CN111130331B - 一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法，将每相的电容电压分别与三相电容电压和的平均值相减后，分别经过比例积分控制后分别得出每相的补偿分量；将低通滤波后的三相模块电压的和的平均值与设定值比较，当比较结果输出使能时，将三相模块电压和的平均值与设定值的差值送入PI控制后得出三相调制电压的直流共模补偿分量；将每相的补偿分量分别与直流共模补偿分量相加作为总的过压补偿分量。本发明抑制两种过压分量，避免了三相不对称故障情况下某一相电压偏高导致在耗能装置还未启动前就过压保护的问题，还能够在模块平均电压达到临界稳定设定值时主动抬升直流母线电压，限制直流电流，促使耗能装置启动，避免被动的过压保护。

Description

一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电系统技术领域，特别涉及一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法。

背景技术

基于MMC拓扑的电压源型换流器，具有可同时独立调节有功和无功、不存在换相失败问题、可向无源系统供电、谐波水平低等优点，主要应用于风电并网、孤岛供电、异步联网等直流输电、储能、无功补偿领域，是电力电子变换器领域的研究热点和发展方向，尤其是在海上风电并网领域，前景巨大。

随着柔性直流工程向高电压，大功率发展，阀组能力发挥到接近极限，但同时对于换流阀故障穿越的要求却越来越高。对于海上风电经换流器并网，需要穿越交流侧单相接地，相间短路，三相对地短路等故障。由于海上风电场的功率不能瞬时降低，因此陆上站换流器会配置泄能装置，但是泄能装置安装在极间，控制直流侧极间电压，如果陆上换流站网侧发生交流不对称故障，则会发生桥臂间电容电压不平衡，不平衡电压平均到每个模块可高达几百伏，当极线电压超过泄能装置启动阈值时，部分桥臂可能已经严重过压导致跳闸了。另外为了避免直流母线因为测量或者暂态电流导致的波动和干扰，泄能装置的电压启动阈值设的偏高，一般在额定电压的1.3p.u.左右甚至更高，过高的直流电压可能导致换流阀运行在临界安全工作点附近，不利于换流阀的安全。

本发明提出一种风电并网换流器过压抑制策略，避免网侧发生不对称故障情况下的局部桥臂过压故障，同时在换流阀电压在达到换流阀模块电压临界安全值时，通过过压抑制控制，在模块电压不继续升高前提下，控制换流器端口直流电压升高，使得泄能装置启动，吸收直流能量，避免换流阀桥臂整体过压。

发明内容

为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法，目的是换流器过压抑制策略，抑制基于MMC拓扑的柔性直流换流阀的相间不平衡过压和整体过压，提高柔性直流输电风电并网的故障穿越能力。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法，包括以下环节：

过压抑制环节一：

1)由换流器的每相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压分别相加并低通滤波后分别得出每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C；

2)由换流器的三相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压相加后得出三相电容电压和Vsum，Vsum除以3，并且经过低通滤波后得出三相电容电压和的平均值Vsum_av；

3)每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C分别与三相电容电压和的平均值Vsum_av相减后，分别经过比例积分控制后分别得出每相的补偿分量Vphs_delt_A、Vphs_delt_B、Vphs_delt_C；当本相模块电压偏高，则投入更多的模块，将能量转移到较低的相单元中；

过压抑制环节二：

1)将低通滤波后的三相模块电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C的和的平均值Vsum_av与设定值Vsum_set比较，当三相模块电压和的平均值高于设定值后，比较结果输出使能1，否则为0；

2)当比较结果输出使能1时，将三相模块电压和的平均值Vsum_av与设定值Vsum_set的差值送入比例积分控制后得出三相调制电压的直流共模补偿分量Vcvt_delt；

过压抑制环节三：

将过压抑制环节一的补偿分量Vphs_delt_A、Vphs_delt_B、Vphs_delt_C分别与过压抑制环节二的直流共模补偿分量Vcvt_delt相加作为每一相的总的过压补偿分量V_{phA_CMD}、V_{phB_CMD}、V_{phC_CMD}。

一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法，包括以下步骤：

1)由换流器的每相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压分别相加并低通滤波后分别得出每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C；

2)每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C分别与三相模块电压和的平均值设定值Vsum_set比较，当每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C高于设定值Vsum_set后，比较输出使能1，否则为0；

3)当比较结果输出使能1时，将每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C与三相模块电压和的平均值设定值Vsum_set的偏差值Vsum_A_diff、Vsum_B_diff、Vsum_C_diff分别送入每相的比例积分控制器；

4)由每相的比例积分控制器分别输出三相的每一相的总的过压补偿分量V_{phA_CMD}、V_{phB_CMD}、V_{phC_CMD}。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明抑制两种过压分量，其一是由于受端不对称故障导致的相间能量不平衡导致的相间电压不平衡分量，其二是换流阀直流平均电压分量；

(2)本发明提供的并网换流器过压抑制策略，避免了三相不对称故障情况下，某一相电压偏高导致在耗能装置还未启动前就过压保护的问题，同时能够在模块平均电压达到临界稳定设定值时主动抬升直流母线电压，限制直流电流，促使耗能装置启动，避免了被动的过压保护；

(3)本发明提供的换流器过压抑制策略，体现了和耗能装置的主动配合逻辑，使得耗能装置的启动电压整定变得简单，不会因为两者配合不好导致过压保护跳闸，原理简单、思路清晰，便于实现。

附图说明

图1并网换流器过压策略实现方式一原理图；

图2并网换流器过压策略实现方式二原理图；

图3交流侧AB相间短路工况下的交流电压曲线图；

图4不采用并网换流器过压策略的模块平均电压曲线图；

图5采用并网换流器过压策略的模块平均电压曲线图；

图6不采用并网换流器过压策略的经滤波后的相单元模块电压和曲线图；

图7采用并网换流器过压策略的经滤波后的相单元模块电压和曲线图；

图8不采用并网换流器过压策略的直流电流曲线图；

图9采用并网换流器过压策略的直流电流曲线图；

图10不采用并网换流器过压策略的直流电压曲线图；

图11采用并网换流器过压策略的直流电压曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

本发明的柔性直流输电换流阀是模块化多电平电压源型换流阀，并网换流器过压抑制策略主要通过分别控制三相的桥臂共模直流分量达到过压抑制的目的。

本发明发过压抑制策略抑制两种过压分量，其一是由于受端不对称故障导致的相间能量不平衡导致的相间电压不平衡分量，其二是换流阀直流平均电压分量。

当系统发生单相接地，相间短路，相间短路接地等不对称故障时，如附图3所示的AB相间短路故障，由于故障相输出功率比非故障相输出功率小，导致故障相模块电压比非故障相高，相间模块平均电压不平衡，如图4所示，最高桥臂电压比最低桥臂电压高300V。当故障时间短或者系统运行功率不大时，该不平衡电压不会导致过压跳闸，但当整体平均电压达到临界过压值时，该不平衡电压将导致系统跳闸。

耗能装置的启动策略是检测到极间电压高于设定值则投入耗能电阻，吸收直流能量，但模块的工作电压具有较大的电压波动，该波动正常工作有通常±10％的波动，在故障状态下，会达到比±10％更高的波动电压，有功功率越大，无功越大，波动越大，当极间电压达到设定值时，即使三相间电压平衡，很可能桥臂上计及波动的平均电压已经过压了，而换流阀上的电容电压波动由于工况繁多，并不好预计，所以耗能装置的启动电压不好整定。整定电压过低，系统穿越能力不足，整定电压过高，极间电压达到整定电压时，可能桥臂上电压波动已经超过换流阀允许工作电压导致跳闸。

并网换流器过压策略实现方式一原理如图1所示，包括以下环节：

过压抑制环节一：

1)由换流器的每相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压分别相加并低通滤波后分别得出每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C；

2)由换流器的三相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压相加后得出三相电容电压和Vsum，Vsum除以3，并且经过低通滤波后得出三相电容电压和的平均值Vsum_av；

3)每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C分别与三相电容电压和的平均值Vsum_av相减后，分别经过比例积分控制后分别得出每相的补偿分量Vphs_delt_A、Vphs_delt_B、Vphs_delt_C；

过压抑制环节二：

1)将低通滤波后的三相模块电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C的和的平均值Vsum_av与设定值Vsum_set比较，当三相模块电压和的平均值高于设定值后，比较结果输出使能1，否则为0；

2)当比较结果输出使能1时，将三相模块电压和的平均值Vsum_av与设定值Vsum_set的差值送入比例积分控制后得出三相调制电压的直流共模补偿分量Vcvt_delt；

过压抑制环节三：

将过压抑制环节一的补偿分量Vphs_delt_A、Vphs_delt_B、Vphs_delt_C分别与过压抑制环节二的直流共模补偿分量Vcvt_delt相加作为每一相的总的过压补偿分量V_{phA_CMD}、V_{phB_CMD}、V_{phC_CMD}。

将三相模块电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C和的平均值低通滤波后得到三相模块电压和平均值的直流分量Vsum_av，上述的设定值Vsum_set为模块允许工作直流电压的上限阈值乘以一相模块数。

并网换流器过压策略实现方式二原理如图2所示，包括如下步骤：

1)由换流器的每相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压分别相加并低通滤波后分别得出每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C；

2)每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C分别与三相模块电压和的平均值设定值Vsum_set比较，当每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C高于设定值Vsum_set后，比较输出使能1，否则为0；

3)当比较结果输出使能1时，将每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C与三相模块电压和的平均值设定值Vsum_set的偏差值Vsum_A_diff、Vsum_B_diff、Vsum_C_diff分别送入每相的比例积分控制器；

4)由每相的比例积分控制器分别输出三相的每一相的总的过压补偿分量V_{phA_CMD}、V_{phB_CMD}、V_{phC_CMD}。

并网换流器过压策略实现方式二中的设定值Vsum_set与策略实现方式一中的设定值相同，即为模块允许工作直流电压的上限阈值乘以一相模块数。

本发明在PSCAD/EMTDC平台上搭建模块化多电平柔性直流输电系统仿真模型，该模型中的主回路参数仅为验证本发明所述方法的正确性。仿真关键参数如表1所示。仿真案例1中1.5s网侧交流AB相间短路，故障持续到1.7s以后，见图3所示。

表1 仿真系统关键参数

如果不采用本发明的过压抑制策略，故障发生后，由于AB相间短路，导致AB相电压幅值较低，功率难以送出，导致AB相的模块电压偏高，C相模块电压偏低，在整个故障过程中A相电压比C相大约280V，见图4，A相所有模块电容电压和直流分量比C相所有模块电容电压和直流分量高220kV，见图6。故障过程中耗能装置未动作，直流电流持续流向故障阀，其中由于不对称故障有二倍频波动，并且由于直流电压升高电流衰减，见图8。直流电压持续增加，但未达到耗能装置的启动电压，见图10。

如果采用本发明的过压抑制策略，故障发生后，由于AB相间短路，自然情况下导致AB相的模块电压偏高，C相模块电压偏低，监测到相间偏差后，过压抑制策略投入，故障过程中A、B、C相趋于一致，见图5。A相所有模块电容电压和直流分量与压C相所有模块电容电压和直流分量趋于一致，见图7。直流电流持续流向故障阀，当在1.65s模块平均电压达到设定值时，过压抑制环节2使能，仿真中过压设定值为额定电压的1.125倍。过压抑制环节2投入后直流电压迅速升高，使得直流母线电压达到耗能装置的启动电压，见图11。过程中，由于直流电压升高，直流电流迅速衰减到零，避免了换流阀的继续升压，见图9。

综上，并网换流器过压抑制策略解决了受端交流电网不对称故障下的三相桥臂间电压分布不一致问题，避免了某一相电压偏高导致在耗能装置还未启动前就过压保护，同时能够在模块平均电压达到临界稳定设定值时主动抬升直流母线电压，限制直流电流，促使耗能装置启动，避免了被动的过压保护。

本发明以过压抑制策略实现方式一为例通过仿真验证了该策略的有效性，过压抑制策略实现方式二与策略实现方式一具有类似的效果，不同的是，过压抑制策略实现方式二是分相控制，到达阈值后启动过压抑制，如果某一相比其他相电压高，会先启动该相的过压抑制补偿，起到了过压抑制策略实现方式一中过压抑制环节1对三相不平衡电压的抑制作用。因为存在与设定值比较环节和偏差补偿，也起到了过压抑制策略实现方式一中过压抑制环节2的作用。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (1)

1.一种柔性直流输电风电并网换流器过压抑制控制方法，其特征在于，包括以下环节：

过压抑制环节一：

1)由换流器的每相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压分别相加并低通滤波后分别得出每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C；

2)由换流器的三相上桥臂电容电压与下桥臂电容电压相加后得出三相电容电压和Vsum，Vsum除以3，并且经过低通滤波后得出三相电容电压和的平均值Vsum_av；

3)每相的电容电压Vsum_A、Vsum_B、Vsum_C分别与三相电容电压和的平均值Vsum_av相减后，分别经过比例积分控制后分别得出每相的补偿分量Vphs_delt_A、Vphs_delt_B、Vphs_delt_C；

过压抑制环节二：

1)将低通滤波后的三相电容电压和的平均值Vsum_av与设定值Vsum_set比较，当三相电容电压和的平均值高于设定值后，比较结果输出使能1，否则为0；

2)当比较结果输出使能1时，将三相电容电压和的平均值Vsum_av与设定值Vsum_set的差值送入比例积分控制后得出三相调制电压的直流共模补偿分量Vcvt_delt；

过压抑制环节三：

将过压抑制环节一的补偿分量Vphs_delt_A、Vphs_delt_B、Vphs_delt_C分别与过压抑制环节二的直流共模补偿分量Vcvt_delt相加作为每一相的总的过压补偿分量V_{phA_CMD}、V_{phB_CMD}、V_{phC_CMD}。

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