CN110620396B - 一种lcc直流输电系统自适应低压限流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，包括：首先计算直流系统不发生后续换相失败的临界恢复斜率；随后，计算低压限流控制器的启动门槛基准值和附加分量并合成可行的启动门槛；然后，计算启动门槛最大限值，并据此确定低压限流控制器的启动门槛；随后，利用启动门槛计算可行的直流电流指令值；最后，计算逆变站无功约束的直流电流指令的最小限制值，并据此确定自适应低压限流控制器的直流电流指令值。本发明充分考虑了造成后LCC直流续换相失败的各种因素，充分考虑了低压限流的内外部约束，可有效降低后续换相失败发生的概率。

Description

一种LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，具体涉及一种LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法。

背景技术

大量直流输电工程的建设有效解决了我国能源中心和负荷中心逆向分布的问题，同时也使交直流电网耦合日益加强。由于LCC-HVDC换流站采用的半控型晶闸管仅依靠电网电压恢复其阻断能力，所以单一交流故障易引发逆变站发生换相失败。同时，若换相失败无法得到及时抑制，还易演变成连续换相失败，对送、受端电网造成巨大有功、无功冲击，进一步导致换流站发生闭锁等一系列连锁故障，对电力系统的安全运行带来严峻挑战。

作为直流输电系统常见故障之一，换相失败的发生受多种因素影响，如直流电流的骤升，关断角的瞬时下降和换流电压的骤降等。抑制换相失败的措施通常分为三类：第一类措施是增加额外的功率器件，如静止同步补偿器等，但该方法增加成本投资，使系统控制更加复杂；第二类措施是增大关断角，现有工程通常配置换相失败预防控制(CFPREV)，当CFPREV判断系统会发生换相失败后，通过提前输出触发角整定值增大换相裕度，从而抑制换相失败。虽然CFPREV控制参数的优化一定程度上提高了直流输电系统换相失败的防御能力，但由于故障发生到换相失败发生的间隔时间只有几毫秒，首次换相失败一般难以避免；基于此，第三类措施是通过抑制电流增长，降低后续换相失败概率，其中低压限流控制器(低压限流控制)旨在直流电压跌落到某一指定值时对直流电流进行限制，降低直流功率并减少对交流系统无功的需求，从而降低故障恢复过程中再次发生换相失败的概率。考虑到在不同严重程度的故障下，逆变站无功消耗量和交流系统有功缺额会随之改变，若低压限流控制采用固定恢复斜率，易出现故障严重而直流指令上升过慢的情况，此时虽然无功消耗得到抑制，但却无法快速缓解送、受端功率不平衡问题，致使逆变侧电压和直流输送功率恢复困难，从而导致系统发生连续换相失败、直流功率输送中断。考虑到低压限流控制的参数对故障期间的电压和功率恢复影响很大，通过优化低压限流控制启动电压门槛值等关键控制器参数，可以充分发挥直流功率快速可控性，提升受端电网电压稳定水平。

已有方法提出根据逆变站实时无功需求计算电流指令值替代低压限流控制，但该方法对控制器结构改动较大，若能在不更改现有配置的控制器上进行调整，不仅能够减小投资，还便于广泛地运用；此外。现有方法在实施过程中均未考虑故障恢复过程中其他控制器的配合作用，并且忽略了直流电流指令值对有功功率传输的影响。因此，如何综合考虑影响因素，快速准确地针对不同严重程度故障选取合适的低压限流控制参数值，从而降低后续换相失败发生概率成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明实际需要解决的问题是：如何综合考虑影响因素，快速准确地针对不同严重程度故障选取合适的低压限流控制参数值，从而降低后续换相失败发生概率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，包括：

S1、实时测量电网故障瞬间换流母线电压的谷值U_LL，计算LCC直流输电系统不发生后续换相失败的临界恢复斜率k_th；

S2、基于临界恢复斜率k_th计算低压限流控制器的启动门槛基准值U_dth1；

S3、基于启动门槛基准值U_dth1及LCC直流输电系统逆变侧交流系统强度计算启动门槛附加分量ΔU_dth，LCC直流输电系统逆变侧交流系统强度与短路比正相关；

S4、基于启动门槛基准值U_dh1与启动门槛附加分量ΔU_dth合成启动门槛参考值U_dth2；

S5、基于受端交流系统与相邻电网联系紧密程度计算低压限流控制器的启动门槛最大限值U_dhmax；

S6、当U_dth2＜U_dhmax时，将启动门槛参考值U_dth2作为低压限流控制器的启动门槛U_dth，否则将启动门槛最大限值U_dhmax，作为低压限流控制器的启动门槛U_dth；

S7、利用启动门槛U_dth计算对应的直流电流指令值I′_d-ord；

S8、计算逆变站无功约束的直流电流指令的最小限制值I_d-min；

S9：当I_d-min＞I′_d-ord时，将低压限流控制器的直流电流指令值I_d-ord设置为I_d-min，否则设置为I′_d-ord。

优选地，步骤S1中，LCC直流输电系统不发生后续换相失败的临界恢复斜率k_th按下式计算：

式中，U_dN为额定直流电压；I_dN为额定直流电流；X_r为换流变电抗；N为每极中6脉动换流器的数量；K_p为关断角控制器的PI控制器的比例系数，T_i为关断角控制器的PI控制器的积分时间常数；γ_ref为关断角控制器的整定值；γ_th为临界关断角；k_γ为直流系统换相恢复期间关断角的下降斜率，可根据直流逆变站的换相电抗值和关断角控制器参数查表获得；b表示常数项；C₁为计算系数，有下式计算：

式中，β_ref为发生故障前超前触发角的稳态值。

优选地，步骤S2中，低压限流控制器的启动门槛基准值U_dh1按下式计算：

式中，U_dl为直流电压的门槛值；I_dh和I_dl分别为直流电流上限值和下限值。

优选地，步骤S3中，启动门槛附加分量ΔU_dth按下式计算：

ΔU_dth＝p·U_dth1

式中，p为调节比例系数，p与受端交流系统强度正相关。

优选地，步骤S4中，基于下式合成启动门槛参考值U_dth2：

式中，CSCR为临界短路比，SCR是受端交流系统短路比。

优选地，步骤S5中，基于下式计算低压限流控制器的启动门槛最大限值U_dhmax：

U_dhmax＝q·U_dth1

式中，q为大于0的调节比例系数，q通过提前模拟受端交流系统在扰动下的运行特性相应地调整整定值。

优选地，步骤S7中，基于下式计算启动门槛U_dth对应的直流电流指令值I′_d-ord：

式中，U_d为恢复过程中直流电压值，U_dl为直流电压的门槛值；I_dh、I_dl分别为直流电流上下限。

优选地，步骤S8中，逆变站无功约束的直流电流指令的最小限制值I_d-min按下式计算：

式中，Q_ac为换相失败期间额直流系统与受端交流系统之间的无功交换量，Q_ac≥0，B_c为逆变站交流滤波器等值导纳，N为每极中6脉动换流器的数量，X_r为换流变电抗，γ为逆变站关断角，I_d为直流电流值；

将临界关断角值γ_th作为逆变站关断角带入上式并整理后可以得到关于直流电流I_d＝f(U_LL)的一元四次方程，带入电网故障恢复过程中的换流母线电压值U_LL，解出满足无功控制目标的直流电流指令，并选取最小实根作为故障恢复阶段的直流电流指令最小限值I_d-min。

与现有技术项目，本方面具有以下特点：

与现有技术中低压限流控制器采用固定恢复斜率不同，本发明基于量化定关断角控制对首次换相失败恢复过程的作用，并综合考虑换流站无功消耗量、受端交流系统强弱及其与相邻电网联系紧密程度，通过测量故障后交流母线电压跌落谷值，实时计算出低压限流控制控制器的启动门槛值U_dth，进而改变低压限流控制器恢复斜率，达到抑制直流系统后续换相失败的目的。

与现有技术增加额外的功率器件不同，本发明在不更改现有配置的控制器上进行调整，不仅能够减小投资，还便于广泛地运用。本发明充分利用高压直流输电系统控制器自身良好的可控性，从一定程度上降低直流输电后续换相失败发生概率，对改善高压直流系统的恢复性能有着重要意义。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法的一种具体实施方式的实现框图；

图2为本发明实施例中一种LCC-HVDC实例图；

图3(a)和(b)为本发明实施例下的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，包括：

S1、实时测量电网故障瞬间换流母线电压的谷值U_LL，计算LCC直流输电系统不发生后续换相失败的临界恢复斜率k_th；

S2、基于临界恢复斜率k_th计算低压限流控制器的启动门槛基准值U_dth1；

S3、基于启动门槛基准值U_dth1及LCC直流输电系统逆变侧交流系统强度计算启动门槛附加分量ΔU_dth，LCC直流输电系统逆变侧交流系统强度与短路比正相关；

S4、基于启动门槛基准值U_dh1与启动门槛附加分量ΔU_dth合成启动门槛参考值U_dth2；

S5、基于受端交流系统与相邻电网联系紧密程度计算低压限流控制器的启动门槛最大限值U_dhmax；

S6、当U_dth2＜U_dhmax时，将启动门槛参考值U_dth2作为低压限流控制器的启动门槛U_dth，否则将启动门槛最大限值U_dhmax，作为低压限流控制器的启动门槛U_dth；

S7、利用启动门槛U_dth计算对应的直流电流指令值I′_d-ord；

S8、计算逆变站无功约束的直流电流指令的最小限制值I_d-min；

S9：当I_d-min＞I′_d-ord时，将低压限流控制器的直流电流指令值I_d-ord设置为I_d-min，否则设置为I′_d-ord。

本发明通过对故障后逆变站换流母线电压跌落谷值的测量，并综合考虑换流站无功消耗量、受端交流系统强弱及其与相邻电网联系紧密程度，实时计算出低压限流控制的启动门槛值，从一定程度上降低直流输电后续换相失败发生概率。本发明充分利用高压直流输电系统控制器自身良好的可控性，有效解决了考虑恢复过程动态特性的低压限流控制启动门槛值具体取值问题，从一定程度上降低直流输电后续换相失败发生概率，对改善高压直流系统的恢复性能有着重要意义。

具体实施时，步骤S1中，LCC直流输电系统不发生后续换相失败的临界恢复斜率k_th按下式计算：

式中，U_dN为额定直流电压；I_dN为额定直流电流；X_r为换流变电抗；N为每极中6脉动换流器的数量；K_p为关断角控制器的PI控制器的比例系数，T_i为关断角控制器的PI控制器的积分时间常数；γ_ref为关断角控制器的整定值；γ_th为临界关断角；k_γ为直流系统换相恢复期间关断角的下降斜率，可根据直流逆变站的换相电抗值和关断角控制器参数查表获得；b表示常数项；C₁为计算系数，有下式计算：

式中，β_ref为发生故障前超前触发角的稳态值。

具体实施时，步骤S2中，低压限流控制器的启动门槛基准值U_dh1按下式计算：

式中，U_dl为直流电压的门槛值；I_dh和I_dl分别为直流电流上限值和下限值。

具体实施时，步骤S3中，启动门槛附加分量ΔU_dth按下式计算：

ΔU_dth＝p·U_dth1

式中，p为调节比例系数，p与受端交流系统强度正相关。

p为调节比例系数，考虑到当VDCOL电压启动门槛值小于0.79pu或大于1.09pu，系统功角会失稳，因此，考虑U_dh1为常规值0.9pu时，依据最小启动门槛值0.79pu约束，计算出p最大值为0.12，即调节比例系数p可根据LCC直流输电系统受端交流系统强度在[0，0.12)范围内任意取值，受端交流系统强度越大，即短路比越大，p值的选取相应增大。

具体实施时，步骤S4中，基于下式合成启动门槛参考值U_dth2：

式中，CSCR为临界短路比，SCR是受端交流系统短路比。

CSCR为临界短路比，是划分系统强弱程度的临界标准，可选取为2。因此，当受端交流系统短路比大于2时，可以适当减小低压限流控制器启动门槛值，提高直流电流指令值，缓解送、受端功率不平衡问题。

具体实施时，步骤S5中，基于下式计算低压限流控制器的启动门槛最大限值U_dhmax：

U_dhmax＝q·U_dth1

式中，q为大于0的调节比例系数，基于可通过提前模拟受端交流电网在一系列扰动下的运行特性相应地调整整定值，如模拟LCC直流输电系统受端交流系统发生严重故障，测量本回线路在故障恢复初期的有功缺额P_i及其区域间交流联络线承担的有功功率缺额P_ij，当P_ij远小于P_i时，意味着本回直流线路的受端电网与相邻电网联系紧密程度相对薄弱，限制直流功率可能导致区域间发生功角失稳。此时需给启动门槛设定最大限值U_dhmax，此时模拟严重故障，从1开始，逐渐增大q值，通过仿真找到使区域间不发生功角失稳的最大值。

具体实施时，步骤S7中，基于下式计算启动门槛U_dth对应的直流电流指令值I′_d-ord：

式中，U_d为恢复过程中直流电压值，U_dl为直流电压的门槛值；I_dh、I_dl分别为直流电流上下限。

具体实施时，步骤S8中，逆变站无功约束的直流电流指令的最小限制值I_d-min按下式计算：

式中，Q_ac为换相失败期间额直流系统与受端交流系统之间的无功交换量，Q_ac≥0，B_c为逆变站交流滤波器等值导纳，N为每极中6脉动换流器的数量，X_r为换流变电抗，γ为逆变站关断角，I_d为直流电流值；

将临界关断角值γ_th作为逆变站关断角带入上式并整理后可以得到关于直流电流I_d＝f(U_LL)的一元四次方程，带入电网故障恢复过程中的换流母线电压值U_LL，解出满足无功控制目标的直流电流指令，并选取最小实根作为故障恢复阶段的直流电流指令最小限值I_d-min。

为验证本发明方法的有效性，以如图2所示的算例系统接线图为例进行分析计算。LCC-HVDC12脉单极高压直流系统，额定电压为500kV、基准容量为1000MW，直流逆变站的换相电抗值定关断角控制器的PI控制器比例系数、积分时间常数；低压限流控制的直流电流上下限和直流电压上下门槛值确定。本发明以逆变站交流母线M处发生不同时刻和不同程度的三相短路故障为场景，验证抑制后续换相失败控制的有效性。

为对比本发明和常规低压限流控制分别对于后续换相失败的抑制作用，在设置相同故障状况下，分别采用以下两种不同的控制方法，观察并统计交流故障期间逆变站发生换相失败的次数。

本发明所提方法：在故障恢复初始采用本发明公开的方法进行控制，其中直流电压的门槛值U_dl为0.4pu，自适应VDCOL启动电压门槛值U_dth由本发明公开的方法实时计算得到，直流电流上下限I_dh、I_dl分别为0.55pu和1.0pu。

常规低压限流控制：基于CIGRE HVDC标准测试模型的常规低压限流控制，其中直流电压的门槛值U_dl、U_dh分别为0.4pu和0.9pu；直流电流上下限I_dh、I_dl分别为0.55pu和1.0pu。

图3(a)、(b)所示为三相故障和单相故障下逆变站发生换相失败次数结果统计。图中横坐标为故障容量，纵坐标为换相失败次数；其中网格和斜线分别表示本发明所提方法和常规低压限流控制的作用下直流系统发生换相失败的次数。从统计图中可以看出，在不同严重程度的故障下，本发明所提方法作用下系统发生后续换相失败的次数明显低于常规低压限流控制，这表明本发明所提的动态自适应低压限流控制能够改善系统恢复特性，从而有效抑制后续换相失败的发生。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，包括：

S1、实时测量电网故障瞬间换流母线电压的谷值U_LL，计算LCC直流输电系统不发生后续换相失败的临界恢复斜率k_th；

S2、基于临界恢复斜率k_th计算低压限流控制器的启动门槛基准值U_dth1；

S3、基于启动门槛基准值U_dth1及LCC直流输电系统逆变侧交流系统强度计算启动门槛附加分量ΔU_dth，LCC直流输电系统逆变侧交流系统强度与短路比正相关；

S4、基于启动门槛基准值U_dh1与启动门槛附加分量ΔU_dth合成启动门槛参考值U_dth2；

S5、基于受端交流系统与相邻电网联系紧密程度计算低压限流控制器的启动门槛最大限值U_dhmax；

S6、当U_dth2＜U_dhmax时，将启动门槛参考值U_dth2作为低压限流控制器的启动门槛U_dth，否则将启动门槛最大限值U_dhmax，作为低压限流控制器的启动门槛U_dth；

S7、利用启动门槛U_dth计算对应的直流电流指令值I′_d-ord；

S8、计算逆变站无功约束的直流电流指令的最小限制值I_d-min；

S9：当I_d-min＞I′_d-ord时，将低压限流控制器的直流电流指令值I_d-ord设置为I_d-min，否则设置为I′_d-ord。

2.如权利要求1所述的LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，步骤S1中，LCC直流输电系统不发生后续换相失败的临界恢复斜率k_th按下式计算：

式中，U_dN为额定直流电压；I_dN为额定直流电流；X_r为换流变电抗；N为每极中6脉动换流器的数量；K_p为关断角控制器的PI控制器的比例系数，T_i为关断角控制器的PI控制器的积分时间常数；γ_ref为关断角控制器的整定值；γ_th为临界关断角；k_γ为直流系统换相恢复期间关断角的下降斜率，可根据直流逆变站的换相电抗值和关断角控制器参数查表获得；b为常数项；C₁为计算系数，由下式计算：

式中，β_ref为发生故障前超前触发角的稳态值。

3.如权利要求1所述的LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，步骤S2中，低压限流控制器的启动门槛基准值U_dh1按下式计算：

式中，U_dl为直流电压的门槛值；I_dh和I_dl分别为直流电流上限值和下限值。

4.如权利要求1所述的LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，步骤S3中，启动门槛附加分量ΔU_dth按下式计算：

ΔU_dth＝p·U_dth1

式中，p为调节比例系数，p与受端交流系统强度正相关。

5.如权利要求1所述的LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，步骤S4中，基于下式合成启动门槛参考值U_dth2：

式中，CSCR为临界短路比，SCR是受端交流系统短路比。

6.如权利要求1所述的LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，步骤S5中，基于下式计算低压限流控制器的启动门槛最大限值U_dhmax：

U_dhmax＝q·U_dth1

式中，q为大于0的调节比例系数，q通过提前模拟受端交流系统在扰动下的运行特性相应地调整整定值。

7.如权利要求1所述的LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，步骤S7中，基于下式计算启动门槛U_dth对应的直流电流指令值I′_d-ord：

式中，U_d为恢复过程中直流电压值，U_dl为直流电压的门槛值；I_dh、I_dl分别为直流电流上下限。

8.如权利要求1所述的LCC直流输电系统自适应低压限流控制方法，其特征在于，步骤S8中，逆变站无功约束的直流电流指令的最小限制值I_d-min按下式计算：

式中，Q_ac为换相失败期间额直流系统与受端交流系统之间的无功交换量，Q_ac≥0，B_c为逆变站交流滤波器等值导纳，N为每极中6脉动换流器的数量，X_r为换流变电抗，γ为逆变站关断角，I_d为直流电流值；

将临界关断角值γ_th作为逆变站关断角带入上式并整理后可以得到关于直流电流I_d＝f(U_LL)的一元四次方程，带入电网故障恢复过程中的换流母线电压值U_LL，解出满足无功控制目标的直流电流指令，并选取最小实根作为故障恢复阶段的直流电流指令最小限值I_d-min。

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