CN110233490A - 避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，具体涉及避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法及系统；方法包括受端交流电网发生短路故障时，启动低压限流控制，由低压限流控制确定直流电流控制指令值；当受端交流电网故障已清除时，且逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的启动门槛值；根据满足无功交换期望的最大直流电流以及满足换相裕度的最大直流电流；在线计算出直流电流控制指令值，避免直流输电系统恢复过程中发生连续换相失败；当判断出逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的退出门槛值，重新启动低压限流控制；本发明通过动态调节直流电流能改善交流电压恢复过程，能够抑制故障恢复阶段的连续换相失败，有利于直流功率的平稳恢复。

Description

避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，具体涉及避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法及系统。

背景技术

高压直流输电由于输电距离不受交流系统同步稳定的限制、可降低交流系统短路电流水平、功率调节迅速灵活等优点，在大区电网互联、远距离大容量输电等领域得到了广泛的应用，为现代电力系统带来了巨大经济效益。交流电网发生故障后，直流输电系统极易发生换相失败。换相失败导致交流电网的故障特性、有功分布和无功平衡特性均产生较大变化，使得交流电网的受扰行为更加复杂。其中，交流电网故障特性的改变可能导致继电保护的不正确动作，有功功率的转移变化可能威胁交流电网的功角稳定性，无功功率的扰动则可能引发交流电网的过电压或电压稳定性问题。若换相失败未得到有效的抑制可能进一步引发连续换相失败甚至换流阀闭锁，直流输电通道中断，在严重的情况下可能导致交流电网失稳等一系列的恶性连锁反应过程，甚至导致电网崩溃。

直流输电系统的连续换相失败已引起了科研人员和电网运行人员的广泛关注，但是关注的焦点主要为电网故障期间直流换相失败的识别和抑制问题。事实上，直流输电系统的连续换相失败不仅会发生在交流电网故障期间，在故障清除后的电压恢复阶段直流输电系统也易出现直流连续换相失败。目前，直流输电系统主要利用低压限流控制来平稳增大直流电流以实现故障的恢复，然而低压限流控制采用了固定的参数，不能计及交直流系统之间的动态无功交互的影响，甚至可能恶化直流输电系统的恢复过程。

现有研究主要致力于低压限流控制的参数改进，包括通过非线性优化算法改进低压限流控制参数、低压限流控制参数的自适应设置、引入模糊控制理论设置可变的控制参数以及利用优化算法设置分段变速率的控制参数。但是，上述方法无法量化交直流系统的动态无功交互，控制效果难以保证。此外，部分研究从改善直流逆变站无功特性角度，设计了新的无功功率控制器来替代低压限流控制以期改善直流恢复过程，但是其直流电流控制指令值的计算假设关断角恒定，未能充分考虑电压跌落期间关断角的动态变化，而完全替代低压限流控制也无法满足故障期间直流电流限制的要求。

此外，已有研究表明换流站动态无功特性变化不是造成恢复过程换相失败的唯一因素，故障清除后换流母线电压的畸变亦是造成逆变站连续换相失败的重要原因，而现有方法均未考虑换流母线电压畸变对于直流恢复过程的影响。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明公开了一种考虑直流输电系统无功特性和换相裕度的可有效避免连续换相失败的直流输电系统故障恢复控制方法，量化了直流逆变站与交流电网的无功交换，量化了逆变站换流电压谐波分量对于直流恢复过程的影响，从而计及了直流恢复过程中换相电压幅值和电压谐波对换相裕度的影响，通过故障恢复过程直流电流指令的在线计算与动态调节，降低直流输电系统动态无功特性对电压恢复的影响，抑制恢复过程中连续换相失败发生的风险。

具体的，本发明的避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、当判断出受端交流电网发生短路故障时，启动低压限流控制，由低压限流控制确定直流电流控制指令值，从而快速限制直流电流；

S2、当判断出受端交流电网故障已清除时，且逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的启动门槛值ε_H；根据满足无功交换期望的最大直流电流I_d1以及满足换相裕度的最大直流电流I_d2；在线计算出直流电流控制指令值，从而限制直流电流，避免直流输电系统恢复过程中发生连续换相失败；

S3、当判断出逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的退出门槛值ε_L，重新启动低压限流控制。

进一步的，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、当判断出受端交流电网故障已清除时，则计算逆变站换流母线电压的变化率，若逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的启动门槛值ε_H时，则保持低压限流控制，否则执行S22；

S22、建立无功交换量与直流电流、触发超前角和交流电压的约束关联模型，计算满足无功交换期望的最大直流电流I_d1；根据换相面积的动态约束关系，计算满足换相裕度的最大直流电流I_d2；

S23、基于谐波电压对换相面积的影响，根据最大直流电流I_d1和最大直流电流I_d2，计算出电流控制值退出低压限流控制，并将作为更新后的直流电流控制指令值，从而限制直流电流；改善直流输电系统的恢复特性，避免恢复过程中发生连续换相失败。

进一步的，所述启动门槛值ε_H是通过滞回比较器进行设置，其值为0.9～1.1pu/s。

进一步的，满足换相裕度的最大直流电流I_d1通过无功交换量与直流电流、触发超前角和交流电压的约束关联模型获得，约束关联模型包括：

系数a、b，c、d分别由下式计算：

其中，N为逆变站每极中6脉动换流器数；k为换流变压器变比；X_c为逆变站换相电抗；U_i为逆变站换流变高压侧电压；β表示逆变站触发超前角；Q_c为逆变站无功补偿的容量；ΔQ_ex为逆变站与受端交流电网之间无功交换的期望值。

进一步的，满足换相裕度的最大直流电流I_d2的计算方法包括：

其中，γ_min为临界关断角，一般取为7°至10°；φ为受端电网发生不对称故障时换相电压过零点前移角度；β表示逆变站触发超前角；X_c为逆变站换相电抗。

进一步的，直流电流控制指令值的在线计算公式包括：

其中，η_max为谐波电压对基波换相面积的最大影响系数，由下式计算：

换相电压基波和谐波分量对应的换相面积分别表示为：

谐波电压影响下的最大换相面积由下式计算：

其中，β表示逆变站触发超前角；n为谐波次数；为n次谐波的初相角；γ为逆变站关断角；L_c逆变站换相电感；ω_s为电网基波角频率；U₁为换相电压的基波有效值；U_n为换相电压的n次谐波电压有效值。

进一步的，所述退出门槛值的值为0.15～0.25pu/s。

另外，本发明还提出了一种用于实现避免连续换相失败的直流输电系统故障恢复控制方法的控制系统，即避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制系统，所述控制系统包括直流电流控制指令计算模块、启动模块；

所述直流电流控制指令计算模块包括第一测量单元、滤波单元、谐波检测单元以及第一计算单元；所述第一测量单元用于采集换流母线电压；所述滤波单元用于采集超前触发角；所述谐波检测单元用于检测谐波电压；所述第一计算单元用于根据第一测量单元、滤波单元以及谐波检测单元的数据，计算满足无功交换期望的最大直流电流I_d1、满足换相裕度的最大直流电流I_d2以及直流电流控制指令值；

所述启动模块包括第二测量单元、第二计算单元、比较单元以及切换单元；所述第二测量单元用于测量换流母线电压；所述第二计算单元用于计算换流母线电压幅值的变化率；所述比较单元用于比较换流母线电压幅值的变化率分别与启动门槛值ε_H和退出门槛值ε_L的大小；所述切换单元用于切换电流直流控制指令值。

本发明的有益效果：

本发明主要包括了三个限流控制阶段，在初始发生故障的阶段，本发明直接通过低压限流控制，从而能够快速的限制直流电流，本发明考虑到了直流输电系统无功特性和换相裕度的影响，通过计算逆变站换流母线电压的变换率大小，若小于启动门槛值，则进入第二阶段，即通过故障恢复过程直流电流控制指令值的在线计算与动态调节，能够避免换流站动态无功特性以及换流母线电压引起的畸变对连续换相造成的失败影响；当判断出逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的退出门槛值，则进入第三个阶段，重新启动低压限流控制；本发明能够降低直流输电系统动态无功特性对电压/电流恢复的影响，抑制恢复过程中连续换相失败发生的风险。

附图说明

图1为本发明的优选实施例的控制方法流程图；

图2为本发明的对应的控制方法结构图；

图3为本发明与其他控制方法相比较的仿真验证图，(a)直流电流控制指令值，(b)逆变站输出功率，(c)逆变站关断角，(d)逆变站换流母线电压。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合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。

实施例1

本实施例公开了避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法及系统，如图1所示，所述方法主要包括以下步骤：

步骤1：检测逆变站换流母线电压，当换流母线电压低于电网最小允许运行电压时，判断为受端交流电网发生短路故障，启动低压限流控制，由低压限流控制确定直流电流控制指令值，从而快速限制直流电流；

步骤2：当换流母线电压升高且逆变站接收到继电保护动作的信号时，判断为受端交流电网故障已清除，随即计算逆变站换流母线电压的变化率，若逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的滞回比较器启动门槛值ε_H时，保持低压限流控制，否则执行步骤3；其中，ε_H一般设定为1.0pu/s；

步骤3：根据无功交换量与直流电流、触发超前角和交流电压的约束关联模型，计算满足无功交换期望的最大直流电流I_d1：

其中，系数a、b，c、d分别由下式计算：

其中，Q_c为逆变站无功补偿的容量；ΔQ_ex为逆变站与受端交流电网之间无功交换的期望值，由电网电压的恢复需求来确定；N为逆变站每极中6脉动换流器数；X_c为逆变站换相电抗；k为换流变压器变比，U_i为逆变站换流变高压侧电压；β表示逆变站触发超前角。

根据换相面积动态约束关系，计算满足换相裕度的最大直流电流I_d2：

其中，γ_min为临界关断角，一般取为7°至10°；φ为受端电网发生不对称故障时换相电压过零点前移角度。

步骤4：考虑谐波电压对换相面积的影响，根据满足无功交换期望的最大直流电流I_d1和满足换相裕度的最大直流电流I_d2，确定直流电流的指令值为：

其中，η_max为谐波电压对基波换相面积的最大影响程度系数，可根据式(5)得到。

换相电压基波和谐波分量对应的换相面积可表示为：

由于谐波初相角不确定，假设包含谐波初相角的正弦函数项等于1，可得谐波电压影响下的最大换相面积为：

进一步，退出低压限流控制，将直流电流控制指令值设置为

步骤5：持续检测逆变站换流母线电压的变化率，当换流母线电压的变化率小于所设定的退出门槛值ε_L时，重启低压限流控制，直流电流的指令值由低压限流控制的输出确定；其中退出门槛值一般设定为0.2pu/s。

实施例2

本实施例给出了避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制及系统，所述控制系统包括直流电流控制指令计算模块、启动模块；

所述直流电流控制指令计算模块包括第一测量单元、滤波单元、谐波检测单元以及计算单元；所述第一测量单元用于采集换流母线电压；所述滤波单元用于采集超前触发角；所述谐波检测单元用于检测谐波电压；所述计算单元用于根据第一测量单元、滤波单元以及谐波检测单元的数据，计算满足无功交换期望的最大直流电流I_d1、满足换相裕度的最大直流电流I_d2以及直流电流控制指令值；

所述启动模块包括第二测量单元、第二计算单元、比较单元以及切换单元；所述第二测量单元用于测量换流母线电压；所述第二计算单元用于计算换流母线电压幅值的变化率；所述比较单元用于比较换流母线电压幅值的变化率分别与启动门槛值ε_H和退出门槛值ε_L的大小；所述切换单元用于切换电流直流控制指令值。

当然，上述术语“第一”、“第二”仅用于区分其存在的位置，且“第一”、“第二”其本质可以为同一种装置，例如第一计算单元和第二计算单元均可以采用同一运算器。

在一个实施例中，如图2所示，给出了避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制及系统的一种实现方式，由于本发明主要涉及对直流电流控制指令计算环节和主要包括启动环节2个部分的创造，因此，其余部分本实施例不再对其进行赘述，本领域普通技术人员可参考现有技术对其进行理解和实现。

该实现方式中，第一测量单元采集换流母线电压；滤波单元采集超前触发角；谐波检测单元检测谐波电压；计算单元根据第一测量单元、滤波单元以及谐波检测单元的数据，根据公式(1)、(3)和(5)计算出满足无功交换期望的最大直流电流I_d1和满足换相裕度的最大直流电流I_d2，进而根据公式(4)确定出直流电流控制指令值。

第二测量单元测量换流母线电压，第二计算单元通过坐标变换后计算幅值，进而计算换流母线电压幅值的变化率，比较单元将该变化率分别与所设定的滞回比较器启动门槛值ε_H和退出门槛值ε_L的大小进行比较，切换单元实现直流电流控制指令值的切换。

具体的，当换流母线电压的变化率大于所设定的滞回比较器启动门槛值ε_H时，退出低压限流控制，将直流电流控制指令计算环节的输出作为直流电流控制指令值，随后当换流母线电压的变化率小于所设定的退出门槛值ε_L时，退出直流电流控制指令计算环节，重启低压限流控制，将低压限流控制的输出作为直流电流的指令值。

所设计交流故障恢复控制器的基本控制原理如下：电网稳态情况下，直流电流指令为额定运行电流I_des。当交流系统发生短路故障时，在交流故障的初始阶段采用基于直流电压的常规低压限流控制得到直流电流指令以快速限制直流电流，抑制直流侧短路电流。当受端交流故障清除时，若交流电压变化率超过滞回比较器启动门槛值ε_H时，直流电流控制方式从常规低压限流控制环节切换至所提故障恢复控制器；当检测到交流电压变化率持续小于设定退出门槛值ε_L时，直流电流控制方式从故障恢复控制器切换回低压限流控制环节。

实施例3

本实施例给出本发明的一个具体仿真验证实例：

以CIGRE高压直流输电标准测试模型对本发明所提故障恢复控制方法进行验证。仿真模型主要参数如下：换流站采用12脉动换流器，额定直流电压为500kV，额定直流电流为2kA，换流变压器高压侧交流母线额定电压U_i＝230kV，换流变变比k＝1.1，极对数N＝2，变压器二次侧等值短路阻抗X_c＝13.32Ω，无功补偿装置等值容纳B_c＝0.01184S，交流系统短路比为2.5。逆变站向受端交流系统输出无功量期望值△Q＝60Mvar。恢复控制器启动和退出的交流电压变化率门槛分别取为1.0pu/s和0.2pu/s。

为验证所提控制方法(本发明)的控制效果，选取常规低压限流控制作为基本算例与本发明的方法进行对比。直流输电系统逆变侧交流母线在3s时发生三相对称短路故障，故障持续0.1s，故障期间受端交流线电压有效值跌落至0.5pu。图3所示为采用不同控制方法下，直流电流指令、直流传输功率、关断角和受端交流电压等仿真结果(依次对应(a)、(b)、(c)以及(d))。根据图3可知，在常规低压限流控制策略下，在故障期间和故障清除后直流输电系统共发生2次换相失败，导致直流传输有功功率出现连续两次暂降过程。在本发明公开的控制方法作用下，直流输电系统仅在故障初始发生1次换相失败，功率恢复过程更平稳，改善了直流功率恢复特性。

与常规控制方法相比，本发明的控制方法通过动态调节直流电流能改善恢复过程中交流电压恢复过程，同时能够抑制故障恢复阶段的连续换相失败，有利于直流功率的平稳恢复。

另外，在本发明中，可以理解的是，控制方法和控制系统的某些特征可以相互引用，本发明为了节省篇幅就不再列举。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、当判断出受端交流电网发生短路故障时，启动低压限流控制，由低压限流控制确定直流电流控制指令值，从而快速限制直流电流；

S2、当判断出受端交流电网故障已清除时，且逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的启动门槛值ε_H；根据满足无功交换期望的最大直流电流I_d1以及满足换相裕度的最大直流电流I_d2；在线计算出直流电流控制指令值，从而限制直流电流，避免直流输电系统恢复过程中发生连续换相失败；

S3、当判断出逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的退出门槛值ε_L，重新启动低压限流控制。

2.根据权利要求1所述的避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、当判断出受端交流电网故障已清除时，则计算逆变站换流母线电压的变化率，若逆变站换流母线电压的变化率小于所设定的启动门槛值ε_H时，则保持低压限流控制，否则执行S22；

S22、建立无功交换量与直流电流、触发超前角和交流电压的约束关联模型，计算满足无功交换期望的最大直流电流I_d1；根据换相面积的动态约束关系，计算满足换相裕度的最大直流电流I_d2；

S23、基于谐波电压对换相面积的影响，根据最大直流电流I_d1和最大直流电流I_d2，计算出电流控制值退出低压限流控制，并将作为更新后的直流电流控制指令值，从而限制直流电流；改善直流输电系统的恢复特性，避免恢复过程中发生连续换相失败。

3.根据权利要求1或2所述的避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，其特征在于，所述启动门槛值ε_H是通过滞回比较器进行设置，其值为0.9～1.1pu/s。

4.根据权利要求1或2所述的避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，其特征在于，满足换相裕度的最大直流电流I_d1通过无功交换量与直流电流、触发超前角和交流电压的约束关联模型获得，约束关联模型包括：

系数a、b，c、d分别由下式计算：

其中，N为逆变站每极中6脉动换流器数；k为换流变压器变比；X_c为逆变站换相电抗；U_i为逆变站换流变高压侧电压；β表示逆变站触发超前角；Q_c为逆变站无功补偿的容量；ΔQ_ex为逆变站与受端交流电网之间无功交换的期望值。

5.根据权利要求1或2所述的避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，其特征在于，满足换相裕度的最大直流电流I_d2的计算方法包括：

其中，γ_min为临界关断角；φ为受端电网发生不对称故障时换相电压过零点前移角度；β表示逆变站触发超前角；X_c为逆变站换相电抗。

6.根据权利要求1所述的避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，其特征在于，直流电流控制指令值的在线计算公式包括：

其中，η_max为谐波电压对基波换相面积的最大影响系数，由下式计算：

换相电压基波和谐波分量对应的换相面积分别表示为：

谐波电压影响下的最大换相面积由下式计算：

其中，β表示逆变站触发超前角；n为谐波次数；为n次谐波的初相角；γ为逆变站关断角；L_c逆变站换相电感；ω_s为电网基波角频率；U₁为换相电压的基波有效值；U_n为换相电压的n次谐波电压有效值。

7.根据权利要求1所述的避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制方法，其特征在于，所述退出门槛值的值为0.15～0.25pu/s。

8.一种避免连续换相失败的直流输电故障恢复控制系统，其特征在于，所述控制系统包括直流电流控制指令计算模块、启动模块；

所述直流电流控制指令计算模块包括第一测量单元、滤波单元、谐波检测单元以及第一计算单元；所述第一测量单元用于采集换流母线电压；所述滤波单元用于采集超前触发角；所述谐波检测单元用于检测谐波电压；所述第一计算单元用于根据第一测量单元、滤波单元以及谐波检测单元的数据，计算满足无功交换期望的最大直流电流I_d1、满足换相裕度的最大直流电流I_d2以及直流电流控制指令值；所述启动模块包括第二测量单元、第二计算单元、比较单元以及切换单元；所述第二测量单元用于测量换流母线电压；所述第二计算单元用于计算换流母线电压幅值的变化率；所述比较单元用于比较换流母线电压幅值的变化率分别与启动门槛值ε_H和退出门槛值ε_L的大小；所述切换单元用于切换电流直流控制指令值。