CN109842142B - 混合三端高压直流输电系统及其直流故障快速限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LCC‑MMC混合三端高压直流输电系统及其直流故障快速限流方法，该系统包括送端换流站LCC和受端换流站两个混合型MMC，重新设计现有混合直流输电系统的控制架构，该方法提供了适用于LCC和MMC的故障电流限制控制策略，在系统直流故障瞬态过程中，通过附加控制策略抑制送端LCC和受端MMC的故障电流幅值，在系统发生直流故障时快速抑制直流故障电流，保护换流器设备。本发明通过交直流解耦实现交直流控制的单独控制，使得各桥臂输出各桥臂输出电压参考值，实现同时对交流电流和直流电流的控制；在发生直流故障时，通过送端LCC快速切换为逆变状态、受端混合型MMC负投入全桥型子模块使得MMC工作在零直流电压附近，实现直流故障电流的清除。

Description

混合三端高压直流输电系统及其直流故障快速限流方法

技术领域

本发明涉及电力系统输配电的技术领域，尤其涉及LCC-MMC混合三端高压直流输电系统及其直流故障快速限流方法。

背景技术

21世纪以来，随着环境问题的日益突出，为了减少碳排放、降低燃煤发电比例，需大规模开发并利用可再生能源。我国新能源基地具有分散、分布偏远、强波动性等特点，且与负荷中心呈逆向分布，导致大容量远距离输送电能的需求日益增加。采用高压交流输电系统并网存在造价高昂、稳定性问题严重等固有缺陷。常规高压直流输电技术，传输容量大、技术成熟，在解决我国西北地区新能源外送、西南地区水电外送等问题中得到了大量的工程实践。为应对我国能源资源和负荷需求的逆向分布问题，采用LCC作为功率集中输送端、多个MMC(Modular Multilevel Converter)作为多落点受端的多端混合直流输电系统，综合了常规直流技术成熟、成本低廉、运行损耗低和柔性直流调节性能好、滤波容量需求小等优点，是大容量新能源功率外送的重要选择。

LCC-MMC混合高压直流输电系统具有如下特点：电压、容量等级高，传输距离远，采用架空线技术作为传输形式。直流架空线路故障率较高，采用开断交流断路器从而切断直流故障电流的方法将大大增大系统中断供电的时间以及恢复供电的时间，危及电力系统的安全稳定运行，并因中断供电可能造成重大经济损失与社会问题。

为应对LCC-MMC混合高压直流输电系统可能出现的直流故障，目前有两种方案。第一，从配置辅助设备的角度阻断直流故障电流。第二，从改进换流器的角度，采用新型的换流器设备，穿越直流故障。

其中，针对配置辅助设备，唐庚、徐政等人采用半桥型MMC配合二极管组的方案，在受端采用二极管组阻断反向的故障电流，而在送端采用LCC强制移相的方式，从而清除直流故障。(唐庚,徐政,薛英林.LCC-MMC混合高压直流输电系统[J].电工技术学报,2013,28(10):301-310)

而在改进换流器的角度，孔明等人提出了一种混合型MMC的直流故障穿越控制策略(孔明，汤广福,贺之渊.子模块混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(30):5343-5351)，直流故障期间，将桥臂输出电压参考值的直流分量置零，桥臂输出电压全部由全桥子模块产生，半桥子模块投入的个数置零。

现有技术的问题为：针对上述唐庚等人的方案，虽然能够在系统发生直流故障时阻断故障电流，但在系统稳态运行时，二极管组会产生较大的功率损耗，不利于系统经济运行，且对于LCC换流器，强制移相所需时间较长，在移相过程中，LCC将产生较高的过电流，损害晶闸管元件。针对上述孔明等人方案，虽然通过混合型MMC可以实现直流故障穿越，但在直流故障瞬态，由于混合型MMC控制下的直流电压下降较慢，换流器仍会产生较大的瞬时故障电流，不利于换流器设备安全运行。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供LCC-MMC混合三端高压直流输电系统及其直流故障快速限流方法，旨在解决背景技术中现有技术的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，包括送端换流站和受端换流站；

送端换流站采用LCC换流站；

受端换流站采用两个MMC换流站，记为MMC1和MMC2；MMC1和MMC2采用混合型MMC；

所述系统中送端换流站LCC稳态下采用定直流电流控制实现对系统输出功率的控制；受端换流站MMC1采用定功率控制；受端换流站MMC2采用定直流电压控制维持系统直流电压。

在上述实施例的基础上，优选的，LCC设置有一个电压前馈控制器；MMC1和MMC2分别设置有一个电压比较前馈控制器。

在上述实施例的基础上，优选的，电压前馈控制器、电压比较前馈控制器应用于采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统和/或采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。

在上述任意实施例的基础上，优选的，MMC1和MMC2分别设置有若干个半桥子模块和若干个全桥子模块。

在上述任意实施例的基础上，优选的，MMC1和MMC2分别设置有一个交流电流控制器。

在上述实施例的基础上，优选的，所述交流电流控制器为基于旋转坐标下的解耦控制器，包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。

一种上述任一项实施例中的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统的直流故障快速限流方法，包括LCC步骤：

LCC电流控制外环采用定直流电流控制与低压限幅控制结合配置；LCC电流控制内环增设直流电压前馈附加控制，通过LCC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_L校正超前触发角β；

当系统处于稳态运行时，电压前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，电压前馈控制器动作，使LCC触发角α升高至150°，LCC进入逆变状态，吸收直流系统送端能量，抑制送端故障电流并实现LCC的自主熄弧。

在上述实施例的基础上，优选的，还包括MMC步骤：

对于MMC1和MMC2，均满足：

MMC直流控制内环输出部分采用直流电压比较前馈附加控制，通过MMC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_M对MMC的直流调制比M_dc进行校正；

当系统处于稳态运行时，电压比较前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，MMC出口直流电压下降且远小于电压指令值，电压比较前馈控制器外环输出负信号作用于M_dc，使M_dc加速下降，在故障瞬态限制故障电流峰值，保护开关器件。

在上述实施例的基础上，优选的，所述MMC步骤还包括：

对于MMC1和MMC2，均满足：

交流电流控制器的d轴外环参考值为MMC所有子模块电容电压平均值V_cavg，q轴外环参考值为MMC额定无功补偿容量，交流内环分别对d轴交流电流和q周交流电流进行控制。

在上述包含MMC步骤的实施例的基础上，优选的，所述MMC步骤还包括：

对于MMC1和MMC2，均满足：

MMC子模块进行平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1.05pu使子模块的平均电容电压均衡稳定；其中pu为被控量的标幺值。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明公开了LCC-MMC混合三端高压直流输电系统及其直流故障快速限流方法，重新设计现有混合直流输电系统的控制架构，提供了适用于LCC和MMC的故障电流限制控制策略，在系统直流故障瞬态过程中，通过附加控制策略抑制送端LCC和受端MMC的故障电流幅值，限制故障电流峰值，减小直流故障瞬间对换流器设备的损害，提高系统清除直流故障的速度，从而实现在系统发生直流故障时快速抑制直流故障电流，保护换流器设备。

本发明通过交直流解耦实现交直流控制的单独控制，使得各桥臂输出各桥臂输出电压参考值，实现同时对交流电流和直流电流的控制；在发生直流故障时，通过送端LCC快速切换为逆变状态、受端混合型MMC负投入全桥型子模块使得MMC工作在零直流电压附近，实现直流故障电流的清除；进一步降低送端和受端各换流器在故障下的电流峰值，保护换流器设备，达到快速限制住直流短路电流的目的，有利于直流故障时故障电流的快速清除。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：设计了LCC-MMC混合三端高压直流输电系统及其控制策略，实现大容量远距离功率多落点外送；针对送端LCC提出外环配置低压限幅控制，内环采用直流电流前馈附加控制的直流故障电流快速抑制方法，在直流故障时快速限制送端故障电流幅值；针对受端MMC提出直流电压比较前馈附加控制，基于混合型MMC，在稳态时不影响系统稳定运行，在直流故障时快速降低直流调制比M_dc幅值，从而快速限制受端故障电流幅值；子模块采用平均电容电压控制，使子模块电容器在交直流故障穿越及恢复过程中始终运行在0.8～1.2pu范围内，为并网点提供了交流电压，保护了系统的安全运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了本发明实施例提供的一种采用混合型模块化多电平换流器的级联换流阀直流系统的示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种由晶闸管构成的电网换相换流器拓扑结构图；

图3示出了本发明实施例提供的一种由LCC-MMC混合三端高压直流输电系统拓扑结构图；

图4示出了本发明实施例提供的一种LCC-MMC混合三端高压直流输电系统控制策略示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

具体实施例一

本发明实施例提供了一种LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，包括送端换流站和受端换流站；

送端换流站采用LCC换流站；

受端换流站采用两个MMC换流站，记为MMC1和MMC2；MMC1和MMC2采用混合型MMC；

所述系统中送端换流站LCC稳态下采用定直流电流控制实现对系统输出功率的控制；受端换流站MMC1采用定功率控制，从而保证接收功率稳定；受端换流站MMC2采用定直流电压控制维持系统直流电压。

图3为本发明实施例所采用的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统拓扑结构图，包括位于送端的第一、第二换流器(均为LCC)和位于受端的第三至第第六换流器(均为MMC)。系统采用伪双极接线形式，送端与受端在直流侧并联，形成混合三端直流系统。

如图4所示，LCC可以设置有一个电压前馈控制器；MMC1和MMC2可以分别设置有一个电压比较前馈控制器。图4中各主要变量缩写物理意义如表1所示。

表1各主要变量缩写物理意义

本发明实施例对电压前馈控制器、电压比较前馈控制器的应用范围不做限定，电压前馈控制器、电压比较前馈控制器可以应用于采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统，也可以应用于采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。

MMC1和MMC2可以分别设置有若干个半桥子模块和若干个全桥子模块。半桥子模块、全桥子模块的数量可以相等，也可以不等。

MMC1和MMC2可以分别设置有一个交流电流控制器，交流电流控制器可以为基于旋转坐标下的解耦控制器，包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。

图1为可采用本发明实施例所提出的控制系统的混合型MMC拓扑结构图，每个桥臂均由一半全桥子模块和一半半桥子模块串联而成。该MMC的每个桥臂均包含了能输出负电压的子模块，可以在桥臂子模块电容电压维持额定的同时调节直流电压。本发明实施例所设计的控制系统适用于各种已公知的，桥臂具备输出持续负电压能力的MMC拓扑。

图2为本发明实施例的混合三端高压直流输电系统送端可以使用的电网换相换流器的拓扑结构图，电网换相换流器采用12脉波晶闸管换相的结构。

本发明实施例中，LCC稳态下采用定直流电流控制实现对系统输出功率的控制，受端MMC1采用定功率控制，从而保证接收功率稳定，受端MMC2采用定直流电压控制维持系统直流电压。在LCC电流控制外环采用配置低压限幅控制，LCC电流控制内环采用直流电流前馈附加控制，直流故障发生时，当LCC直流电流高于1.15倍额定电流，附加控制动作，从而使LCC触发角α快速升高至150°，LCC迅速进入逆变状态，吸收直流系统送端送端能量，迅速抑制送端故障电流，当故障电流在附加控制作用下降低至1.15倍额定电流后，附加控制闭锁，LCC在低压限流控制的作用下继续限制故障电流。在MMC直流控制内环输出部分采用直流电压比较前馈附加控制，稳态时，前馈附加控制输出信号为0，直流故障发生时，MMC出口直流电压迅速下降，远小于电压指令值，导致电压比较前馈控制器外环输出负信号作用于M_dc，使M_dc加速下降，从而在故障瞬态限制故障电流峰值，保护开关器件。

本发明实施例通过交直流解耦实现交直流控制的单独控制，使得各桥臂输出各桥臂输出电压参考值，实现同时对交流电流和直流电流的控制；在发生直流故障时，通过送端LCC快速切换为逆变状态、受端混合型MMC负投入全桥型子模块使得MMC工作在零直流电压附近，实现直流故障电流的清除；进一步降低送端和受端各换流器在故障下的电流峰值，保护换流器设备，达到快速限制住直流短路电流的目的，有利于直流故障时故障电流的快速清除。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：设计了LCC-MMC混合三端高压直流输电系统及其控制策略，实现大容量远距离功率多落点外送；针对送端LCC提出外环配置低压限幅控制，内环采用直流电流前馈附加控制的直流故障电流快速抑制方法，在直流故障时快速限制送端故障电流幅值；针对受端MMC提出直流电压比较前馈附加控制，基于混合型MMC，在稳态时不影响系统稳定运行，在直流故障时快速降低直流调制比M_dc幅值，从而快速限制受端故障电流幅值；子模块采用平均电容电压控制，使子模块电容器在交直流故障穿越及恢复过程中始终运行在0.8～1.2pu范围内，为并网点提供了交流电压，保护了系统的安全运行。

在上述的具体实施例一中，提供了LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，与之相对应的，本申请还提供LCC-MMC混合三端高压直流输电系统的直流故障快速限流方法。由于方法实施例基本相似于系统实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。下述描述的方法实施例仅仅是示意性的。

具体实施例二

本发明实施例提供了一种具体实施例一中的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统的直流故障快速限流方法，包括LCC步骤：

LCC电流控制外环采用定直流电流控制与低压限幅控制结合配置；LCC电流控制内环增设直流电压前馈附加控制，通过LCC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_L校正超前触发角β；

当系统处于稳态运行时，电压前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，电压前馈控制器动作，使LCC触发角α升高至150°，LCC进入逆变状态，吸收直流系统送端能量，抑制送端故障电流并实现LCC的自主熄弧。

本发明实施例直流故障发生时，前馈控制动作，从而使LCC触发角α快速升高至150°，LCC迅速进入逆变状态，吸收直流系统送端送端能量，迅速抑制送端故障电流，并实现LCC的自主熄弧。

本发明实施例还可以包括MMC步骤：

对于MMC1和MMC2，均满足：

MMC直流控制内环输出部分采用直流电压比较前馈附加控制，通过MMC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_M对MMC的直流调制比M_dc进行校正；

当系统处于稳态运行时，电压比较前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，MMC出口直流电压下降且远小于电压指令值，电压比较前馈控制器外环输出负信号作用于M_dc，使M_dc加速下降，在故障瞬态限制故障电流峰值，保护开关器件。

本发明实施例在直流故障发生时，MMC出口直流电压迅速下降，远小于电压指令值，导致电压比较前馈控制器外环输出负信号作用于M_dc，使M_dc加速下降，从而在故障瞬态限制故障电流峰值，保护开关器件。

所述MMC步骤还可以包括：

对于MMC1和MMC2，均满足：

交流电流控制器的d轴外环参考值为MMC所有子模块电容电压平均值V_cavg，q轴外环参考值为MMC额定无功补偿容量，交流内环分别对d轴交流电流和q周交流电流进行控制。

所述MMC步骤还可以包括：

对于MMC1和MMC2，均满足：

MMC子模块进行平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1.05pu使子模块的平均电容电压均衡稳定；其中pu为被控量的标幺值。

图4为本发明实施例所提供的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统稳态控制策略示意图。系统中LCC稳态下采用定直流电流控制实现对系统输出功率的控制，受端MMC1采用定功率控制，从而保证接收功率稳定，受端MMC2采用定直流电压控制维持系统直流电压。

在LCC电流控制外环采用配置低压限幅控制，LCC电流控制内环采用直流电流前馈附加控制，直流故障发生时，当LCC直流电流高于1.15倍额定电流，附加控制动作，从而使LCC触发角α快速升高至150°，LCC迅速进入逆变状态，吸收直流系统送端送端能量，迅速抑制送端故障电流，当故障电流在附加控制作用下降低至1.15倍额定电流后，附加控制闭锁，LCC在低压限流控制的作用下继续限制故障电流。在MMC直流控制内环输出部分采用直流电压比较前馈附加控制，稳态时，前馈附加控制输出信号为0，直流故障发生时，MMC出口直流电压迅速下降，远小于电压指令值，导致电压比较前馈控制器外环输出负信号作用于M_dc，使M_dc加速下降，从而在故障瞬态限制故障电流峰值，保护开关器件。

本发明从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，已符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本发明以上的说明及附图，仅为本发明的较佳实施例而已，并非以此局限本发明，因此，凡一切与本发明构造，装置，特征等近似、雷同的，即凡依本发明专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本发明的专利申请保护的范围之内。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，其特征在于，包括送端换流站和受端换流站；

送端换流站采用LCC换流站；

受端换流站采用两个MMC换流站，记为MMC1和MMC2；MMC1和MMC2采用混合型MMC；

所述系统中送端换流站LCC稳态下采用定直流电流控制实现对系统输出功率的控制；受端换流站MMC1采用定功率控制；受端换流站MMC2采用定直流电压控制维持系统直流电压；

LCC设置有一个电压前馈控制器；MMC1和MMC2分别设置有一个电压比较前馈控制器；

LCC电流控制外环采用定直流电流控制与低压限幅控制结合配置；LCC电流控制内环增设直流电压前馈附加控制，通过LCC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_L校正超前触发角β；

当系统处于稳态运行时，电压前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，电压前馈控制器动作，使LCC触发角α升高至150°，LCC进入逆变状态，吸收直流系统送端能量，抑制送端故障电流并实现LCC的自主熄弧；

对于MMC1和MMC2，均满足：

MMC直流控制内环输出部分采用直流电压比较前馈附加控制，通过MMC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_M对MMC的直流调制比M_dc进行校正；

当系统处于稳态运行时，电压比较前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，MMC出口直流电压下降且小于电压指令值，电压比较前馈控制器外环输出负信号作用于M_dc，使M_dc加速下降，在故障瞬态限制故障电流峰值，保护开关器件。

2.根据权利要求1所述的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，其特征在于，电压前馈控制器、电压比较前馈控制器应用于采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统和/或采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。

3.根据权利要求1所述的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，其特征在于，MMC1和MMC2分别设置有若干个半桥子模块和若干个全桥子模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，其特征在于，MMC1和MMC2分别设置有一个交流电流控制器。

5.根据权利要求4所述的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统，其特征在于，所述交流电流控制器为基于旋转坐标下的解耦控制器，包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。

6.一种权利要求1-5任一项所述的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统的直流故障快速限流方法，其特征在于，包括LCC步骤：

LCC电流控制外环采用定直流电流控制与低压限幅控制结合配置；LCC电流控制内环增设直流电压前馈附加控制，通过LCC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_L校正超前触发角β；

当系统处于稳态运行时，电压前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，电压前馈控制器动作，使LCC触发角α升高至150°，LCC进入逆变状态，吸收直流系统送端能量，抑制送端故障电流并实现LCC的自主熄弧；

还包括MMC步骤：

对于MMC1和MMC2，均满足：

MMC直流控制内环输出部分采用直流电压比较前馈附加控制，通过MMC输出直流电压标幺值与指令值进行比较，并将比较后的输出经前馈系数K_M对MMC的直流调制比M_dc进行校正；

当系统处于稳态运行时，电压比较前馈控制器的输出信号为0；直流故障发生时，MMC出口直流电压下降且小于电压指令值，电压比较前馈控制器外环输出负信号作用于M_dc，使M_dc加速下降，在故障瞬态限制故障电流峰值，保护开关器件。

7.根据权利要求6所述的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统的直流故障快速限流方法，其特征在于，所述MMC步骤还包括：

对于MMC1和MMC2，均满足：

交流电流控制器的d轴外环参考值为MMC所有子模块电容电压平均值V_cavg，q轴外环参考值为MMC额定无功补偿容量，交流内环分别对d轴交流电流和q轴交流电流进行控制。

8.根据权利要求6或7所述的LCC-MMC混合三端高压直流输电系统的直流故障快速限流方法，其特征在于，所述MMC步骤还包括：

对于MMC1和MMC2，均满足：

MMC子模块进行平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1.05pu使子模块的平均电容电压均衡稳定；其中pu为被控量的标幺值。

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