CN110212565A

CN110212565A - 一种抑制连续换相失败的直流功率控制策略

Info

Publication number: CN110212565A
Application number: CN201910529552.4A
Authority: CN
Inventors: 汤奕; 郑晨一; 张超明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University; Liyang Research Institute of Southeast University
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2019-09-06
Anticipated expiration: 2039-06-19
Also published as: CN110212565B

Abstract

本发明提供了一种抑制连续换相失败的直流功率控制策略。该策略首先根据第1次换相失败恢复过程中，直流系统换流母线电压、有功功率、吸收无功功率以及熄弧角等电气量的变化趋势，预判连续换相失败风险；然后基于连续换相失败风险的预判结果实时减小或恢复直流输送功率，以改善直流系统的无功需求和恢复特性，从而抑制连续换相失败。与现有方法相比，本发明具有较高的工程适应性及应用前景。

Description

一种抑制连续换相失败的直流功率控制策略

技术领域

本发明涉及电力系统稳定分析与控制研究领域，特别涉及一种抑制连续换相失败的直流功率控制策略。

背景技术

传统化石能源大量开发利用至今，已引发了资源紧张、环境污染和气候变化等一系列问题，能源的变革转型势在必行，其根本出路是通过能源开发及消费实现清洁替代和电能替代。因此为推动能源变革转型，实现电能的跨区优化配置，从而满足负荷中心日益增长的用电需求，基于晶闸管的高压直流输电以其在大容量、远距离输电的优势得到了广泛应用，直流密集接入交流电网给电力系统的稳定运行及协调控制带来了新的挑战。受端交流系统故障引发直流逆变侧换相失败是交直流混联系统最常见的问题之一，故障后的首次换相失败往往影响较小且难以避免，因此目前主要关注连续换相失败的抑制方法。

针对连续换相失败的抑制方法，现有研究通常从提升无功支撑、优化控制策略及改进换流器拓扑等方面展开。为提升交流系统的无功支撑能力，可在规划阶段优化配置静止无功补偿器、静止同步补偿器等无功补偿设备，或在故障后采用柔性直流调节电压、调相机紧急强励等手段。但该类方法主要仍然依赖于无功补偿设备的优化配置，故障后的控制手段相对不足，在某些严重故障下对连续换相失败的抑制效果比较有限。因此相关研究从直流系统的控制策略着手，主要研究低压限流控制(voltage dependent current orderlimiter,VDCOL)的优化提升方法。VDCOL在低电压条件下限制直流电流，避免了直流系统恢复过快而从交流系统吸收过多无功，但须预防直流恢复过慢导致交流通道承接大量转移潮流，对交流系统的暂态稳定造成不利影响。模块化多电平换流器的迅速发展，为降低甚至消除换相失败风险提供了新的解决思路，利用其电压灵活可控的优势改进换流器拓扑结构成为当前研究的一大热点和方向。相关研究通过将新型可控子模块嵌入换流器拓扑结构中以辅助换相，在一定程度上提高了换流阀抵御连续换相失败的能力，但该类方法投资成本较高且其工程适用性仍待进一步商榷和验证。

由此可见，当前研究虽取得了一定成效但均存在相应的不足之处，且适应实际工程需要的连续换相失败紧急控制方法仍相对较少。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种抑制连续换相失败的直流功率控制策略。该策略首先根据第1次换相失败恢复过程中，直流系统换流母线电压、有功功率、吸收无功以及熄弧角等电气量的变化趋势，预判连续换相失败风险；然后基于连续换相失败风险的预判结果实时减小或恢复直流输送功率，以改善直流系统的无功需求和恢复特性，从而抑制连续换相失败。与现有方法相比，本发明具有较高的工程适应性及应用前景。

为达到上述目的，本发明采用方法是一种抑制连续换相失败的直流功率控制策略，包括如下步骤：

A、根据直流运行参数计算换相失败临界电压U_cr1和U_cr2；

B、在第1次换相失败恢复期间，根据交直流系统电气量变化趋势预判连续换相失败风险；

C、根据风险预判结果，发送信号降低直流稳态运行功率；

D、监测换流母线电压，当判断无换相失败风险时，恢复直流稳态功率。

进一步的，步骤A中包含以下两个子步骤：

1)计算换相失败临界电压U_cr1：

系统稳态运行时直流电流如式(10)所示：

式中：I_d为直流电流，k为换流变压器变比，U_L为逆变侧换流母线线电压有效值，β为触发超前角，γ为熄弧角。

当逆变侧交流系统发生三相对称故障且无波形畸变，若交流电压幅值快速跌落，则触发超前角短时间内不突变，变化后的直流电流如式(11)所示：

式中：U′_L表示变化后的换流母线线电压有效值，γ′表示变化后的熄弧角，X_c为换相电抗，k为换流变压器变比，β为触发超前角。

由式(10)、(11)可得式(12)所示电流变化关系：

假定直流系统传输功率在故障瞬间未发生变化，直流电压和电流的关系可以用式(13)表示：

U_diI_d＝U′_diI′_d (13)

式中：U_di和I_d为故障前直流电压和直流电流，U′_di和I′_d为故障后直流电压和直流电流。

考虑到直流电压与交流电压间的关系，如式(14)所示：

式中：U_di0为理想空载直流电压，B为串联的桥数，k为换流变压器变比，β为触发超前角。

联解式(12)-(14)，并以极限熄弧角代入，求得换相失败临界电压U_cr1：

式中：U_L为换流母线线电压初始有效值，β和γ分别表示阀运行中的触发超前角和初始熄弧角，γ_min为极限熄弧角。

2)计算换相失败临界电压U_cr2：

根据单极直流输电联络线等值电路，直流电流可由式(16)计算得到：

式中：U_dr0和U_di0分别表示整流侧和逆变侧理想空载直流电压，R_L为直流电阻，R_cr和R_ci分别表示整流侧和逆变侧的等效换相电阻，α表示整流侧触发角，γ表示逆变侧熄弧角。

联解式(10)、(14)、(16)，并以极限熄弧角代入可解得换相失败临界电压U_cr2：

式中：X_ci为逆变侧等效换相电抗，γ_min为逆变侧极限熄弧角，R_eq表示等效电阻，R_eq＝R_cr+R_L-R_ci，且有R_cr＝(3/π)X_cr；R_ci＝(3/π)X_ci。

进一步的，步骤B中连续换相失败预判方法如下：

监测系统运行状态数据，在首次换相失败恢复过程中变化趋势满足式(18)时，判定直流面临较大的再次换相失败风险：

式(18)所描述的直流系统运行状态为：在换相失败恢复期间，换流母线电压以下降趋势跌至U_cr1以下，直流有功功率和无功功率均处于上升阶段，即此时直流系统将持续吸收无功，而电压和熄弧角正快速下降。

步骤C中：

若判定直流面临连续换相失败风险，则将直流输送功率下降至初始运行状态的95％，经100ms延时后功率下降到位。

步骤D中：

当换流母线电压恢复至临界电压U_cr2以上，将直流功率恢复至初始值，经100ms延时后功率恢复到位。

有益效果：

与现有方法相比，该方法根据直流系统无功需求提出了基于临界电压的连续换相失败风险判断方法；然后，根据风险预判结果实时减小或恢复直流输送功率，从而改善直流系统的无功需求和恢复特性，抑制连续换相失败，填补了连续换相失败预测方法和直流侧紧急控制措施的空白，具有较好的工程适应性及应用前景。

附图说明

图1为本发明的策略流程图；

图2为未实施控制措施时LF直流的换流母线电压仿真曲线；

图3为未实施控制措施时LF直流的输送有功功率仿真曲线；

图4为未实施控制措施时LF直流的单极吸收无功功率仿真曲线；

图5为实施功率下降时LF直流的熄弧角仿真曲线；

图6为实施功率下降时LF直流的输送有功功率仿真曲线；

图7为实施功率下降时LF直流的单极吸收无功功率仿真曲线；

图8为全过程LF直流熄弧角仿真曲线。

具体实施方式：

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明的方法的流程图，本发明的抑制连续换相失败的直流功率控制策略，包括如下步骤：

A、根据直流运行参数计算换相失败临界电压U_cr1和U_cr2；

C、根据风险预判结果，发送信号降低直流稳态运行功率；

进一步的，步骤A中包含以下两个子步骤：

1)计算换相失败临界电压_Ucr1：

系统稳态运行时直流电流如式(10)所示：

由式(10)、(11)可得式(12)所示电流变化关系：

U_diI_d＝U′_diI′_d (13)

考虑到直流电压与交流电压间的关系，如式(14)所示：

2)计算换相失败临界电压U_cr2：

进一步的，步骤B中连续换相失败预判方法如下：

步骤D中：

实施例1：

本实施例采用中国电科院开发的PSD-BPA作为仿真工具，基于某实际电网数据进行仿真分析，该数据中包括FF、JS、LZ、LF、YH、BJ、LS、JN共计八回直流。

根据步骤A中所述，分别由式(15)和式(17)计算各回直流的换相失败临界电压U_cr1和U_cr2，如表1所示：

表1换相失败临界电压

其中以LF直流为例进行分析验证。设置某特高压线路三永N-1故障，期间LF直流的换流母线电压、有功功率、单极吸收的无功功率及熄弧角仿真曲线分别如图:2到图5所示。根据仿真曲线可知，在LF直流第1次换相失败恢复过程中，换流母线电压于0.34s跌至0.86p.u.，已低于表1中所示临界电压值U_cr1(0.863)，且此时直流有功功率和消耗的无功功率均处于上升阶段，即直流仍将在恢复过程中持续吸收无功，而熄弧角正处于快速下降阶段。根据步骤B中式(18)可预判直流面临连续第2次换相失败风险，事实上由仿真曲线可以看出后续确实发生了第2次换相失败。

判定直流面临第2次换相失败风险后，实施步骤C中所述功率控制措施，将直流功率下降至初始运行状态的95％，考虑100ms延时后直流稳态功率于0.44s下降到位，实施功率控制措施的直流有功功率和吸收的无功功率仿真曲线分别如图6和图7所示。由此可见，直流恢复过程中无功需求的减小避免了第2次换相失败。

当换流母线电压恢复到表1所示U_cr2(0.921p.u.)时，实施步骤D中所述功率控制措施，将直流稳态输送功率恢复至初始状态，同样地考虑100ms延时后功率恢复到位。整个过程熄弧角仿真曲线如图8所示。可见根据本发明步骤D所述策略，将直流功率恢复至初始值后，直流系统能在经历首次换相失败后维持正常稳定的运行状态。

Claims

1.一种抑制连续换相失败的直流功率控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据直流运行参数计算换相失败临界电压U_cr1和U_cr2；

C、根据风险预判结果，发送信号降低直流稳态运行功率；

2.根据权利要求1中所述的抑制连续换相失败的直流功率控制策略，其特征在于，步骤A中，换相失败临界电压U_cr1的计算方法如下：

系统稳态运行时直流电流如式(1)所示：

式中：I_d为直流电流，k为换流变压器变比，U_L为逆变侧换流母线线电压有效值，β为触发超前角，γ为熄弧角；

当逆变侧交流系统发生三相对称故障且无波形畸变，若交流电压幅值快速跌落，则触发超前角短时间内不突变，变化后的直流电流如式(2)所示：

式中：U′_L表示变化后的换流母线线电压有效值，γ′表示变化后的熄弧角，X_c为换相电抗，k为换流变压器变比，β为触发超前角；

由式(1)、(2)可得式(3)所示电流变化关系：

假定直流系统传输功率在故障瞬间未发生变化，直流电压和电流的关系可以用式(4)表示：

U_diI_d＝U′_diI′_d (4)

考虑到直流电压与交流电压间的关系，如式(5)所示：

式中：U_di0为理想空载直流电压，B为串联的桥数，k为换流变压器变比，β为触发超前角；

联解式(3)-(5)，并以极限熄弧角代入，求得换相失败临界电压U_cr1：

3.根据权利要求2中所述的抑制连续换相失败的直流功率控制策略，其特征在于，步骤A中，换相失败临界电压U_cr2的计算方法如下：

根据单极直流输电联络线等值电路，直流电流可由式(7)计算得到：

式中：U_dr0和U_di0分别表示整流侧和逆变侧理想空载直流电压，R_L为直流电阻，R_cr和R_ci分别表示整流侧和逆变侧的等效换相电阻，α表示整流侧触发角，γ表示逆变侧熄弧角；

联解式(1)、(5)、(7)，并以极限熄弧角代入可解得换相失败临界电压U_cr2：

4.根据权利要求1中所述的抑制连续换相失败的直流功率控制策略，其特征在于，步骤B中：监测系统运行状态数据，在首次换相失败恢复过程中，电气量变化趋势满足式(9)时，判定直流面临较大的再次换相失败风险：

式(9)所描述的直流系统运行状态为：在换相失败恢复期间，换流母线电压以下降趋势跌至U_cr1以下，直流有功功率和无功功率均处于上升阶段，即此时直流系统将持续吸收无功，而电压和熄弧角正快速下降。

5.根据权利要求4中所述的抑制连续换相失败的直流功率控制策略，其特征在于:步骤C中，若根据式(9)判断连续换相失败后，则将直流稳态传输功率下降至初始运行状态的95％，考虑延时后直流功率于启动动作100ms后下降到位。

6.根据权利要求1中所述的抑制连续换相失败的直流功率控制策略，其特征在于:步骤D中当换流母线电压恢复至临界电压U_cr2以上，判断直流基本无连续换相失败风险，将直流功率恢复至初始值，考虑延时后直流功率于启动动作100ms后恢复到位。