CN109921399A - 一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法，其特征在于，包括：在检测到直流系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数；逆变侧发出换相失败信号；整流侧收到逆变侧发出的换相失败信号后，降低整流侧触发角限值至95度，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数；当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，恢复逆变侧和整流侧VDCOL的原有参数设置。解决了直流系统在发生换相失败时，送端电网发生过电压，导致风机等新能源设备脱网的问题。

Description

一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法及装置

技术领域

本申请涉及特高压直流输电控制保护技术，具体的涉及一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法，同时涉及一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制装置。

背景技术

我国能源中心和负荷中心分别们于西部和中东部地区，能源负荷分布极不均衡。随着我国电力需求的不断增长，能源与需求分布的矛盾日益突出，因此，直流输电技术在大容量远距离输电方面逐渐发挥出了越来越大的优势。截至2018年底，随着世界上电压等级最高、容量最大的±1100kV吉泉特高压直流输电工程以及±800kV上海庙-山东特高压直流工程即将投入运行，我国将建成11条特高压直流输电工程，这将有利于我国能源合理分布，实现大电网异步互联。然而，随着直流容量越来越大，一旦发生电网故障，则容易引发单条乃至多条直流线路同时连续发生换相失败，导致短时间内输送功率中断以及潮流大范围转移。我国西部电网较为薄弱，新能源设备数量众多，潮流中断会使送端电网短时间内发生过电压，极易达到风机等高电压穿越的限值，导致风机等新能源设备脱网。

发明内容

本申请提供一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法，解决了直流系统在发生换相失败时，送端电网发生过电压，导致风机等新能源设备脱网的问题。

本申请提供一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法，其特征在于，包括：

在检测到直流系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数；逆变侧发出换相失败信号；

整流侧收到逆变侧发出的换相失败信号后，降低整流侧触发角限值至95度，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数；

当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，恢复逆变侧和整流侧VDCOL的原有参数设置。

优选的，还包括：在检测到直流系统发生换相失败时，故障前后电网系统消耗的无功功率保持不变。

优选的，还包括：所述在逆变侧投入旁通对，每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值。

优选的，所述每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值，用于保证发挥控制方法的作用，同时不会与换相失败加速段发生冲突。

优选的，所述换相失败期间电流指令值，具体的公式为，

式中，U_di0为换流器理想空载直流电压，单位为kV；Q_dc代表换流器消耗的无功功率；α为整流侧触发角，单位为度；μ为换相角，单位为度。

与本申请提供的控制方法对应的，本申请同时提供一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制装置，其特征在于，包括：

旁通对投入单元，用于在检测到电网系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数；逆变侧发出换相失败信号；

触发角限值调整单元，用于整流侧收到逆变侧发出的换相失败信号后，降低整流侧触发角限值至95度，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数；

恢复单元，用于当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，恢复整流侧VDCOL的原有参数设置。

优选的，还包括：

功率保持单元，用于在检测到电网系统发生换相失败时，故障前后电网系统消耗的无功功率保持不变。

优选的，还包括：

时间设置单元，用于在逆变侧投入旁通对，每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值。

优选的，所述旁通对投入单元，还包括:换相失败期间电流指令值的公式确定子单元，

式中，U_di0为换流器理想空载直流电压，单位为kV；Q_dc代表换流器消耗的无功功率；α为整流侧触发角，单位为度；μ为换相角，单位为度。

本申请提供一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法，通过在换相失败时投入逆变侧旁通对，限制整流侧触发角为95度，并根据故障前的无功功率消耗计算出故障期间的直流电流指令值，根据电流指令值调整VDCOL的参数，使直流系统在有功功率中断的运行模式下，仍维一定的直流电流，从而保证送端换流阀能够正常换相，保持与故障前同样的无功消耗，从而避免发生送端电网过电压，导致风机等新能源设备脱网的问题。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法流程示意图；

图2是本申请实施例涉及的采取控制方法前的换相失败期间波型(K_SCR＝2.5)；

图3是本申请实施例涉及的采取控制方法后的换相失败期间波型(K_SCR＝2.5)；

图4是本申请实施例涉及的采取控制方法前后的与系统交换的无功功率、有功功率以及直流电压对比图(K_SCR＝2.5)；

图5是本申请实施例涉及的采取控制方法前的换相失败期间波型(K_SCR＝4.6)；

图6是本申请实施例涉及的采取控制方法后的换相失败期间波型(K_SCR＝4.6)；

图7是本申请实施例涉及的采取控制方法前后的与系统交换的无功功率、有功功率以及直流电压对比图(K_SCR＝4.6)；

图8是本申请实施例涉及的控制方法在应用中的控制逻辑示意图；

图9是本申请提供的一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制装置示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

请参看图1，图1是本本申请实施例提供的一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法流程示意图，下面结合图1对本申请提供的方法进行详细说明。

步骤S101，在检测到直流系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数；逆变侧发出换相失败信号。

当受端交流系统故障导致直流发生换相失败后，直流输电系统的电压、电流均发生一定程序的跌落，直流功率传输中断，送端交流系统积聚了大量的功率，受端系统则产生了功能缺额。整个换相失败可以大致分为两个阶段：第一阶段为换相失败刚发生时，逆变侧同一桥臂两个阀同时导通形成短路，直流电压降低，直流电流升高，整流侧控制系统会增大触发角以降低直流电流，直流系统消耗的无功功率增大，送端交流电压降低；第二阶段故障清除后，直流功率在触发角的调节性将逐渐恢复正常。但是，直流功率在恢复初期可能降至较低甚至到零，而送端换流站内交流滤波器仍发出大量无功功率，使送端交流系统出现一定的过电压。对于强交流系统，由于系统短路容量较大，过剩的无功功率对送端电压的影响较小。而对于弱交流系统而言，由于短路容量较小，直流发生换相失败后送端电压会发生较大的波动。如果系统中存在风机、光伏等新能源设备，交流过电压将导致部分不具备高电压穿越或者高电压穿越能力不足的风电机组脱网，对电网安全构成威胁。

综上分析，在整个过程中整流侧交流电压经历了一个先下降后上升的过程，尤其中第二阶段电压上升过程可能对网内风电机组的正常运行造成影响。本申请以目前实际直流极控系统的逻辑为基础，考虑改变换相失败及恢复过程中直流的响应特性，能在换相失败期间维持合理的电流值以保证整流侧换流阀正常换相，保证在逆变侧换相失败期间整流站换流器仍有一定的无功需求，以抵消整流站交流滤波器发出的无功功率，解决交流电压过高的问题。故障前系统消耗的无功功率包括交流滤波器发出的无功功率以及与系统交换(交流系统流入直流系统为正)的无功功率，即：

Q_ex＝Q-Q_F (1)

其中，Q_F为交流滤波器提供的无功功率，Q_ex为交流与直流系统交换的无功功率，Q为直流系统消耗的无功功率。直流系统无功功率控制功能基本处于Q控模式，能将直流输电系统与交流电网交换的无功功率Q_ex控制在一个较小的死区范围以内，因此可将交流滤波器提供的无功功率近似等于直流系统消耗的无功功率。且由于直流线路和换流变压器消耗的无功功率所占比例较小，直流系统消耗的无功功率可近似等于换流器消耗的无功功率。所以，在检测到直流系统发生换相失败时，故障前后电网系统消耗的无功功率保持不变。根据电网换相换流器无功特性可知，换流器消耗的无功功率与有功功率之间的关系为：

P＝U_d×I_d (5)

将公式(3)至公式(5)代入公式(2)，并经过和差化积计算，可以推导出直流输电系统消耗无功与直流电流之间的关系，从而得到换相失败期间电流指令值的大小，如公式6所示，

式中，U_di0为换流器理想空载直流电压，单位为kV；Q_dc代表换流器消耗的无功功率；α为整流侧触发角，单位为度；μ为换相角，单位为度，为换流器的功率因数角，单位为度，P为换流器直流侧功率，MW，U_d为换流器直流电压，kV。

采用公式(6)能够根据交流滤波器产生的无功功率以及采集到的其它相关变量，实时计算直流输电系统的电流指令值，这样能够最大程度的减少换相失败前后直流系统消耗无功功率的变化，抑制换相失败引起的送端交流电压波动。

所以，在检测到直流系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数，将换相失败期间电流指令值作为VDCOL的电流指令输出值，VDCOL是低压限流单元的简称；逆变侧发出换相失败信号。在逆变侧投入旁通对，投入旁通对用于快速停运直流输电系统、隔离故障，每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值，用于保证发挥控制方法的作用，同时不会与换相失败加速段发生冲突。

步骤S102，整流侧收到逆变侧发出的换相失败信号后，降低整流侧触发角限值至95度，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数。

降低整流侧触发角限值至95度，增加触发角度值用于降低整流侧直流电流，然后，根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数，将换相失败期间电流指令值作为VDCOL的电流指令输出值。

步骤S103，当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，恢复逆变侧和整流侧VDCOL的原有参数设置。

本步骤用于当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，不需要再采用前面步骤的相应措施，所以撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，进而恢复逆变侧和整流侧VDCOL的原有参数设置。

为了进一步验证一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法的效果，下面采用PSCAD/EMTDC软件搭建了与实际工程控制保护系统完全一致的某西北送出特高压直流的仿真模型，直流输送功率为8000MW，直流电压800kV。模拟逆变站近区发生单相交流故障(故障时长80ms)导致直流发生单次换相失败，并采取本申请提出的一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法，并进一步来验证该控制方法的有效性及正确性。

为了更好的分析该控制方法的作用，根据短路容量的大小分别仿真在两种不同强弱程度的交流电网下发生换相失败后，直流系统以及交流电网的响应情况。在描述直流输电换流母线电压强度时，通常采用如下的短路比(Short Circit Ratio，SCR)来进行定量分析。

式中，P_dcN为直流功率额定值，MW；S_SC为交流电网短路容量，MW；U_N为送端交流电压额定值，kV；Z_S为戴维南等效阻抗。

K_SCR>3，对应的交流系统称为强系统；K_SCR＝2～3，对应的交流系统为弱系统；K_SCR<2，对应的交流系统为极弱系统，在实际情况中极弱系统几乎不存在。因此，分别在短路比为2.5以及4.6两种情况下，采取该本申请提供的控制方法进行了仿真研究，并与未采取措施时的仿真结果进行了对比。

(1)K_SCR＝2.5

在送端电网为弱交流系统时(K_SCR＝2.5)，受端交流电网2s发生单相短路接地故障，且未采取本申请提供的控制方法时，直流系统发生单次换相失败的情况，仿真波形从上到下分别是发生换相失败时的直流电压、直流电流、触发角指令值、极1有功功率以及送端母线交流电压有效值的变化情况，如附图2所示。

由附图2可以看出，在未采取本申请提供的控制方法时，直流系统发生换相失败后，直流电压在换相失败期间跌至0kV以下，直流电流在故障期间快速上升，控制系统会增大触发角指令值以降低直流电流，因此直流电流在故障恢复期间会较低甚至到零，极1直流输送功率发生较大幅度跌落。交流电压经历先下降后上升的过程，最低点达到544kV(0.725pu)最高点能够达到964kV(1.285pu)。根据对目前国内风机厂家的调研，部分厂家的风机不具备此过电压下的高电压穿越能力，存在风机由于超过其高电压穿越能力而脱网的可能性。

在仿真模型中模拟本申请中提出的控制方法，在逆变侧换流阀投入旁通对，并调整控制系统电流指令值以保证发生换相失败前后无功功率的消耗保持不变，从而平抑送端交流电压的波动，如附图3所示。

由附图3可以看出，采用本申请提供的控制方法后，直流电压在故障期间被迅速拉到0，与不采取控制方法相比，直流电流在故障期间同样快速增大，但是由于整流侧触发角限值设定为95°，在电流恢复阶段不会短时间内发生较大幅度的跌落。根据交流滤波器输出无功功率实时计算得到的电流指令，能够使整流侧的直流电流保持在整定值附近，在换相失败前后有功功率中断的情况下仍然保证换流器无功功率消耗与交流滤波器输出无功基本持平，从而抑制送端电网电压升高的问题，电压最低值不低于510kV(0.680pu)，电压最高值不超过805kV(1.073pu)，低于相关风机厂家关于高电压穿越的限值。

由附图4可以看到采取控制方法前后的与系统交换的无功功率、有功功率以及直流电压对比图。从图中可以看出故障发生前直流滤波器产生的无功功率与直流系统消耗的无功功率接近，与交流系统交换功率很小。未采取本申请提供的控制方法时，发生故障后无功功率先从交流电网中吸收了大量的无功，随后又向电网发出大量的无功功率，导致交流电网送端电压升高，而采取控制策略后则能够保持无功功率仅从电网中吸收无功功率，而避免向电网内输送无功功率，从而避免交流电压升高。从附图4中还可以看出在故障期间有功功率曲线在采取该控制策略前后差别不大，这说明该控制方法未对换相失败期间直流恢复特性造成显著影响。交流母线电压有效值的对比可以看出该控制方法能够更好的抑制电压波动，使电压波形更加平稳。

(2)K_SCR＝4.6

为了对比不同强弱程度交流系统在发生换相失败时的响应情况，在送端电网为强交流系统下(K_SCR＝4.6)，受端交流电网2s发生单相短路接地故障，且未采取该控制策略时，直流系统发生单次换相失败的情况，仿真波形从上到下分别是发生换相失败时的直流电压、直流电流、触发角指令值、极1功率以及送端母线交流侧电压有效值的变化情况，如附图5所示。

附图2与附图5对比后可以看出，在未采取该控制方法时，直流系统发生换相失败后，直流电压、直流电流、触发角指令值以及直流功率的波形差别不大，直流电压和极1直流输送功率均发生较大幅度跌落，直流电流经历先下降后上升的过程。但是与弱交流系统相比，附图5中电压波动明显降低，最低点为616kV(0.821pu)，最高点为855kV(1.140pu)。由此可知，交流系统短路容量越大，送端电网电压波动越小。

在送端电网为强交流系统的仿真模型中模拟本申请提供的控制方法，如附图6所示。

附图3与附图6对比后可以看出，采取该控制方法后，直流电压、直流电流、触发角指令值以及直流功率的波形差别不大，直流电压和极1直流输送功率均发生较大幅度跌落，直流电流经历先下降后上升的过程。但是与弱交流系统相比，附图6中送端交流电压在故障期间电压波动程度明显降低，最低点为594kV(0.792pu)，最高点不超过760kV(1.013pu)。从附图6中可以看出，与弱交流系统相比，在强交流系统中采用该控制方法，能够保证送端电网交流电压波动值更小。

从附图7可以得出与附图4类似的结论，且短路比越大，无功功率在故障发生时向系统吸收的无功功率越多，交流电压波动越小。综上，采取该控制方法后，直流系统在换相失败期间的恢复特性未受到影响，且无功功率在直流系统的消耗增加，送端电网交流电压波动减小。且无功功率在直流系统的消耗增加，送端电网交流电压波动减小。

通过在仿真系统中应用本申请提供的控制方法可知，本申请提供的控制方法在应用中的控制逻辑如图8所示，在受端电网发生故障时，在确认是直流系统发生换相失败后，逆变侧快速投入旁通对，根据换相失败期间电流指令值的大小修改逆变侧VDCOL中的电流指令值，并向整流侧发送换相失败的信号；整流侧在接通收到逆变侧的信号后，根据换相失败期间电流指令值的大小修改整流侧VDCOL中的电流指令值；逆变侧旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值，用于保证发挥控制方法的作用，同时不会与换相失败加速段发生冲突；在使用本申请提供的控制方法后，当交流系统电压恢复至0.8pu以上(T>10ms)，零序电压小于0.1pu(T>10ms)后，撤消逆变侧投入的旁通对，恢复逆变侧VDCOL中的电流指令值，取消整流侧触发角限值，恢复整流侧VDCOL中的电流指令值。

与本申请提供的控制方法对应的，本申请同时提供一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制装置900，其特征在于，包括：

旁通对投入单元910，用于在检测到电网系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数；逆变侧发出换相失败信号；

触发角限值调整单元920，用于整流侧收到逆变侧发出的换相失败信号后，降低整流侧触发角限值至95度，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数；

恢复单元930，用于当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，恢复逆变侧和整流侧VDCOL的原有参数设置。

优选的，还包括：

功率保持单元940，用于在检测到电网系统发生换相失败时，故障前后电网系统消耗的无功功率保持不变。

优选的，还包括：

时间设置单元950，用于在逆变侧投入旁通对，每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值。

优选的，所述旁通对投入单元，还包括:公式确定子单元，

式中，U_di0为换流器理想空载直流电压，单位为kV；Q_dc代表换流器消耗的无功功率；α为整流侧触发角，单位为度；μ为换相角，单位为度。

通过本申请提供的控制方法，通过在换相失败时投入逆变侧旁通对，限制整流侧触发角为95度，并根据故障前的无功功率消耗计算出故障期间的直流电流指令值，根据电流指令值调整VDCOL的参数，使直流系统在有功功率中断的运行模式下，仍维一定的直流电流，从而保证送端换流阀能够正常换相，保持与故障前同样的无功消耗，从而避免发生送端电网过电压，导致风机等新能源设备脱网的问题。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制方法，其特征在于，包括：

在检测到直流系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数；逆变侧发出换相失败信号；

整流侧收到逆变侧发出的换相失败信号后，降低整流侧触发角限值至95度，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数；

当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，恢复逆变侧和整流侧VDCOL的原有参数设置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在检测到直流系统发生换相失败时，故障前后电网系统消耗的无功功率保持不变。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述在逆变侧投入旁通对，每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值，用于保证发挥控制方法的作用，同时不会与换相失败加速段发生冲突。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换相失败期间电流指令值，具体的公式为，

式中，U_di0为换流器理想空载直流电压，单位为kV；Q_dc代表换流器消耗的无功功率；α为整流侧触发角，单位为度；μ为换相角，单位为度。

6.一种抑制换相失败期间送端电网过电压的控制装置，其特征在于，包括：

旁通对投入单元，用于在检测到电网系统发生换相失败时，逆变侧获取到换相失败信号后在逆变侧投入旁通对，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整逆变侧VDCOL的参数；逆变侧发出换相失败信号；

触发角限值调整单元，用于整流侧收到逆变侧发出的换相失败信号后，降低整流侧触发角限值至95度，并根据换相失败期间电流指令值的大小调整整流侧VDCOL的参数；

恢复单元，用于当检测到逆变侧交流电压恢复正常后，撤销逆变侧旁通对，取消整流侧触发角限值，恢复整流侧VDCOL的原有参数设置。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

功率保持单元，用于在检测到电网系统发生换相失败时，故障前后电网系统消耗的无功功率保持不变。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

时间设置单元，用于在逆变侧投入旁通对，每次旁通对的投入时间大于60ms，且不得高于换相失败加速段的限值。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述旁通对投入单元，还包括:换相失败期间电流指令值的公式确定子单元，

式中，U_di0为换流器理想空载直流电压，单位为kV；Q_dc代表换流器消耗的无功功率；α为整流侧触发角，单位为度；μ为换相角，单位为度。