CN110854896A - 一种辅助故障方向判别的mmc-hvdc控制策略 - Google Patents

Abstract

模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC‑HVDC)工程接入交流电网后，可能导致输电线路上的负序方向继电器不能正确判定故障方向进而无法正确动作。为了解决此问题，本发明公开了一种辅助故障方向判别的MMC‑HVDC控制策略。该策略能够在基本不影响MMC安全运行的基础上，辅助负序方向继电器正确且灵敏地识别故障方向，保障继电器的正确动作，确保电网运行的安全性。

Description

一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略

技术领域

本发明涉及一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略，属于电气工程技术领域。

背景技术

基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converterbased HVDC，MMC-HVDC)在电网异步互联、海上风电并网、向城市、海岛或偏远地区供电等领域具有广阔的应用前景，近年来受到学术界和工程界的广泛关注。自2011年国家电网公司投运我国第一个MMC-HVDC工程以来，以MMC作为换流器的直流输电工程在我国得到了迅速发展。截至目前，我国已投运和在建的MMC-HVDC工程多达8项，额定容量和直流电压从最初的18MW、±30kV提升到5000MW、±800kV。

交流电网在发生不对称故障后，MMC-HVDC换流站一般采用抑制负序电流的控制目标，即换流站输出电流不含负序分量，使得与MMC-HVDC换流站相连的输电线路上的负序方向继电器无法正确判断故障方向。而故障方向的错误判别将导致方向比较式纵联保护不正确动作，威胁电网运行的安全性，严重时可能导致大停电事故。随着电网中投运的MMC-HVDC工程逐渐增多，提出一种能辅助负序方向继电器正确判别故障方向的MMC-HVDC新型控制策略，对于保障电网的安全运行具有重要意义。

发明内容

针对与MMC-HVDC换流站直接相连的输电线路上的负序方向继电器无法正确判定故障方向的问题，本发明提供了一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略。该控制策略使MMC-HVDC在故障期间向电网注入小幅值和指定相角的负序电流，在不影响MMC-HVDC换流站安全运行的前提下能辅助负序方向继电器灵敏地区分正方向故障和反方向故障。

一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略，包括以下四部分：

第一部分：坐标变换和正负序分离环节。

具体包括以下步骤：

步骤(1)：对MMC-HVDC换流站三相交流电压和电流进行采样，得到三相电压u_a、u_b、u_c和三相电流i_a、i_b、i_c；

步骤(2)：三相交流电压和电流做3s/2s变换，得到电压和电流的αβ分量：u_α、u_β和i_α、i_β；

步骤(3)：对3s/2s变换得到的电压αβ分量u_α、u_β进行正负序分离，得到u_α1、u_β1、u_α2、u_β2；对3s/2s变换得到的电流αβ分量i_α、i_β进行正负序分离，得到i_α1、i_β1、i_α2、i_β2；下标“1”、“2”分别表示正序分量和负序分量，下同；

步骤(4)：正序电压u_α1、u_β1和正序电流i_α1、i_β1分别做正序2s/2r变换得到u_d1、u_q1和i_d1、i_q1；负序电压u_α2、u_β2和负序电流i_α2、i_β2分别做负序2s/2r变换得到u_d2、u_q2和i_d2、i_q2。

第二部分：正序电流指令生成环节。

根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换和正负序分离环节得到的正序电压u_d1、u_q1，计算正序电流指令i_d1ref、i_q1ref。

第三部分：负序电流指令生成环节。

具体包括以下步骤：

步骤(1)：故障检测。若电网电压低于设定阈值，则认为电网发生故障；否则，认为交流电网未发生故障；

步骤(2)：若电网发生故障，则设定K_f＝1；否则，设定K_f＝0；

步骤(3)：根据相应的公式计算得到负序电流指令i_d2ref、i_q2ref。

第四部分：触发脉冲生成环节。

具体包括以下步骤：

步骤(1)：指令电流i_d1ref、i_q1ref、i_d2ref、i_q2ref，实际电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2和电压信号u_d1、u_q1、u_d2、u_q2进入到电流控制器，得到MMC六个桥臂的电压指令；

步骤(2)：六个桥臂的电压指令经过调制环节得到六个桥臂投入的子模块数；

步骤(3)：基于子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，通过光纤发送给每个子模块。

本发明的有益效果是：

1、本发明在MMC-HVDC传统控制策略的基础上只做了小部分修改，算法简单，易于数字化实现。

2、本发明提出的控制策略只在故障期间注入非常少量的负序电流，因而不影响MMC-HVDC运行的安全性和非故障工况下电网的电能质量。

3、本发明提出的控制策略可以辅助交流输电线路上的负序方向继电器正确且灵敏地识别正方向故障和反方向故障，保障继电保护动作的正确性，维护电网的安全稳定。

附图说明

图1为辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略示意图；

图2为正负序分离环节原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1，一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略，包括以下四部分：

第一部分：坐标变换和正负序分离环节。

如图1，具体包括以下步骤：

步骤(1)：对MMC-HVDC换流站三相交流电压和电流进行采样，得到三相电压u_a、u_b、u_c和三相电流i_a、i_b、i_c；

步骤(2)：三相交流电压和电流做3s/2s变换，得到电压和电流的αβ分量：u_α、u_β和i_α、i_β；电压和电流的3s/2s变换具体公式如下：

步骤(3)：对3s/2s变换得到的电压αβ分量u_α、u_β进行正负序分离，得到u_α1、u_β1、u_α2、u_β2；对3s/2s变换得到的电流αβ分量i_α、i_β进行正负序分离，得到i_α1、i_β1、i_α2、i_β2；正负序分离具体公式如下：

式中：F表示电压或电流信号；F′_α为F_α延迟1/4工频周期得到的电气量；F′_β为F_β延迟1/4工频周期得到的电气量。

电压和电流正负序分量分离的具体实现方式如图2所示。

步骤(4)：正序电压u_α1、u_β1和正序电流i_α1、i_β1分别做正序2s/2r变换得到u_d1、u_q1和i_d1、i_q1；负序电压u_α2、u_β2和负序电流i_α2、i_β2分别做负序2s/2r变换得到u_d2、u_q2和i_d2、i_q2；具体计算公式如下：

式中：θ为电网电压相角，可通过锁相环得到。

第二部分：正序电流指令生成环节。

根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换和正负序分离环节得到的正序电压u_d1、u_q1，计算正序电流指令i_d1ref、i_q1ref；具体计算公式如下：

第三部分：负序电流指令生成环节。

如图1，具体包括以下步骤：

步骤(1)：故障检测。若电网电压低于设定阈值，则认为电网发生故障；否则，认为交流电网未发生故障；

步骤(2)：若电网发生故障，则设定K_f＝1；否则，设定K_f＝0；

步骤(3)：根据相应的公式计算得到负序电流指令i_d2ref、i_q2ref；具体计算公式如下：

式中：K_λ为负序电流指令幅值与正序电流指令幅值之比；为了保证电力电子开关器件不过流且MMC输出三相电流基本对称，K_λ应取一个较小的值，如K_λ＝0.03；

为方向继电器的最大灵敏角，一般取输电线路阻抗角；若输电线路阻抗角为70°，则

第四部分：触发脉冲生成环节。

如图1，具体包括以下步骤：

步骤(1)：指令电流i_d1ref、i_q1ref、i_d2ref、i_q2ref，实际电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2和电压信号u_d1、u_q1、u_d2、u_q2进入到电流控制器，得到MMC六个桥臂的电压指令；MMC六个桥臂的电压指令的具体计算步骤如下：

步骤(1-1)：计算dq轴的正序和负序电压指令v_d1ref、v_q1ref、v_d2ref、v_q2ref；具体计算公式如下：

式中：ω₁为电网的额定角频率；L为连接电抗器和换流变压器电感之和。

步骤(1-2)：计算MMC的三相电压指令v_aref、v_bref、v_cref；具体计算过程如下：

v_d1ref、v_q1ref经过正序2r/3s变换，得到v_a1ref、v_b1ref、v_c1ref，计算公式如下：

v_d2ref、v_q2ref经过负序2r/3s变换，得到v_a2ref、v_b2ref、v_c2ref，计算公式如下：

v_a1ref、v_b1ref、v_c1ref和v_a2ref、v_b2ref、v_c2ref分别对应相加，可得到v_aref、v_bref、v_cref，计算公式如下：

步骤(1-3)：MMC六个桥臂的电压指令v_apref、v_anref、v_bpref、v_bnref、v_cpref、v_cnref；具体计算公式如下：

式中：u_dc为MMC直流侧电压；下标“p”、“n”分别表示上桥臂和下桥臂。

步骤(2)：如图1，六个桥臂的电压指令经过调制环节得到六个桥臂投入的子模块数；

步骤(3)：如图1，基于子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，通过光纤发送给每个子模块。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和宗旨的的前提下，还可以做出若干改进、替换、变型和润饰，这些改进、替换、变型和润饰也应视为本发明的保护范围。

本说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略，其特征在于，具体包括以下四部分：

第一部分：坐标变换和正负序分离环节。

具体包括以下步骤：

步骤(1)：对MMC-HVDC换流站三相交流电压和电流进行采样，得到三相电压u_a、u_b、u_c和三相电流i_a、i_b、i_c；

步骤(2)：三相交流电压和电流做3s/2s变换，得到电压和电流的αβ分量：u_α、u_β和i_α、i_β；

步骤(3)：对3s/2s变换得到的电压αβ分量u_α、u_β进行正负序分离，得到u_α1、u_β1、u_α2、u_β2；对3s/2s变换得到的电流αβ分量i_α、i_β进行正负序分离，得到i_α1、i_β1、i_α2、i_β2；下标“1”、“2”分别表示正序分量和负序分量，下同；

步骤(4)：正序电压u_α1、u_β1和正序电流i_α1、i_β1分别做正序2s/2r变换得到u_d1、u_q1和i_d1、i_q1；负序电压u_α2、u_β2和负序电流i_α2、i_β2分别做负序2s/2r变换得到u_d2、u_q2和i_d2、i_q2。

第二部分：正序电流指令生成环节。

根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换和正负序分离环节得到的正序电压u_d1、u_q1，计算正序电流指令i_d1ref、i_q1ref。

第三部分：负序电流指令生成环节。

第四部分：触发脉冲生成环节。

具体包括以下步骤：

步骤(1)：指令电流i_d1ref、i_q1ref、i_d2ref、i_q2ref，实际电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2和电压信号u_d1、u_q1、u_d2、u_q2进入到电流控制器，得到MMC六个桥臂的电压指令；

步骤(2)：六个桥臂的电压指令经过调制环节得到六个桥臂投入的子模块数；

步骤(3)：基于子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，通过光纤发送给每个子模块。

2.根据权利要求1所述的一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略，其特征在于：第三部分所述负序电流指令生成环节，具体包括以下步骤：

步骤(1)：故障检测。若电网电压低于设定阈值，则认为电网发生故障；否则，认为交流电网未发生故障；

步骤(2)：若电网发生故障，则设定K_f＝1；否则，设定K_f＝0；

步骤(3)：根据相应的公式计算得到负序电流指令i_d2ref、i_q2ref。

3.根据权利要求2所述的一种辅助故障方向判别的MMC-HVDC控制策略，其特征在于：第三部分的步骤(3)所述负序电流指令i_d2ref、i_q2ref计算公式如式(1)所示：

式中：K_λ为负序电流指令幅值与正序电流指令幅值之比；为了保证电力电子开关器件不过流且MMC输出三相电流基本对称，K_λ应取一个较小的值，如K_λ＝0.03；

为方向继电器的最大灵敏角，一般取输电线路阻抗角；若输电线路阻抗角为70°，则

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