CN108599226B - 真双极mmc-hvdc系统线路过载紧急控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开真双极MMC‑HVDC系统线路过载紧急控制方法，包括步骤：基于直流潮流法推导出直流电网线路断开后的潮流分布系数和换流站对线路的功率灵敏度矩阵；当断路器动作切除故障线路后，利用潮流分布系数快速判断潮流转移后的过载线路；通过功率灵敏度矩阵，调节故障极各换流站的输入功率，以消除线路过载；通过调节健康极换流站的输入功率，减少对交流系统的影响，保证传输功率稳定。本发明能够准确调节各换流站的输入功率，消除线路过载问题；同时能够减少对交流系统的影响，保证传输功率的稳定。

Description

真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法

技术领域

本发明属于电力网络技术领域，特别是涉及真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法。

背景技术

已建成的直流工程中都采用电缆输电，直流电缆造价高，故障多为永久性，不便于检修和维护。所以为了提高直流电网的可靠性和传输更大容量的电能，将架空线运用于直流电网是未来发展的趋势。目前正在建设的基于MMC的张北多端柔性直流输电工程便采用了架空线输电，其换流站拓扑为真双极结构。基于MMC的柔性直流输电系统由于没有直流侧的串联电容，会缺乏有效的接地点。而具有真双极结构的MMC直流系统能解决缺乏有效接地点的问题，其直流侧由两个换流器串联组成，从串联的中点连接接地极，类似于传统的高压直流输电系统。

虽然架空线相较于电缆可传输更大容量的电能，所发生的故障也多为暂时性故障，方便人员检修。但其本身的高故障率也远远超过电缆输电，由其是单极接地故障。目前大多数文献都是围绕直流侧故障特性，故障电流、电压数值计算方法，恢复策略进行研究。并无法准确调节各换流站的输入功率，从而有效消除线路过载问题；并且无法减少线路过对交流系统的影响，造成线路传输功率的不稳定。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，能够准确调节各换流站的输入功率，消除线路过载问题；同时能够减少对交流系统的影响，保证传输功率的稳定。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，包括步骤：

S100，基于直流潮流法推导出直流电网线路断开后的潮流分布系数和换流站对线路的功率灵敏度矩阵；

S200，当断路器动作切除故障线路后，利用潮流分布系数快速判断潮流转移后的过载线路；通过功率灵敏度矩阵，调节故障极各换流站的输入功率，以消除线路过载；

S300，通过调节健康极换流站的输入功率，减少对交流系统的影响，保证传输功率稳定。

进一步的是，在所述步骤S100中，基于直流潮流法推导出直流电网线路断开后的潮流分布系数，包括步骤：

S110，通过直流潮流法导出系统中直流电网线路的潮流分布系数；

S120，判断故障线路，求得故障线路断开后其他线路的新增有功功率分布系数。

进一步的是，在所述步骤S200中，利用潮流分布系数快速判断潮流转移后的过载线路；通过功率灵敏度矩阵，准确调节各换流站的输入功率，以消除线路过载，包括步骤：

S210通过新增的有功功率分布系数，判断新的稳态是否会出现线路功率过载的情况；

如果不会发生线路功率过载，则保持各故障极换流站输入功率不变，此时直流故障对交流系统的影响减少到最小；

如果会发生线路功率过载，则进行线路过载调控。

进一步的是，所述线路过载调控，包括步骤：

S211，获取过载线路的基本信息，并计算新状态下的功率灵敏度矩阵；

S212，利用功率灵敏度矩阵，在保持一定线路传输功率稳定裕度的情况下，准确控制故障极换流站的输入功率使过载线路的传输潮流不会发生过载。

进一步的是，所述过载线路的基本信息包括过载线路的条数体的线路号。

进一步的是，在所述步骤S212中，利用功率灵敏度矩阵，在保持一定线路传输功率稳定裕度的情况下，准确控制故障极换流站的输入功率使过载线路的传输潮流不会发生过载，包括步骤：

通过功率灵敏度矩阵，计算故障极换流站需减少的功率；

将新的定功率值发送到故障极换流站各端，并使故障极减少的功率全部加载到健康极换流站。

进一步的是，步骤S300中，通过调节健康极换流站的输入功率，减少对交流系统的影响，保证传输功率稳定，包括步骤：

对健康极线路进行校验，判断是否会发生线路过载的情况；

如果发生线路过载，计算健康极换流站需减少的功率，将健康极功率参考值发送到健康极换流站各端；在故障极换流站功率减小的同时增加对应健康极换流站的功率，减少交流系统的有功波动，增加直流系统的可靠性和交流系统的稳定性；

如果未发生线路过载，将健康极功率参考值发送到健康极换流站各端。

采用本技术方案的有益效果：

本方法能有效降低故障极的输入功率，使直流线路所传输功率保持在可输送最大功率以内，防止线路出现潮流过载；

本方法能最大限度地利用健康极换流站的功率传输能力，在考虑各种约束条件的情况下，增加健康极的有功输入，减少对交流系统的有功扰动；提高了直流电网的可靠性和交流系统的稳定性；减少了紧急控制方法所消耗的时间，保证了直流电网的稳定；本发明只需精确控制过载线路的潮流大小，对于其他故障后未过载线路，采用校验的方法判断控制后其是否会出现过载，为了节约计算时间；

本方法不仅能适用于故障后断路器动作切除故障线路的情况，还可解决换流站直接闭锁后线路潮流的控制问题；并且当直流电网发生复杂故障时，本方法也能作用防止直流线路潮流过载。

附图说明

图1为本发明的真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例中真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法的总流程图；

图3为本发明实施例中七端双极MMC-HVDC系统拓扑结构图；

图4为本发明实施例中稳态时健康极线路潮流分布波形图；

图5为本发明实施例中稳态时故障极线路潮流分布波形图；

图6为本发明实施例中故障后健康极线路潮流分布波形图；

图7为本发明实施例中故障后故障极线路潮流分布波形图；

图8为本发明实施例中紧急控制方法加入后健康极线路潮流分布波形图；

图9为本发明实施例中紧急控制方法加入后故障极线路潮流分布波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，包括步骤：

S100，基于直流潮流法推导出直流电网线路断开后的潮流分布系数和换流站对线路的功率灵敏度矩阵；

S200，当断路器动作切除故障线路后，利用潮流分布系数快速判断潮流转移后的过载线路；通过功率灵敏度矩阵，调节故障极各换流站的输入功率，以消除线路过载；

S300，通过调节健康极换流站的输入功率，减少对交流系统的影响，保证传输功率稳定。

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S100中，基于直流潮流法推导出直流电网线路断开后的潮流分布系数，包括步骤：

S110，通过直流潮流法导出系统中直流电网线路的潮流分布系数；

S120，判断故障线路，求得故障线路断开后其他线路的新增有功功率分布系数。

其中分布系数的获取过程为：

由于真双极MMC-HVDC系统正负两极对称，所以在此可仅利用单极模型来推导计算公式，该计算公式可使用于上下两极中；在稳态情况下直流线路仅表现为电阻的形式。

现以一个具有n+1个换流站节点、b条支路的直流系统来说明直流分布系数的计算公式。

故障前该网络的节点电压方程为：V⁽⁰⁾＝Y^-1I⁽⁰⁾(1)；

其中，Y是故障前的节点导纳矩阵；I⁽⁰⁾是故障前的节点注入电流；V⁽⁰⁾是故障前的节点电压。

当网络节点i、j之间的支路开断时，可以等效地认为该支路并未断开，而是在i、j节点之间并联了一个追加的支路电阻-R_ij，其数值等于被断开支路电阻的负值，这样原网络的节点导纳矩阵可保持不变。

等效后流入原网络的注入电流将由I⁽⁰⁾变成I′：

I⁽⁰⁾＝[I₁,I₂,,I_i,,I_j,,I_n]^T(2)；

I′＝[I₁,I₂,,I_i+I_ij,,I_j-I_ij,,I_n]^T(3)；

经过等效故障后可用原网络的导纳矩阵求解节点电压方程式(4)，所得节点电压向量就是待求解的发生支路开断后的节点电压向量。

V＝Y^-1I′(4)；

对于线性网络，可以用叠加原理把节点电压和注入电流分解为两个部分：

V＝V⁽⁰⁾+V⁽¹⁾(5)；

I′＝I⁽⁰⁾+I⁽¹⁾(6)；

其中，V⁽⁰⁾＝Y^-1I⁽⁰⁾，V⁽¹⁾＝Y^-1I⁽¹⁾；

为求得I_ij，进一步将原网络等效为以i、j为端口的戴维南等值电路。

戴维南等值电源可表示为：

令I_ij＝1，可求得仅在i、j点分别通入正、负单位电流时的节点电压向量：

V^(ij)＝Y^-1I^(ij)＝Y^-1I^(ij)M_ij＝Y^-1M_ij(8)；

由此便可求得：

从而：

其中，

当线路ij断开后线路km上的电流增量为：

其中R_km为线路km的电阻。

带入式(10)可得

其中，

又由于直流系统的各节点电压近似相等，所以上式两端同时乘以直流系统额定电压U_N可得：

为便于计算分布系数，进一步做如下处理，令

其中，k表示支路km，i表示支路ij，R_i-i是开断支路ij所形成端口的输入电阻，R_k-i是开断支路ij所形成端口与网络中任意支路km所形成端口之间的转移电阻；

并考虑在此

则可得

由此便得到了直流系统中支路ij开断后其他支路的有功增量分布系数。

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S200中，利用潮流分布系数快速判断潮流转移后的过载线路；通过功率灵敏度矩阵，准确调节各换流站的输入功率，以消除线路过载，包括步骤：

S210通过新增的有功功率分布系数，判断新的稳态是否会出现线路功率过载的情况；

如果不会发生线路功率过载，则保持各故障极换流站输入功率不变，此时直流故障对交流系统的影响减少到最小；

如果会发生线路功率过载，则进行线路过载调控。

所述线路过载调控，包括步骤：

S211，获取过载线路的基本信息，并计算新状态下的功率灵敏度矩阵；

S212，利用功率灵敏度矩阵，在保持一定线路传输功率稳定裕度的情况下，准确控制故障极换流站的输入功率使过载线路的传输潮流不会发生过载。

所述过载线路的基本信息包括过载线路的条数体的线路号。

其中，功率灵敏度矩阵的获取过程：

以定电压站的直流母线为平衡节点，当仅考虑线路电阻时，直流系统的节点电压方程为：

I_N＝Y_NU_N(17)；

其中：I_N为注入节点的电流列向量；U_N为节点电压列向量；Y_N为节点电导矩阵。

网络支路电流与节点电压之间的关系为：

I_B＝Y_BA^TU_N(18)；

其中，I_B为支路电流列向量；Y_B为支路电导矩阵；A^T为节点支路基本关联矩阵，与线路传输的功率方向有关。

根据式(17)和式(18)可得：

同样可以近似认为各直流母线电压相等；在式(19)两端乘以额定直流电压 U_N可以直接得到线路功率与节点注入功率之间的关系：

其中，P_B为线路传输功率列向量；P_N为节点注入功率列向量。

由此便得到了直流系统的功率灵敏度矩阵为：

在所述步骤S212中，利用功率灵敏度矩阵，在保持一定线路传输功率稳定裕度的情况下，准确控制故障极换流站的输入功率使过载线路的传输潮流不会发生过载，包括步骤：

通过功率灵敏度矩阵，计算故障极换流站需减少的功率；

将新的定功率值发送到故障极换流站各端，并使故障极减少的功率全部加载到健康极换流站。

作为上述实施例的优化方案，步骤S300中，通过调节健康极换流站的输入功率，减少对交流系统的影响，保证传输功率稳定，包括步骤：

对健康极线路进行校验，判断是否会发生线路过载的情况；

如果发生线路过载，计算健康极换流站需减少的功率，将健康极功率参考值发送到健康极换流站各端；在故障极换流站功率减小的同时增加对应健康极换流站的功率，减少交流系统的有功波动，增加直流系统的可靠性和交流系统的稳定性；

如果未发生线路过载，将健康极功率参考值发送到健康极换流站各端。

下面举例说明紧急控制策略的过程：

假设一个具有b条线路，n个换流站节点的真双极MMC-HVDC系统发生了单极接地故障；保护检测到故障发生后快速动作故障线路两端的直流断路器CB 切断故障线路与换流站的连接；由于真双极MMC-HVDC系统正故障极独立运行，所以故障极直流系统几乎没有受到影响，保持故障前直流电压和功率传输不变；为完整地分析所设计的紧急控制策略，假设故障并未导致换流站闭锁；故障极在经历一个直流电压快速下降的过程后开始过渡到新的稳态；此时就需要考虑潮流转移过程中的线路过载问题。

当故障发生时，系统通过故障检测判断故障线路，发送断路器动作信号的同时可直接利用公式(16)求得故障线路断开后其他线路的新增有功功率分布系数。以此来计算新的稳态是否会出现线路功率过载的情况。如果不会发生线路功率过载，则保持各故障极换流站输入功率不变，此时直流故障对交流系统的影响减少到最小。如果计算结果显示新的稳态将会出现线路功率过载的情况，则利用上述功率灵敏度矩阵，在保持一定线路传输功率稳定裕度的情况下计算故障极各换流站需减少的功率。然后在故障极换流站功率减少的同时增加对应健康极换流站的功率，尽量减少交流系统的有功波动，增加直流系统的可靠性和交流系统的稳定性。

具体为：

通过断路器动作后有功潮流分布系数的计算，可以判断故障极是否会发生线路过载的情况。假设第i条线路会发生过载，通过分布系数可计算出其故障后传输的潮流为P′_bi。则其过载量为：

ΔP_i＝P′_bi-P_bmax(22)；

其中P_bmax表示第i条线路的最大可传输容量。

利用功率灵敏度矩阵可以找到各换流站注入功率与第i条线路传输功率之间的关系：

a_i,1P₁+a_i,2P₂++a_i,(n-1)P_n-1＝P′_Bi(23)；

其中a_i是功率灵敏度矩阵的第i行元素。

让各换流站注入功率的绝对值同时减少ΔP，以控制线路i传输潮流不超过其最大可传输容量。则上式可变换为：

其中(-1)^d表示换流站注入功率的方向，d＝1表示逆变站，d＝2表示整流站。

式(24)两边相消可得：

则有：

通过式(26)即可求出故障极各换流站的功率绝对值减少量。当直流系统中存在多条过载线路时可通过上述方法求得多个换流站功率绝对值的减少量，然后取其中的最大值，即有：

ΔP＝max{ΔP₁,ΔP₂,,ΔP_m}(27)；

此时由于减少了故障极所有换流站注入功率的绝对值，可以保证在控制后非过载线路不会发生过载，整个故障极的线路传输功率无需校验。

故障极功率减少量计算完毕后将故障极减少的功率分别加载到健康极对应的换流站上，然后通过健康极的功率灵敏度矩阵判断加载功率后健康极各线路是否会发生过载，如发生过载则使用与故障极相同的方法降低各换流站注入功率的绝对值，以保证健康极线路功率不会过载。

下面将通过一个仿真算例来阐明本文所提出的防止线路过载紧急控制策略，并通过仿真结果验证其有效性。

仿真系统：在PSCAD中搭建如图3所示的七端真双极MMC-HVDC系统，其基本参数如表1所示。

表1七端直流系统线路参数

图3中换流站MMC₇为定电压站，额定电压为±400kV，单极额定容量为 1200MVA；剩余换流站均为定功率站，各换流站正故障极上网功率P和额定容量 S如表2所示；换流站出口直流母线编号和线路编号如图3所示，图中还标注了各线路传输潮流的参考方向。

表2单极换流站的基本参数

稳态和故障情况仿真

该直流系统稳态仿真波形如图4和图5所示；整个直流系统在t＝1.5s时达到稳定，稳态情况下正故障极对应线路上的潮流相同，如表3所示。

表3线路潮流数据

为验证所提紧急控制策略的正确性，以线路(2)上通过的最大线路潮流作为所有线路额定潮流的参考值，考虑线路过载保护动作的整定值为其1.2倍，即各换流站的最大输送功率为其额定值的1.1倍；现假设在时健康极线路(8)的中点发生接地故障，5ms后直流断路器动作切除健康极线路(8)，正故障极各剩余线路的新稳态潮流分布如图6和图7的仿真波形所示。

由图6可知，直流断路器切除线路(8)以后健康极线路发生潮流转移，健康极线路(2)会发生过载，超过了过载保护的整定值，会导致直流断路器误动作切除线路(2)。此时整个健康极直流系统将会发生连锁故障，不仅影响直流系统的可靠性，还会给所连接的交流系统带来极大扰动，影响其安全稳定运行，需要防止此种情况的发生。图7所示健康极线路故障后，故障极线路的潮流并未发生变化，故障极换流站能保持故障前的输入功率不变，正故障极相对独立。

紧急控制策略仿真

为防止上述仿真中线路过载直流系统停运的情况发生，现采用本文所提紧急控制策略控制定功率换流站的定功率参考值变化，防止线路过载，并利用健康极的功率传输能力，最大限度地维持交直流系统的功率交换。

首先计算线路(8)断开后其余线路的潮流分布系数如表4所示，其中下标表示线路编号。

表4各线路有功分布系数

利用分布系数可计算出新稳态的潮流大小，如表5所示。通过比较可知表5 中的计算数据与图6和图7所示的仿真数据相符合。

表5故障后线路潮流数据

将表5中的数据与保护整定值比较后判断线路(2)将发生过载，多余功率为ΔP₍₂₎＝15.1MW，其余线路所传输的功率均在约束范围内；另外通过分布系数还可知道系统过渡到新稳态后各条线路的潮流方向，以此列写功率灵敏度矩阵：

为安全起见，过载线路保留0.5倍的线路功率裕度，此时线路(2)的多余功率变为ΔP′₍₂₎＝42.6MW。利用式(28)计算此时健康极各换流站所需的功率绝对值减少量：

ΔP＝19.02MW (29)；

取ΔP＝20MW减少各健康极换流站的注入功率，并将健康极各换流站减少的功率加载到对应的故障极换流站上。由表2所示的各换流站额定容量可知，故障极各换流站可承受全部健康极换流站减少的功率。同样通过列写故障极线路的功率灵敏度矩阵可求出此时故障极线路的潮流分布，求解过程此处不再赘述。最终计算可得，在新的功率参考值下故障极各线路的潮流值都低于过载保护的整定值，故障极直流系统在增加各站的输入功率后，能够保持稳定，最大限度地减少了故障对交流系统的影响。

图8和图9为将上述控制策略应用到七端直流系统后的正故障极线路潮流分布图，该控制在t＝2.005s时投入；由图8和图9可知紧急控制投入后，正故障极各线路过渡到新稳态后的线路潮流都低于过载保护的整定值，证明了上述计算的正确性，验证了本文所提紧急控制策略的有效性；最后，对于故障导致换流站闭锁的情况，由于换流站退出不影响直流母线的正常运行，所以只需把该换流站的输入功率置零后带入上述公式计算即可得到结果。由于篇幅所限，这里就不再仿真验证此种情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，其特征在于，包括步骤：

S100，基于直流潮流法推导出直流电网线路断开后的潮流分布系数和换流站对线路的功率灵敏度矩阵；包括步骤：S110，通过直流潮流法导出系统中直流电网线路的潮流分布系数；S120，判断故障线路，求得故障线路断开后其他线路的新增有功功率分布系数；

S200，当断路器动作切除故障线路后，利用潮流分布系数快速判断潮流转移后的过载线路；通过功率灵敏度矩阵，调节故障极各换流站的输入功率，以消除线路过载；包括步骤：

S210通过新增的有功功率分布系数，判断新的稳态是否会出现线路功率过载的情况；如果不会发生线路功率过载，则保持各故障极换流站输入功率不变，此时直流故障对交流系统的影响减少到最小；如果会发生线路功率过载，则进行线路过载调控；

S300，通过调节健康极换流站的输入功率，减少对交流系统的影响，保证传输功率稳定。

2.根据权利要求1所述的真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，其特征在于，所述线路过载调控，包括步骤：

S211，获取过载线路的基本信息，并计算新状态下的功率灵敏度矩阵；

S212，利用功率灵敏度矩阵，在保持一定线路传输功率稳定裕度的情况下，准确控制故障极换流站的输入功率使过载线路的传输潮流不会发生过载。

3.根据权利要求2所述的真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，其特征在于，所述过载线路的基本信息包括过载线路的线路号。

4.根据权利要求3所述的真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，其特征在于，在所述步骤S212中，利用功率灵敏度矩阵，在保持一定线路传输功率稳定裕度的情况下，准确控制故障极换流站的输入功率使过载线路的传输潮流不会发生过载，包括步骤：

通过功率灵敏度矩阵，计算故障极换流站需减少的功率；

将新的定功率值发送到故障极换流站各端，并使故障极减少的功率全部加载到健康极换流站。

5.根据权利要求1或4所述的真双极MMC-HVDC系统线路过载紧急控制方法，其特征在于，步骤S300中，通过调节健康极换流站的输入功率，减少对交流系统的影响，保证传输功率稳定，包括步骤：

对健康极线路进行校验，判断是否会发生线路过载的情况；

如果发生线路过载，计算健康极换流站需减少的功率，将健康极功率参考值发送到健康极换流站各端；在故障极换流站功率减小的同时增加对应健康极换流站的功率，减少交流系统的有功波动，增加直流系统的可靠性和交流系统的稳定性；

如果未发生线路过载，将健康极功率参考值发送到健康极换流站各端。

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