CN109962488B - 高压直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及高压直流输电系统。一种高压直流(HVDC)输电系统包括：整流站，包括电网换相换流器(LCC)；逆变站，包括电压源换流器(VSC)。控制器被配置为在所述高压直流(HVDC)输电系统的故障恢复阶段响应于确定所述整流站与所述逆变站之间传输的直流电流低于预定阈值，输出用于降低所述逆变站处的直流电压的直流基准电压。

Description

高压直流输电系统
技术领域
本公开的实施例涉及电力领域，并且更具体地涉及高压直流输电及其相关的控制方法和控制器。
背景技术
混合高压直流(HVDC)输电系统包括电网换相换流器(LCC)整流器和电压源换流器(VSC)逆变器。LCC整流器使用触发角进行控制，通常使用15度的触发角。LCC整流器可以通过增加触发角来快速降低直流电压。然而，LCC整流器在快速增加直流电压方面是受限的，因为触发角只能降低到最小值。通常，使用5度的最小值，这意味着换流器最多能够增加直流电压大约cos(5°)-cos(15°)≈0.03p.u.。
另一方面，VSC换流器可以通过降低调制比来快速增加直流电压。如果使用半桥拓扑结构，则VSC换流器在快速降低直流电压方面是受限的，因为其通常靠近最大允许的调制比工作。然而，在架空线路(OHL)输电系统中，需要快速降低DC电压。这意味着必须使用相对较低的调制比。
因此，在上述混合高压直流输电系统中，难以通过调节触发角或调制比的方式进行快速的故障恢复。
发明内容
本公开的实施例提供了至少部分解决现有技术的上述缺点的高压直流输电系统及其相关的控制方法和控制器。
在第一方面，提供了一种高压直流(HVDC)输电系统。所述HVDC输电系统包括：整流站，包括电网换相换流器(LCC)；逆变站，包括电压源换流器(VSC)；以及控制器，被配置为在所述高压直流(HVDC)输电系统的故障恢复阶段响应于确定所述整流站与所述逆变站之间传输的直流电流低于预定阈值，输出用于降低所述逆变站处的直流电压的直流基准电压。
在一些实施例中，所述控制器包括低通滤波器，被配置为对所述直流电流进行滤波。
在一些实施例中，所述低通滤波器被配置为在所述直流电流减小的情况下具有小的时间常数，并且在所述直流电流增加的情况下具有大的时间常数。
在一些实施例中，所述控制器包括分段连续函数控制模块，被配置为：获得所述VSC处的所述直流电流、直流指令电压和小于所述直流指令电压的直流下限电压；响应于确定所述直流电流高于所述预定阈值，输出所述直流指令电压作为用于确定所述直流基准电压的输出电压；响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值并高于第二预定阈值，输出随着所述直流电流的减小而减小的所述输出电压；和响应于确定所述直流电流低于所述第二预定阈值，输出所述直流下限电压作为所述输出电压。
在一些实施例中，所述控制器还包括电压限制器，被配置为输出将所述直流指令电压限制在所述分段连续函数模块的所述输出电压和最小极限电压之间，以输出所述直流基准电压。
在第二方面，提供了一种用于高压直流(HVDC)输电系统的方法，包括：确定所述HVDC输电系统的整流站与逆变站之间传输的直流电流是否低于预定阈值，其中所述整流站包括电网换相换流器(LCC)并且所述逆变站包括电压源换流器(VSC)；以及在所述高压直流(HVDC)输电系统的故障恢复阶段，响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值，输出用于降低所述逆变站处的直流电压的直流基准电压。
在一些实施例中，所述方法还包括对所述直流电流进行低通滤波。
在一些实施例中，确定所述直流基准电压包括：获得所述VSC处的所述直流电流、直流指令电压和小于所述直流指令电压的直流下限电压；响应于确定所述直流电流高于所述预定阈值，输出所述直流指令电压作为用于确定所述直流基准电压的输出电压；响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值并高于第二预定阈值，输出随着所述直流电流的减小而减小的所述输出电压；和响应于确定所述直流电流低于所述第二预定阈值，输出所述直流下限电压作为所述输出电压。
在一些实施例中，所述方法还包括将所述直流指令电压限制在所述分段连续函数模块的所述输出电压和最小极限电压之间，以输出所述直流基准电压。
在第三方面，提供了一种用于高压直流(HVDC)输电系统的设备，包括：控制单元，被配置为：确定所述HVDC输电系统的整流站与逆变站之间传输的直流电流是否低于预定阈值，其中所述整流站包括电网换相换流器(LCC)并且所述逆变站包括电压源换流器(VSC)；和在所述高压直流(HVDC)输电系统的故障恢复阶段，响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值，输出用于降低所述逆变站处的直流电压的直流基准电压。
在一些实施例中，所述控制单元包括低通滤波器，被配置为对所述直流电流进行滤波。
在一些实施例中，所述低通滤波器被配置为在所述直流电流减小的情况下具有小的时间常数，并且在所述直流电流增加的情况下具有大的时间常数。
在一些实施例中，所述控制单元包括分段连续函数控制模块，被配置为：获得所述VSC处的所述直流电流、直流指令电压和小于所述直流指令电压的直流下限电压；响应于确定所述直流电流高于所述预定阈值，输出所述直流指令电压作为用于确定所述直流基准电压的输出电压；响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值并高于第二预定阈值，输出随着所述直流电流的减小而减小的所述输出电压；和响应于确定所述直流电流低于所述第二预定阈值，输出所述直流下限电压作为所述输出电压。
在一些实施例中，所述控制单元包括电压限制器，被配置为输出将所述直流指令电压限制在所述分段连续函数模块的所述输出电压和最小极限电压之间，以输出所述直流基准电压。
附图说明
通过结合附图更详细地描述本公开所描述的技术方案的示例性实施例，本公开所描述的技术方案的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本公开的技术方案的实施例中，相同附图标记通常表示相同的部件。
图1示出了根据本公开的实施例的高压直流输电系统的框图；
图2示出了根据本公开的实施例的用于高压直流输电系统的控制设备的框图；
图3示出了根据本公开的实施例的用于高压直流输电系统的控制设备的框图；
图4和图5示出了根据本公开的实施例和对比示例的高压直流输电系统针对单相接地故障的时序图；以及
图6示出了根据本公开的实施例的用于高压直流输电系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考几个实施例来讨论本公开所描述的技术方案。应当理解，这些实施例仅为了使本领域技术人员能够更好地理解并因此实现本公开所描述的技术方案而进行讨论，而不是暗示对技术方案范围的任何限制。
如本公开所使用的，术语“包括”及其变体将被视为开放式术语，其表示“包括但不限于”。术语“基于”应被视为“至少基于”，术语“一个实施例”和“实施例”应被视为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”应被视为“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指不同的或相同的对象。下面还包括其他定义、显式和隐含特征。术语的定义在整个描述中是一致的，除非上下文另有明确指出。
特别地，在下文描述中将会涉及若干具体的数值或者数值范围。这些数值或者数值范围都是示例性的，无意对本公开的范围做出任何强制性限制。根据实际的需求和应用场景，这些数值或者数值范围中的一个或多个可以被改变。
图1示出了根据本公开的实施例的高压直流输电系统10的框图。如图1所示，高压直流输电系统10包括整流站20和逆变站30。整流站20从交流系统接收交流输入并将其转换为直流输出以用于通过输电线路40进行电力传输。逆变站30从输电线路40接收直流输入并将其转化为交流输出，以提供给电网等交流系统。输电线路40在逆变站20与整流站30之间存在直流电压差，从而在输电线路40上可以递送直流电流。例如，输电线路40可以是架空线路。
如图1所示，整流站20包括电网换相换流器(LCC)22，并且逆变站30包括电压源换流器(VSC)32。在整流站20与逆变站30之间设置有输电线路40。这种混合高压直流输电系统可以实现成本和性能之间的平衡。例如，混合HVDC技术由于发送端处的LCC而降低了成本和损耗。VSC作为逆变器避免了换流故障并在多馈入电网和弱交流电网中提供了更好的性能。
高压直流输电系统10可能存在各种故障情形，例如逆变站30处的单相接地故障。在这种情况下，逆变站30处输出的直流电压将会增加，导致整流站20与逆变站30之间的电压差减小。相应地，输电线路40上的直流电流也将降低，从而导致高压直流输电系统10传输功率的下降。在清除故障之后的故障恢复阶段中，可以增加输电线路40上的直流电流，以使高压直流输电系统10的传输功率快速恢复。
为此，在图1所示的实施例中，在逆变站30处还设置有控制器50，也可以称为低流限压单元(CDVOL)。在故障恢复阶段，如果确定整流站20与逆变站30之间传输的直流电流低于预定阈值，则控制器50输出用于降低逆变站30处的直流电压的直流基准电压。所述预定阈值可以是直流电流指令减去一定差数，例如，0.1p.u.。可以调节差数的值以控制启动该控制机制的频率，例如，如果差数的值设置为较小值，则容易进入该控制模式，反正将不容易进入这种控制模式。逆变站30可以根据不同的控制情况来获得直流电流指令。例如，如果VSC 32是处于电压控制模式，则可以从LCC 22获得直流电流指令，这可以通过通信线路来获得。如果VSC 32处于功率控制模式，则可以将功率指令除以直流电压响应(例如，低通滤波后的直流电压响应)来获得直流电流指令。
由于逆变站30处的直流电压的降低，在整流站20与逆变站30之间的电压差将相应增加，以增加整流站20与逆变站30之间的直流电流。以这种方式，可以有助于直流电流或功率的快速恢复。
图2示出了根据本公开的一个实施例的控制器50的示意图。控制器50包括分段连续函数模块2，其被配置为获得输电线路40上的直流电流Id、逆变站30处的直流指令电压UdRef和小于直流指令电压Ud Ref的直流下限电压Ud Lim。
如图2所示，分段连续函数模块2的特性分为三段：在第一段，直流电流Id高于预定阈值Id High，输出直流指令电压Ud Ref作为输出电压Uo，该输出电压作为输出电压是额定直流基准电压，可以用于降低逆变站30处的直流电压。
在第二段，直流电流Id低于预定阈值Id High并高于另一预定阈值(为方便起见，下称第二预定阈值Id Low)，所输出的直流电压Uo随着直流电流Id的减小而减小。例如，当直流电流响应恢复到接近其指令值时，分段连续函数模块2可以逐渐增加直流基准电压，直到恢复到其初始值。在图2中，第二段以直线形式示出，然而应当理解，第二段也可以是其他形式的增函数。如上所述，Id High可以是直流电压指令减去一定的差数，例如0.01p.u.。在第三段，直流电流Id低于第二预定阈值Id Low，输出直流下限电压Ud Lim作为输出电压Uo。以这种方式，可以限制直流基准电压不会下降到最小允许电压以下。
图3示出了根据本公开的另一实施例的控制器50的示意图。在该实施例中，控制器50还可以包括低通滤波器1，低通滤波器1获得测量的直流电流Id，并对所测量的直流电流Id进行滤波，以去除高频谐波分量。
低通滤波器1的传递函数可以表示为K/(1+sT)，其中K表示常数，s表示频率，T表示时间常数。如图1所示，低通滤波器1可以具有两个时间常数，TC DOWN和TC UP，分别用于直流电流Id下降和上升的情况。例如，时间常数TC Down可以小于时间常数TC UP。例如，时间常数TC Down和TC Up可以分别设置为15ms和75ms。随着时间常数的增加，低通滤波器1的输出对输入的改变的响应更慢，即，低通滤波器1具有更大的惯性。因此，在直流电流Id下降的情况下，更小的时间常数可以实现更快的响应。
如图3所示，控制器50还包括分段连续函数模块2，其操作与图2的实施例相似。例如，在该示例中，直流电压的第二预定阈值Id Low可以被设置为0.25p.u.，并且输出直流下限电压Ud Lim可以被设置为0.85p.u.。
控制器50还可以包括电压限制器3，电压限制器3用于将直流指令电压Ud Ref限制在分段连续函数模块2的输出电压Uo和最小极限电压Ud Min之间，以输出直流基准电压UdRef CDVOL。直流基准电压Ud Ref CDVOL不能小于最小极限电压UD Min。例如，最小极限电压UD Min的值可以设置为高于例如架空线路(OHL)输电所要求的直流电压电平。这确保了电压源换流器32在控制器50进行故障恢复时不会达到最大允许调制比。在该示例中，最小极限电压UD Min可以被设置为0.85p.u.。
图4和图5示出了根据本公开的一个实施例和对比示例的高压直流输电系统针对单相接地故障的时序图，其中图4示出了LCC响应，并且图5示出了VSC响应。在该实施例中，LCC控制直流电流，并且VSC控制直流电压。尽管图4和图5结合单相接地交流故障进行图示，应当理解，根据本公开的实施例的控制方案也可以应用于其他类型的故障恢复，本公开在此不受限制。
在图4中，曲线410示出了根据本公开的实施例的LCC直流电压响应的时序图，曲线420示出了对比示例的LCC直流电压响应的时序图；曲线430示出了根据本公开的实施例的直流电流响应的时序图，曲线440示出了对比示例的直流电流响应的时序图；曲线450示出了根据本公开的实施例的LCC的触发角指令的时序图，曲线460示出了对比示例的LCC的触发角指令的时序图。
在图5中，曲线510示出了根据本公开的实施例的VSC直流电压响应的时序图，曲线520示出了对比示例的VSC直流电压响应的时序图；曲线530示出了根据本公开的实施例的直流基准电压的时序图，曲线540示出了对比示例的直流基准电压的时序图；曲线550示出了根据本公开的实施例的VSC的调制比的时序图，曲线560示出了对比示例的VSC的调制比的时序图。
如图4和图5所示，在约1.1s时发生单相接地交流故障，并且在约1.2s时故障清除，并且故障恢复阶段开始。根据本公开的实施例，在约1.3s时，可以恢复到故障前的直流功率的90％，即，故障恢复需要约100ms。与之相比，在对比示例中，在约1.45s才能恢复到故障前的直流功率的90％，即，故障恢复需要约250ms。可见，根据本公开的实施例的方案可以显著降低故障恢复时间。
图6示出了根据本公开的实施例的用于高压直流输电系统的方法600的流程图。例如，方法600可以由如图1-图3所示的控制器50来实现。所述高压直流输电系统包括整流站和逆变站，其中整流站包括电网换相换流器(LCC)并且逆变站包括电压源换流器(VSC)。在框602，确定整流站与逆变站之间的直流电流是否低于预定阈值。在一些实施例中，方法600还包括对测量的直流电流进行低通滤波，以去除高频谐波，并且根据低通滤波之后的直流电流来判断直流电流是否低于预定阈值。
如果在框602确定整流站与逆变站之间的直流电流低于预定阈值，则在高压直流输电系统的故障恢复阶段输出用于降低逆变站处的直流电压的直流基准电压。
在一些实施例中，框602包括：获得VSC处的直流电流、直流指令电压和小于直流指令电压的直流下限电压；响应于确定直流电流高于预定阈值，输出直流指令电压作为用于确定直流基准电压的输出电压；响应于确定直流电流低于预定阈值并高于第二预定阈值，输出随着直流电流的减小而减小的输出电压；和响应于确定直流电流低于第二预定阈值，输出直流下限电压作为输出电压。
在一些实施例中，框602还包括将直流指令电压限制在分段连续函数模块的输出电压和最小极限电压之间，以输出直流基准电压。
以上描述仅为本公开的可选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等效替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高压直流输电系统，包括：
整流站，包括电网换相换流器；
逆变站，包括电压源换流器；以及
控制器，被配置为在所述高压直流输电系统的故障恢复阶段响应于确定所述整流站与所述逆变站之间传输的直流电流低于预定阈值，输出用于降低所述逆变站处的直流电压的直流基准电压;
其中所述控制器包括分段连续函数控制模块，被配置为：
获得所述电压源换流器处的所述直流电流、直流指令电压和小于所述直流指令电压的直流下限电压；
响应于确定所述直流电流高于所述预定阈值，输出所述直流指令电压作为用于确定所述直流基准电压的输出电压；
响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值并高于第二预定阈值，输出随着所述直流电流的减小而减小的所述输出电压；和
响应于确定所述直流电流低于所述第二预定阈值，输出所述直流下限电压作为所述输出电压。
2.根据权利要求 1 所述的高压直流输电系统，其中所述控制器包括低通滤波器，被配置为对所述直流电流进行滤波。
3.根据权利要求 2 所述的高压直流输电系统，其中所述低通滤波器被配置为在所述直流电流减小的情况下具有小的时间常数，并且在所述直流电流增加的情况下具有大的时间常数。
4.根据权利要求 1 所述的高压直流输电系统，其中所述控制器还包括电压限制器，被配置为输出将所述直流指令电压限制在所述分段连续函数控制模块的所述输出电压和最小极限电压之间，以输出所述直流基准电压。
5.一种用于高压直流输电系统的方法，包括：
确定所述高压直流输电系统的整流站与逆变站之间传输的直流电流是否低于预定阈值，其中所述整流站包括电网换相换流器并且所述逆变站包括电压源换流器；以及
在所述高压直流输电系统的故障恢复阶段，响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值，输出用于降低所述逆变站处的直流电压的直流基准电压;
其中确定所述直流基准电压包括：
获得所述电压源换流器处的所述直流电流、直流指令电压和小于所述直流指令电压的直流下限电压；
响应于确定所述直流电流高于所述预定阈值，输出所述直流指令电压作为用于确定所述直流基准电压的输出电压；
响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值并高于第二预定阈值，输出随着所述直流电流的减小而减小的所述输出电压；和
响应于确定所述直流电流低于所述第二预定阈值，输出所述直流下限电压作为所述输出电压。
6.根据权利要求 5 所述的方法，还包括对所述直流电流进行低通滤波。
7.根据权利要求 6 所述的方法，还包括将所述直流指令电压限制在分段连续函数控制模块的输出电压和最小极限电压之间，以输出所述直流基准电压。
8.一种用于高压直流输电系统的设备，包括：
控制单元，被配置为：
确定所述高压直流输电系统的整流站与逆变站之间传输的直流电流是否低于预定阈值，其中所述整流站包括电网换相换流器并且所述逆变站包括电压源换流器；和
在所述高压直流输电系统的故障恢复阶段，响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值，输出用于降低所述逆变站处的直流电压的直流基准电压;
所述控制单元包括分段连续函数控制模块，被配置为：
获得所述电压源换流器处的所述直流电流、直流指令电压和小于所述直流指令电压的直流下限电压；
响应于确定所述直流电流高于所述预定阈值，输出所述直流指令电压作为用于确定所述直流基准电压的输出电压；
响应于确定所述直流电流低于所述预定阈值并高于第二预定阈值，输出随着所述直流电流的减小而减小的所述输出电压；和
响应于确定所述直流电流低于所述第二预定阈值，输出所述直流下限电压作为所述输出电压。
9.根据权利要求 8 所述的设备，其中所述控制单元包括低通滤波器，被配置为对所述直流电流进行滤波。
10.根据权利要求 9 所述的设备，其中所述低通滤波器被配置为
在所述直流电流减小的情况下具有小的时间常数，并且在所述直流电流增加的情况下具有大的时间常数。
11.根据权利要求 8 所述的设备，其中所述控制单元包括电压限制器，被配置为输出将所述直流指令电压限制在所述分段连续函数控制模块的所述输出电压和最小极限电压之间，以输出所述直流基准电压。
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