CN109861192B - 一种柔性直流换流器直流故障电流抑制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流换流器直流故障电流的抑制方法，首先，将直流电流基本控制器的输出量与直流电流优化控制器的输出量叠加得到换流器相单元直流电压控制量初值；然后，将换流器相单元直流电压控制量初值除以换流器功率模块电容电压额定值，并经过限幅环节处理后，再乘以功率模块电容电压额定值，最终得到换流器相单元直流电压控制量终值。在发生金属性直流短路故障以及高阻直流短路故障后，通过本发明可以不需要依赖任何复杂的故障检测手段，自动快速地降低换流器直流母线电压，并使得换流器直流母线电压自动匹配直流故障点电压大小，从而降低直流故障电流峰值，使得换流器安全穿越直流故障，并在高阻故障下使换流器持续传输部分直流功率。

Description

一种柔性直流换流器直流故障电流抑制方法及其应用

技术领域

本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种柔性直流换流器直流故障电流抑制方法及其在柔性直流输电系统中的应用。

背景技术

柔性直流输电技术在我国可再生能源的汇集、输送中占有重要的地位。然而，柔性直流输电系统发生直流线路短路故障的概率很高。直流线路短路故障的应对是制约柔性直流输电技术发展的主要技术瓶颈之一。

当前，工程上应对直流线路故障的方法是采用高速大开断容量的直流断路器被动清除直流故障。这种方案对直流断路器的相关技术指标提出了极其严苛的要求，给直流断路器的制造难度和制造成本带来了巨大的挑战，限制了柔性直流输电系统的发展和建设。

应对直流故障的另一种方法是利用具备清除直流故障能力的换流器限制直流短路电流的发展。一种技术路径是，在发生直流故障后，通过闭锁换流器以阻断直流故障电流；另一种技术路径是，可以利用换流器的限流控制能力限制故障电流的峰值。

专利申请CN106505641A公开了一种模块化多电平换流器的交直流解控制方法及其应用，在发生直流故障时，将直流电流控制器的输出快速减小、或者将直流电流控制器中的积分器清零，进而实现防止直流故障时换流器因桥臂过电流而闭锁，该控制方法能够很好应对直流线路的金属性短路故障。专利CN106505642B与专利申请CN106505641A在应对直流故障时有十分类似的处理方式。上述两个专利申请共同存在的问题是：在直流侧发生高阻故障时，故障点阻抗不为零，此时故障点的直流电压不为零，故障电流的幅值相对金属性短路故障而言是较小的，故障期间换流器具备持续输送有功功率的潜力。若采用专利申请CN106505641A中，检测到直流故障后，直接将直流电流控制器中积分器清零，使得换流器输出的直流电压为零的技术方案，强迫将换流器的直流输出电压降为零，将会导致换流器在故障期间全部失去传输有功功率的能力，降低了换流器的利用率。

李少华等人发表的学术论文“混合式MMC及其直流故障穿越策略优化”(李少华,王秀丽,李泰,彭忠.混合式MMC及其直流故障穿越策略优化[J].中国电机工程学报,2016,36(07):1849-1858)中提出了一种混合式MMC直流故障穿越控制策略，检测到直流故障时，混合式MMC切换为直流电流控制模式，并且将直流电流控制参考值设置为零。存在的问题是：一方面，由于直流电流控制器PI控制器固有的响应延时，使得故障穿越期间直流过电流峰值较大，会威胁到混合式MMC的安全稳定运行；另一方面，在故障期间将直流电流置零后，将会导致混合式MMC全部失去直流功率的传输能力。在应对高阻故障尤其是瞬时性高阻故障时，混合式MMC的直流电压甚至还处于较高的水平，MMC还具备部分直流功率传输能力，不加选择的强行将直流电压置零的手段降低了混合式型MMC的利用率。

孔明等人发表的学术论文“子模块混合型MMC-HVDC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)提出了一种混合型MMC直流故障穿越方案。在发生直流故障时，将桥臂电压的直流分量置零。该技术方案在抑制直流故障电流、穿越直流故障时存在着与学术论文“混合式MMC及其直流故障穿越策略优化”相似的技术缺陷。

可以看到，现有已公开的专利申请文件或者学术论文在抑制直流故障电流时都存在着一定的缺陷或者不足。首先，现有技术方案一般是仅依靠直流电流PI控制器来抑制故障电流。然而，由于PI控制器存在的固有响应时间以及超调等问题，使得故障后直流电流峰值较大，从而使得换流器桥臂电流峰值过大，可能会导致换流器无法安全穿越直流故障。其次，在发生直流故障时，现有技术方案一般是通过采取某种手段使得桥臂电压中的直流分量为零，从而限制直流电流故障电流。然而，实际上在发生高阻故障时，并不需要将桥臂电压中的直流分量置零，以使得换流器在直流故障期间继续维持部分直流功率传输能力，从而提高换流器以及直流电网的利用率。最后，现有直流故障电流抑制方法在具体实施时都十分依赖特定可靠的故障检测手段。当故障检测延迟时间较长时，会较大的影响直流故障电流抑制效果，甚至可能导致换流器因过电流而闭锁。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性直流换流器直流故障电流抑制方法及其应用，由此解决现有技术在抑制直流故障电流时存在的需要依赖可靠的故障检测手段、高阻故障时直流电网的功率可持续传输能力没有得到充分利用以及由于故障电流峰值较高导致换流器可能无法安全穿越直流故障等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性直流换流器直流故障电流抑制方法，应用于直流侧输出电压在其自身输出能力限制范围内任意可调的柔性直流换流器，所述方法包括：

将直流电流基本控制器的输出量与直流电流优化控制器的输出量二者进行叠加，将叠加结果作为换流器相单元直流电压控制量初值，其中，所述直流电流优化控制器用于优化换流器在直流故障过程中的暂态特性，所述直流电流基本控制器用于确保换流器在稳态运行时满足稳态运行指标；

将所述换流器相单元直流电压控制量初值除以换流器功率模块电容电压额定值得到换流器相单元功率模块投入数量初值；

将所述换流器相单元功率模块投入数量初值通过限幅环节限制其变化范围后，得到换流器相单元功率模块投入数量终值；

将所述换流器相单元功率模块投入数量终值乘以换流器功率模块电容电压额定值，得到换流器相单元直流电压控制量终值后，进一步通过换流器控制系统处理后使得换流器输出与直流故障点的电压大小相适应的直流母线电压，以阻止直流故障电流进一步增大，限制直流故障电流峰值。

在本发明中，当换流器检测到直流故障发生后，首先通过直流电流优化控制器快速降低换流器相单元直流电压控制量初值，再经过上述步骤的计算后，得到与直流故障点电压大小相匹配的换流器相单元直流电压控制量终值，从而使得换流器实际输出的直流母线电压与故障点电压大小相等，进而阻止直流故障电流进一步增大，达到限制直流故障电流峰值的目的。当换流器直流母线电压等于故障点电压时，直流故障电流达到其峰值。经过一定的控制响应时间后，直流电流基本控制器将直流故障电流的稳态值最终控制在直流电流参考值附近。

优选地，所述直流电流基本控制器包括：直流电流比例-积分控制器、直流电流比例-积分-微分控制器、直流电流比例-微分控制器、直流电流比例控制器、直流电流模糊逻辑控制器、直流电流神经网络控制器、直流电流重复控制器及直流电流模型预测控制器中的任意一种。

优选地，所述直流电流优化控制器包括：直流电压加权前馈控制器、直流电压比例控制器及直流电压预测控制器中的任意一种。

优选地，所述直流电流优化控制器的动态响应速度为所述直流电流基本控制器的动态响应速度的10～20倍以上，以达到快速降低直流母线电压，限制直流故障电流峰值的目的。

优选地，所述直流电流包括：正极直流母线电流、负极直流母线电流及正极与负极直流母线电流的平均值中的任意一种。

优选地，所述直流电流优化控制器的控制输入量为本地换流器直流母线电压、与本地换流器直流母线相连接的直流线路的直流电压中的最小值或直流母线电压及与该直流母线相连接的直流线路电压中的最小值，其中，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、正极或者负极直流母线对地之间的直流电压及正极或者负极直流母线对金属回线之间的直流电压中的任意一种，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。

优选地，所述限幅环节的上限幅值的选取范围在换流器单个桥臂单元内部功率模块数量值和与1.1倍单个桥臂单元内部功率模块数量值之间任意选择，所述限幅环节的下限幅值的范围在零与-0.1倍单个桥臂单元内部功率模块数量值之间任意选择。

优选地，直流侧输出电压在其自身输出能力限制范围内任意可调的柔性直流换流器包含功率模块混合型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器。

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柔性直流换流器直流故障电流抑制方法抑制柔性直流输电系统中直流故障电流的方法，包括：在换流器直流侧线路发生金属性短路故障时，通过直流电流优化控制器以预设速度将换流器相单元直流电压控制量终值减小为零，以使换流器实际输出的直流母线电压等于零，以限制柔性直流输电系统中的直流故障短路电流。

其中，预设速度可以根据实际需要确定。

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柔性直流换流器直流故障电流抑制方法抑制柔性直流输电系统中直流故障电流的方法，包括：

在换流器直流侧线路发生高阻故障时，通过直流电流优化控制器自适应地动态调节换流器相单元直流电压控制量终值，使得换流器输出的实际直流母线电压能够自适应不同类型的高阻故障，以限制柔性直流输电系统中的直流故障短路电流。

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：

在柔性直流输电系统直流线路发生金属性直流短路故障和高阻直流短路故障时，本发明的控制方法不需要依赖复杂的直流故障检测算法，可以无延时的自动快速降低换流器直流母线电压，并使得换流器直流母线电压自动匹配直流故障点电压大小。一方面可以有效地降低直流故障电流峰值，另一方面可以在高阻故障下使换流器持续传输部分直流功率。

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结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种由全桥型功率模块和半桥型功率模块构成的混合型模块化多电平换流器；

图3是本发明实施例提供的一种现有的直流故障电流抑制方法原理图；

图4是本发明实施例提供的一种故障电流抑制方法原理图；

图5是本发明实施例提供的另一种故障电流抑制方法原理图；

图6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两端柔性直流输电系统示意图；

图7是对本发明实施例的故障电流抑制方法的永久性直流故障仿真结果图；

图8是对本发明实施例的故障电流抑制方法的永久性直流故障仿真结果图；

图9是对本发明实施例的故障电流抑制方法的永久性直流故障仿真结果图；

图10是对本发明实施例的故障电流抑制方法的永久性直流故障仿真结果图；

图11是对本发明实施例的故障电流抑制方法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。

本发明提供了一种柔性直流换流器直流故障电流抑制方法，用于在发生金属性直流短路故障以及高阻直流短路故障后，不依赖任何故障检测手段，自动快速地降低换流器直流母线电压，并使得换流器直流母线电压自适应直流故障点电压大小，从而降低直流故障电流峰值，并在高阻故障下使换流器持续传输部分直流功率。

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故障电流抑制方法的柔性直流换流器。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功率模块级联而成。图2为由全桥功率模块与半桥功率模块构成的混合型模块化多电平换流器，其每个桥臂均由半桥功率模块与全桥功率模块级联而成。上述柔性直流换流器的共同特征在于：它们的直流侧输出电压在其自身输出能力限制范围内任意可调。

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是现有的直流故障电流抑制方法原理图。检测到故障发生后，直接将PI控制器的积分器清零，从而降低直流输出电压，抑制直流故障电流。带来的问题是，第一，积分清零动作的启动需要采取合适的故障检测算法。然而，故障检测算法的引入将带来可靠性和延时的问题，从而影响故障电流抑制效果。第二，若发生直流故障后，故障检测算法失效不动作，在仅依靠PI控制器的前提下，故障后换流器直流电流的峰值较高，可能会影响换流器的安全运行。若故障检测算法误动作，即在未发生直流故障时误将积分器清零，使得换流器直流电压输出为零，这将导致柔性直流输电系统出现一定的功率扰动甚至短时中断，可能会影响柔性直流输电系统的安全稳定运行。第三，积分清零后，换流器的直流输出电压变为零。然而，在高阻故障时，并不需要将积分器清零，从而使得柔性直流输电系统维持一定的直流功率传输能力。

图4为本发明一个实施例的直流故障电流抑制方法所对应的原理图，具体结构如图5所示，直流电流PI控制器的输出分量V_dcini2和直流电压加权前馈控制器的输出分量V_dcini1叠加后得到换流器相单元直流电压控制量初值V_dcini。V_dcini除以功率模块电容电压额定值V_smN后，得到换流器相单元功率模块投入数量初值N_smini。N_smini经过限幅环节限制其变化范围后得到换流器相单元功率模块投入数量终值N_smfinal，N_smfinal乘以功率模块电容电压额定值V_smN后得到换流器相单元直流电压控制量终值V_dcfinal。

图5与图3在组成形式上的区别在于：与图3相比，图5中不仅包含直流电流基本控制器(即PI控制器)，还包含直流电流优化控制器(即直流电压加权前馈控制器)。且换流器相单元直流电压控制量初值V_dcini经过一系列预处理后最终得到换流器相单元直流电压控制量终值V_dcfinal。

图5与图3在抑制直流故障电流方法上的区别在于：直流短路故障发生后，图5中的直流电压加权前馈控制器自动地快速降低其控制分量V_dcini2，从而达到迅速降低V_dcini的目的。然后经过简单的计算过程，最终使得V_dcfinal也迅速减小，从而快速限制直流故障电流的发展。在此过程中，直流电流PI控制器保持故障前的控制模式，无需对其PI参数以及控制器结构做出任何调整。与图3相比，图5的优点在于：一方面，由于此过程无需任何故障检测算法，从而避免了图3中存在的可靠性和延时的问题。另一方面，由于直流电压加权前馈控制器可以按照外部直流电压V_dc的大小自动的调整控制量V_dcfinal，从而使得图5所示方法可以应对包括但不限于金属性短路故障以及高阻故障等不同类型的直流故障。

图6所示两端柔性直流输电系统用于仿真测试本发明所设计的直流故障电流抑制方法的有效性。混合型MMC2、MMC3的额定直流电压均为500kV，每个桥臂均由95个全桥功率模块与95个半桥功率模块串联而成。MMC2、MMC3的额定功率均为1500MW，每个功率模块的功率模块电容均为15mF。直流电压加权前馈控制中的权值系数K_T＝1.0。正常运行时，MMC3控制直流电压，MMC2用于控制柔性直流输电系统传输的直流功率。线路限流电感L_dc1大小为150mH，线路限流电感L_dc2大小为300mH。架空线路长度为206km。t＝2s时刻，MMC2的平波电抗器出口处(Flt)发生永久性双极金属性短路，故障电阻0.01Ω。故障发生后，功率站MMC2的直流电流控制指令值阶跃减小为零。电压站MMC3保持故障前的控制模式不变。

图7所示为换流器MMC2的直流电流参考值和直流电流实际值。可以看到，在2s时刻发生直流故障后，换流器MMC2的直流电流实际值Idc2几乎无明显过电流。

图8为MMC2直流电压加权前馈控制器的输出分量V_dc2ini1、直流电流PI控制器的输出分量V_dc2ini2、相单元直流电压控制量初值V_dc2ini。发生金属性短路故障后，故障点两端直流电压近似为零。控制分量V_dc2ini1自动从额定值500kV快速减小为零，导致控制量V_dc2ini也随之从额定值500kV快速减小为零，从而使得MMC2的直流母线电压快速匹配故障点电压，限制直流故障电流的增大。

图9为MMC2相单元功率模块投入数量初值N_smini2。直流故障发生后，由于控制量V_dc2ini迅速下降为零，导致相单元投入的子模块数量初值N_smini2近似从额定值190快速地减小为零。

图10为MMC2相单元功率模块投入数量终值N_smfinal2。通过限幅环节后，故障后N_smfinal2的最小值被限制在-19。

图11为MMC2相单元直流电压控制量终值V_dc2final。故障发生后，V_dc2final快速下降为零，导致相单元直流母线电压减小为零，限制直流故障电流的增大。由于N_smfinal2的最小值被限制在-19，导致控制量V_dc2final的下限值近似为-50kV。

除非特别标明，本发明所涉及的MMC均指直流输出电压大小在其输出能力范围内任意可调的MMC。

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 (10)

1.一种柔性直流换流器直流故障电流抑制方法，应用于直流侧输出电压在其自身输出能力限制范围内任意可调的柔性直流换流器，其特征在于，所述方法包括：

将直流电流基本控制器的输出量与直流电流优化控制器的输出量二者进行叠加，将叠加结果作为换流器相单元直流电压控制量初值，其中，所述直流电流优化控制器用于优化换流器在直流故障过程中的暂态特性，所述直流电流基本控制器用于确保换流器在稳态运行时满足稳态运行指标；

将所述换流器相单元直流电压控制量初值除以换流器功率模块电容电压额定值得到换流器相单元功率模块投入数量初值；

将所述换流器相单元功率模块投入数量初值通过限幅环节限制其变化范围后，得到换流器相单元功率模块投入数量终值；

将所述换流器相单元功率模块投入数量终值乘以换流器功率模块电容电压额定值，得到换流器相单元直流电压控制量终值后，进一步通过换流器控制系统处理后使得换流器输出与直流故障点的电压大小相适应的直流母线电压，以阻止直流故障电流进一步增大，限制直流故障电流的峰值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电流基本控制器包括：直流电流比例-积分控制器、直流电流比例-积分-微分控制器、直流电流比例-微分控制器、直流电流比例控制器、直流电流模糊逻辑控制器、直流电流神经网络控制器、直流电流重复控制器及直流电流模型预测控制器中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电流优化控制器包括：直流电压加权前馈控制器、直流电压比例控制器及直流电压预测控制器中的任意一种。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述直流电流优化控制器的动态响应速度为所述直流电流基本控制器的动态响应速度的10～20倍以上，以达到快速降低直流母线电压，限制直流故障电流峰值的目的。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述直流电流包括：正极直流母线电流、负极直流母线电流及正极与负极直流母线电流的平均值中的任意一种。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述直流电流优化控制器的控制输入量为本地换流器直流母线电压、与本地换流器直流母线相连接的直流线路的直流电压中的最小值或者直流母线电压及与该直流母线相连接的直流线路电压中的最小值，其中，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、正极或者负极直流母线对地之间的直流电压及正极或者负极直流母线对金属回线之间的直流电压中的任意一种，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。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述限幅环节的上限幅值的选取范围在换流器单个桥臂单元内部功率模块数量值和与1.1倍单个桥臂单元内部功率模块数量值之间任意选择，所述限幅环节的下限幅值的范围在零与-0.1倍单个桥臂单元内部功率模块数量值之间任意选择。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流侧输出电压在其自身输出能力限制范围内任意可调的柔性直流换流器包括功率模块混合型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器。

9.一种基于权利要求1至8任意一项所述的柔性直流换流器直流故障电流抑制方法抑制柔性直流输电系统中直流故障电流的方法，其特征在于，包括：

在换流器直流侧线路发生金属性短路故障时，通过直流电流优化控制器以预设速度将换流器相单元直流电压控制量终值减小为零，以使换流器实际输出的直流母线电压等于零，以限制柔性直流输电系统中的直流故障短路电流。

10.一种基于权利要求1至8任意一项所述的柔性直流换流器直流故障电流抑制方法抑制柔性直流输电系统中直流故障电流的方法，其特征在于，包括：

在换流器直流侧线路发生高阻故障时，通过直流电流优化控制器自适应地动态调节换流器相单元直流电压控制量终值，使得换流器输出的实际直流母线电压能够自适应不同类型的高阻故障，以限制柔性直流输电系统中的直流故障短路电流。

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