高压直流输电整流侧控制系统对应连接；所述电压电流测量端与控制启动/退出单元、控制输出量计算单元相连；电网SCADA系统与控制率生成单元相连；控制率生成单元与控制输出量计算单元；控制启动/退出单元与控制输出量计算单元相连；控制输出量计算单元分别与特高压直流输电逆变侧控制系统、特高压直流输电整流侧控制系统相连。

Description

一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，具体设计用于抑制交流暂时过电压的特高压压直流控制装置。
背景技术
高压直流输电技术由于其在远距离大容量输电、异步电网互联领域所具有的优势，在中国、印度、韩国、巴西等国得到了快速的发展和广泛的应用。电流源型直流输电工程以晶闸管作为主要换流元件，正常运行时需消耗输送功率50％～60％的无功功率。以±800kV/8000MW的特高压直流工程为例，满功率运行时晶闸管换流器消耗无功则可高达6400Mvar。为了消除大量无功消耗对交流系统的影响，换流站内往往装设大量无功补偿设备以实现站内的无功平衡。
然而，一旦直流输电工程由于线路故障等原因出现外送功率受阻，在无功补偿设备切除之前，换流站过剩无功将倒送交流系统，在换流站的交流母线上极易出现明显的电压抬升。特别地，在高压直流输电工程建设初期，送端换流站近区交流电网短路电流水平偏低，电压调节能力弱，在此工况下甚至可能出现严重的过电压。考虑到直流线路故障后的重启策略，此类过电压持续时间极有可能接近1s，超过换流站过电压保护或者换流阀大触发角监视保护的定值，保护误动作风险较高。
直流功率受阻导致送端弱交流电网过电压问题一直以来就是学术界关注的热点。有学者针对直流系统接入弱交流电网实例，分析了电网短路比与直流闭锁后所导致的过电压的关系，并根据不同系统强度给出了过电压的参考值。同时，有文献仿真分析了有效短路比、换相电抗等对直流完全闭锁下最严重过电压的影响，并结合加拿大、挪威等地区直流系统，给出了过电压仿真结果。于此同时，大量学者还分析了考虑此类过电压对风电场的影响，研究了高压直流系统无功补偿容量的决定因素及不同无功补偿装置的动态特性，并以此为基础提出了相应的安全控制策略。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在交流电网电压严重升高期间，在保持近区健全直流输电工程功率恒定的基础上，短时提升换流器消耗的无功功率，抑制送端弱交流电网过电压的产生，目的在于提供一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，解决上述的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，包括电压电流测量端、电网SCADA系统、控制率生成单元、控制输出量计算单元、控制启动/退出单元、特高压直流输电逆变侧控制系统和特高压直流输电整流侧控制系统对应连接；所述电压电流测量端与控制启动/退出单元、控制输出量计算单元相连；电网SCADA系统与控制率生成单元相连；控制率生成单元与控制输出量计算单元；控制启动/退出单元与控制输出量计算单元相连；控制输出量计算单元分别与特高压直流输电逆变侧控制系统、特高压直流输电整流侧控制系统相连。
所述电压电流测量端：用于测量交流系统电压有效值UacM以及直流输电系统的直流电压Ud及直流电流Id；电压电流测量端采用交流电压互感器、直流分压器以及直流电流互感器对电压电流进行测量。所述电压电流测量端通过测量得到的交流系统电压有效值UacM,将交流系统的电压有效值UacM发送给控制启动/退出单元及控制输出量计算单元；测量得到的直流输电系统的直流电压Ud及直流电流Id将送给控制输出量计算单元。
所述电网SCADA系统：用于向控制装置提供电网运行方式；SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
所述控制率生成单元：用于根据电网运行方式生成抑制交流暂时过电压的控制率；依靠近区电网的断路器开断状态、近区发电厂的开机情况、近区负荷分布情况，得到不同的控制率，将不同的控制率发送至控制输出量计算单元进行处理。
所述控制输出量计算单元：用于根据控制率生成单元生成的控制率以及交流系统电压有效值UacM、直流输电系统传输功率Pd，进行控制算法计算，得到直流输电关断角变化量的指令值△γord以及直流电流变化量的指令值△Iord；
所述控制启动/退出单元：用于根据交流系统电压有效值UacM，启动或退出控制输出量计算单元；由控制输出量计算单元生成的交流系统电压有效值UacM，当交流系统电压有效值UacM的电压超过预设值，控制启动/退出单元接收到升高后的电压启动；当交流系统电压有效值UacM的电压低于预设值时，控制启动/退出单元从控制装置内退出。
特高压直流输电逆变侧控制系统：用于执行关断角变化量的指令；逆变侧关断角的抬升，能够增加无功功率的吸收，有效抑制电压的产生
特高压直流输电整流侧控制系统：用于执行直流电流变化量的指令；整流侧将电流电压维持在一定数值上，避免过电压保护。
控制输出量计算单元得到直流输电关断角变化量的指令值△γord将送至特高压直流输电逆变侧控制系统，直流电流变化量的指令值△Iord将送至特高压直流输电整流侧控制系统。
电网SCADA系统所提供的电网运行方式包括近区电网的断路器开断状态、近区发电厂的开机情况、近区负荷分布情况。
所述控制启动/退出单元在获得交流系统电压有效值UacM后，向控制输出量计算单元发送启动信号或者退出信号；控制输出量计算单元得到发出的控制启动信号后进行启动；得到退出信号后，控制输出输出量计算单元退出运行。
所述特高压直流输电逆变侧控制系统和特高压直流输电整流侧控制系统通过关断角和直流电流指令值，在保持近区直流输电工程功率恒定的基础上，提升换流器消耗的无功功率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，在交流电网电压严重升高期间，能够实时测量信号及电网实际情况；
2、本发明一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，能够根据电网实际情况，实时生成控制率，通过控制逆变侧关断角γ和直流电流指令值，在保持近区健全直流输电工程功率恒定的基础上，短时提升换流器消耗的无功功率，抑制送端弱交流电网过电压的产生；
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构流程图；
图2为本发明算例系统；
图3为无控制情况下交流侧母线电压有效值仿真结果；
图4为实施例三中交流侧母线电压有效值；
图5为实施例三中附加关断角指令；
图6为实施例三中附加电流指令。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，包括电压电流测量端、电网SCADA系统、控制率生成单元、控制输出量计算单元、控制启动/退出单元、特高压直流输电逆变侧控制系统和特高压直流输电整流侧控制系统对应连接；所述电压电流测量端与控制启动/退出单元、控制输出量计算单元相连；电网SCADA系统与控制率生成单元相连；控制率生成单元与控制输出量计算单元；控制启动/退出单元与控制输出量计算单元相连；控制输出量计算单元分别与特高压直流输电逆变侧控制系统、特高压直流输电整流侧控制系统相连。
所述电压电流测量端：用于测量交流系统电压有效值UacM以及直流输电系统的直流电压Ud及直流电流Id；电压电流测量端采用交流电压互感器、直流分压器以及直流电流互感器对电压电流进行测量。所述电压电流测量端通过测量得到的交流系统电压有效值UacM,将交流系统的电压有效值UacM发送给控制启动/退出单元及控制输出量计算单元；测量得到的直流输电系统的直流电压Ud及直流电流Id将送给控制输出量计算单元。
所述电网SCADA系统：用于向控制装置提供电网运行方式；SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
所述控制率生成单元：用于根据电网运行方式生成抑制交流暂时过电压的控制率；依靠近区电网的断路器开断状态、近区发电厂的开机情况、近区负荷分布情况，得到不同的控制率，将不同的控制率发送至控制输出量计算单元进行处理。
所述控制输出量计算单元：用于根据控制率生成单元生成的控制率以及交流系统电压有效值UacM、直流输电系统传输功率Pd，进行控制算法计算，得到直流输电关断角变化量的指令值△γord以及直流电流变化量的指令值△Iord；
所述控制启动/退出单元：用于根据交流系统电压有效值UacM，启动或退出控制输出量计算单元；由控制输出量计算单元生成的交流系统电压有效值UacM，当交流系统电压有效值UacM的电压超过预设值，控制启动/退出单元接收到升高后的电压启动；当交流系统电压有效值UacM的电压低于预设值时，控制启动/退出单元从控制装置内退出。
特高压直流输电逆变侧控制系统：用于执行关断角变化量的指令；逆变侧关断角的抬升，能够增加无功功率的吸收，有效抑制电压的产生
特高压直流输电整流侧控制系统：用于执行直流电流变化量的指令；整流侧将电流电压维持在一定数值上，避免过电压保护。
控制输出量计算单元得到直流输电关断角变化量的指令值△γord将送至特高压直流输电逆变侧控制系统，直流电流变化量的指令值△Iord将送至特高压直流输电整流侧控制系统。
电网SCADA系统所提供的电网运行方式包括近区电网的断路器开断状态、近区发电厂的开机情况、近区负荷分布情况。
所述控制启动/退出单元在获得交流系统电压有效值UacM后，向控制输出量计算单元发送启动信号或者退出信号；控制输出量计算单元得到发出的控制启动信号后进行启动；得到退出信号后，控制输出输出量计算单元退出运行。
所述特高压直流输电逆变侧控制系统和特高压直流输电整流侧控制系统通过关断角和直流电流指令值，在保持近区直流输电工程功率恒定的基础上，提升换流器消耗的无功功率。
实施例二
如图2所示，本实施例在实施例一基础上进行具体描述，以双特高压直流馈出电网为例，利用PSCAD构建±800kV特高压直流输电系统及其近区电网仿真模型，如图2所示。图2中，1#直流换流站和2#直流换流站之间距离仅有20km，属于较为典型的集中落点的多直流外送系统。两条直流相关参数如表1所示。
表1正常运行时直流运行参数
为突出特点，考虑一种较为严重的工况，该工况下1#、2#直流换流站三相短路电流水平分别约为30kA、30kA，对应直流输电的短路比仅有2.2，属于中等强度系统。
正常运行时1#直流输电共配置3200MVAr无功补偿装置，2#直流共配置4000MVar的无功补偿装置，很好的实现了对直流工程消耗无功的补偿。
1#、2#换流站均配置了过电压保护，动作定值为换流站交流母线电压超过1.2pu，延时0.5s。
以2#直流闭锁为例，对交流过电压抑制策略的有效性进行验证。
在上述仿真系统中，进行如下故障设定：
t＝1.0s，2#直流双极线路永久性接地故障并成功移相。
由于直流输电线路故障存在三次重启逻辑，因此2#直流移相后并未直接闭锁，4000MVar的无功补偿装置也未切除。直到t＝2.0s时，直流极II由于重启动失败，方会闭锁，进而切除滤波器。
针对上述工况，在未采取任何控制的情况下进行电磁暂态仿真，可以得到交流侧母线电压有效值变化趋势如图3所示。其余物理量的仿真结果详见附录C。由于线路重启期间会吸收多余的无功，有利于过电压的降低，为突出矛盾，仿真中忽略了线路重启的暂态过程。
实施例三
如图3所示，本实施例在实施例二描述工况下，由于直流输电单极功率输送受阻，致使交流母线电压抬升，最大过电压有效值达到1.26pu，持续过电压达到1.247pu，超过过电压保护的定值。
首先，控制启动/退出单元从电压测量环节出获得交流系统电压有效值，发现交流母线过电压较高时，启动控制系统。
其次，装置从SCADA系统中获取，近区电网及直流的运行方式，通过控制率生成单元生成的控制率。
其中，P0是2#直流闭锁前直流系统的传输功率，UN是系统的额定电压。
第三，控制率生成单元将生成的控制率发送给控制率输出量计算单元，控制率输出量计算单元通过从电压电流测量系统中获得交流系统电压有效值UacM以及直流输电系统的直流电压Ud及直流电流Id进行处理后得到直流输电关断角变化量的指令值△γord以及直流电流变化量的指令值△Iord；
第四：控制输出量计算单元得到直流输电关断角变化量的指令值△γord将送至特高压直流输电逆变侧控制系统、直流电流变化量的指令值△Iord将送至特高压直流输电整流侧控制系统。
最后，当交流系统电压恢复正常后，控制装置退出运行。
在此情况下，可以相关控制量及交流侧母线电压得到相关仿真结果如图4、图5、图6所示。
如图4、图5、图6所示，为了抑制交流母线的过电压水平，过电压抑制环节产生了17°左右的附加关断角指令，将逆变侧的关断角由17°抬升至35°，增加了极I无功功率的吸收，有效抑制的过电压的产生。仿真结果表明，在过电压抑制环节启动期间，整流侧换流站交流母线电压维持在1.16pu左右，避免了过电压保护动作。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，所述装置采用全数字控制，其特征在于，包括电压电流测量端、电网SCADA系统、控制率生成单元、控制输出量计算单元、控制启动/退出单元、特高压直流输电逆变侧控制系统和特高压直流输电整流侧控制系统对应连接；
所述电压电流测量端：用于测量交流系统电压有效值UacM以及直流输电系统的直流电压Ud及直流电流Id；
所述电网SCADA系统：用于向控制率生成单元提供电网运行方式；
所述控制率生成单元：用于根据电网运行方式生成抑制交流暂时过电压的控制率；
所述控制输出量计算单元：用于根据控制率生成单元生成的控制率以及交流系统电压有效值UacM、直流输电系统传输功率Pd，进行控制算法计算，得到直流输电关断角变化量的指令值△γord以及直流电流变化量的指令值△Iord；
所述控制启动/退出单元：用于根据交流系统电压有效值UacM，启动或退出控制输出量计算单元；
特高压直流输电逆变侧控制系统：用于执行关断角变化量的指令；
特高压直流输电整流侧控制系统：用于执行直流电流变化量的指令；
所述电压电流测量端与控制启动/退出单元、控制输出量计算单元相连；电网SCADA系统与控制率生成单元相连；控制率生成单元与控制输出量计算单元；控制启动/退出单元与控制输出量计算单元相连；控制输出量计算单元分别与特高压直流输电逆变侧控制系统、特高压直流输电整流侧控制系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，其特征在于，控制输出量计算单元得到直流输电关断角变化量的指令值△γord将送至特高压直流输电逆变侧控制系统，直流电流变化量的指令值△Iord将送至特高压直流输电整流侧控制系统。
3.如权利要求1所述的一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，其特征在于，电压电流测量端采用交流电压互感器、直流分压器以及直流电流互感器对电压电流进行测量。
4.如权利要求3所述的电压电流测量端，其特征在于，所述电压电流测量端通过测量得到的交流系统电压有效值UacM,将交流系统的电压有效值UacM发送给控制启动/退出单元及控制输出量计算单元；测量得到的直流输电系统的直流电压Ud及直流电流Id将送给控制输出量计算单元。
5.如权利要求1所述的一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，其特征在于，电网SCADA系统所提供的电网运行方式包括近区电网的断路器开断状态、近区发电厂的开机情况、近区负荷分布情况。
6.如权利要求1所述的一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，其特征在于，所述控制启动/退出单元在获得交流系统电压有效值UacM后，向控制输出量计算单元发送启动信号或者退出信号；控制输出量计算单元得到发出的控制启动信号后进行启动；得到退出信号后，控制输出输出量计算单元退出运行。
7.如权利要求1所述的一种抑制交流暂时过电压的特高压直流输电控制装置，其特征在于，所述特高压直流输电逆变侧控制系统和特高压直流输电整流侧控制系统通过关断角和直流电流指令值，在保持近区直流输电工程功率恒定的基础上，提升换流器消耗的无功功率。
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