CN107306030B - 一种抑制直流输电连续换相失败的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制直流输电连续换相失败的控制方法：利用三相电压互感器采集逆变侧换流母线线电压有效值，直流电流传感器采集逆变侧直流系统电流。考虑故障后直流电流和换流母线电压的变化情况，同时考虑故障后直流系统控制环节的作用，计算低压限流器启动电压值，用以抑制由于低压限流器启动电压变化剧烈而引起的直流输电连续换相失败。

Description

一种抑制直流输电连续换相失败的控制方法

技术领域

本发明涉及一种抑制直流输电连续换相失败的控制方法。

背景技术

直流输电具有输送功率大、功率快速可控且输电损耗低等优点，被广泛运用于跨大区远距离输电及非同步电网互联等场合，对于我国推进“西电东送，南北互供，全国联网”的能源发展战略发挥着十分重要的作用，有效解决了我国能源中心和负荷中心逆向分布的问题，带来了巨大的经济和社会效益。然而，由于换流站内换流器件采用半控型器件晶闸管，无法通过控制门极使其关断，仅依靠电网电压恢复晶闸管阻断能力，这导致换相失败成为直流输电的典型故障。随着直流输电工程的大量投运，华东地区电网已形成多直流馈入系统，直流输电换相失败给交直流混联电网安全稳定运行带来的影响日益成为值得关注的问题。

作为直流输电系统最常见的故障之一，换相失败与很多因素有关，主要包括换相电压、换流变压器变比、直流电流、换相电抗、越前触发角等。其中，逆变侧交流系统故障是引起换相失败的主要原因。直流输电首次换相失败一般难以避免，但采取合适的控制措施可以抑制直流输电连续换相失败。对于交直流混联电网，连续多次换相失败会造成直流系统闭锁、直流系统功率传输中断、交流系统传输功率剧烈变化甚至反向，冲击交流系统并多次造成交流系统保护误动，严重威胁电网的安全稳定运行。因此，研究合适的控制方法在抑制直流输电连续换相失败的同时缩短故障恢复时间，改善直流系统故障恢复特性，具有十分重要意义。

目前对直流输电换相失败预测控制策略的研究成果均集中于预防直流输电首次换相失败，很少有文献对抑制直流输电连续换相失败进行研究。文献[1]提出一种基于渐变恢复理论的新型动态低压限流器控制方法，通过延缓单条直流功率恢复速率，可降低故障期间直流系统对交流系统的无功需求，进而达到抑制连续换相失败的目的。但是动态低压限流器延时环节时间常数选择困难，难以准确获得，制约了该方法的实际运用；文献[2]指出对低压限流器参数进行优化可以在一定程度上减少逆变侧交流系统故障引起的直流输电连续换相失败几率，但并未给出低压限流器参数优化的具体方法；文献[3]提出了一种抑制直流输电连续换相失败的虚拟电阻电流限制控制方法。该方法在直流系统控制环节中引入虚拟电阻以反应故障情况以及恢复过程中直流电流的变化特征，并将考虑虚拟电阻压降之后的电压作为低压限流器启动电压，具有简单易实现的优点。但是，故障稳态时直流电流不再等于额定值，虚拟电阻上压降一直存在，将造成其低压限流器启动电压偏低，在抑制直流输电连续换相失败的同时将改变直流系统故障稳态运行点，增加系统故障后直流系统控制调节时间，不利于故障后直流系统恢复。

参考文献：

[1]郭利娜,刘天琪,李兴源.抑制多馈入直流输电系统后续换相失败措施研究[J].电力自动化设备,2013,(11):95-99.

[2]李新年,陈树勇,庞广恒,等.华东多直流馈入系统换相失败预防和自动恢复能力的优化[J].电力系统自动化,2015,(06):134-140.

[3]郭春义,李春华,刘羽超,等.一种抑制传统直流输电连续换相失败的虚拟电阻电流限制控制方法[J].中国电机工程学报,2016,(18):4930-4937+5117.

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种能够抑制直流输电连续换相失败的控制方法。本发明在直流输电控制环节中低压限流器的输入值的计算中，考虑了故障后直流电流和换流母线电压的变化情况，同时考虑了故障后直流系统控制环节的作用，能够较快获得低压限流器启动电压故障稳态值，缩短故障恢复时间且不改变系统故障稳态运行点。本发明的技术方案如下：

一种抑制直流输电连续换相失败的控制方法，包括步骤：

(1)利用三相电压互感器采集逆变侧换流母线线电压有效值E_n，直流电流传感器采集逆变侧直流系统电流I_dn。

(2)将采集得到的E_n和I_dn代入低压限流器启动电压计算公式：

上式中：γ₀为逆变侧定关断角控制中的关断角整定值；R_V为补偿电阻；d_rn为逆变器等效换相电阻；B为直流输电系统每一极6脉动换流器串联的个数；I_dN为逆变侧直流电流额定值；U_dN为逆变侧直流电压额定值；T_n为逆变侧换流变压器变比。

(3)将该式计算值U_s作为直流输电控制环节中低压限流器的输入值，用以抑制由于低压限流器启动电压变化剧烈而引起的直流输电连续换相失败。

由于系统中储能元件的作用，故障后逆变侧直流电流I_dn和逆变侧换流母线电压E_n变化缓慢，本发明将U_s作为直流输电控制环节中低压限流器的输入值，能够抑制由于低压限流器启动电压变化剧烈而引起的直流输电连续换相失败，并且由于上式中令关断角恒等于额定关断角，体现了故障后逆变侧定关断角控制的持续作用，能够较快取得低压限流器启动电压故障稳态值，缩短故障恢复时间。与现有技术相比具有以下优点：

(1)计算公式体现了故障后直流电流和换流母线电压的变化情况，能够反映故障后系统动态特性，能够抑制直流输电连续换相失败。

(2)该公式由直流系统稳态特性方程推导而来，同时考虑了故障后直流系统控制环节的作用，能够较快求得低压限流器启动电压故障稳态值，缩短故障恢复时间且不改变系统故障稳态运行点。

附图说明

图1 CIGREHVDC标准测试模型控制环节结构框图。

图2低压限流器特性曲线。

图3 CIGREHVDC标准测试模型稳态运行曲线。

图4直流输电系统等值电路图。

图中标号说明：

图1中I_dz为整流侧直流电流；U_dn为逆变侧直流电压；I_dn为逆变侧直流电流；γ为逆变侧关断角测量值；I_des为主控制极给出的直流电流整定值；R_V为补偿电阻；γ₀为逆变侧定关断角控制中的关断角整定值；α_rec为整流侧定电流控制输出的整流侧触发角指令；β_{inv_I}和β_{inv_γ}分别为逆变侧定电流控制和定关断角控制输出的逆变侧触发角指令；一阶惯性环节是用来模拟直流电压和电流的测量过程，其中惯性时间常数T反映测量设备的响应速度，增益G将直流电压和电流的实际值变为无量纲的标幺值。

图2中U为低压限流器启动电压；I为低压限流器输出的直流电流指令。

图3中U_d和I_d分别为直流系统电压和电流的标幺值。

图4中U_d0z、U_d0n分别为整流侧和逆变侧的无相控理想空载直流电压，与各自所连交流换流母线电压成正比；U_d0zcosα、U_d0ncosγ分别为整流侧和逆变侧的有相控理想空载直流电压；U_dz、U_dn分别为整流侧和逆变侧出口处电压，即直流线路始末端电压；d_rz、d_rn分别为整流器和逆变器的等效换相电阻，与各自的换相电感成正比；L_d为平波电抗器的电感值；L，R，C为直流线路的等值电抗、电阻和电容。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

(1)由图1可知，直流系统整流侧配备有带α_min限制的定电流控制器，逆变侧配备有定电流控制器和定关断角控制器。另外逆变侧还配备有电流偏差控制器(Current ErrorControllor，CEC)，能够实现逆变侧从定关断角控制到定电流控制的平稳切换。I_des一般取1p.u，在故障时大于低压限流器输出电流指令I，因此故障后整流侧和逆变侧定电流控制器的电流指令均由低压限流器(Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL)决定。

当低压限流器启动电压大范围波动时将导致低压限流器输出电流指令同样变化，进而引起整流侧触发角指令α_rec和逆变侧触发角指令β_{inv_I}大幅度波动，直流系统首次换相失败恢复后可能因为直流系统控制环节输出触发角指令的剧烈变化再次发生一次或多次换相失败故障，直流输电可能由单次换相失败发展为连续换相失败。

根据图1虚线框内低压限流器启动电压U的获得过程，U可用下式表示：

(2)由图2可知，低压限流器启动电压U和输出的直流电流指令I关系可以用函数I＝f(U)表示：

(3)如图3所示，当交直流混联电网正常运行时，直流系统整流侧运行在定电流I_dN控制决定直流系统电流，逆变侧运行在定关断角γ₀控制决定直流系统电压，系统运行在A点。当整流侧换流母线电压下降时，直流系统稳态运行曲线如图3中实线A-B-C-D-E-F-G-H-I所示，整流侧运行于定α_min控制，逆变侧运行于定电流控制；当逆变侧换流母线电压下降时，直流系统稳态运行曲线如图3中红实线A-Z所示，整流侧运行于定电流控制，逆变侧运行于定关断角γ₀控制。逆变侧交流系统故障后直流系统故障稳态运行点将从图中A点下移至实线A-M-K-X-Y-Z上某一点，假设该点为K，K点即为该故障条件下直流系统故障稳态运行点，从A点移至K点的时间即为故障恢复时间，此时，整流侧运行于定电流指令I_{d_k}控制，逆变侧仍运行于定关断角γ₀控制。

(4)如图4所示为双端直流输电系统的等效电路图，当直流输电系统每一极由B(B为正整数)个6脉动换流器串联组成时，整流侧和逆变侧的无相控理想空载直流电压U_d0z、U_d0n分别为：

其中，E_z和E_n分别为换流站整流侧和逆变侧换流母线线电压有效值。T_z和T_n为整流侧和逆变侧换流变压器变比。

(5)由于逆变侧交流系统故障后逆变侧直流系统控制环节维持定关断角控制，控制逆变侧关断角γ等于额定关断角γ₀，因此逆变侧出口处伏安特性可表示为：

U_dn＝U_d0ncosγ₀-I_dnd_rnB

(6)联立以上步骤所提公式，可得仍按直流线路中点直流电压启动的低压限流器启动电压计算公式，在该公式中用逆变侧交流母线线电压E_n代替了逆变侧直流电压U_dn。用U_s表示该公式所得低压限流器启动电压，即：

(7)实时采集逆变侧换流母线电压E_n和逆变侧直流电流I_dn，代入步骤(6)所提公式即可得到低压限流器启动电压U_s。该计算公式同时利用交流量和直流量进行计算，其中直流量可以利用若干个采样点求平均值得到，交流量一般需要一个交流周波的采样数据计算得到有效值。由于直流输电首次换相失败后再次发生换相失败的时间间隔通常大于一个交流周波，因此该公式所需故障后交流量E_n和直流量I_dn是能够准确获得。

显然，当系统处于稳态时，逆变侧直流电压U_dn采样值等于由步骤(5)所得计算值，因此步骤(6)所得启动电压U_s等于步骤(1)中低压限流器启动电压U，不会对直流稳定运行带来任何不良影响。当系统处于故障暂态时，由于系统中储能元件的作用，直流电流和逆变侧换流母线电压变化情况相比于逆变侧直流电压缓慢得多，由步骤(6)所得低压限流器启动电压U_s变化较为缓慢，能够抑制由于低压限流器启动电压变化剧烈而引起的直流输电连续换相失败，并且由于令关断角γ等于额定关断角γ₀，体现了故障后逆变侧定关断角控制的持续作用，能够较快取得低压限流器启动电压故障稳态值，缩短故障恢复时间。

将步骤(6)中所示低压限流器启动电压计算公式计算值作为直流输电控制环节中低压限流器的输入值，即能在抑制直流输电连续换相失败的同时缩短故障恢复时间。

Claims (1)

1.一种抑制直流输电连续换相失败的控制方法，包括步骤：

(1)利用三相电压互感器采集逆变侧换流母线线电压有效值E_n，直流电流传感器采集逆变侧直流系统电流I_dn；

(2)将采集得到的E_n和I_dn代入低压限流器启动电压计算公式：

上式中：γ₀为逆变侧定关断角控制中的关断角整定值；R_V为补偿电阻；d_rn为逆变器等效换相电阻；B为直流输电系统每一极6脉动换流器串联的个数；I_dN为逆变侧直流电流额定值；U_dN为逆变侧直流电压额定值；T_n为逆变侧换流变压器变比；

(3)将该式计算值U_s作为直流输电控制环节中低压限流器的输入值，用以抑制由于低压限流器启动电压变化剧烈而引起的直流输电连续换相失败。

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