CN110460086B - 一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其步骤：根据直流输电系统结构，建立常规直流输电系统的数学模型；建立柔性直流和常规直流联络线之间传输的功率方程，并修改功率方程；利用修改后的功率方程得到混合多馈入系统的数学模型；搭建混合多馈入直流输电系统模型；测量逆变侧交流母线的电压信号；经过微分环节后与电压给定值作差得到电压偏差量；经过死区环节和PI控制器得到无功功率偏差；将无功功率偏差叠加到柔性直流的无功功率主控制器上，从而抑制混合多馈入直流后续换相失败。本发明在混合多馈入直流系统受端发生故障时，能迅速提升无功功率进行补偿，维持换流母线电压稳定；不仅节省了投资，而且控制效果更佳。

Description

一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法
技术领域
本发明涉及混合多馈入直流稳定控制的技术领域，尤其涉及一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法。
背景技术
新型电力电子器件---绝缘栅双极晶体管(Insulated gate bipolartransistor，IGBT)逐渐在工业换流领域得到了应用。使得采用IGBT构成的电压源型换流器进行直流输电得以实现。以IGBT为基本开关元件构成的柔性直流输电VSC-HVDC与常规高压直流输电LCC-HVDC相比具有谐波小，无换相失败风险，且可以实现四象限运行等优点。
混合多馈入直流输电系统是在多馈入直流输电的基础上，随着柔性直流输电的发展和原来的常规高压直流输电馈入到同一交流电网，形成的新的电网结构。目前，混合多馈入直流输电在实际工程中已有应用案例；由于常规直流输电在受端交流系统发生故障扰动的情况下，极易发生电压失稳。柔性直流输电正常工作时，不受交流系统强度的影响，有功及无功功率四象限运行，控制灵活且容易实现、可运行于孤岛模式、不存在换相失败等。柔性直流供电不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到静止同步补偿器STATCOM的作用，即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。如果柔性直流容量允许，故障时柔性直流系统可以向故障区域提供有功功率和无功功率的紧急支援，提高系统电压和功角稳定性。柔性直流输电的馈入对稳定常规直流输电交流系统电压具有重要作用，能向受端公共交流母线提供一定的无功功率，以稳定交流母线上故障扰动引起的电压变化，同时可以提供一定的换相电压来支撑常规直流的换相过程，因此能够抑制常规高压直流输电的换相失败，提高混合多馈入直流的稳定性。
发明内容
针对混合多馈入直流输电系统中的常规高压直流输电在逆变侧发生故障时引起的母线电压跌落容易造成换相失败的技术问题，本发明提出一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，设计了柔性直流附加无功功率控制器的具体架构，能够在常规直流母线跌落时，紧急提升柔性直流的无功功率，维持母线电压水平，避免后续换相失败问题，提高了混合多馈入直流运行稳定性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其步骤如下：
步骤一：根据常规直流输电系统的结构，建立常规直流输电系统的数学模型：
Figure GDA0002638442130000021
Figure GDA0002638442130000022
Pd1＝Ud1Id1 (3)
Qd1＝Pd1tanφ1 (4)
Figure GDA0002638442130000023
Pac1＝[U1 2cosθ1-E1U1cos(δU1-δE1+θ1)]/|Z1| (6)
Qac1＝[U1 2sinθ1-E1U1sin(δU1-δE1+θ1)]/|Z1| (7)
QC1＝BC1U1 2 (8)
Pd1-Pac1-Pc1＝0 (9)
Qd1-Qac1-Qc1＝0 (10)
其中，Ud1和Id1分别为常规直流输电系统的直流电压和电流；Pd1和Qd1分别为电流源型换流器模块的直流有功和无功功率；Pac1和Qac1分别为第一受端交流系统的有功功率和无功功率；Pc1和Qc1分别为逆变侧滤波器及无功补偿装置的有功功率消耗和无功补偿容量；XT1为LCC-HVDC子系统的换流变压器的漏抗；T1为换流变压器变比；Bc1为逆变侧滤波器及无功补偿装置的等值电纳；Z1为第一交流等值阻抗的幅值；U1∠δU1为交流母线电压，E1∠δE1为交流电动势，E1为第一受端交流系统的等值电源；μ1是换流器的换相重叠角；γ1为逆变器的关断角；φ1为功率因数角，θ1为常规直流的交流等值阻抗的相角；
步骤二：根据复功率基本方程
Figure GDA0002638442130000024
建立柔性直流和常规直流联络线之间传输的功率方程：
Figure GDA0002638442130000025
其中，P12和Q12分别为联络线上柔性直流向常规直流传输的有功功率和无功功率；Z12为柔性直流和常规直流的联络阻抗；
Figure GDA0002638442130000026
为常规直流逆变侧交流母线电压矢量，
Figure GDA0002638442130000027
为柔性直流逆变侧交流母线电压矢量，j是虚数单位，*表示共轭符号；
步骤三：考虑柔性直流接入后，修改功率方程为：
Pd1-Pac1-Pc1-P12＝0 (12)
Qd1-Qac1-Qc1-Q12＝0； (13)
步骤四：利用步骤三修改后的功率方程替换常规直流输电系统的数学模型中的功率方程，得到混合多馈入系统的数学模型；
步骤五：根据步骤四中混合多馈入系统的数学模型搭建混合多馈入直流输电系统模型；
步骤六：采用多功能万用表，测量得到混合多馈入直流输电系统的常规直流输电的逆变侧交流母线的电压信号U1；
步骤七：逆变侧交流母线的电压信号U1经过微分环节s/(1+Ts)后得到信号U1R，其中，s为微分符号，T是微分时间常数；
步骤八：得到信号U1R后，将信号U1R与电压给定值Uref作差，得到电压偏差量△U：
U1R-Uref＝ΔU， (14)
其中，Uref为系统正常运行时，常规直流的交流母线的电压给定值；
步骤九：得到电压偏差量△U后，经过一死区环节得到信号△U1R，死区环节的区间为[-△U0，△U0]，△U0表示系统正常运行时母线电压波动值；
步骤十：步骤九得到的信号△U1R经过PI控制器得到无功功率偏差△Q；
步骤十一：将得到的无功功率偏差△Q叠加到柔性直流的无功功率主控制器上，从而抑制混合多馈入直流后续换相失败。
所述混合多馈入直流输电系统将柔性直流和常规直流共同馈入到同一个交流系统中，并且柔性直流和常规直流有联络阻抗相连接。
所述混合多馈入直流输电系统包括LCC-HVDC子系统和VSC-HVDC子系统，LCC-HVDC子系统包括电流源型换流器模块和第一换流变压器，电流源型换流器模块与第一换流变压器相连接，第一换流变压器通过第一交流等值阻抗的幅值Z1与第一受端交流系统的等值电源E1相连接；VSC-HVDC子系统包括电压源型换流器模块和第二换流变压器，电压源型换流器模块与第二换流变压器相连接，第二换流变压器通过第二交流等值阻抗的幅值Z2与第二受端交流系统的等值电源E2相连接；LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统和VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统通过联络线相连接，联络线上设有联络阻抗，LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统的交流母线处装有无功补偿装置，无功补偿装置的另一端接地。
所述LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统通过交流母线BUS1与联络线相连接，VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统的交流母线BUS2与联络线相连接，交流母线BUS2的另一端与无功补偿装置相连接。
所述第一受端交流系统的有功功率和无功功率分别为Pac1和Qac1，第二受端交流系统的有功功率和无功功率分别为Pac2和Qac2；电流源型换流器模块的有功功率和无功功率分别为Pd1和Qd1，电压源型换流器模块的有功功率和无功功率分别为Pd2、Qd2；LCC-HVDC子系统的联络线的有功功率和无功功率分别为Pt1和Qt1，VSC-HVDC子系统的联络线的有功功率和无功功率分别为Pt2、Qt2；两个联络线阻抗的幅值和相角分别为Zt和θt；无功补偿装置的阻抗和相角分别为Zc和θc；LCC-HVDC子系统的直流电压和直流电流分别为Ud和Id；LCC-HVDC子系统的母线电压的幅值和相角分别为U1、δ1，VSC-HVDC子系统的母线电压的幅值和相角分别U2、δ2；LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统的等值电源的幅值为E1，VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统的等值电源的幅值和相角分别为E2、δE；LCC-HVDC子系统的第一交流等值阻抗的幅值和相角分别Z1和θ1；VSC-HVDC子系统的第二交流等值阻抗幅值和相角分别为Z2和θ2；LCC-HVDC子系统的变压器漏抗为XT1，VSC-HVDC子系统的变压器漏抗为T2；逆变侧滤波器及无功补偿装置的有功功率消耗和无功补偿容量分别为Pc1和Qc1。
所述步骤六中的电压信号U1是利用多功能万用表测量LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统上的电压得到的，电压信号U1作为附加功率控制的反馈信号。
所述步骤九中死区环节的作用是当电压偏差量△U大于电压波动值△U0或者小于-△U0时输出为电压偏差量△U，当电压偏差量△U大于-△U0或者小于电压波动值△U0时输出为0。
所述微分时间常数T取值为0.1；系统正常运行时母线电压波动值△U0设为0.05；无功功率偏差△Q与信号△U1R具有线性关系，通过线性的PI控制器，可由信号△U1R得到无功功率偏差△Q。
所述无功功率偏差△Q叠加到柔性直流的无功功率主控制器上的方法是：无功功率偏差△Q、无功功率给定值Qref及系统运行的实际值Q通过加法器增加到无功功率主控制器的外环电压控制的PI控制器上得到电流iqref，电流iqref与直流电流idref输入到无功功率主控制器的内环电流控制中分别得到电压usd和电压ucq，电压usd和电压ucq输入到触发器生成PWM中获得移相角δpsa和调制比M；所述无功功率给定值Qref为系统中所有的无功发生设备减去所有的无功消耗设备的功率值。
本发明的有益效果：首先分析引起常规高压直流输电换相失败的机理，得出换流母线电压跌落是造成换相失败的重要因素；然后在此基础上，研究了柔性直流输电的有功功率和无功功率的输出特性，柔性直流输电具有功率四象限运行的特点，并且无功功率调节灵活，迅速，能够实现暂态情况下迅速补偿母线电压的无功功率，维持母线电压水平的能力；搭建混合多馈入直流的系统模型，设计柔性直流的附加无功功率控制；最后仿真验证所设计的控制方法的有效性。本发明充分利用柔性直流输电可以实现功率四象限运行的特性，在混合多馈入直流系统受端发生故障时，迅速提升无功功率进行补偿，维持换流母线电压稳定，避免常规直流发生连续换相失败的风险。由于柔性直流输电调节迅速，灵活，调节容量大，相比于传统的添加SVC，STATCOM等无功补偿装置的方式来提高母线电压稳定性的方法，本发明不仅节省了投资，而且控制效果更佳；对抑制混合多馈入直流后续换相失败具有一定的参考价值。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的混合多馈入直流输电系统的结构图。
图2为柔性直流输电的功率输出特性图。
图3为本发明柔性直流输电的主控制原理图。
图4为本发明附加无功功率的控制原理图。
图5为本发明附加无功功率与主控制的连接图。
图6为本发明柔性直流投入附加控制无功功率控制时的无功功率输出曲线图。
图7为本发明柔性直流投入附加控制无功功率控制时的母线电压变化曲线图。
图8为本发明柔性直流投入附加控制无功功率控制时的关断角变化曲线图。
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付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。
常规高压直流输电换相失败机理分析：换相失败是指在关断角太小的情况下，晶闸管在一段时间内来不及完全恢复其正向阻断能力而被重新加上正向电压，使本应关断的晶闸管继续导通的倒换相过程。交流系统对称时，逆变器的关断角γ为：
Figure GDA0002638442130000051
式中，k为变压器变比；Id为直流电流；UV为交流系统电压有效值；XC为换相电抗；β为越前触发角。
当交流系统逆变侧发生不对称故障，换相线电压过零点前移角度
Figure GDA0002638442130000061
时，逆变器的关断角为：
Figure GDA0002638442130000062
由上式可得，造成换相失败的原因有：直流电流Id增大，换相电抗XC过大，交流电压下降，交流系统不对称故障引起的线电压过零点相对移动，越前触发角β过小。上述原因中，换相电抗器在直流规划设计时已严格确定，因此一般不会改变；触发控制故障引起的换相失败概率相比交流系统故障引起换相失败故障概率很小。综上，交流系统故障是引起逆变侧换相失败故障的最主要原因。
柔性直流输电功率输出特性分析：柔性直流输电可以实现有功功率和无功功率四象限独立控制，两端换流站均采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)结构的电压源型换流器(VSC)和阶梯波调制(SPWM)技术，通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，独立地控制输出的有功功率和无功功率。假设阀电抗器无损耗且忽略谐波分量，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为：
Figure GDA0002638442130000063
Figure GDA0002638442130000064
式中，Uc为换流器输出电压的基波分量；Us为换流变侧交流电压的基波分量；δ为基波分量Uc和基波分量Us之间的相角差；Xeq为换流电抗器的电抗。有功功率的传输主要取决于相角差δ，无功功率的传输主要取决于基波分量Uc。通过控制基波分量Uc就可以控制电压源型换流器VSC发出或者吸收的无功功率，柔性直流输电的功率输出特性如图2所示。从上述公式可以看出，基波分量Uc在不同的象限，则换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q是不同的。例如：基波分量Uc在第二象限，则P<0，Q>0；基波分量Uc在第四象限，则P>0，Q<0。改变基波分量Uc的大小和与基波分量Us的夹角，可以分别落在第一、二、三、四象限。落在不同的象限则有功、和无功的输出特性是不一样的。
根据柔性直流控制原理，在柔性直流主控制结构图中，如图3所示。图3是直接电流控制存在两个控制环，外环控制是电压环，内环控制是电流环，两个闭环控制系统组成了VSC-HVDC整个换流站级控制器的结构。通过该控制方法得到调制比M和移相角δpsa，之后被送入换流站阀级控制。在该主控制器基础上添加附加无功功率控制，该无功功率控制仅在系统发生故障时起作用，因为设置了死区的原因迅速提升无功功率，维持母线电压水平，抑制常规直流后续换相失败。死区环节的作用是当电压差值△U大于0.05或者小于-0.05时输出为△U，当△U大于-0.05或者小于0.05时输出为0，其目的是避免系统小扰动导致的控制器频繁动作。即，仅在发生故障时，附加功率控制才起作用。
如图1-5所示，一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其步骤如下：
步骤一：根据常规直流输电系统的结构，建立常规直流输电系统的数学模型：
Figure GDA0002638442130000071
Figure GDA0002638442130000072
Pd1＝Ud1Id1 (3)
Qd1＝Pd1tanφ1 (4)
Figure GDA0002638442130000073
Pac1＝[U1 2cosθ1-E1U1cos(δU1-δE1+θ1)]/|Z1| (6)
Qac1＝[U1 2sinθ1-E1U1sin(δU1-δE1+θ1)]/|Z1| (7)
QC1＝BC1U1 2 (8)
Pd1-Pac1-Pc1＝0 (9)
Qd1-Qac1-Qc1＝0 (10)
其中，Ud1和Id1分别为常规直流输电系统的直流电压和电流；Pd1和Qd1分别为电流源型换流器模块的直流有功和无功功率；Pac1和Qac1分别为第一受端交流系统的有功功率和无功功率；Pc1和Qc1分别为逆变侧滤波器及无功补偿装置的有功功率消耗和无功补偿容量；XT1为LCC-HVDC子系统的换流变压器的漏抗；T1为换流变压器变比；Bc1为逆变侧滤波器及无功补偿装置的等值电纳；Z1为第一交流等值阻抗的幅值；U1∠δU1为交流母线电压，U1为LCC-HVDC子系统的母线电压的幅值，δU1为交流母线电压的角度；E1∠δE1为交流电动势，E1为第一受端交流系统的等值电源，δE1为交流电动势的角度；μ1是换流器的换相重叠角；γ1为逆变器的关断角。φ1为功率因数角，θ1为常规直流的交流等值阻抗的相角。
步骤二：根据复功率基本方程
Figure GDA0002638442130000074
建立柔性直流和常规直流联络线之间传输的功率方程：
Figure GDA0002638442130000081
其中，P12和Q12分别为联络线上柔性直流向常规直流传输的有功功率和无功功率；Z12为柔性直流和常规直流的联络阻抗；
Figure GDA0002638442130000082
为常规直流逆变侧交流母线电压矢量，
Figure GDA0002638442130000083
为柔性直流逆变侧交流母线电压矢量。j是虚数单位，*表示共轭符号。
步骤三：考虑柔性直流接入后，修改功率方程为：
Pd1-Pac1-Pc1-P12＝0 (12)
Qd1-Qac1-Qc1-Q12＝0 (13)
增加柔性直流，仅考虑柔性直流和常规直流的功率传输的变化，只有功率工程变化了，其他方程不变。
步骤四：在步骤一、二、三的基础上，利用步骤三修改后的功率方程替换常规直流输电系统的数学模型中的功率方程，得到混合多馈入系统的数学模型。
步骤五：在步骤四的基础上，根据混合多馈入系统的数学模型搭建混合多馈入直流输电系统模型，如图1所示，图1为多馈入直流输电系统的受端部分。
混合多馈入直流模型包括LCC-HVDC子系统和VSC-HVDC子系统，LCC-HVDC子系统包括LCC-HVDC换流器模块，LCC-HVDC换流器模块包括依次连接的电流源型换流器模块和第一换流变压器，LCC-HVDC换流器模块与第一换流变压器相连接，第一换流变压器通过第一交流等值阻抗的幅值Z1与第一受端交流系统的等值电源相连接；VSC-HVDC子系统包括VSC-HVDC换流器模块，VSC-HVDC换流器模块包括电压源型换流器模块和第二换流变压器，VSC-HVDC换流器模块与第二换流变压器相连接，第二换流变压器通过第二交流等值阻抗的幅值Z2与第二受端交流系统相连接，E2表示第二受端交流系统的等值电源；LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统和VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统通过联络线相连接，联络线上设有联络阻抗，LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统的交流母线处装有无功补偿装置，无功补偿装置的另一端接地。
BUS1为LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统的交流母线，BUS2为VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统的交流母线。
图1中符号的含义如下：Pac1、Pac2、Qac1、Qac2分别为LCC-HVDC子系统和VSC-HVDC子系统的第一受端交流系统和第二受端交流系统的有功功率和无功功率；Pd1、Pd2、Qd1、Qd2分别为LCC-HVDC直流子系统和VSC-HVDC直流子系统的有功功率和无功功率；Pt1、Pt2、Qt1、Qt2分别为联络线的有功功率和无功功率；Zc和θc分别为无功补偿装置的阻抗和相角；Ud和Id分别为LCC-HVDC子系统的直流电压和直流电流；U1、U2、δ1、δ2分别为母线电压的幅值和相角；E1、E2、δE分别为LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统和VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统的等值电源的幅值和相角；Z1和θ1分别为混合双馈入系统中LCC-HVDC子系统的第一交流等值阻抗的幅值和相角；Z2和θ2分别为混合双馈入系统中VSC-HVDC子系统的第二交流等值阻抗的幅值和相角；Zt和θt分别为联络线阻抗的幅值和相角；XT1为LCC-HVDC子系统的换流变压器的漏抗。Pc1和Qc1分别为逆变侧滤波器及无功补偿装置的有功功率消耗和无功补偿容量。
步骤六：采用多功能万用表，测量得到常规直流输电的逆变侧交流母线的电压信号U1。
即利用多功能万用表测量LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统上的电压信号U1，利用该电压信号U1作为附加功率控制的反馈信号。
步骤七：逆变侧交流母线的电压信号U1经过微分环节s/(1+Ts)后得到信号U1R，其中，s为微分符号，T是微分时间常数，取值0.1。
如图4所示，微分环节的作用是提取电压信号U1的变化趋势，以能够起到较好的动态控制效果。采用LCC-HVDC子系统受端交流系统的母线电压作为反馈信号，然后形成附加功率控制，添加到柔性直流的主控制器中，在系统发生故障时，让柔性直流迅速多发无功功率，维持交流母线BUS1的母线电压稳定。
步骤八：基于步骤七，得到信号U1R后，将信号U1R与电压给定值Uref作差，得到电压偏差量△U：
U1R-Uref＝ΔU (14)
其中，Uref为系统正常运行时，常规直流的交流母线的电压给定值。
步骤九：基于步骤八，得到电压偏差量△U后，经过一死区环节得到信号△U1R，死区环节的区间为[-△U0，△U0]。
△U0表示系统正常运行时母线电压波动值，△U0设为0.05，死区环节的作用是当电压偏差量△U大于0.05或者小于-0.05时输出为电压偏差量△U，当电压偏差量△U大于-0.05或者小于0.05时输出为0，其目的是避免系统小扰动导致的控制器频繁动作。通过设置死区环节，保证附加功率控制，仅在系统发生故障时才起作用。
步骤十：步骤九得到的信号△U1R经过PI控制器得到无功功率偏差△Q。
无功功率偏差△Q与信号△U1R具有线性关系，通过线性控制器---PI控制器，即可由信号△U1R得到无功功率偏差△Q。
步骤十一：将得到的无功功率偏差△Q叠加到柔性直流的无功功率主控制器上，从而抑制混合多馈入直流后续换相失败。
通过在柔性直流的主控制器基础上添加无功功率控制器，可以在交流系统故障时，迅速发出无功功率，补偿母线电压，起到提高逆变侧交流母线稳定的目的。图4中Qref表示系统正常运行时的无功功率给定值，即整定值，是由系统具体运行情况决定的。计算方法为：系统中所有的无功发生设备(包括：发电机和无功补偿设备等)减去所有的无功消耗设备。Q是系统运行的实际值，即运行值。无功功率Qref与iqref具有线性关系可以通过PI控制器由无功功率给定值Qref得到iqref。
为了验证本发明的有效性和鲁棒性，在PSCAD平台上，搭建混合多馈入直流输电系统模型，系统结构如图1所示，柔性直流和常规直流共同馈入到同一个交流系统中，并且柔性直流和常规直流有联络阻抗相连接。系统参数如表1。
表1混合多馈入直流系统模型参数
Figure GDA0002638442130000101
仿真实验，在混合多馈入直流输电系统的常规直流逆变侧交流母线上设置单相接地故障，故障发生时刻为2.0s时，故障持续时间为0.2s。分别对没有附加无功功率控制时和有无功功率控制时的柔性直流的无功功率输出变化、常规直流逆变侧交流母线电压、常规直流逆变侧关断角γ进行对比分析，通过仿真实验，得到如图6、图7、图8所示。
由图6、图7、图8仿真结果可以看出，本发明设计的混合多馈入直流输电系统模型可以实现无功功率附加控制的作用，能够在系统母线跌落时，迅速提升无功功率，维持母线电压水平，抑制常规直流后续换相失败，证明了本发明的有效性。
本发明首先分析引起常规直流换相失败的机理，得出换流母线电压跌落是造成换相失败的重要因素；然后在此基础上，研究了柔性直流的有功功率，无功功率输出特性，柔性直流具有功率四象限运行的特点，并且无功功率调节灵活，迅速，能够实现暂态情况下迅速补偿母线电压的无功功率，维持母线电压水平的能力；在此基础上，搭建混合多馈入直流系统模型，设计柔性直流的附加无功功率控制器；最后仿真验证所设计的控制方法的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (9)

1.一种抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：根据常规直流输电系统的结构，建立常规直流输电系统的数学模型：
Figure FDA0002742672650000011
Figure FDA0002742672650000012
Pd1＝Ud1Id1 (3)
Qd1＝Pd1 tanφ1 (4)
Figure FDA0002742672650000013
Pac1＝[U1 2cosθ1-E1U1cos(δU1-δE1+θ1)]/|Z1| (6)
Qac1＝[U1 2sinθ1-E1U1sin(δU1-δE1+θ1)]/|Z1| (7)
QC1＝BC1U1 2 (8)
Pd1-Pac1-Pc1＝0 (9)
Qd1-Qac1-Qc1＝0 (10)
其中，Ud1和Id1分别为常规直流输电系统的直流电压和电流；Pd1和Qd1分别为电流源型换流器模块的直流有功和无功功率；Pac1和Qac1分别为第一受端交流系统的有功功率和无功功率；Pc1和Qc1分别为逆变侧滤波器及无功补偿装置的有功功率消耗和无功补偿容量；XT1为LCC-HVDC子系统的换流变压器的漏抗；T1为换流变压器变比；Bc1为逆变侧滤波器及无功补偿装置的等值电纳；Z1为第一交流等值阻抗的幅值；U1∠δU1为交流母线电压，E1∠δE1为交流电动势；δU1为交流母线电压的角度；U1为LCC-HVDC子系统的母线电压的幅值，E1为第一受端交流系统的等值电源，δE1为交流电动势的角度；μ1是换流器的换相重叠角；γ1为逆变器的关断角；φ1为功率因数角，θ1为第一交流等值阻抗的相角；
步骤二：根据复功率基本方程
Figure FDA0002742672650000014
建立柔性直流和常规直流联络线之间传输的功率方程：
Figure FDA0002742672650000015
其中，P12和Q12分别为联络线上柔性直流向常规直流传输的有功功率和无功功率；Z12为柔性直流和常规直流的联络阻抗；
Figure FDA0002742672650000021
为常规直流逆变侧交流母线电压矢量，
Figure FDA0002742672650000022
为柔性直流逆变侧交流母线电压矢量，j是虚数单位，*表示共轭符号；
步骤三：考虑柔性直流接入后，修改功率方程为：
Pd1-Pac1-Pc1-P12＝0 (12)
Qd1-Qac1-Qc1-Q12＝0； (13)
步骤四：利用步骤三修改后的功率方程替换常规直流输电系统的数学模型中的功率方程，得到混合多馈入系统的数学模型；
步骤五：根据步骤四中混合多馈入系统的数学模型搭建混合多馈入直流输电系统模型；
步骤六：采用多功能万用表，测量得到混合多馈入直流输电系统的LCC-HVDC子系统的母线电压的幅值U1；
步骤七：LCC-HVDC子系统的母线电压的幅值U1经过微分环节s/(1+Ts)后得到信号U1R，其中，s为微分符号，T是微分时间常数；
步骤八：得到信号U1R后，将信号U1R与电压给定值Uref作差，得到电压偏差量ΔU：
U1R-Uref＝ΔU， (14)
其中，Uref为系统正常运行时，常规直流的交流母线的电压给定值；
步骤九：得到电压偏差量ΔU后，经过一死区环节得到信号ΔU1R，死区环节的区间为[-ΔU0，ΔU0]，ΔU0表示系统正常运行时母线电压波动值；
步骤十：步骤九得到的信号ΔU1R经过PI控制器得到无功功率偏差ΔQ；
步骤十一：将得到的无功功率偏差ΔQ叠加到柔性直流的无功功率主控制器上，从而抑制混合多馈入直流后续换相失败。
2.根据权利要求1所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述混合多馈入直流输电系统将柔性直流和常规直流共同馈入到同一个交流系统中，并且柔性直流和常规直流有联络阻抗相连接。
3.根据权利要求2所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述混合多馈入直流输电系统包括LCC-HVDC子系统和VSC-HVDC子系统，LCC-HVDC子系统包括电流源型换流器模块和第一换流变压器，电流源型换流器模块与第一换流变压器相连接，第一换流变压器通过第一交流等值阻抗的幅值与第一受端交流系统的等值电源E1相连接；VSC-HVDC子系统包括电压源型换流器模块和第二换流变压器，电压源型换流器模块与第二换流变压器相连接，第二换流变压器通过第二交流等值阻抗的幅值Z2与第二受端交流系统的等值电源E2相连接；LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统和VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统通过联络线相连接，联络线上设有联络阻抗，LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统的交流母线处装有无功补偿装置，无功补偿装置的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统通过交流母线BUS1与联络线相连接，VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统的交流母线BUS2与联络线相连接，交流母线BUS2的另一端与无功补偿装置相连接。
5.根据权利要求4所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述第一受端交流系统的有功功率和无功功率分别为Pac1和Qac1，第二受端交流系统的有功功率和无功功率分别为Pac2和Qac2；电流源型换流器模块的有功功率和无功功率分别为Pd1和Qd1，电压源型换流器模块的有功功率和无功功率分别为Pd2、Qd2；LCC-HVDC子系统的联络线的有功功率和无功功率分别为Pt1和Qt1，VSC-HVDC子系统的联络线的有功功率和无功功率分别为Pt2、Qt2；两个联络线阻抗的幅值和相角分别为Zt和θt；无功补偿装置的阻抗和相角分别为Zc和θc；LCC-HVDC子系统的直流电压和直流电流分别为Ud和Id；LCC-HVDC子系统的母线电压的幅值和相角分别为U1、δ1，VSC-HVDC子系统的母线电压的幅值和相角分别U2、δ2；VSC-HVDC子系统的第二受端交流系统的等值电源的相角为δE；LCC-HVDC子系统的第一交流等值阻抗的幅值和相角分别Z1和θ1；VSC-HVDC子系统的第二交流等值阻抗的幅值和相角分别为Z2和θ2；LCC-HVDC子系统的换流变压器的漏抗为XT1，VSC-HVDC子系统的变压器漏抗为T2；逆变侧滤波器及无功补偿装置的有功功率消耗和无功补偿容量分别为Pc1和Qc1。
6.根据权利要求5所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述步骤六中的电压信号U1是利用多功能万用表测量LCC-HVDC子系统的第一受端交流系统上的电压得到的，电压信号U1作为附加功率控制的反馈信号。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述步骤九中死区环节的作用是当电压偏差量ΔU大于电压波动值ΔU0或者小于-ΔU0时输出为电压偏差量ΔU，当电压偏差量ΔU大于-ΔU0或者小于电压波动值ΔU0时输出为0。
8.根据权利要求7所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述微分时间常数T取值为0.1；系统正常运行时母线电压波动值ΔU0设为0.05；无功功率偏差ΔQ与信号ΔU1R具有线性关系，通过线性的PI控制器，可由信号ΔU1R得到无功功率偏差ΔQ。
9.根据权利要求1或8所述的抑制混合多馈入直流换相失败的附加控制方法，其特征在于，所述无功功率偏差ΔQ叠加到柔性直流的无功功率主控制器上的方法是：无功功率偏差ΔQ、无功功率给定值Qref及系统运行的实际值Q通过加法器增加到无功功率主控制器的外环电压控制的PI控制器上得到电流iqref，电流iqref与直流电流idref输入到无功功率主控制器的内环电流控制中分别得到电压usd和电压ucq，电压usd和电压ucq输入到触发器生成PWM中获得移相角δpsa和调制比M；所述无功功率给定值Qref为系统中所有的无功发生设备减去所有的无功消耗设备的功率值。
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