CN109390963B - 一种电压源换流器的直流电压预设控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压源换流器的直流电压预设控制方法及应用，在直流故障发生前的稳态运行阶段，直流电压控制器的直流电压预设控制指令值为换流站站级控制器设定的额定值。在直流故障期间，换流站极控制器检测到故障后，将直流电压预设控制指令值由额定值切换为新增加的控制参考量。新增加的参考量包含换流器直流母线电压和/或与该直流母线相连接的所有直流线路的直流电压。换流站极控制器将直流母线电压或者直流母线电压及直流线路电压中的最小值作为故障期间的目标电压预设控制指令值。在直流故障清除后，将电压预设控制指令值从目标电压预设控制指令值的当前值切换为额定值。通过本发明可以减小直流电网故障对交流电网暂态稳定性的影响。

Description

一种电压源换流器的直流电压预设控制方法及应用

技术领域

本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种电压源换流器的直流电压预设控制方法及其在柔性直流输电系统中的应用。

背景技术

柔性直流电网技术在大规模可再生能源的汇集、输送和并网中有很好的应用前景。对于我国而言，由于风电、光伏大规模开发利用的需要，采用架空线的柔性直流电网技术需求更为迫切。与电缆线路相比，架空线发生短路故障的概率大增。

在两端或者多端柔性直流输电系统中，直流故障前后控制直流电压换流站(简称电压站)的电压控制指令值始终保持为额定值。由于直流故障清除时间较长，故障后电压站直流电压控制器将会因饱和而控制失效，甚至会发生电压站因过电流而闭锁的极端运行情况，导致电压站失去对直流电压的控制能力。即使是对于一些采用功能较为强大的换流器(例如全桥型模块化多电平换流器)的两端或者多端柔性直流输电系统，在直流故障期间，电压站的外环直流电压控制器也将饱和失效，同样会导致电压站失去直流电压控制能力。此时，换流站直流母线电压将在直流电流控制器的作用下逐渐衰减为零。由于衰减过程持续时间较长，使得直流故障电流峰值相对较大，严重威胁换流器的安全运行。

在网状的多端柔性直流输电系统(简称为柔性直流电网)中，直流故障期间所有换流站将向直流故障点馈入直流短路电流。由于故障期间换流站直流母线电压始终维持在较高的水平，一方面使得故障电流上升速度较快，故障电流峰值较高，增大了对直流断路器的开断电流大小需求。另一方面，由于故障期间换流站注入直流电网的故障能量较高，极大地增加了直流断路器在开断直流短路电流过程中的能量耗散需求。此外，由于故障清除后直流电压恢复速度极快，这相当于要求控制有功功率的换流站(简称功率站)的输出功率在直流故障清除后的极短时间内从故障期间的零功率阶跃变化为故障前的功率大小。而事实上，直流电网中的线路限流电感等感性元件的取值一般较大，导致直流功率的阶跃响应时间长达百毫秒至数百毫秒。因此，在直流故障清除后的功率恢复期间，换流站直流功率/直流电流控制器将会出现饱和的现象，导致直流功率恢复时间较长，恶化了直流电网外部交流电网的暂态稳定性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电压源换流器的直流电压预设控制方法及应用，由此解决在直流故障清除后的功率恢复期间，换流站直流功率/直流电流控制器将会出现饱和的现象，导致直流功率恢复时间较长，恶化了直流电网外部交流电网的暂态稳定性的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电压源换流器的直流电压预设控制方法，包括：

在直流故障发生前的稳态运行阶段，直流电压控制器的直流电压预设控制指令值维持为换流站站级控制器设定的额定值；

在直流故障期间，若换流站极控制器检测到故障，则将所述直流电压控制器的直流电压预设控制指令值由故障前的所述额定值切换为目标电压预设控制指令值，其中，所述目标电压预设控制指令值由换流器直流母线电压和/或与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压确定；

在直流故障清除后，若所述换流站极控制器检测到直流故障已被清除，则将所述直流电压控制器的电压预设控制指令值从所述目标电压预设控制指令值在故障清除时刻的当前值切换为所述换流站站级控制器设定的额定值。

优选地，将所述直流母线电压以及与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压中的最小值作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值；或者，将所述直流母线电压作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值。

优选地，所述方法还包括：

在故障清除后，限制所述直流电压控制器的直流电压预设控制指令值在直流故障清除后的恢复速率，以使所述直流电压预设控制指令值在直流故障清除后从所述目标电压预设控制指令值在故障清除时刻的当前值以预设变化率逐渐恢复至所述换流站站级控制器设定的额定值。

优选地，所述电压源型换流器为直流输出电压大小在所述电压源型换流器的输出能力范围内能够任意调节的电压源换流器，包括子模块混合型模块化多电平换流器及全桥型模块化多电平换流器。

优选地，所述直流母线电压包括正极直流母线对负极直流母线之间的直流电压、直流母线对地之间的直流电压及直流母线对金属回线之间的直流电压中的任意一种。

优选地，所述直流线路的直流电压包括直流极线对直流极线之间的直流电压、直流极线对地之间的直流电压及直流极线对金属回线之间的直流电压中的任意一种。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述任意一项所述的电压源换流器的直流电压预设控制方法的故障检测方法，包括：

将换流站直流母线的直流母线电压瞬时值以及与所述换流站直流母线相连接的所有直流线路的线路直流电圧变化率作为所述直流电压控制器的直流电压预设控制指令值切换动作启动逻辑的输入信号；

若所述直流母线电压瞬时值超过第一阈值或所述线路直流电圧变化率超过第二阈值，则所述直流电压预设控制指令值由换流站站级控制器设定的额定值切换为所述目标电压预设控制指令值，其中，所述目标电压预设控制指令值由换流器直流母线电压和/或与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压确定；

经过预设延时后，若所述直流母线电压瞬时值依然超过所述第一阈值或所述线路直流电圧变化率依然超过所述第二阈值，则所述换流站的近端线路发生故障，所述直流电压预设控制指令值保持所述目标电压预设控制指令值，直到直流故障被清除；

经过所述预设延时后，若所述直流母线电压瞬时值没有超过所述第一阈值，且所述线路直流电圧变化率没有超过所述第二阈值，则没有发生直流故障，所述直流电压预设控制指令值恢复至所述换流站站级控制器设定的额定值。

优选地，将所述直流母线电压以及与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压中的最小值作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值；或者，将所述直流母线电压作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的电压源换流器直流电压预设控制方法共包含三类直流电压预设控制指令值。即：第一类为用于稳态运行阶段的换流站站级控制器设定的额定值；第二类为用于直流故障期间的暂态直流电压控制指令值(即直流母线电压或直流母线电压和直流线路电压中的最小值)；第三类为用于故障清除后直流电压恢复阶段的暂态直流电压控制指令值(该类指令值由直流母线电压或直流母线电压和直流线路电压中的最小值在故障清除时刻的当前值、直流电压变化率及直流电压额定值三者共同决定)。

(2)本发明在直流故障发生后通过主动快速降低换流站输出的直流母线电压，一方面，实现了减小桥臂电流峰值和直流故障电流峰值的目的，减小了换流器在直流故障期间因过电流而闭锁或者损坏的风险，降低了对直流断路器开断电流的大小需求，降低了直流断路器的技术难度和制造成本。另一方面，加快了直流故障清除后直流电网功率恢复速度，缩短了直流电网功率恢复时间，减小了直流电网故障对交流电网暂态稳定性的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种典型的全桥型模块化多电平换流器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种由全桥型子模块和半桥型子模块构成的混合型模块化多电平换流器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种现有电压源换流器直流电压控制器典型控制结构；

图4是本发明实施例提供的一种直流电压预设控制器原理图；

图5是本发明实施例提供的一种现有电压源换流器直流电压控制器的直流电压控制曲线；

图6是本发明实施例提供的一种直流电压预设控制曲线；

图7是本发明实施例提供的一种用于切换直流电压预设控制指令的故障检测方法图；

图8是本发明实施例提供的一种由半桥全桥混合型模块化多电平换流器构成的四端直流电网示意图；

图9是本发明实施例提供的一种直流电压预设控制策略在永久性直流故障仿真结果图；

图10是本发明实施例提供的一种直流电压预设控制策略的永久性直流故障仿真结果图；

图11是本发明实施例提供的一种直流电压预设控制策略的永久性直流故障仿真结果图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种电压源换流器的直流电压预设控制方法，依据换流站不同的运行工况，通过预先设定直流电压控制器的电压预设控制指令值，优化电压站在直流故障暂态期间的运行特性，减小直流故障暂态期间柔性直流输电系统中换流站的桥臂电流和直流故障电流峰值，实现换流器对直流故障的安全穿越，减小对直流断路器开断电流大小需求，并加快直流故障清除后直流电网的功率恢复速度。

图1～图2为现有技术中典型的可适用于本发明所提出的直流电压预设控制方法的电压源换流器。其中：

图1为全桥型模块化多电平换流器，其每个桥臂均由全桥子模块级联而成。图2为由全桥子模块与半桥子模块构成的混合型模块化多电平换流器，其每个桥臂均由多个半桥子模块与多个全桥子模块级联而成。上述电压源换流器的共同特征在于，其直流侧输出电压在其输出能力范围内任意可调。本发明的控制方法适用于各种直流侧输出电压在其输出能力范围内任意可调的电压源换流器。直流输出电压可任意调节电压源换流器可以为子模块混合型模块化多电平换流器及全桥型模块化多电平换流器。直流侧输出电压在其输出能力范围内任意可调的电压源换流器一般应用于采用架空线的柔性直流电网，但本发明的控制方法应用不限于此，例如同样适用于采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混联线路的架空柔性直流电网。

本发明各实施例所涉及的各主要变量或缩写的物理意义列于下表1中。

表1

图3是现有电压源换流器的典型直流电压控制器，故障前后其直流电压指令值始终固定为换流站站级控制器设定的额定值V_{dcref_Set}，带来的问题是：一方面，直流故障期间换流站输出的直流母线电压始终处于较高的水平，导致故障电流峰值较大，对直流断路器开断电流大小以及耗能需求都提出了较高的要求，并且使得直流故障清除后直流电网内部直流功率恢复时间较长。另一方面：故障期间直流电压控制器饱和，导致电压站在直流故障期间失去对直流电压的控制能力。故障清除后，直流电网的电压恢复过程十分复杂。

图4为本发明一个实施例的控制方法所对应的控制原理图，如图4所示，该实施例控制方法中引入了一组新的直流电压控制指令值(V_dc、V_line1、V_line2、V_linei，i＝1…N)，通过计算出直流母线电压(V_dc)以及直流线路电压(V_line1、V_line2、V_linei，i＝1…N)中的最小值V_{dcref_flt}，并将V_{dcref_flt}作为故障期间直流电压控制器的直流电压预设控制指令值V_dcref。现有的直流电压控制器中的直流电压控制指令值(如图3)一般仅包含换流站站级控制器设定的额定值V_{dcref_set}，而本发明实施例的控制方法除了包含换流站站级控制器设定的额定值V_{dcref_Set}，还包含了本地换流站极控制器提供的V_{dcref_flt}，通过增加一个直流电压预设控制变量V_{dcref_flt}，从而使得电压源换流器能够依据不同的运行工况，实时调整直流电压预设控制指令值V_dcref。

图4中其余的“低通滤波器1”，“低通滤波器2”，“变化率限制器(d/dt)”，“PI控制器”均为公知技术，其技术细节不赘述。在实施例中，直流故障清除后，直流电压控制器的电压预设控制指令值从V_{dcref_flt}的最小值以预设的变化率逐渐恢复至换流站站级控制器设定的额定值。

其中，预设的变化率可以根据实际需要确定，在本发明实施例中，优选为1.0pu/50ms或者1.0pu/100ms。

图5为现有的直流电压预设控制指令值。其特点是，无论是否发生直流故障，直流电压控制器的直流电压控制指令值维持不变，始终保持为换流站站级控制器设定的额定值V_{dcref_Set}。

图6为本发明一个实施例的直流电压预设控制曲线的原理图。直流故障发生前，直流电压预设控制器的直流电压预设控制器指令值V_dcref为换流站站级控制器设定的额定值V_{dcref_Set}。直流故障发生后，直流电压预设控制器指令值V_dcref切换为本地换流站的直流母线电压以及直流线路电压中的最小值V_{dcref_flt}。直流故障清除后，V_dcref从直流母线电压以及直流线路电压中的最小值的当前值切换为换流站站级控制器设定的额定值V_{dcref_Set}。

图7为本发明一个实施例的用于切换直流电压预设控制指令的故障检测算法。电压站极控制器同时将该站直流母线电压瞬时值V_dc以及与该站相连接的所有直流线路的直流线路电圧变化率D_vdc作为电压预设指令V_dcref切换动作启动逻辑的输入信号。当V_dc超过第一阈值或D_vdc超过第二阈值时，直流电压预设指令预切换控制信号PreFlt激活，V_dcref由换流站站级控制器设定的额定值V_{dcref_Set}切换至直流母线电压以及直流线路电压中的最小值V_{dcref_flt}。经过一定的预设延时T_d后，换流站极控制器再一次判断V_dc和D_vdc的大小，若V_dc仍然超过第一阈值或D_vdc仍然超过第二阈值，则认为该站近端线路发生故障，故障信号Flt被激活，V_dcref保持跟踪V_{dcref_flt}的大小直到故障被清除；若经过一定的预设延时T_d后，V_dc没有超过第一阈值，且D_vdc没有超过第二阈值，则认为没有发生故障，此时预切换控制信号PreFlt失效，V_dcref恢复至V_{dcref_Set}。

其中，预设延时T_d、第一阈值和第二阈值的大小可以根据实际需要确定，本发明实施例不做唯一性限定。

图8所示四端直流电网是用于仿真测试本发明所设计的直流电压预设控制方法的有效性。图8中混合型MMC1、MMC2、MMC3、MMC4的额定直流电压均为500kV，每个桥臂均由95个全桥子模块与95个半桥子模块串联而成。MMC1、MMC4的额定功率均为750MW，每个子模块的子模块电容均为7.6mF。MMC2、MMC3的额定功率均为1500MW，每个子模块的子模块电容均为15mF。限流电感L_dc1大小为150mH，限流电感L_dc2大小为300mH。线路长度如图8中标注所示。正常运行时，MMC3控制直流电网电压，MMC1、MMC2及MMC4用于控制直流电网传输的直流功率。MMC1、MMC2的上网功率分别为625MW和1250MW，MMC3、MMC4的下网功率分别为1500MW和375MW。

t＝2s时刻，MMC3的限流电感出口处(Flt32)发生永久性双极金属性短路，故障电阻0.01Ω。故障发生后，故障点近端功率站MMC2切换为直流电流直接控制，且直流电流指令值维持故障前大小。直流电网线路保护装置故障检测时间设置为2ms，直流断路器开断时间为3ms。

图9中V_{dc3_C1}为MMC3中的直流电压控制器采用常规直流电压预设曲线(V_{dc3ref_C1})时对应的直流母线电压。V_{dc3_C2}为MMC3采用直流电压预设控制曲线(V_{dc3ref_C2})时对应的直流母线电压。从图9中可以看到：MMC3使用常规直流电压控制曲线(V_{dc3ref_C1})时，故障清除时刻，MMC3直流母线电压V_{dc3_C1}跌落为0.6pu左右，而使用直流电压预设控制曲线(V_{dc3ref_C2})时，故障清除时刻，MMC3直流母线电压V_{dc3_C2}跌落为0.2pu左右。说明直流电压预设控制器可以主动降低直流故障后换流器输出的直流母线电压。

图10中I_{dc3_C1}为MMC3采用常规直流电压控制曲线(V_{dc3ref_C1})时对应的直流母线电流。I_{dc3_C2}为MMC3采用直流电压预设控制曲线(V_{dc3ref_C2})时对应的直流母线电流。从图10可以看到，在t＝2.005s时刻故障被清除后，I_{dc3_C1}恢复至故障前大小所需要的时间(300ms)远大于采用直流电压预设控制器(V_{dc3ref_C2})时对应的直流母线电流I_{dc3_C2}所需要的恢复时间(30ms)。且I_{dc3_C1}的峰值也大于I_{dc3_C2}。说明直流电压预设控制器有利于降低故障期间的直流电流峰值。

图11中P_{dc3_C1}为MMC3采用常规直流电压控制曲线(V_{dc3ref_C1})时对应的直流母线功率。P_{dc3_C2}为MMC3采用直流电压预设控制曲线(V_{dc3ref_C2})时对应的直流母线功率。从图11可以看到，在t＝2.005s时刻故障被清除后，P_{dc3_C1}恢复至故障前大小所需要的时间为300ms，远大于采用直流电压预设控制曲线(V_{dc3ref_C2})时对应的直流母线电流P_{dc3_C2}所需要的恢复时间100ms。说明直流电压预设控制器有利于加快故障清除后直流功率的恢复速度。

除非特别标明，本发明实施例所涉及的MMC均指直流输出电压在其输出能力范围内可任意调节的MMC。

本发明提供的一种电压源换流器的直流电压预设控制方法及应用，用于实现减小直流故障期间的直流电流峰值以及桥臂电流峰值，从而减小对直流断路器开断电流大小需求，并加快直流故障清除后直流电网功率恢复速度，缩短直流功率恢复时间，减小直流电网故障对交流电网暂态稳定性的影响。

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 (7)

1.一种电压源换流器的直流电压预设控制方法，其特征在于，包括：

在直流故障发生前的稳态运行阶段，直流电压控制器的直流电压预设控制指令值维持为换流站站级控制器设定的额定值；

在直流故障期间，若换流站站级控制器检测到故障，则将所述直流电压控制器的直流电压预设控制指令值由故障前的所述额定值切换为目标电压预设控制指令值，其中，所述目标电压预设控制指令值由换流站直流母线电压和/或与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压确定；将所述直流母线电压以及与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压中的最小值作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值；或者，将所述直流母线电压作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值；

在直流故障清除后，若所述换流站站级控制器检测到直流故障已被清除，则将所述直流电压控制器的电压预设控制指令值从所述目标电压预设控制指令值在故障清除时刻的当前值切换为所述换流站站级控制器设定的额定值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在故障清除后，限制所述直流电压控制器的直流电压预设控制指令值在直流故障清除后的恢复速率，以使所述直流电压预设控制指令值在直流故障清除后从所述目标电压预设控制指令值在故障清除时刻的当前值以预设变化率逐渐恢复至所述换流站站级控制器设定的额定值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电压源换流器为直流输出电压大小在所述电压源换流器的输出能力范围内能够任意调节的电压源换流器，包括子模块混合型模块化多电平换流器及全桥型模块化多电平换流器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流母线电压包括正极直流母线对负极直流母线之间的直流电压、直流母线对地之间的直流电压及直流母线对金属回线之间的直流电压中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流线路的直流电压包括直流极线对直流极线之间的直流电压、直流极线对地之间的直流电压及直流极线对金属回线之间的直流电压中的任意一种。

6.一种基于权利要求1至5任意一项所述的电压源换流器的直流电压预设控制方法的故障检测方法，其特征在于，包括：

将换流站直流母线的直流母线电压瞬时值以及与所述换流站直流母线相连接的所有直流线路的线路直流电圧变化率作为所述直流电压控制器的直流电压预设控制指令值切换动作启动逻辑的输入信号；

若所述直流母线电压瞬时值超过第一阈值或所述线路直流电圧变化率超过第二阈值，则所述直流电压预设控制指令值由换流站站级控制器设定的额定值切换为所述目标电压预设控制指令值，其中，所述目标电压预设控制指令值由换流站直流母线电压和/或与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压确定；

经过预设延时后，若所述直流母线电压瞬时值依然超过所述第一阈值或所述线路直流电圧变化率依然超过所述第二阈值，则所述换流站的近端线路发生故障，所述直流电压预设控制指令值保持所述目标电压预设控制指令值，直到直流故障被清除；

经过所述预设延时后，若所述直流母线电压瞬时值没有超过所述第一阈值，且所述线路直流电圧变化率没有超过所述第二阈值，则没有发生直流故障，所述直流电压预设控制指令值恢复至所述换流站站级控制器设定的额定值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述直流母线电压以及与所述直流母线相连接的所有直流线路的直流电压中的最小值作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值；或者，将所述直流母线电压作为故障期间直流电压控制器的目标电压预设控制指令值。

Images