CN110190618B - 一种交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开涉及一种交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法，包括：根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略、交流故障前的运行方式及交流系统的故障类型确定电流幅值和电流相位；根据所述电流幅值和电流相位，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型。能够在平稳完成交流故障穿越的前提下，实现对柔性直流换流站的简化等效，进而根据构建的等效模型方便地校验柔性直流输电系统接入交流电网后交流侧故障保护原理及定值的适用性。

Description

一种交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法

技术领域

本发明公开涉及高压输电技术领域，尤其涉及一种交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法。

背景技术

基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的直流输电技术是一种新型的灵活输电方式；高压柔性直流系统接入交流电网后，柔性直流系统电力电子器件引起的故障特征变化与交流系统有所引起的故障特征存在较大区别，然而，交流故障计算机进行保护配置时通常没有考虑柔性直流系统接入和控制系统调节的影响，需要对交流故障保护配置进行校验。

发明内容

有鉴于此，本发明公开提出了一种交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法技术方案，用以解决柔性直流系统接入交流系统后校验交流故障保护配置的问题。

根据本发明公开的一方面，提供了一种交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法，所述方法包括：

根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略、交流故障前的运行方式及交流系统的故障类型确定电流幅值和电流相位；

根据所述电流幅值和电流相位，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型。

在一种可能的实现方式中，构建柔性直流换流站的等效模型包括：将所述柔性直流换流站等效为电流源。

在一种可能的实现方式中，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型包括：

制定交流故障正序网络图，将柔性直流换流站等效为正序电流源；

其中，所述正序电流源的电流幅值，由柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略确定；

所述正序电流源的电流相位，由柔性直流换流站交流故障前的运行方式及交流故障期间的无功功率幅值确定。

在一种可能的实现方式中，所述正序电流源的电流幅值不大于所述柔性直流换流站的额定电流，同时满足下式：

其中，i_d、i_q分别为交流故障期间换流器输出的有功参考电流和无功参考电流的限幅值。

在一种可能的实现方式中，所述有功参考电流、无功参考电流的限幅值，由所述柔性直流换流站交流故障穿越工况下的控制策略确定。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

在交流故障类型为不对称故障的情况下，根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略，制定交流故障负序网络图。

在一种可能的实现方式中，所述根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略，制定交流故障负序网络图，包括：

在柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略包括负序电流抑制的情况，将柔性直流换流站等效为负序阻值无穷大的开路系统。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

在交流故障类型为接地故障的情况下，根据换流变压器的接线方式，制定交流故障零序网络图。

通过本发明公开实施例的交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法，根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略、交流故障前的运行方式及交流系统的故障类型确定电流幅值和电流相位；根据所述电流幅值和电流相位，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型。能够在平稳完成交流故障穿越的前提下，实现对柔性直流换流站的简化等效，进而根据构建的等效模型方便校验柔性直流输电系统接入交流电网后交流侧保护原理及定值的适用性。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明公开的原理。

图1示出根据本发明公开一实施例的交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法流程图；

图2示出根据本发明公开一实施例的带有柔性直流的交直流混联电网结构示意图；

图3示出根据本发明公开一实施例的交流故障正序网络结构图；

图4示出根据本发明公开一实施例的交流故障负序网络结构图；

图5示出根据本发明公开一实施例的交流故障零序网络结构图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明公开的主旨。

基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的直流输电技术是继特高压交流输电和特高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)技术后的一种新型的灵活输电方式。随着我国直流输电建设的快速发展，特别是高压柔性直流系统接入交流电网后，柔性直流系统中电力电子器件引起的故障特征变化与交流系统有较大区别。现有的交流故障分析计算、保护原理设定及定值整定等方法均会受到交、直流系统相互作用的影响。

然而，现有的故障计算机保护配置通常不考虑直流系统接入和柔性直流控制系统调节的影响。在某些特定工况或交流弱电系统中，直流系统的故障特征对交流电网的影响愈加显著。考虑到柔性直流输电系统的交流故障特性与其暂态控制策略有很大相关性，采取的暂态控制策略不一样，会产生不同的交流故障特性。因此，本发明公开提出了一种适用于交流电网侧发生故障时柔性直流换流站的等效模型搭建方法，将柔性直流系统进行近似等效，便于分析计算，方便校验柔性直流输电系统接入交流电网后交流侧保护原理及定值的适用性。

图1示出根据本发明公开一实施例的交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤S1、根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略、交流故障前的运行方式及交流系统的故障类型确定电流幅值和电流相位；

故障穿越是指在电网发生故障的情况下不脱离电网而继续维持运行，直至故障解除，系统恢复正常平稳运行状态。交流故障穿越是指当交直流互联电网故障或扰动引起柔性直流接入点的电压异常时，在一定电压范围，通过柔性直流系统限制自身的有功电流和无功电流，直到交直流互联电网恢复正常。其中，当柔性直流系统中变量已经改变并且柔性直流系统尚未达到稳定状态时，称为交流故障穿越工况；在此工况下，柔性直流系统调节自身的有功电流和无功电流等操作即为柔性直流系统在交流故障穿越工况下的控制策略。

柔性直流换流站可以分为两类：整流站和逆变站，整流站是将交流电转换为直流电，而逆变站是将直流电转换为交流电。柔性直流换流站可以具有整流站、逆变站功能或同时具有整流站和逆变站功能。柔性直流换流站的主要包括电压源型换流器(VSC)、换流阀、换流变压器、平波电抗器、直流电容器和交流滤波器、直流滤波器、断路器、避雷器、控制调节系统、保护系统等。其中，电压源型换流器有多种结构，如模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)、基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的三相两电平换流器等，是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。电压源型换流器的交流侧与交流系统连接，直流侧通过直流输电线或电缆连接。直流侧电容器为电压源型换流器提供直流电压支撑，缓冲桥臂关断时的冲击电流，减小直流侧谐波；换相电抗器是电压源型换流器与交流系统进行能量交换的纽带，同时也起滤波作用；交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波；换流变压器抽头可调，为电压源型换流器提供合适的工作电压，保证电压源型换流器输出有功功率和无功功率。

图2示出了根据本发明公开一实施例的带有柔性直流的交直流互联电网结构示意图；如图2所示，I_f为交流线路故障点，I_AC是交流电源流向故障点的电流；I_Trans是故障点流向柔性直流换流站的电流；U_sys为交流系统的交流电源，U_vsc为直流系统中柔性直流换流站等效电源，联接变压器变比为1/K(联接变压器是指连接于柔性直流换流站与交流系统之间，实现能量及电压交换的设备)，X_S为交流系统电抗。

在一种可能的实现方式中，所述柔性直流站在交流故障穿越工况下的控制策略，可以为交流暂态期间输出有功功率和无功功率，正负序双闭环控制，采用暂时性闭锁逻辑等控制策略。

在一种可能的实现方式中，柔性直流换流站在交流故障前的运行方式，可以为定功率模式(PQ控制)、静止同步补偿模式(STATCOM模式)等，其中，静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator,STATCOM)，是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源，使其输出电流超前或滞后系统电压90度，从而对系统所需的无功进行动态补偿。

需要说明的是，上述仅为示例性地介绍了柔性直流换流站的结构、交流故障穿越工况下的控制策略及交流故障前的运行方式，便于通过分析发生交流故障，构建柔直直流换流站的等效模型；以便进一步分析柔性直流换流站的结构及控制策略对交流短路特性和故障机理影响，但本领域技术人员能够理解，本发明公开适用的柔性直流换流站的结构、交流故障穿越工况下的控制策略及交流故障前的运行方式应不限于此。事实上，用户完全可根据实际应用场景灵活设定柔性直流换流站的结构、控制策略及运行方式，只要可以实现控制交直流互联电网交流故障穿越功能即可。

步骤S2、根据所述电流幅值和电流相位，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型。

在一种可能的实现方式中，构建柔性直流换流站的等效模型包括：将所述柔性直流换流站等效为电流源。

为了便于分析其对交流故障保护原理及定值整定的影响，本发明公开将交直流互联电网中的柔性直流换流站等效为幅值及相位可控的电流源，在分析柔性直流系统拓扑结构及控制策略对交流短路特性和故障机理影响的基础上，制定适应于不同故障类型、运行工况的柔性直流系统等效电流源计算模型。

交流故障类型可以分为对称故障和不对称故障，其中，对称故障包括：三相短路故障；不对称故障包括：单相或两相短路故障、单相或两相短路接地故障；当交流系统发生三相短路故障时，系统里面是正序分量；当交流系统发生单相短路接地故障时，系统有正序、负序和零序分量；当交流系统发生两相短路故障时，系统有正序和负序分量；当交流系统发生两相短路接地故障时，系统有正序、负序和零序分量。因此，通过采用序网分析交流故障特征，制定正序网络图、负序网络图、零序网络，可以对交流系统中出现的各种类型短路故障进行分析，进而可以确保得到的等效模型适应于各种实际交流系统短路故障工况。

通过分析发现，交直流互联电网发生交流对称故障时，故障电流的大小由柔性直流系统和交流系统共同决定；柔性直流系统短路电流的幅值和相位均会影响故障电流的大小，为便于分析计算，可将柔性直流系统近似等效为可控电流源。即在制定故障正序网络图时，柔性直流换流站模型可以等效为正序电流源，电流幅值受限于电流控制策略的限幅值。因输出电流为有功功率和无功功率独立控制的对称电流，则电流源幅值不超过上述有功、无功电流控制策略的限幅值；同时应考虑有功及无功电流不超过换流设备的容量。

在一种可能的实现方式中，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型包括：

制定交流故障正序网络图，将柔性直流换流站等效为正序电流源；

其中，所述正序电流源的电流幅值，由柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略确定；

所述正序电流源的电流相位，由柔性直流换流站交流故障前的运行方式及交流故障期间的无功功率幅值确定。

举例来说，柔性直流换流站所采用的控制策略决定其交流故障特性，故障前柔性直流换流站正常运行并采用PQ控制；故障后有功功率闭环输出的交流有功电流的指令值I_dref被限制在约0.85p.u.，而无功功率闭环控制转为暂态电压控制并清除积分环节。因此，系统的交流故障特性主要体现为：输出电流为对称电流，有功电流Id被限幅在0.85p.u.，无功电流Iq被限幅在为0.0p.u.，因此柔性直流换流站故障期间的正序等效可近似为一正序电流源。其中，p.u.是标幺值(per unit)的简写，标幺值是相对单位制的一种，是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，表示各物理量及参数的相对值，单位为p.u.(也可以认为其无量纲)；标幺值可以为某物理量的实际值与该物理量的基准值之间的比值。

考虑到dq坐标系与abc三相中，各相量均采用等幅变换，对电流进行坐标变换，从三相瞬时坐标(abc)到正序的两相旋转坐标(dq)，使得三相静止坐标系中的基波交流量转换至两相旋转坐标系中的直流量，获得dq坐标系中两相的相电流，对相电流进行正序分量提取，求得所述正序电流源电流幅值为：

其中，i_d、i_q分别为两相同步旋转d-q坐标系中d轴和q轴的电流分量(即交流故障期间换流器输出的有功参考电流和无功参考电流的限幅值)。

在一种可能的实现方式中，所述正序电流源的电流幅值不大于所述柔性直流换流站的额定电流，同时满足下式：

其中，i_d、i_q分别为交流故障期间换流器输出的有功参考电流和无功参考电流的限幅值。

所述有功参考电流、无功参考电流的限幅值，由所述柔性直流换流站交流故障穿越工况下的控制策略确定。

交流故障后，由于柔性直流系统的控制作用直流系统等效电流源电流相位的变化较小，主要直流侧提供的无功支撑大小决定，通常超前于交流系统电压；交流侧故障电流相位则随故障类型不同而有所区别。

在一种可能的实现方式中，所述正序电流源的电流相位，由柔性直流换流站交流故障前的运行方式及交流故障期间的无功功率幅值确定，包括：

在柔性直流换流站的交流故障前的运行方式为定功率模式的情况下，对称故障发生在柔性直流输电系统与交流系统互联电网中的整流侧时，交流电源相位与柔性直流换流站的相位差为

对称故障发生在柔性直流输电系统与交流系统互联电网中的逆变侧时，交流电源相位与柔性直流换流站的相位相差

其中，

为等效电流源的相角；

在柔性直流换流站交流故障前的运行方式为静止同步补偿模式的情况下，对称故障发生在柔性直流输电系统与交流系统互联电网中的整流侧或逆变侧时，所述交流电源与正序电流源相位差90°。

由此，利用上述求取的柔性直流换流站的电流幅值及电流相位，制定正序网络图时，可将柔性直流换流站等效为线性电流源。将柔性直流系统的非线性故障特征等效为线性电流源，方便校验柔性直流输电系统接入交流电网后交流侧保护原理及定值的适用性。

图3示出根据本发明公开一实施例的交流对称故障时的正序网络结构图，如图3所示，Z_s1是交流电源至故障点的等效正序阻抗；Z_c1是柔性直流换流站至故障点的等效正序阻抗。I_con1为正序电流源，E_S1为交流电流源，uf1为故障点的电压。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在交流故障类型为不对称故障的情况下，根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略，制定交流故障负序网络图。

在一种可能的实现方式中，所述根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略，制定交流故障负序网络图，包括：

在柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略包括负序电流抑制的情况，将柔性直流换流站等效为负序阻值无穷大的开路系统。

举例来说，当交流系统发生不对称故障时，换流器交流侧电压将不再对称，此时将产生负序电压分量，由于换流器中不存在可以抵消该负序电压的反电动势，因此该负序电压将会在换流器中产生负序电流分量。而换流器正负序电流内环控制环节能够使负序电流有效跟踪负序电流参考值idref、iqref，从而将负序电流基本控制为0。然而即使能够通过控制策略滤除负序电流，但是负序电压仍然存在，因此，采用正负序双闭环控制策略时，柔性直流换流站的负序等值网络应为阻值无穷大的开路系统。

图4示出根据本发明公开一实施例的交流故障负序网络结构图；如图4所示，Z_s2是交流电源至故障点的等效负序阻抗；Z_c2是柔性直流换流站至故障点的等效负序阻抗，uf2为故障点的电压。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在交流故障类型为接地故障的情况下，根据换流变压器的接线方式，制定交流故障零序网络图。

针对不同的换流变压器的接线方式，可以刻画不同的零序网络拓扑图，当接线方式确定时，即可确定交流故障零序网络图，接线方式可以为Y型或△型等接线方式。

举例来说，在换流变压器的接线方式为Yn/Yn接法的情况下，制定的零序网络图中由变压器网侧和阀侧的漏抗、励磁电抗、阀侧中性点接地电阻和柔性直流换流站及其背端直流侧到交流系统的等效阻抗构成的阻抗网络。可以在柔性直流换流器阀侧制造一个中性点，将阀侧绕组经高电阻接地，并求取柔性直流换流站及其背端直流侧到交流系统的等效阻抗，从而得到交流故障零序网络图。

图5示出根据本发明公开一实施例的交流故障零序网络结构图；如图5所示，换流变压器采用Yn/Yn接法，X_Ι、X_II分别为变压器网侧和阀侧的漏抗，X_R是励磁电抗，励磁电抗X_R一端连接漏抗X_Ι、X_II的连接点，另一端接地，R_n为阀侧中性点与地之间的大电阻(阀侧中性点接地电阻)，X_MMC为柔性直流换流站及其背端直流侧到交流系统的等效阻抗，漏抗X_Ι、X_II、接地电阻R_n和等效阻抗X_MMC依次串联，等效阻抗X_MMC一端连接接地电阻R_n，另一端接地，交流电源为U₀。其中，网侧为连接到交流电网的一侧，即整流变压器的原边；阀侧为连接到整流器的一侧，即整流变压器的副边。

通过搭建的交流电网侧发生故障时交直流互联电网的正序网络图中柔性直流换流器等效模型，能够在平稳完成交流故障穿越的前提下，实现对柔性直流换流站的简化等效。进而可以利用上述柔性直流换流站的等效模型，校验柔性直流输电系统与交流系统互联电网的交流故障保护配置。

与交流系统互联的柔性直流输电系统可以分为：单端柔性直流输电系统和双端柔性直流输电系统，其中，单端柔性直流输电系统包括一侧的柔性直流换流站，可以与供电端的交流电网连接，实现整流功能，也可以与用电端的交流电网连接，实现逆变功能；双端柔性直流输电系统的主要组成部分是两侧的柔性直流换流站，其与单端柔性直流输电系统结构相同，根据系统需求可方便地进行整流/逆变运行状态转换，两侧柔性直流换流站协调控制运行实现两端交流系统间有功功率的交换。

在一种可能的方式中，柔性直流输电系统可以包括：整流站、逆变站、直流断路器、直流架空线路等，本实施例中方法可以适用于具有整流站、逆变站功能或同时具有整流站和逆变站功能的柔性直流换流站。可以用于实际工程中柔性直流系统与交流系统互联电网中交流故障保护配置的校验；也可以通过搭建柔性直流系统与交流系统连接的试验电路网络，模拟真实工况环境，进行交流故障保护配置校验。

在一种可能的实现方式中，可以根据待校验的交直流互联网络中柔性直流换流站的在交流故障穿越工况下的控制策略、交流故障前的运行方式等，得到正序网络图中等效模型的具体参数，进而利用等效模型对柔性直流输电系统与交流系统互联电网的交流故障保护配置校验。

在一种可能的实现方式中，还可以利用构建的交流电网侧发生故障时柔性直流换流站的等效模型对定制整定的适用性进行校验，其中，整定是指电气设备在投入正常运行前必须先测试设备正常运行电流的大小，是否在上级保护开关的整定电流范围之内。

这样，通过本发明公开实施例的交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法，根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略、交流故障前的运行方式及交流系统的故障类型确定电流幅值和电流相位；根据所述电流幅值和电流相位，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型。能够在平稳完成交流故障穿越的前提下，实现对柔性直流换流站的简化等效，进而根据构建的等效模型方便校验柔性直流输电系统接入交流电网后交流侧保护原理及定值的适用性。

以上已经描述了本发明公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种交流故障穿越工况下的柔性直流换流站模型等效方法，其特征在于，所述方法包括：

根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略、交流故障前的运行方式及交流系统的故障类型确定电流幅值和电流相位；所述故障类型包括：对称故障和不对称故障；

根据所述电流幅值和电流相位，构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型；

所述构建适用于交流故障穿越工况下的柔性直流换流站的等效模型，包括：

制定交流故障正序网络图，将柔性直流换流站等效为正序电流源；

其中，所述正序电流源的电流幅值，由柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略确定；

所述正序电流源的电流相位，由柔性直流换流站交流故障前的运行方式及交流故障期间的无功功率幅值确定；其中，在柔性直流换流站交流故障前的运行方式为静止同步补偿模式的情况下，对称故障发生在柔性直流输电系统与交流系统互联电网中的整流侧或逆变侧时，交流电源与所述正序电流源相位差90°。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建柔性直流换流站的等效模型包括：将所述柔性直流换流站等效为电流源。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正序电流源的电流幅值不大于所述柔性直流换流站的额定电流，同时满足下式：

其中，i_d、i_q分别为交流故障期间换流器输出的有功参考电流和无功参考电流的限幅值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有功参考电流、无功参考电流的限幅值，由所述柔性直流换流站交流故障穿越工况下的控制策略确定。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在交流故障类型为不对称故障的情况下，根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略，制定交流故障负序网络图。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略，制定交流故障负序网络图，包括：

在柔性直流换流站在交流故障穿越工况下的控制策略包括负序电流抑制的情况，将柔性直流换流站等效为负序阻值无穷大的开路系统。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在交流故障类型为接地故障的情况下，根据换流变压器的接线方式，制定交流故障零序网络图。

Images