CN109950916B - 基于混合型阻抗的upfc故障渡越方法 - Google Patents

基于混合型阻抗的upfc故障渡越方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法。并联侧模块化多电平换流器的控制流程中加入有虚拟阻抗环节，直流母线的正极母线上串联有限流电抗器；故障渡越方法包括：当故障引起串联侧模块化多电平换流器闭锁时，将统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使统一潮流控制器输出无功功率以支撑交流母线电压；当故障未引起串联侧模块化多电平换流器闭锁时，闭合串联变压器的高压侧的高压侧旁路开关，使统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使并联侧模块化多电平换流器输出无功功率以支撑交流母线电压。本发明能够在UPFC本体外部故障时防止并联侧MMC闭锁。

Description

基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法
技术领域
本发明涉及统一潮流控制器领域，特别是涉及一种基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法。
背景技术
交流输电技术(flexible alternating current transmission systems，FACTS)是一种利用大功率半导体器件完成能量变换、传输和控制的技术。统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作为第三代FACTS装置，是控制电网状态的有效手段，只需要改变其控制规律，就能分别或同时实现并联补偿，串联补偿，移相，电压调节等功能。目前国内外主要应用的换流器拓扑是模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)结构，其具有模块化程度高、谐波含量少、故障处理能力强等优点。由于UPFC本体外部故障会造成串、并联侧MMC闭锁，UPFC完全退出运行，如何使在UPFC本体外部故障时并联侧MMC不闭锁成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法，在UPFC本体外部故障时防止并联侧MMC闭锁。
一种基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，所述统一潮流控制器所包括的并联侧模块化多电平换流器的控制流程中加入有虚拟阻抗环节，与所述并联侧模块化多电平换流器的直流侧相连的直流母线的正极母线上串联有限流电抗器；
所述故障渡越方法包括：
当故障引起所述统一潮流控制器所包括的串联侧模块化多电平换流器闭锁时，将所述统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使所述统一潮流控制器输出无功功率以支撑交流母线电压；
当故障未引起所述串联侧模块化多电平换流器闭锁时，闭合串联变压器的高压侧的高压侧旁路开关，使所述统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使所述并联侧模块化多电平换流器输出无功功率以支撑交流母线电压。
可选的，所述统一潮流控制器包括：并联变压器、两个串联变压器、两个所述串联侧模块化多电平换流器和所述并联侧模块化多电平换流器；所述并联变压器的高压侧与交流电网并联，低压侧与所述并联侧模块化多电平换流器的交流侧连接，所述并联侧模块化多电平换流器的直流侧与所述直流母线连接；两个所述串联变压器的高压侧分别与所述交流电网的两个线路串联，低压侧分别与两个所述串联侧模块化多电平换流器的交流侧连接，两个所述串联侧模块化多电平换流器的直流侧均与直流母线连接；每个所述串联变压器的高压侧均并联连接有高压侧旁路开关，每个所述述串联变压器的阀侧并联有低压侧旁路开关和旁路晶闸管；所述高压侧旁路开关、所述低压侧旁路开关和所述旁路晶闸管用于在故障后旁路串联侧模块化多电平换流器。
可选的，加入虚拟阻抗环节后的述并联侧模块化多电平换流器的控制流程包括：
获取直流母线正极的电流和无功功率反馈值；
计算所述直流母线正极的电流在经过所述虚拟阻抗后产生的直流电压反馈值；
将所述无功功率反馈值和所述直流电压反馈值均与对应的参考值进行对比，得到dq轴电流参考值；
将dq轴电流参考值与dq轴电流反馈值进行对比，得到对比结果；
将所述对比结果进行解耦得到dq轴调制电压值；
将所述dq轴调制电压值转换到三相静止坐标系后通过调制算法得到三相调制波；
根据所述三相调制波输出交流电。
可选的，所述计算所述直流母线正极的电流在经过虚拟阻抗后产生的直流电压反馈值，具体包括：
将所述直流母线正极的电流乘以所述虚拟阻抗，得到虚拟阻抗产生的电压增量；
获取直流电压测量值；
将所述直流电压测量值与所述电压增量求和得到直流电压反馈值。
可选的，所述虚拟阻抗的计算公式为：
Figure GDA0002639146840000031
其中，Zvir为虚拟阻抗，Rvir为虚拟电阻值，Lvir为虚拟电感值，s为拉普拉斯变换的参数。
可选的，所述限流电抗器的电抗为0.05H。
可选的，所述虚拟电阻值为2Ω。
可选的，所述虚拟电感值为0.4H。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法，通过在统一潮流控制器所包括的并联侧模块化多电平换流器的控制流程中加入虚拟阻抗环节，在与并联侧模块化多电平换流器的直流侧相连的直流母线的正极母线上串联限流电抗器，从而能够在UPFC外部近端故障时，防止因控制环节响应时间过长导致并联侧MMC发生闭锁，保证了UPFC在外部交流系统故障时能够成功渡越。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法中统一潮流控制器的结构图；
图2为本发明实施例基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法中并联侧模块化多电平换流器的控制流程仿真图；
图3为本发明实施例基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法中并联侧模块化多电平换流器的控制流程的流程图；
图4为采用本发明实施例的故障渡越方法后k1点发生单相故障的波形图；
图5为采用本发明实施例的故障渡越方法后k1点发生相间故障的波形图；
图6为采用本发明实施例的故障渡越方法后k2点发生单相故障的波形图；
图7为采用本发明实施例的故障渡越方法后k2点发生相加故障的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，该统一潮流控制器包括：并联变压器、并联侧模块化多电平换流器、两个串联变压器和两个串联侧模块化多电平换流器；所述并联变压器的高压侧与交流电网并联，低压侧与所述并联侧模块化多电平换流器的交流侧连接，所述并联侧模块化多电平换流器的直流侧与直流母线连接；两个所述串联变压器的高压侧分别与所述交流电网的两个线路串联，低压侧分别与两个所述串联侧模块化多电平换流器的交流侧连接，两个所述串联侧模块化多电平换流器的直流侧均与直流母线连接；并联侧模块化多电平换流器与串联侧模块化多电平换流器通过直流母线构成背靠背接线形式。每个所述串联变压器的高压侧均并联连接有高压侧旁路开关，每个所述述串联变压器的阀侧并联有低压侧旁路开关和旁路晶闸管；所述高压侧旁路开关、所述低压侧旁路开关和所述旁路晶闸管用于在故障后旁路串联侧模块化多电平换流器。统一潮流控制器的功能为：并联侧模块化多电平换流器的功能是调节电网无功功率以维持统一潮流控制器接入母线的电压稳定，同时从电网吸收有功功率，向串联侧模块化多电平换流器提供有功并补偿电路器件的有功损耗，以避免因直流侧电容电压跌落造成的系统崩溃串联侧模块化多电平换流器则通过串联变压器给线路注入一个幅值和相角均可控的串联电压，以控制线路的潮流。
该统一潮流控制器外部交流系统故障时，串并联侧MMC均会闭锁，使得UPFC退出运行。造成UPFC退出运行的原因如下：
(1)故障发生后，交流电网电流增大，故障电流耦合至串联变压器阀侧，导致串联侧MMC桥臂过流并发生闭锁；
(2)串联侧MMC闭锁后，故障电流仍会通过串联侧MMC的反并联二极管流经直流母线馈入到并联侧MMC，造成并联侧MMC桥臂过流，使并联侧MMC闭锁。
为了避免上述情况发生，本发明采用混合型阻抗，在所述直流母线正极母线上串联限流电抗器，在并联侧MMC控制流程中加入虚拟阻抗环节。虚拟阻抗和限流电抗器互相配合，在UPFC外部近端故障时，防止因控制环节响应时间过长而导致并联侧MMC发生闭锁，保证了UPFC在外部交流系统故障时能够成功渡越。
加入虚拟阻抗环节后并联侧MMC的控制流程介绍如下：
参见图2，Idc为并联侧MMC出口直流母线的正极电流，Rvir为虚拟电阻值，Lvir为虚拟电感值，ΔVdc为虚拟阻抗产生的电压增量，ΔVdc为直流电压测量值，Vd′c为直流电压外环反馈值；
Figure GDA0002639146840000051
和
Figure GDA0002639146840000052
分别为并联侧模块化多电平换流器直流电压参考值和无功功率参考值，Qsh为并联侧无功功率测量值，
Figure GDA0002639146840000053
和
Figure GDA0002639146840000054
分别为dq轴电流参考值，Vshd、Vshq、Ishd和Ishq分别为并联侧系统电压电流经过dq变换后的值。具体流程如下：(1)功率外环环节，通过比较直流电压和无功功率反馈值与对应参考值以获得dq轴电流参考值；(2)电流内环环节，比较dq轴电流反馈值与参考值，其结果经电流解耦环节得到dq轴调制电压值；(3)调制环节，dq轴调制电压值经dq反变换后通过调制算法得到三相调制波。
参见图3，该并联侧模块化多电平换流器的控制流程具体包括以下步骤：
步骤101：获取直流母线正极的电流和无功功率反馈值；
步骤102：计算所述直流母线正极的电流在经过虚拟阻抗后产生的直流电压反馈值；该步骤102具体包括：
将所述直流母线正极的电流乘以所述虚拟阻抗，得到虚拟阻抗产生的电压增量；所述虚拟阻抗的计算公式为：
Figure GDA0002639146840000061
其中，s为拉普拉斯变换的参数。
电压增量计算公式为
Figure GDA0002639146840000062
获取直流电压测量值；
将所述直流电压测量值与所述电压增量求和得到直流电压反馈值。
直流电压反馈值的计算公式为：
Vd′c＝ΔVdc+Vdc
步骤103：将所述无功功率反馈值和所述直流电压反馈值均与对应的参考值进行对比，得到dq轴电流参考值；
步骤104：将dq轴电流参考值与dq轴电流反馈值进行对比，得到对比结果；
步骤105：将所述对比结果进行解耦得到dq轴调制电压值；
步骤106：将所述dq轴调制电压值转换到三相静止坐标系后通过调制算法得到三相调制波；
步骤107：根据所述三相调制波输出交流电。
在加入虚拟阻抗和限流电抗器之后，本发明的基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法包括：
当故障引起串联侧模块化多电平换流器闭锁时，将所述统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使所述统一潮流控制器输出无功功率以支撑交流母线电压；
当故障未引起串联侧模块化多电平换流器闭锁时，闭合串联变压器的高压侧的高压侧旁路开关，使所述统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使并联侧模块化多电平换流器输出无功功率以支撑交流母线电压。
本发明所采用的限流电抗器的电抗为0.05H，所述虚拟电阻值为2Ω，所述虚拟电感值为0.4H。
在图1中k1点(距离M侧20％线路长度处)和k2点(距离M侧100％线路长度处)分别设置故障，故障类型包括单相接地故障和相间短路故障，故障波形如图4至图7所示；
参见图4，实验结果表明，UPFC外部发生近端单相接地故障时，本故障渡越方法能够在串联侧MMC均闭锁的情况下实现并联侧MMC不闭锁，并发出无功功率以支撑交流母线电压。
参见图5，实验结果表明，UPFC外部发生近端相间短路故障时，本故障渡越方法能够在串联侧MMC均闭锁的情况下实现并联侧MMC不闭锁，并发出无功功率以支撑交流母线电压。
参见图6，实验结果表明，UPFC外部发生远端单相接地故障时，本故障渡越方法使得串、并联侧MMC均不发生闭锁，此时由协调配合控制策略闭合串联变压器高压侧旁路开关，使UPFC转入STATCOM模式运行。
参见图7，实验结果表明，UPFC外部发生远端相间短路故障，本故障渡越方法能够在串联侧MMC均闭锁的情况下实现并联侧MMC不闭锁，并发出无功功率以支撑交流母线电压。
由仿真结果可知，本发明提出的UPFC故障渡越方法可以在对UPFC本体影响较小的前提下实现外部交流系统故障时快速、有效的故障渡越。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的基于混合型阻抗的UPFC故障渡越方法，通过在统一潮流控制器所包括的并联侧模块化多电平换流器的控制流程中加入虚拟阻抗环节，在与并联侧模块化多电平换流器的直流侧相连的直流母线的正极母线上串联限流电抗器，从而能够在UPFC外部近端故障时，防止因控制环节响应时间过长导致并联侧MMC发生闭锁，保证了UPFC在外部交流系统故障时能够成功渡越。采用混合型阻抗，在选定合适的虚拟阻抗值的情况下，用数值较小的限流电抗器予以补充配合，既可以保证稳态时不会对UPFC产生影响，暂态时对UPFC的影响较小，又可以保证远、近端故障时实现UPFC的故障渡越，同时在工程上便于实施。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，其特征在于，所述统一潮流控制器所包括的并联侧模块化多电平换流器的控制流程中加入有虚拟阻抗环节，与所述并联侧模块化多电平换流器的直流侧相连的直流母线的正极母线上串联有限流电抗器；
所述故障渡越方法包括：
当故障引起所述统一潮流控制器所包括的串联侧模块化多电平换流器闭锁时，将所述统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使所述统一潮流控制器输出无功功率以支撑交流母线电压；
当故障未引起所述串联侧模块化多电平换流器闭锁时，闭合串联变压器的高压侧的高压侧旁路开关，使所述统一潮流控制器转入静止同步补偿器模式，使所述并联侧模块化多电平换流器输出无功功率以支撑交流母线电压；
所述统一潮流控制器包括：并联变压器、两个串联变压器、两个所述串联侧模块化多电平换流器和所述并联侧模块化多电平换流器；所述并联变压器的高压侧与交流电网并联，低压侧与所述并联侧模块化多电平换流器的交流侧连接，所述并联侧模块化多电平换流器的直流侧与所述直流母线连接；两个所述串联变压器的高压侧分别与所述交流电网的两个线路串联，低压侧分别与两个所述串联侧模块化多电平换流器的交流侧连接，两个所述串联侧模块化多电平换流器的直流侧均与直流母线连接；每个所述串联变压器的高压侧均并联连接有高压侧旁路开关，每个所述述串联变压器的阀侧并联有低压侧旁路开关和旁路晶闸管；所述高压侧旁路开关、所述低压侧旁路开关和所述旁路晶闸管用于在故障后旁路串联侧模块化多电平换流器。
2.根据权利要求1所述的基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，其特征在于，加入虚拟阻抗环节后的述并联侧模块化多电平换流器的控制流程包括：
获取直流母线正极的电流和无功功率反馈值；
计算所述直流母线正极的电流在经过所述虚拟阻抗后产生的直流电压反馈值；
将所述无功功率反馈值和所述直流电压反馈值均与对应的参考值进行对比，得到dq轴电流参考值；
将dq轴电流参考值与dq轴电流反馈值进行对比，得到对比结果；
将所述对比结果进行解耦得到dq轴调制电压值；
将所述dq轴调制电压值转换到三相静止坐标系后通过调制算法得到三相调制波；
根据所述三相调制波输出交流电。
3.根据权利要求2所述的基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，其特征在于，所述计算所述直流母线正极的电流在经过虚拟阻抗后产生的直流电压反馈值，具体包括：
将所述直流母线正极的电流乘以所述虚拟阻抗，得到虚拟阻抗产生的电压增量；
获取直流电压测量值；
将所述直流电压测量值与所述电压增量求和得到直流电压反馈值。
4.根据权利要求2所述的基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，其特征在于，所述虚拟阻抗的计算公式为：
Figure FDA0002639146830000021
其中，Zvir为虚拟阻抗，Rvir为虚拟电阻值，Lvir为虚拟电感值，s为拉普拉斯变换的参数。
5.根据权利要求4所述的基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，其特征在于，所述限流电抗器的电抗为0.05H。
6.根据权利要求4所述的基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，其特征在于，所述虚拟电阻值为2Ω。
7.根据权利要求4所述的基于混合型阻抗的统一潮流控制器故障渡越方法，其特征在于，所述虚拟电感值为0.4H。
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