CN109347133B - 一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制方法，包括在直流输电系统的逆变侧控制系统附加熄弧角调制模块，增加逆变站无功补偿容量，设置直流输电系统稳态时熄弧角给定值；分别获取系统稳态和发生故障时逆变侧第二交流母线电压值V₀和V_ac；判断是否改变熄弧角给定值，当V₀与V_ac的偏差在±5％范围之外时启动熄弧角调制模块；直至第二母线电压水平恢复到给定范围内停止调制，恢复熄弧角原设定值。本方法附加熄弧角调制模块可降低直流换相失败概率，抑制交流母线电压波动幅度，加快直流功率恢复速度，提高交流电网电压稳定性。

Description

一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制方法。

背景技术

特高压直流输电适用于远距离、大容量输电，能够实现资源的优化配置，在我国能源战略中发挥着重要作用。随着特高压直流输电技术的快速发展，我国输电网的主导形态发生着深刻变化，由开始的纯交流系统发展为超高压小容量直流与交流混联，并进一步发展为特高压大容量交直流混联的格局。但是由于特高压直流工程通常输送功率很大，所以在受到扰动时直流输送功率及换流器吸收无功功率会发生大幅度的变化，较弱的交流系统受到冲击后，易引发起受端系统的暂态稳定性较差的问题。

例如湖南电网，当祁韶特高压直流为±800千伏接入时，电网的受入功率占比增大，系统机组备用容量相对减小，受端系统短路比相对减小，暂态电压支撑能力不足；同时，若换流站近区发生N-1故障，直流易出现连续换相失败，引发系统电压大幅波动，进而导致系统失去稳定。

目前常见的提高电压稳定性的措施包括：改变交流系统的主接线从而增大受端交流系统的强度，但该方法的实际操作难度大，所以目前主要采取的措施为对直流输电系统进行参数优化或增加的模块控制环节，如直流输电控制系统中的低压限流环节和装设无功补偿设备为受端系统增加无功支撑等，通常采用的无功补偿模块有同步调相机、SVC、STATCOM、固定电容器等，同步调相机可以根据交流母线电压的变化调节无功功率输出，但其运行维护成本较高；SVC、STATCOM等静止无功补偿设备造价相对同步调相机小，响应速度也较快，但其构造相对复杂；加入电容器进行补偿是最经济的一种方案，但在系统电压下降时，电容输出的无功功率也会大量下降，不利于维持系统电压稳定性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制方法与系统，旨在解决在特高压直流工程中输送功率较大的情况下，受端交流系统受到扰动时，直流输送功率和换流器吸收无功功率会发生大幅度变化，弱受端系统的电压稳定性会遭到破坏的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制系统，包括电流控制器、熄弧角γ控制器、电压控制器和熄弧角调制模块，熄弧角调制模块分为相位超前-滞后校正单元和PI控制器；其中，相位超前-滞后校正单元输入端用于接收逆变侧交流母线电压值V_ac与母线电压稳态值V₀的差值ΔV_ac，输出端连接PI控制器，对接收信号的相位进行优化工作；PI控制器输入端连接相位超前-滞后校正单元，输出端连接γ控制器，将电信号转化为熄弧角的信号传送到γ控制器。

第二方面，本发明提供了一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制系统方法，利用直流输送有功功率一定时，逆变器吸收无功功率随熄弧角γ的增大而增大的特性，通过熄弧角调制改变交直流系统无功功率交换关系来提高弱受端电压稳定性，包括以下步骤：

设置被委托的特高压直流输电系统逆变侧的第一熄弧角稳态值为22°。由于该值大于常规直流输电系统的第二熄弧角给定值，需适当增加逆变站的无功补偿设备容量Q_c以实现逆变站无功功率的就地平衡。

具体地，本发明实施例所述直流系统的弱受端交流系统发生单相或三相短路故障,熄弧角调制模块启动，实时测量逆变侧第二交流母线电压值V_ac。

在系统故障时刻至故障恢复时刻，将上述逆变侧第二交流母线电压的实时采样值V_ac，与第二母线电压稳态值V₀进行比较，偏差ΔV_ac/V₀在±5％之内时，认为弱受端交流系统不会发生电压稳定性问题，不改变第一熄弧角值22°。

根据上述逆变侧第二交流母线电压的采样值，与母线电压稳态值V₀进行比较，偏差ΔV_ac/V₀大于±5％时，认为弱受端系统会出现电压稳定性问题，采用相位超前-滞后校正单元和PI控制器，以逆变侧第二交流母线电压值V_ac与第二母线电压稳态值V₀的差值ΔV_ac作为输入信号，获取用于调节逆变器运行状态的故障及系统恢复的熄弧角给定值γ_ref。

优选地，在系统恢复期间，根据上述的逆变侧第二交流母线电压的采样值，与母线电压稳态值V₀进行比较，偏差ΔV_ac/V₀恢复在±5％之内，不再改变熄弧角给定值γ_ref，恢复第一熄弧角值22°。

优选地，故障及系统恢复期间熄弧角给定值γ_ref为

γ_ref＝F(ΔV_ac)＝k_p(ΔV_ac')+k_i∫(ΔV_ac')dt

其中，ΔV_ac'为逆变侧第二交流母线电压值V_ac与第二母线电压稳态值V₀的差值信号ΔV_ac经过相位超前-滞后校正单元后的输出信号；k_p为PI控制器的比例系数，k_i为PI控制器的积分系数。

优选地，整个过程中熄弧角给定值为

其中F(ΔV_ac)为上述发生故障及系统恢复期间熄弧角给定值的表达式描述。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于本发明采用熄弧角调制模块，通过调整熄弧角给定值调整交直流无功功率交换关系，抑制第二母线电压的波动，加快直流有功功率的恢复，能够取得以下有益效果：

(1)本发明在特高压直流输电系统的逆变侧极控制层增加逆变侧熄弧角调制模块，一方面，从系统故障时刻至故障恢复时刻，随着第二母线电压的急剧下降，熄弧角调制模块启动，通过调整熄弧角给定值，可有效抑制第二交流母线电压波动幅度，减小第二交流母线过电压及加快直流功率恢复等；另一方面，加入了熄弧角调制模块的系统熄弧角稳态值大于原系统熄弧角值，逆变站无功补偿容量较多，且故障期间减小熄弧角给定值使逆变器吸收无功功率减小，故障期间，有更多的无功功率供给交流系统，提高系统暂态电压稳定性，从而有效的降低逆变器换相失败发生的概率。

(2)该方案通过相位超前-滞后校正单元和PI控制器调节熄弧角给定值，相当于通过调节熄弧角给定值改变故障及恢复期间逆变器吸收无功功率的变化规律，为受端交流系统提供无功支撑的目的，与其他无功补偿方案相比，具有造价低、易于维护的优势；且利用了直流输电工程本身的强可控性避免了逆变侧熄弧角调制控制系统不能在故障发生时迅速投入的问题。

(3)本发明中在弱交流系统发生故障的情况下，熄弧角给定值可通过熄弧角调制模块双向调整，即根据第二交流母线电压水平实现逆变器吸收无功功率大小的双向调节，达到向受端交流系统馈入或从受端交流系统吸收无功的效果，相当于呈现容性特性或呈现感性特性，优于仅呈现容性特性或呈现感性特性。

附图说明

图1是±800kV特高压直流输电系统的示意图；

图2为熄弧角调制模块与逆变侧控制系统的互联关系；

图3为熄弧角调制模块的逻辑框图；

图4为实施例1中逆变器熄弧角的变化情况；

图5为实施例1中熄弧角给定值的变化情况；

图6为实施例1中逆变侧第二交流母线电压的变化情况；

图7为实施例1中直流输送有功功率的变化情况；

图8为实施例2中逆变器熄弧角的变化情况；

图9为实施例2中逆变侧第二交流母线电压的变化情况；

图10为实施例2中直流输送有功功率的变化情况；

图11为实施例3中逆变器熄弧角的变化情况；

图12为实施例3中逆变侧第二交流母线电压的变化情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是±800kV特高压两端直流输电系统的示意图，该系统包括第一交流系统，受端交流系统和直流系统；直流系统包括整流器和逆变器；其中，第一交流系统为送端交流系统，是短路比为5.0的强系统；交流电经过换流变压器T₁、T₂，将送端交流系统的交流电进一步转换成电压等级较低的交流电作用于12脉波换流器，通过换流器整流为±800kV特高压直流电，利用直流系统输送大量有功功率，实现电能的远距离大容量传输；然后经过逆变器将特高压直流电转换为交流电，最后交流电经过换流变压器T₃、T₄进行升压，将电能传输到受端交流系统，受端交流系统为受端系统，是短路比为2.0弱系统。直流输电系统整流侧和逆变侧会设置有交流滤波器，为换流器提供无功补偿以实现换流站本身无功平衡并滤除换流站产生的谐波；换流站直流侧也配备直流滤波器滤除换流变压器及桥式换流器产生的谐波；平波电抗器用于消除换流设备产生的纹波，使输出直流接近于理想直流。

图2展示了熄弧角调制模块与直流输电系统逆变侧控制系统的互联关系：图2实质为逆变器控制系统的示意图，可以看到逆变侧控制系统，包括电流控制器、熄弧角γ控制器和电压控制器。该发明在逆变侧附加熄弧角调制模块，其输入端接收第二交流母线的电压值V_ac，输出信号为γ_ref，连接γ控制器，对熄弧角给定值进行调整，达到优化目的；

图3为具体的熄弧角调制模块的逻辑框图，首先，逆变侧第二交流母线电压值V_ac与母线电压稳态值V₀的差值传输到模块，控制死区对差值和逆变侧第二交流母线电压值V_ac的偏差ΔV_ac/V₀做出相应的判断，若两者偏差ΔV_ac/V₀为≤±5％，则不改变第一熄弧角给定值22°，否则逆变侧熄弧角调制模块启动，逆变侧熄弧角调制模块包括相位超前—滞后调制环节和PI控制器，其中，相位超前-滞后校正单元输入端用于接收电信号ΔV_ac/V₀，输出端连接PI控制器，实现对接收的信号相位进行优化工作；PI控制器输出端连接γ控制器，作用为将电压偏差转化为熄弧角给定值信号γ_ref传给γ控制器。更具体地，该方案附加的相位超前-滞后校正单元和PI控制器，相当于通过调节熄弧角给定值改变故障及恢复期间逆变器吸收无功功率的变化规律，达到为受端交流系统提供无功支撑的目的，该方法利用了直流输电工程本身的强可控性，使故障发生时系统能迅速响应。

具体地，熄弧角调制模块的参数取值如下：

相位超前—滞后校正环节：T₁＝0.1s，T₂＝0.001s，T₃＝0.005s，T₄＝0.01s；

PI控制器涉及两个函数系数，分别为k_p＝0.5，k_i＝20；

根据输送有功功率一定时，逆变器吸收无功功率随熄弧角γ的增大而增大的特性，将熄弧角调制模块输出熄弧角范围设定为：0.3141(18°)～0.7(40°)，其中，设定的熄弧角最小值限制为0.3141(18°)，避免因熄弧角给定值过小反而增加换相失败的发生风险；设定输出最大值限制为0.7(40°)，主要目的为在系统恢复过程中出现过电压时利用逆变器吸收更多的无功功率来抑制电压超调。更为具体地，通过熄弧角调制模块调整熄弧角给定值，进一步根据交流母线电压的波动，调节逆变器吸收无功功率的大小，从而达到向交流系统馈入或从交流系统吸收无功的效果。

本发明提供的基于特高压直流输电系统的逆变侧控制方法，具体包括下述的步骤：

S101,设置被委托的特高压直流输电系统稳态时逆变侧的第一熄弧角初始值为22°。由于该值略大于常规直流输电系统的熄弧角给定值，需适当增加逆变站的无功补偿设备容量Q_c以实现逆变站无功功率的就地平衡，本例中逆变站交流滤波器的无功补偿容量应增加240MVar。

S102,若所述交直流电力系统的交流电力系统发生单相或三相短路故障，熄弧角调制模块启动，监测逆变侧第二交流母线电压值V_ac。

S103,将逆变侧交流母线电压的采样值，与第二母线电压稳态值V₀进行比较，偏差ΔV_ac/V₀在±5％之内，则不改变熄弧角初始值22°。

S104,将逆变侧第二交流母线电压的采样值，与第二母线电压稳态值V₀进行比较，偏差ΔV_ac/V₀大于±5％，采用相位超前—滞后校正单元和PI控制器，以逆变侧第二交流母线电压值V_ac与第二母线电压稳态值V₀的差值ΔV_ac作为输入信号，获取用于调节逆变器运行状态的实时变化的熄弧角给定值γ_ref：

γ_ref＝F(ΔV_ac)＝k_p(ΔV_ac')+k_i∫(ΔV_ac')dt

其中，ΔV_ac'为逆变侧第二交流母线电压值V_ac与第二母线电压稳态值V₀的差值信号ΔV_ac经过相位超前-滞后校正环节后的输出信号；k_p为PI控制器的比例系数，k_i为PI控制器的积分系数。

S105,在直流输送有功功率为定值的情况下，利用受端交流系统吸收的无功功率随熄弧角信号γ_ref的增大而增大的特性，通过调制控制熄弧角调节受端交流系统吸收的无功功率，进而达到抑制第二交流母线电压的波动，加快系统恢复的效果。

进一步地，在系统恢复期间，将逆变侧第二交流母线电压的采样值与第二母线电压稳态值V₀值进行对比，偏差恢复在±5％之内，不再改变熄弧角给定值γ_ref，恢复初始值22°。

综合上述步骤S103和S104可看出整个调制过程中的熄弧角给定值为：

其中F(ΔV_ac)用上述步骤S104的表达式描述。

采用PSCAD/EMTDC软件可模拟本发明提供的控制方法，直观表明当直流系统中附加有熄弧角调制模块时，弱受端交流系统发生故障后，直流输送有功功率、逆变侧第二交流母线电压和逆变器熄弧角的变化情况。

本发明实施例一模拟交直流电力系统的受端交流系统内部发生单相短路故障时的情况，仿真结果如图4-7所示。仿真前1s系统稳定运行，熄弧角调制模块未投入。在1s时受端交流系统发生单相短路故障，故障持续0.1s后清除。

图4为本发明提供的本实施例中逆变器熄弧角变化的情况，从图4可知，对于加入了熄弧角调制模块的系统，在故障后的弱受端系统恢复期间，熄弧角未出现小于5°的情况，即系统未出现换相失败的情况；但是未附加熄弧角调制的原系统在恢复期间，结合图6和图7可以发现，逆变器熄弧角、交流母线电压和直流输送有功功率发生剧烈变化，且在1.25s时熄弧角实际值小于5°，此时认为系统发生了换相失败，从而可知熄弧角调制能够有效抑制故障恢复期间的换相失败，减小换相失败次数，降低直流闭锁风险。

图5为本发明提供的本实施例中熄弧角给定值的变化情况，从图5看出，当系统发生故障后，熄弧角调制模块启动，变化趋势和逆变侧第二交流母线电压保持一致，熄弧角调制模块对逆变侧第二交流母线电压的波动起到了抑制作用，促进直流有功功率的尽快恢复。

图6为本发明提供的本实施例中逆变侧第二交流母线电压的变化情况；从图6看出当系统发生单相短路故障时，在系统恢复过程中逆变侧第二交流母线电压在1.17s发生过电压现象，随着熄弧角调制模块的启动，第二交流母线过电压减小，由原系统的1.38pu下降到1.28pu；同时抑制了第二交流母线电压的振荡，加快了有功功率的恢复。

图7为本发明提供的本实施例中直流输送有功功率示意图，从图7可以看出，故障期间，直流输送有功功率急剧下降，熄弧角调制模块启动，故障发生后直流输送功率恢复到稳态值的80％所用时间为0.28s，而未附加熄弧角调制模块的原系统，故障发生后直流输送功率恢复到稳态值的80％所用时间为0.63s，恢复时间缩短了0.35s，效率提升55.5％；同时原系统在故障恢复期间，直流输送有功功率波动极大，不利于系统的整体稳定性。由此可见，熄弧角的调制对有功功率恢复过程也实现了优化。

本发明实施例二模拟交直流电力系统的受端交流系统内部发生三相短路故障且故障点远离换流站时的情况，仿真结果如图8-10所示。相同地，仿真前1s系统稳定运行，熄弧角调制模块未投入。在1s时受端直流远区交流系统发生三相短路故障，故障持续0.1s后清除。

图8为本发明提供的本实施例中逆变器熄弧角变化的情况，从图8表明当系统发生三相短路故障后，原系统中的熄弧角经过四次波动0.6s后系统基本恢复正常；对比附加有熄弧角调制模块的系统，系统发生故障后，熄弧角调制模块启动，0.17s后系统基本恢复正常，充分表明附加有熄弧角调制模块的系统有效的提升了系统恢复的效率；同时，由于对于加入了熄弧角调制模块的系统逆变侧熄弧角稳态值大于原系统值，换流站无功补偿容量增加，且故障时熄弧角调制减小熄弧角给定值使逆变器吸收无功功率减小，综合作用下故障期间受端交流系统将获取较多的无功功率的支撑，且加入熄弧角调制模块的系统的熄弧角实际值总大于原系统；所以交流系统某处发生故障使原系统发生换相失败时，加入熄弧角调制的系统可能并不会发生换相失败；可见熄弧角调制缩小了能够引起换相失败的故障范围，减小了换相失败的发生风险，有效提高系统对换相失败的免疫能力。

图9为本发明提供的本实施例中逆变侧第二交流母线电压的变化情况；从图9可知在系统发生故障后，对比原系统，随着熄弧角调制模块的启动，系统恢复效率提升，恢复耗时时间由0.6s减小到0.17s，同时抑制了逆变侧第二交流母线电压的振荡幅度和频率，振荡幅度的最小值由0.82pu增大到0.86pu，振荡次数由四次降低到两次。

图10为本发明提供的本实施例中直流输送有功功率示意图，图10显示，由于附加有熄弧角调制模块，有效抑制了第二母线电压的降低，其最小值由原系统的0.47pu增大到0.56pu；加快了直流输送有功功率的恢复，直流输送有功功率的变化幅度减小。

本发明实施例三模拟交直流电力系统的受端交流系统内部发生三相短路故障且故障点比实施例二靠近换流站时的情况，仿真结果如图11-12；相同地，仿真前1s系统稳定运行，熄弧角调制模块未投入。在1s时受端直流近区交流系统发生三相短路故障，故障持续0.1s后清除。

图11为本发明提供的本实施例中逆变器熄弧角变化的情况。由图11可知，原系统在故障和故障清除后的系统恢复期间均会发生换相失败；而加入了熄弧角调制模块的系统在该故障条件下也不能有效避免故障期间及故障恢复期间的换相失败；相比于实施例二中随着熄弧角调制模块的加入，在故障清除恢复期间，系统不再出现换相失败，说明随着故障点逐渐接近换流站，熄弧角调制控制避免换相失败的能力逐渐下降。

图12为本发明提供的本实施例中逆变侧交流母线电压的变化情况；从图12可知在系统发生故障后，熄弧角调制模块加快了第二母线电压的恢复速度，耗时由1.8s下降到1.5s；同时减小了故障恢复期间电压的二次下降幅度，故障后系统恢复期间的电压最小值由0.65pu增大到了0.7pu，说明附加的熄弧角调制模块还是有效的抑制了第二母线电压的振荡。

在本发明提供的控制方法及系统下，针对受端弱交流系统发生的三种类型进行仿真分析，可以得到以下结论：

(1)附加有熄弧角调制模块的系统，在系统处于稳定状态时，熄弧角的设定值比原系统实际值偏高，所以在系统发生故障时，受端交流系统相比原系统有更多无功功率的支撑，可以有效地减少换相失败的次数；同时熄弧角调制模块的作用与故障点到换流站的距离相关，故障点到换流站距离越近，熄弧角调制的作用越有限。

(2)在改善交直流系统稳定特性方面，熄弧角调制模块可以起到加快直流功率恢复速度、减小第二交流母线瞬时过电压、抑制恢复过程中第二交流母线电压波动、减小受端交流系统无功功率冲击等作用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于特高压直流输电工程的逆变侧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置特高压直流输电系统逆变侧的熄弧角稳态值为22°，并增加逆变站的无功补偿设备容量以实现逆变站无功功率的就地平衡；

(2)系统稳定状态下获取第二交流母线对应的电压值V₀；并在系统发生故障时刻至故障恢复时刻实时获取第二交流母线对应的电压值V_ac；

(3)当-5％≤ΔV_ac/V₀≤5％时，不改变所述熄弧角稳态值；当ΔV_ac/V₀＞5％或ΔV_ac/V₀＜-5％时，转至步骤(4)；其中，ΔV_ac为V_ac与V₀间的电压差值；

(4)系统在熄弧角调制期间，将实时接收的电压信号ΔV_ac通过比例积分运算调制输出熄弧角信号；

(5)在直流输送有功功率为定值的情况下，利用受端交流系统吸收的无功功率随熄弧角信号的增大而增大的特性，通过双向调制熄弧角的大小调节受端交流系统吸收的无功功率，进而抑制第二交流母线电压的波动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下步骤：

(4.1)系统对实时接收的电压信号ΔV_ac的相位进行超前或滞后校正得到ΔV_ac'；

(4.2)对经过相位校正后的ΔV_ac'进行比例积分运算输出熄弧角信号γ_ref。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的输出熄弧角信号γ_ref＝F(ΔV_ac)＝k_p(ΔV_ac')+k_i∫(ΔV_ac')dt；其中，k_p为比例积分运算的比例系数，k_i为比例积分运算的积分系数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在系统故障时刻至故障恢复时刻，所述的熄弧角信号γ_ref的范围为：18°～40°。

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