CN109390967B - 一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统与方法，系统包括主控换流站控制单元、协控换流站控制单元和协控中心。主控换流站控制单元和协控换流站控制单元均包括附加控制器和限幅器，附加控制器分别与限幅器和协控中心连接；附加控制器包括滞回控制电路，滞回控制电路用于在主控换流站或协控换流站的换流变压器网侧电压信号低于预设电压低值时，调整限幅器的限幅设定值等于预设电流低值，在换流变压器网侧电压信号高于预设电压高值时，调整限幅器的限幅设定值等于预设电流高值。本申请实施例提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统与方法，能够有效降低短路电流，保障柔性直流输电系统安全稳定运行。

Description

一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统及方法

技术领域

本申请涉及电力系统柔性输配电技术领域，尤其涉及一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统及方法。

背景技术

柔性直流输电技术相比于常规直流输电技术具有占地面积小，控制更加灵活，可以实现有功和无功的独立调节，没有换相失败问题等优势。随着柔直技术相关理论研究及设备制造水平的发展，柔性直流输电系统输送容量不断增大，在我国电网中的应用也逐渐增多。

柔性直流输电系统的接入给现有交流电网短路电流控制带来了新的挑战。当柔直换流站近区交流系统发生短路故障时，如果柔直系统中其余换流站具有足够的有功功率调节能力，通过适当的控制措施，柔直换流站可以实现故障穿越，在短路故障期间不闭锁，从而避免故障清除后重启动的麻烦，减少系统的恢复时间。但与此同时，当采取不闭锁及其他限制短路电流的措施时，柔直换流站会向交流系统提供一定的短路电流。参见图1，为现有一种柔性直流输电系统中，受端短路故障下受端换流站的输出电流，如图1所示，短路故障期间，受端换流站的输出电流大幅增加，在故障期间，电流幅值接近4kA。

短路电流的大小受换流站额定容量、换流站控制方式、故障位置等因素影响。对于短路容量较大的交流系统，柔直换流站提供的短路电流可能使交流系统在某些短路故障下，短路电流水平接近或超过断路器的遮断极限，从而导致短路故障难以清除，给系统安全稳定运行带来严重威胁。

发明内容

本申请提供了一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统及方法，以解决短路电流的问题。

第一方面，本申请提供了一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，该系统包括：主控换流站控制单元、协控换流站控制单元和协控中心，其中，

所述主控换流站控制单元和协控换流站控制单元均包括附加控制器和限幅器，所述附加控制器分别与所述限幅器和协控中心连接；

所述附加控制器包括滞回控制电路，所述滞回控制电路用于在主控换流站或协控换流站的换流变压器网侧电压信号低于预设电压低值时，调整所述限幅器的限幅设定值等于预设电流低值，在所述换流变压器网侧电压信号高于预设电压高值时，调整所述限幅器的限幅设定值等于预设电流高值。

可选地，所述主控换流站控制单元和协控换流站控制单元还包括外环控制器、内环控制器、坐标变换环节、锁相环和调制环节，所述坐标变换环节分别与所述调制环节、锁相环、内环控制器和附加控制器连接，所述协控中心、外环控制器、限幅器和内环控制器依次连接。

第二方面，本申请还提供了一种降低柔性直流换流站短路电流的控制方法，该方法包括：

监测第一换流站的换流变压器网侧电压信号；

判断所述换流变压器网侧电压信号是否低于预设电压低值；

如果低于，调整第一换流站控制单元的限幅器限幅设定值等于预设电流低值；

发送所述第一换流站的第一状态信息到协控中心；

所述协控中心根据所述第一状态信息调整第二换流站的控制方式为定直流电压控制，所述第二换流站为所述柔性直输电系统中，除所述第一换流站之外、直流电压控制优先级最高的换流站；

判断所述换流变压器网侧电压信号是否高于预设电压高值；

如果高于，调整所述限幅器的限幅设定值等于预设电流高值；

发送所述第一换流站的第二状态信息到协控中心；

所述协控中心根据所述第二状态信息调整第三换流站的控制方式为定直流电压控制，并取消除所述第三换流站之外换流站的定直流电压控制，所述第三换流站为所述柔性直输电系统中直流电压控制优先级最高的换流站。

可选地，所述调整第一换流站控制单元限幅器的限幅设定值等于预设电流低值，之后还包括：

发送所述限幅设定值到所述限幅器，所述限幅设定值包括预设d轴电流低值i_dmax和预设q轴电流低值i_qmax；

所述限幅器对外环控制器输出的d轴电流参考值i_dref0和q轴电流参考值i_qref0分别进行限幅，得到d轴电流限幅值i_dref和q轴电流限幅值i_qref，其中，所述限幅器的限幅方式为，

所述限幅器将所述d轴电流限幅值i_dref和q轴电流限幅值i_qref发送到所述第一换流站控制单元的内环控制器中。

可选地，所述预设电压低值包括0.3p.u.，所述预设电流低值包括0.2p.u.，所述预设电压高值包括0.8p.u.，所述预设电流高值包括1.2p.u.。

本申请提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统及方法的有益效果包括：

本申请提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，通过在换流站的控制单元里条件附加控制器，实时对换流站变压器网侧电压信号进行监测，在发生故障后，能够及时调整限幅器限制短路电流的幅值，控制换流站在交流系统短路时的输出电流，从而降低交流系统的短路电流水平；附加控制器向协控中心发送状态信息，使协控中心及时调整换流站控制策略，可以在故障期间有效控制直流电压，防止柔直系统因直流过电压而停运。本申请实施例提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制方法，通过控制限幅器的限幅设定值以及协控中心的换流站控制策略调整，有效降低故障期间交流系统的短路电流水平，保障了系统的运行，实施效果佳。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中受端短路故障下，受端换流站的输出电流示意图；

图2为本申请实施例提供的一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种附加控制器的输入输出示意图；

图4A为本申请实施例提供的一种附加控制器的d轴滞回控制逻辑示意图；

图4B为本申请实施例提供的一种附加控制器的q轴滞回控制逻辑示意图；

图5为本申请实施例提供的一种降低柔性直流换流站短路电流的控制方法的流程示意图；

图6为本申请实施例提供的一种短路电流限幅处理方法的流程示意图；

图7为本申请实施例提供的一种受端短路故障下，受端换流站的输出电流示意图；

图8A为本申请实施例提供的一种受端短路故障下，故障点的a相短路电流对比示意图；

图8B为本申请实施例提供的一种受端短路故障下，故障点的b相短路电流对比示意图；

图8C为本申请实施例提供的一种受端短路故障下，故障点的c相短路电流对比示意图；

图9为本申请实施例提供的一种受端短路故障下，送受端直流电压的变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图2，为本申请实施例提供的一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统的结构示意图，如图2所示，本申请实施例提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，可适用于采用主从控制策略的柔性直流输电系统。

本申请实施例中，柔性直流输电系统为两端柔性直流输电系统，包括送端交流系统AC1、受端交流系统AC2、换流站1和换流站2。换流站1为送端柔直换流站，换流站2为受端柔直换流站。柔直系统采用主从控制策略控制直流电压，其中，换流站2控制优先级更高，为主控站，换流站1为协控站。正常运行时，换流站2控制直流电压(直流电压设定值为1p.u.)和注入交流系统的无功功率(无功功率设定值为0)；换流站1控制注入送端交流系统的有功功率(设定值为-400MW)和无功功率(设定值为240Mvar)。柔性直流输电系统参数如表1所示：

表1

本申请实施例提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，即上述柔性直流输电系统的控制系统，可分为三部分，包括：主控换流站控制单元、协控换流站控制单元和协控中心。

具体的，主控换流站控制单元为换流站1的控制单元，协控换流站控制单元为换流站2的控制单元。主控换流站控制单元和协控换流站控制单元结构相同，均包括外环控制器、内环控制器、坐标变换环节、锁相环和调制环节、限幅器和附加控制器。坐标变换环节分别与调制环节、锁相环、内环控制器和附加控制器连接，协控中心、外环控制器、限幅器和内环控制器依次连接，附加控制器分别与限幅器和协控中心连接。

附加控制器为本申请实施例在柔性直流输电系统的控制系统中增加的用于限制短路电流的控制器，具体可设置有电压检测电路和滞回控制电路。

参见图3，为本申请实施例提供的一种附加控制器的输入输出示意图，如图3所示，附加控制器输入信号为换流变压器网侧电压u_s，输出信号包括：1)向协控中心发送换流站的状态信息；2)限幅器的限幅设定值(i_dmax、i_qmax)。

附加控制器的控制逻辑采用如图4A、4B所示的滞回控制：附加控制器监测u_s，当u_s低于预设电压低值u_shrt(本实施例中u_shrt取0.3p.u.)时，令i_dmax等于i_dshrt，i_qmax等于i_qshrt(本实施例中i_dshrt、i_qshrt均取0.2p.u.)。当u_s高于预设电压高值u_rset(本实施例中u_rset取0.8p.u.)时，令i_dmax等于i_dmax0，i_qmax等于i_qmax0(本实施例中i_dmax0、i_qmax0均取1.2p.u.)。

为对附加控制器、限幅器和协控中心的降低短路电流方法做进一步说明，本申请实施例提供了一种降低柔性直流换流站短路电流的控制方法，参见图5，控制方法具体包括以下步骤：

步骤S110：监测第一换流站的换流变压器网侧电压信号。

具体的，本申请实施例以图2所示的两端柔性直流输电系统为例，利用附加控制器对换流变压器网侧电压信号u_s进行实时监测，其中，换流站1的网侧电压信号记为u_s1，换流站2的网侧电压信号记为u_s2。

本申请实施例以受端发生交流故障为例进行介绍，第一换流站为换流站2，第一换流站控制单元为换流站2的控制单元，当然，如果以送端发生交流故障为例进行介绍，则第一换流站为换流站1，第一换流站控制单元为换流站1的控制单元。

步骤S120：判断换流变压器网侧电压信号是否低于预设电压低值。

具体的，换流站2的附加控制器实时判断网侧电压信号u_s2是否低于0.3p.u.。

步骤S130：如果低于，调整第一换流站控制单元的限幅器限幅设定值等于预设电流低值。

具体的，如果网侧电压信号u_s2低于0.3p.u.，则利用滞回控制调整限幅器限幅设定值i_dmax和i_qmax分别等于0.2p.u.，以进行短路电流限幅处理，参见图6，为本申请实施例提供的一种短路电流限幅处理方法的流程示意图，如图6所示，短路电流限幅处理方法包括以下步骤：

步骤S131：发送限幅设定值到限幅器，限幅设定值包括预设d轴电流低值i_dmax和预设q轴电流低值i_qmax。

附加控制器将限幅设定值i_dmax和预设q轴电流低值i_qmax发送到换流站2的限幅器。

步骤S132：限幅器对外环控制器输出的d轴电流参考值i_dref0和q轴电流参考值i_qref0分别进行限幅，得到d轴电流限幅值i_dref和q轴电流限幅值i_qref，其中，限幅器的限幅方式为：

步骤S133：限幅器将d轴电流限幅值i_dref和q轴电流限幅值i_qref发送到第一换流站控制单元的内环控制器中。

限幅器将i_dref和i_qref发送到换流站2的内环控制器，内环控制器将i_dref和i_qref经过坐标变换环节变换后得到u_o2，再经调制环节调节后得到触发信号送入受端，实现限流。

步骤S140：发送第一换流站的第一状态信息到协控中心。

具体的，换流站2的附加控制器还将此时的状态信息，即第一状态信息：u_s2低于0.3p.u.，发送到协控中心。

需要说明的是，步骤S130和步骤S140均为附加控制器在检测到u_s2低于0.3p.u.时的动作，这两个动作可同时进行。

步骤S150：协控中心根据第一状态信息调整第二换流站的控制方式为定直流电压控制，第二换流站为柔性直输电系统中，除第一换流站之外、直流电压控制优先级最高的换流站。

具体的，协控中心接收到u_s2低于0.3p.u.这一状态信息后，在除换流站2之外的其余换流站中选取优先级最高的换流站进行定直流电压控制，本实施例中即调整换流站1的有功控制策略为定直流电压控制，此时，换流站1为第二换流站。

步骤S160：判断换流变压器网侧电压信号是否高于预设电压高值。

具体的，当故障解除后，网侧电压信号u_s2将升高，附加控制器判断u_s2是否高于0.8p.u.。

步骤S170：如果高于，调整限幅器的限幅设定值等于预设电流高值。

具体的，如果u_s2高于0.8p.u.，则利用滞回控制调整限幅器限幅设定值i_dmax和i_qmax分别等于1.2p.u.，以进行短路电流限幅处理，具体处理步骤与步骤S131-S133相同，在此不再赘述。

步骤S130和步骤S170分别给出了限幅器限幅设定值的两种调整前提，在其他情况下，不对限幅器限幅设定值进行调整。

步骤S180：发送第一换流站的第二状态信息到协控中心。

具体的，换流站2的附加控制器还将此时的状态信息，即第二状态信息：u_s2高于0.8p.u.，发送到协控中心。

需要说明的是，步骤S170和步骤S180均为附加控制器在检测到u_s2高于0.8p.u.时的动作，这两个动作可同时进行。

步骤S190：协控中心根据第二状态信息调整第三换流站的控制方式为定直流电压控制，并取消除第三换流站之外换流站的定直流电压控制，第三换流站为柔性直输电系统中直流电压控制优先级最高的换流站。

具体的，协控中心接收到u_s2高于0.8p.u.这一状态信息后，协控中心向所有换流站中直流电压控制优先级最高的换流站发送控制指令，调整其控制方式为定直流电压控制，同时取消除该换流站之外其余换流站的定直流电压控制。本实施例中即调整换流站2的控制方式为定直流电压控制，同时取消换流站1的定直流电压控制，恢复为定有功功率控制。

应用本实施例提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制方法进行仿真，具体效果可参见图7，为本申请实施例提供的一种受端短路故障下，受端换流站的输出电流示意图，如图7所示，稳态运行至1s，受端换流站2的PCC2点发生三相短路故障，1.1s时故障消失。短路故障后受端换流站的输出电流迅速降低，故障期间电流幅值基本维持在0.6kA左右。相较图1，可见，本申请所述方法可以有效降低故障期间柔直换流站的输出电流。

由图7可见，采用本申请所述方法后，受端故障期间，直流侧电压有所升高，但升高幅值较小，在5％(20kV)左右，在可接受范围内。同时，当故障清除后，直流电压可以快速恢复到初始运行状态。可见，采用本申请所述方法可以在故障期间有效控制直流电压，防止柔直系统因直流过电压而停运。

参见图8A、8B和8C，分别为受端短路故障下，故障点的a相、b相和c相短路电流对比示意图。如图8A、8B和8C所示，采用本申请所述方法后，故障期间，故障点的a相、b相和c相短路电流均有所下降，降低幅值在1kA左右。可见，本发明所述方法可以有效降低故障期间交流系统的短路电流水平。

参见图9，为本申请实施例提供的一种受端短路故障下，送受端直流电压的变化曲线示意图，如图9所示，采用本发明所述方法后，受端故障期间，直流侧电压有所升高，但升高幅值较小，在5％(20kV)左右，在可接受范围内。同时，当故障清除后，直流电压可以快速恢复到初始运行状态。可见，采用本发明所述方法可以在故障期间有效控制直流电压，防止柔直系统因直流过电压而停运。

由上述实施例可见，本申请提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，通过在换流站的控制单元里条件附加控制器，实时对换流站变压器网侧电压信号进行监测，在发生故障后，能够及时调整限幅器限制短路电流，并向协控中心发送状态信息，使协控中心及时调整换流站控制策略，可以在故障期间有效控制直流电压，防止柔直系统因直流过电压而停运。本申请实施例提供的降低柔性直流换流站短路电流的控制方法，通过滞回控制限幅器的限幅设定值以及协控中心的换流站控制策略调整，有效降低故障期间交流系统的短路电流水平，保障了系统的运行，实施效果佳。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (4)

1.一种降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，其特征在于，包括：主控换流站控制单元、协控换流站控制单元和协控中心，其中，

所述主控换流站控制单元和协控换流站控制单元均包括附加控制器和限幅器，所述附加控制器分别与所述限幅器和协控中心连接；

所述附加控制器包括滞回控制电路，所述滞回控制电路用于在主控换流站或协控换流站的换流变压器网侧电压信号低于预设电压低值时，调整所述限幅器的限幅设定值等于预设电流低值，在所述换流变压器网侧电压信号高于预设电压高值时，调整所述限幅器的限幅设定值等于预设电流高值；

所述降低柔性直流换流站短路电流的控制系统的控制方法包括：

监测第一换流站的换流变压器网侧电压信号；

判断所述换流变压器网侧电压信号是否低于预设电压低值；

如果低于，调整第一换流站控制单元的限幅器限幅设定值等于预设电流低值；

发送所述第一换流站的第一状态信息到协控中心；

所述协控中心根据所述第一状态信息调整第二换流站的控制方式为定直流电压控制，所述第二换流站为所述柔性直输电系统中，除所述第一换流站之外、直流电压控制优先级最高的换流站；

判断所述换流变压器网侧电压信号是否高于预设电压高值；

如果高于，调整所述限幅器的限幅设定值等于预设电流高值；

发送所述第一换流站的第二状态信息到协控中心；

所述协控中心根据所述第二状态信息调整第三换流站的控制方式为定直流电压控制，并取消除所述第三换流站之外换流站的定直流电压控制，所述第三换流站为所述柔性直输电系统中直流电压控制优先级最高的换流站。

2.如权利要求1所述的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，其特征在于，所述主控换流站控制单元和协控换流站控制单元还包括外环控制器、内环控制器、坐标变换环节、锁相环和调制环节，所述坐标变换环节分别与所述调制环节、锁相环、内环控制器和附加控制器连接，所述协控中心、外环控制器、限幅器和内环控制器依次连接。

3.如权利要求1所述的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，其特征在于，所述调整第一换流站控制单元限幅器的限幅设定值等于预设电流低值，之后还包括：

发送所述限幅设定值到所述限幅器，所述限幅设定值包括预设d轴电流低值i_dmax和预设q轴电流低值i_qmax；

所述限幅器对外环控制器输出的d轴电流参考值i_dref0和q轴电流参考值i_qref0分别进行限幅，得到d轴电流限幅值i_dref和q轴电流限幅值i_qref，其中，所述限幅器的限幅方式为，

所述限幅器将所述d轴电流限幅值i_dref和q轴电流限幅值i_qref发送到所述第一换流站控制单元的内环控制器中。

4.如权利要求1所述的降低柔性直流换流站短路电流的控制系统，其特征在于，所述预设电压低值包括0.3p.u.，所述预设电流低值包括0.2p.u.，所述预设电压高值包括0.8p.u.，所述预设电流高值包括1.2p.u.。

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