CN109327039B - 一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，阀组在线投入控制方法包括：常规直流站收到阀组投入命令后，以BPS支路电流作为控制目标，调节触发角控制BPS支路电流下降；柔直站收到阀组投入命令，完成相关刀闸操作和充电后，控制BPS支路电流降低；降低至50A以下时，发出分BPS指令；各站待投入阀组的BPS分开后，发送升压允许信号至控直流电压站，控直流电压站BPS分开且收到其余各站高阀组的升压允许信号后，使直流电压匀速升高至额定值，整个直流系统转入全压运行；解决了现有技术不能适应于特高压柔性直流输电系统，更不能适用于特高压多端混合直流输电系统等技术问题。

Description

一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法

技术领域

本发明属于特高压多端混合直流输电系统控制技术，尤其涉及一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法。

背景技术

常规直流具有传输容量大、电压等级高、制造成本低、运行损耗低、技术成熟可靠的优点，在大容量、远距离输送电能时，这种输电方式具有良好的技术经济性。但其具有需要大量滤波和无功补偿装置、作为逆变站时易换相失败等缺点。

柔性直流具有控制性能好、运行方式灵活不需要无功补偿、占地面积小、没有换相失败问题等优点；但柔性直流采用IGBT作为换流元件，建设成本高。

鉴于二者的优缺点，将LCC换流站与MMC换流站直流侧并联运行，送端采用LCC换流站，受端采用MMC换流站，能从根本上实现两者的优势互补：一方面可以用柔性直流单元连接低短路比的弱交流电网或无源电网，有效避免换相失败，另一方面能够发挥常规直流单元成本和损耗较低的优势。

我国电网潮流方向单一、直流输电落点集中等特殊情况，已导致电力受端交流系统较弱。因此有将LCC和MMC并联运行，构建特高压多端混合直流输电系统的迫切需求。

国内特高压直流输电工程均采用双阀组串联的接线方式，系统存在多种运行方式，其中必然包括单个换流阀的在线投入/退出。而现有的特高压直流输电工程，全部采用常规直流换流站，现有的阀组投退策略，均要求换流阀能够在流过恒定大电流的情况下灵活调节直流电压在0～Udc之间变化。故而现有的换流阀投退策略只适用于特高压两端常规直流输电系统，不能适应于特高压柔性直流输电系统，更不能适用于特高压多端混合直流输电系统。因此，有必要研究特高压柔性直流输电系统的阀组在线投入/退出控制策略，更重要的是需要将常规直流的阀组投退与柔性直流的阀组投退相结合，使其满足特高压多端混合直流输电系统的阀组在线投入/退出控制要求，为建设LCC和MMC多端混合并联工程奠定坚实的基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，以解决现有的特高压直流输电工程，现有的换流阀投退策略只适用于特高压两端常规直流输电系统，不能适应于特高压柔性直流输电系统，更不能适用于特高压多端混合直流输电系统等技术问题。

本发明具体采用以下技术方案：

一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，它包括：阀组在线投入控制方法和阀组在线退出控制方法，其特征在于：所述阀组在线投入控制方法包括：

步骤1、常规直流站收到阀组投入命令后，完成相关刀闸操作和充电后，解锁、以BPS支路电流作为控制目标，调节触发角控制BPS支路电流下降；

步骤2、柔直站收到阀组投入命令，完成相关刀闸操作和充电后，零电压解锁，调节直流调制系数，控制BPS支路电流降低；

步骤3、各站待投入阀组检测到BPS支路电流降低至50A以下时，发出分BPS指令；

步骤4、各站待投入阀组的BPS分开后，发送升压允许信号至控直流电压站，控直流电压站BPS分开且收到其余各站高阀组的升压允许信号后，按照设定速率调节直流调制系数，使直流电压匀速升高至额定值，整个直流系统转入全压运行；

步骤5、直流站控检测到直流电压升高后，自动降低直流电流目标值，使系统输送的直流功率恢复至阀组投入前水平。

所述阀组在线退出控制方法包括：

步骤2.1、直流站控给各站下发阀组退出指令，常规站的高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率匀速增大触发角至90°，逐步降低直流电压；

步骤2.2、柔直站高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率，逐渐减小直流调制系数，使直流电压逐步降低；

步骤2.3、各站高阀组直流电压降低至0.05pu以下后，发出合BPS指令；

步骤2.4、各站收到自己的BPS合位状态后，闭锁阀组；

步骤2.6、各站完成相关刀闸操作；

步骤2.7、直流站控检测到直流电压降低后，逐渐增加直流电流指令，使直流功率恢复至阀组投入前水平。

根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，其特征在于：阀组投入过程中，直流电压的升高仅由控制直流电压的站完成，直流电流由已运行阀组控制。

所述柔直站零电压解锁，控制BPS支路电流下降的方法为：换流阀解锁后，根据BPS状态，选择BPS支路电流作为控制目标，经过PI控制器调节，使BPS支路电流迅速转移至阀组，且直流电压为0；各站BPS开关拉开后，待投入阀组升高直流电压的方法为：控直压站在其BPS开关拉开且收到其余各站待投入阀组的升压允许信号后，切换控制模式，按照设定速率改变直流调制系数，控制直流电压匀速升高至额定直流电压，其余各站在BPS拉开后切换至正常控制模式。

阀组在线退出时，各个站降压过程必须保持同步；保持同步的方法为：各个站开始降压的时间需同步和各个站降低直流电压的速率需同步。

本发明有益效果：

本发明所述的阀组投/退控制方法，常规站沿用传统两端常规直流的阀组投/退控制方法，柔性站根据自己的控制特性，契合常规站的传统控制方法，各个站协调完成BPS支路电流转移、零电压解锁、定电流降压等任务，实现特高压多端混合直流输电系统阀组的在线投入和退出。

本发明所述的阀组投/退控制方法，阀组投入和退出过程迅速、系统各电气量变化平稳、对交流系统的冲击小、无暂态过压、过流现象，满足特高压多端混合直流输电系统的实际需求。

解决了现有的特高压直流输电工程，现有的换流阀投退策略只适用于特高压两端常规直流输电系统，不能适应于特高压柔性直流输电系统，更不能适用于特高压多端混合直流输电系统等技术问题。

附图说明：

图1为本发明适用的一种特高压多端混合直流输电系统主回路图；

图2为本发明一实施例的阀组投入时序图；

图3为本发明一实施例的阀组退出时序图；

图4为本发明一实施例的常规站阀组投退控制框图；

图5为本发明一实施例的柔直站阀组投退控制框图；

图6为本发明一实施例的BPS开关控制框图；

图7为本发明一实施例的阀组常规站阀组投入波形；

图8为本发明一实施例的阀组柔直站阀组投入波形；

图9为本发明一实施例的阀组常规站阀组退出波形图；

图10为本发明一实施例的阀组柔直站阀退出波形图。

具体实施方式

本发明提出了一种适用于特高压多端混合直流输电系统的阀组投退控制方法。

常规直流换流站的阀组投入时，采用现有的控制策略：换流阀在零直流电压下解锁，由SCA控制器控制BPS支路电流降低，将直流电流由BPS支路转移至阀组；待BPS支路电流降至0后，拉开BPS开关；BPS开关分开后，由直流电压控制器升高直流电压至额定值。柔直换流站阀组投入时，换流阀在零直流电压下解锁，输出较小的、负向调制系数，将BPS支路电流快速转移至阀组，阀组直流电流升高过程中，由于调制系数为负，因此，阀组直流电压在此期间为零；BPS支路电流降至0后，拉开BPS开关；BPS开关分开后，改变阀组调制系数，抬高直流电压。在阀组投入、BPS支路电流转移的过程中，由已运行的另一阀组控制极线上直流电流不变。

常规直流换流站阀组退出时，采用现有的控制策略：按照设定速率，逐渐增加触发角度，使直流电压逐步降低；待直流电压降低至0后，合上BPS开关，闭锁阀组。柔直换流站阀组退出时，按照设定速率，逐渐减小直流调制系数，使直流电压逐步降低；待直流电压降低至0后，合上BPS开关，闭锁阀组。在此过程中，需要协调各个站的控制参数变化速率，保证整流站和逆变站输出直流电压同步变化，即可维持极线上直流电流不变。

综上，特高压多端混合直流输电系统阀组在线投入控制方法，步骤如下(以投入高阀组为例)：

1)直流站控给各站下发阀组投入指令，收到指令后，各常规站进行换流变充电，各柔直站进行预充电和可控充电；并分别操作相关刀闸，使直流电流全部流经BPS；

2)常规直流站收到阀组投入命令，完成相关刀闸操作和充电后，零电压解锁，以BPS支路电流为控制目标，完成阀组解锁、控制BPS支路电流转移至阀组；

3)柔直站收到阀组投入命令，完成相关刀闸操作和充电后，零电压解锁，根据BPS开关状态，选择BPS支路电流作为控制目标，经过PI控制器调节，输出较小的、负向调制系数，使BPS支路电流迅速转移至阀组，阀组直流电流升高；

4)各站待投入阀组检测到BPS支路电流降低至50A以下时(此时流过待投入阀组的直流电流与本站已投入阀组基本相等)，发出分BPS指令；

5)各站待投入阀组的BPS分开后，发送升压允许信号至控直流电压站；

6)控直流电压站BPS分开且收到其余各站高阀组的升压允许信号后，切换控制模式，以直流电压作为控制目标，经过PI闭环控制，改变直流调制系数，控制直流电压按照设定速率升高至额定直流电压，其余各站在BPS拉开后切换至正常控制模式。

7)直流站控检测到直流电压升高后，自动降低直流电流目标值，使系统输送的直流功率恢复至阀组投入前水平。

特高压多端混合直流输电系统阀组在线退出控制方法，步骤如下(以退出高阀组为例)：

1)直流站控给各站下发阀组退出指令，常规站的高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率，逐渐增加触发角度，使直流电压逐步降低；

2)柔直站高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率，逐渐减小直流调制系数，使直流电压逐步降低；

3)各站高阀组直流电压降低至0.05pu以下后，发出合BPS指令；

4)各站收到自己的BPS合位状态后，闭锁阀组；

5)各站完成相关刀闸操作；

6)直流站控检测到直流电压降低后，逐渐增加直流电流指令，使直流功率恢复至阀组投入前水平。

阀组在线退出控制方法的步骤中，各个站降压过程必须保持同步，否则会引起已运行阀组直流电流的波动。保持同步的两个必要条件为：1、各个站开始降压的时间需同步，所以需测定直流站控和各个站间的通讯延时，并对应在各个站收到的阀组退出命令上添加对应的通讯延时时间，以保证各站收到阀组退出命令的时间基本一致；2、各个站降低直流电压的速率需同步，但常规直流和柔性直流控制参数和直流电压的对应关系完全不同，因此优化各个站的控制参数的变化速率，以保证各个站直流电压同步变化。常规直流直流电压与触发角的关系表达式如下：

Ud＝Udi0*cosα-Dx*Udi0N*Id/Id_NOM，

其中Udi0为换流变二次侧线电压包络线值，α为触发角，Dx为等效阻抗，Udi0N为换流变二次侧线电压包络线值额定值，Id为实际直流电流，Id_NOM为额定直流电流。

柔性直流直流电压与直流调制系数的关系表达式如下：

Udc＝k×n×Uc(0≤k≤1)，其中k为直流调制系数，n为模块个数，Uc为子模块的平均电压。

由上述公式可知，常规直流直流电压与触发角为近似余弦关系，而柔直直流电压和调制系数为线性关系，所以当控制参数均线性改变时，无法保证各个站间直流电压差的严格不变，但可以找到一组最优值，保证直流电压差的基本恒定，基本维持直流电流的稳定。

下面将参考附图详细说明本发明的一种最优实施方式。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

特高压多端混合直流输电系统有多种运行方式、多种适用控制策略，为方便后续说明，本发明选择其中一种典型拓扑为例，进行说明。

图1给出了一种特高压多端混合直流输电系统拓扑结构图，该直流输电系统，包含一个整流站，和两个逆变站；整流站采用LCC换流站，控制策略成熟、节约建设成本，逆变站采用全桥MMC换流站，连接弱交流电网或无源电网，避免换相失败、支撑交流电网。该拓扑结构既实现了LCC和MMC换流站的优势互补，又符合我国电网潮流方向单一、需要大量输送电力的现状。因此，本发明选取此拓扑结构为典型实施例进行说明。

结合LCC和MMC的控制特性，及已有的工程经验，本发明为图1所示的特高压多端混合直流输电系统选定LCC站控制直流功率、MMC1站控制直流电流、MMC2站控制直流电压的基本控制策略，三个站通过设置不同的电压、电流裕度，实现不同运行方式下的协调运行。

如图1所示，每个站有两个极，每个极有两个阀组构成，下面以投退高压阀组(靠近极线侧阀组为高压阀组)为例详细说明本发明。

如图2所示，特高压多端混合直流输电系统在线投入高阀组的过程如下：

1)直流站控给各站极控下发高阀组投入指令，各站闭合高阀组隔刀CI，各常规站进行换流变充电，各柔直站进行预充电和可控充电。

2)各站充电过程完成后，分别闭合高阀组隔刀AI、旁路开关BPS，使BPS和BPI并联分流。

3)各站高阀组拉开隔刀BPI，使直流电流全部流经BPS。

4)各站在零电压下解锁，以BPS支路电流为控制目标，控制BPS电流下降。如图4所示，常规站阀组解锁进入阀组投入过程后，触发角选择BPS电流环控制，将BPS电流迅速降低为0。此方法为现有两端常规直流输电系统中已成熟的SCA控制，此处不再过多赘述。

柔直站阀组的控制框图如图5所示，阀组解锁前，NOM_CTRL控制直流调制系数为0；阀组解锁后，进入阀组投入过程中，此时BPS支路电流较大，根据PI环，直流调制系数迅速降低直至负值，流经阀组的直流电流迅速增大，BPS支路电流降低，完成BPS支路电流的转移。

5)流过高阀组BPS电流小于50A时，BPS开关具备拉开条件，发出分BPS指令；

6)LCC站和MMC1站高阀组BPS分开后，通过站间通讯给MMC2站发送升压允许信号；MMC2站高阀组BPS分开且收到其余两个站升压允许信号后，切换控制模式，改变调制系数控制直流电压升高至额定值，整个直流系统转入全压运行；

7)直流站控检测到直流电压升高后，自动调整各个站直流电流目标值，使直流功率恢复至阀组投入前水平。

该实施例中，步骤1)、2)、3)的操作顺序和时间不做特殊要求，符合工程运行规则即可。

该实施例中的步骤4)、5)，三个站可各自进行、无需严格的时间配合关系，因此，即使解锁指令通过直流站控下发，由于通讯延时不同，各站收到解锁命令时刻不同(差异ms级)，对该控制策略没有影响。

该实施例中的步骤6)，控制直压站需确认所有站BPS开关均分开后，才能进入升压过程中，否则会导致BPS还未拉开站的低阀组直流过压。

该实施例中的步骤7)，直流站控根据给定的直流功率目标值和当前时刻的实际直流电压值，计算得到各个站的直流电流目标值，使阀组投入前后直流功率保持不变。

如图3所示，特高压多端混合直流输电系统在线退出高阀组的过程如下：

1)直流站控给各站下发高阀组退出指令；

2)常规站的高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率，逐渐增加触发角，使直流电压逐步降低。如图4所示，常规站阀组进入阀组退出过程后，触发角由当前CCA控制器输出角度按照设定速率爬升至90度。此方法为现有两端常规直流输电系统中已成熟的控制方法，此处不再过多赘述。

3)柔直站高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率，逐渐减小直流调制系数，使直流电压逐步降低。如图5所示，柔直站进入阀组退出过程中后，直流调制系数由当前值按照设定速率降低至0，降低直流电压。

4)各站高阀组检测到直流电压降低至0.05pu后，发出合BPS指令；

5)各站收到BPS合位状态后，闭锁高阀组；

6)各站闭合隔刀BPI；

7)各站拉开旁路开关BPS，拉开AI、CI，直流系统转入单阀组运行；

8)直流站控检测到直流电压降低后，逐渐增加直流电流指令，使直流功率恢复至阀组投入前水平。

本发明中，步骤2)、3)各个站降压过程必须保持同步，否则会引起直流电流的波动。保持同步的实现方法：1、保证各个站开始降压的时刻一致，所以需测定直流站控和各个站间的通讯延时，在部分站极控的阀组退出命令上添加对应的通讯延时时间；2、保证各个站直流电压降低的速率同步，但常规直流和柔性直流控制参数和直流电压的对应关系完全不同，不能实现严格的同步降低直流电压，但可以找到数组最优值，保证直流电压差的恒定，维持直流电流的恒定。

此实施例中，在各站同时收到阀组退出命令的前提下，选取常规站触发角的爬升速率为1.5°/ms，柔直站调制系数的降低速率为0.01667/ms作为上述控制参数的最优值，此时低阀组的直流电流波动最小。

在该实现方式中，可以根据系统要求需要对各站的控制参数变化速率数值进行设置，本公开对此不作限定。

本发明实施例所提供的阀组投/退控制方法，适用于多端混合直流输电控制系统，结合不同类型阀组的控制特点，能够快速、平稳的完成多端混合直流输电系统阀组的在线投退。

Claims (5)

1.一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，它包括：阀组在线投入控制方法和阀组在线退出控制方法，其特征在于：所述阀组在线投入控制方法包括：

步骤1、常规直流站收到阀组投入命令后，完成相关刀闸操作和充电后，解锁、以旁路开关BPS支路电流作为控制目标，调节触发角控制旁路开关BPS支路电流下降；

步骤2、柔直站收到阀组投入命令，完成相关刀闸操作和充电后，零电压解锁，调节直流调制系数，控制旁路开关BPS支路电流降低；

步骤3、各站待投入阀组检测到旁路开关BPS支路电流降低至50A以下时，发出分旁路开关BPS指令；

步骤4、各站待投入阀组的旁路开关BPS分开后，发送升压允许信号至控直流电压站，控直流电压站旁路开关BPS分开且收到各站高阀组的升压允许信号后，按照设定速率调节直流调制系数，使直流电压匀速升高至额定值，整个直流系统转入全压运行；

步骤5、直流站控检测到直流电压升高后，自动降低直流电流目标值，使系统输送的直流功率恢复至阀组投入前水平。

2.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，其特征在于：所述阀组在线退出控制方法包括：

步骤2.1、直流站控给各站下发阀组退出指令，常规直流站的高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率匀速增大触发角至90°，逐步降低直流电压；

步骤2.2、柔直站高阀组收到阀组退出命令后，按照设定速率，逐渐减小直流调制系数，使直流电压逐步降低；

步骤2.3、各站高阀组直流电压降低至0.05pu以下后，发出合旁路开关BPS指令；

步骤2.4、各站收到自己的旁路开关BPS合位状态后，闭锁阀组；

步骤2.6、各站完成相关刀闸操作；

步骤2.7、直流站控检测到直流电压降低后，逐渐增加直流电流指令，使直流功率恢复至阀组投入前水平。

3.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，其特征在于：阀组投入过程中，直流电压的升高仅由控制直流电压的站完成，直流电流由已运行阀组控制。

4.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，其特征在于：柔直站零电压解锁，控制旁路开关BPS支路电流下降的方法为：换流阀解锁后，根据旁路开关BPS状态，选择旁路开关BPS支路电流作为控制目标，经过PI控制器调节，使旁路开关BPS支路电流迅速转移至阀组，且直流电压为0；各站旁路开关BPS开关拉开后，待投入阀组升高直流电压的方法为：控直流电压站在其旁路开关BPS开关拉开且收到其余各站待投入阀组的升压允许信号后，切换控制模式，按照设定速率改变直流调制系数，控制直流电压匀速升高至额定直流电压，其余各站在旁路开关BPS拉开后切换至正常控制模式。

5.根据权利要求2所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组在线投退控制方法，其特征在于：阀组在线退出时，各个站降压过程必须保持同步；保持同步的方法为：各个站开始降压的时间需同步和各个站降低直流电压的速率需同步。

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