CN111525541B - 具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

一种具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构，属于电力控制技术领域。本发明的目的是分别在稳态和故障时，其能够对多条直流线路进行潮流控制和故障切除的具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构。本发明设计桥臂的输出电压，获得线路电流与直流电压的关系，求得直流电压和交流电压，二者相加即得到T‑PFCCB的潮流控制参数。本发明将其安装在直流母线处，能够对多条线路进行潮流控制和故障切除，节约了大量的器件，通过共用主要元件集成了故障切除功能，且电容具有一定的故障抑制能力。

Description

具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构
技术领域
本发明属于电力控制技术领域。
背景技术
基于电压源型换流器的直流电网可实现多电源供电和多落点受电，大大提高了供电的可靠性和灵活性，促进了大规模新能源发电并网外送，是未来远距离输电和直流配电网的主要发展方向。然而，在具有N个换流站、b条输电线路的直流电网中，电网的内部功率呈现自然分布，会有b-N+1条直流线路的潮流无法由换流站独立控制，可能出现线路过载的情况，造成了严重的安全隐患。
直流潮流控制器可以协助换流站实现直流电网潮流的全面控制，避免线路过负荷，提高系统的输电能力。直流潮流控制器可分为电阻型、直流变压器型、辅助电压源型和线间直流潮流控制器。其中，线间直流潮流控制器由于容量小、成本低、仅以直流线路作为取能点等优势，受到了研究人员的广泛关注。
另一方面，当直流电网发生直流故障时，系统阻尼较小导致故障电流的上升率极高，断开交流断路器和闭锁换流站的切除方式较慢且会造成系统大范围停运。直流断路器作为直流电网的关键设备，能够迅速、准确的隔离故障线路，最大程度上减小故障在整个系统中的影响范围，保证健全线路继续运行。直流断路器可分为机械式、固态式和混合式，混合式直流断路器的通态损耗低、开断速度快、可靠性高，具有大规模商业化应用的前景。
发明内容
本发明的目的是分别在稳态和故障时，其能够对多条直流线路进行潮流控制和故障切除的具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构。
本发明若干个全桥型子模块、桥臂电感L1、超高速机械开关、负载转移支路相连组成桥臂单元，所有桥臂单元的一端直接相连成为公共节点，该公共节点再与直流电网的节点相连，桥臂单元的另一端经平波电抗器接入直流电网线路中，而且相邻桥臂单元之间通过反并联晶闸管和电容C1、C2连接，母线转移支路由电容C3和晶闸管组成，连接公共节点和电容C2，电容C1、C2、C3均并联避雷器，可根据电能质量和控制效果的要求调整单个桥臂中子模块的数量，故T-PFCCB具有良好的拓展性；
①令T-PFCCB桥臂的输出电压如式(1)所示
Figure GDA0003552705540000011
式中，UMi为MMC两端电压，UMiDC和UMiAC为MMC两端电压的直流分量和交流分量幅值，二者分别起到控制电网潮流和自身功率平衡的作用，θi为交流分量的初相角，i为桥臂编号；
②直流电压UMiDC生成：根据直流电网网孔KVL和定功率换流站KCL，可得线路电流与直流电压UMiDC的关系，如式(2)、(3)所示
Figure GDA0003552705540000021
A＝(R12+R13+R23)(R14+R34)+R13(R12+R23) (3)
式中：Iij和Rij为直流电网内线路电流和电阻，I2、I3、I4为换流站电流；
③T-PFCCB必须能够保持自身功率平衡，则有：
I12UM1DC+I13UM2DC+I14UM3DC＝0 (4)
设定直流电网中线路电流，并把直流线路电流值代入式(2)和式(4)，即得到UMiDC；
④交流电压UMiAC生成：
令MMC桥臂的交、直流功率相互抵消，直流功率为：
PMiDC＝-PMiAC＝IMiDC·UMiDC (5)
式中，PMiDC为MMC桥臂直流功率，PMiAC为MMC桥臂交流功率，IMiDC为MMC桥臂电流的直流分量；MMC桥臂单元的交流功率为：
Figure GDA0003552705540000022
式中：M＝ω2L1C1，ω为角频率；
以端口电压之差最小为目标获得最优解得到UMiAC，目标函数见式(7)
Figure GDA0003552705540000023
式中：UMjmax＝|UMjDC|+|UMjAC|，为第j个端口的电压最大值；
获得直流电压UMiDC和交流电压UMiAC，将二者相加即可得到T-PFCCB的潮流控制参数。
本发明三端口直流潮流控制器的故障切除方法：
①线路故障时，T-PFCCB按下述动作：继电保护检测到直流故障，立即闭锁故障线路中的子模块和负载转移开关，旁路其他桥臂的子模块，流经故障线路的电流迅速减小至零，为超快速机械开关提供开断条件，超快速机械开关逐渐打开，2ms后，超快速机械开关完全跳开，故障电流快递给电容C2充电，同时，中断反并联晶闸管的持续导通信号，因晶闸管为半控元件，故障方向的晶闸管仍会通过故障电流，电容被充电至避雷器的动作值时，避雷器投入电路，故障电流逐渐减小，并于切除故障；
②母线故障时，T-PFCCB按下述动作：检测到故障，闭锁所有桥臂中的全桥型子模块以及负载转移开关，并导通母线转移支路中的晶闸管，此时，桥臂呈现高阻抗状态，故障电流逐渐转移至母线转移支路中的电容C3，所有超快速机械开关在零电流、低电压的条件下逐渐打开，所有UFD完全跳开后，故障电流给电容C3快速充电，电容C3被充电至避雷器的动作值时，避雷器投入电路，故障电流逐渐减小。
本发明将其安装在直流母线处，能够对多条线路进行潮流控制和故障切除，节约了大量的器件。本发明实现桥臂模块化，便于根据直流电网结构设置端口数量，实现了为直流电网补充多个控制自由度，避免了运行多个DCPFC的控制难度。通过桥臂的交、直流电压实现潮流控制与功率平衡，验证其无需额外取能点。同时，以端口电压差值最小为目标对控制策略进行优化，能够充分利用MMC桥臂的容量。通过共用主要元件集成了故障切除功能，且电容具有一定的故障抑制能力。
附图说明
图1是T-PFCCB的拓扑结构图；
图2是潮流控制等效电路图；
图3是功率平衡等效电路图；
图4是控制策略框图；
图5是不同时刻线路故障的电流通路图；图5a是t0-t1时刻；图5b是t1-t2时刻；图5c是t2-t3时刻；图5d是t3-t4时刻；
图6是不同时刻母线故障的电流通路图；图6a是t0-t1时刻；图6b是t1-t2时刻；图6c是t2-t3时刻；图6d是t3-t4时刻；
图7是潮流控制仿真图；图7a是直流线路电流；图7b是桥臂电流；图7c是桥臂电压；图7d是子模块电容电压；
图8是线路故障电流图；图8a是故障电流；图8b是低损耗支路电流；图8c是电容电流；图8d是避雷器电流；
图9是母线故障电流；图9a是故障电流；图9b是低损耗支路电流；图9c是电容电流；图9d是避雷器电流。
具体实施方式
本发明分别在稳态和故障时，其能够对多条直流线路进行潮流控制和故障切除。
本发明公开了一种具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器(Three-port DCpower flow controller with fault removal capability,T-PFCCB)，分别在稳态和故障时，其能够对多条直流线路进行潮流控制和故障切除。T-PFCCB采用基于模块化多电平换流器的拓扑结构，利用桥臂的交、直流电压实现潮流控制和自身功率平衡，进而设计了稳态控制策略并进行控制参数优化方法。其次，T-PFCCB通过共用元件使其具有故障切除能力，并分析了不同时序下的等效电路和故障电流，设计了元件参数取值方法。
本发明具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构是：若干个全桥型子模块、桥臂电感L1、超高速机械开关、负载转移支路相连组成桥臂单元，所有桥臂单元的一端直接相连成为公共节点，该公共节点再与直流电网的节点相连。桥臂单元的另一端经平波电抗器接入直流电网线路中，而且相邻桥臂单元之间通过反并联晶闸管和电容C1、C2连接，母线转移支路由电容C3和晶闸管组成，连接公共节点和电容C2，电容C1、C2、C3均并联避雷器。可根据电能质量和控制效果的要求调整单个桥臂中子模块的数量，故T-PFCCB具有良好的拓展性。T-PFCCB拓扑结构如图1所示。
本发明的潮流控制方法是：
①令T-PFCCB桥臂的输出电压如式(1)所示。
Figure GDA0003552705540000041
式中，UMi为MMC两端电压，UMiDC和UMiAC为MMC两端电压的直流分量和交流分量幅值，二者分别起到控制电网潮流和自身功率平衡的作用，θi为交流分量的初相角，i为桥臂编号。
②直流电压UMiDC生成：根据直流电网网孔KVL和定功率换流站KCL，等效电路如图2所示。可得线路电流与直流电压UMiDC的关系，如式(2)、(3)所示。
Figure GDA0003552705540000042
A＝(R12+R13+R23)(R14+R34)+R13(R12+R23) (3)
式中：Iij和Rij为直流电网内线路电流和电阻，I2、I3、I4为换流站电流。
T-PFCCB必须能够保持自身功率平衡，则有：
I12UM1DC+I13UM2DC+I14UM3DC＝0 (4)
设定直流电网中线路电流，并把直流线路电流值代入式(2)和式(4)，解方程组即可得到UMiDC。
④交流电压UMiAC生成：
T-PFCCB通过MMC桥臂直流电压调整直流线路电流，必将与产生直流功率。MMC桥臂还包含交流功率。为避免子模块过度充/放电，应令MMC桥臂的交、直流功率相互抵消。直流功率为：
PMiDC＝-PMiAC＝IMiDC·UMiDC (5)
式中，PMiDC为MMC桥臂直流功率，PMiAC为MMC桥臂交流功率，IMiDC为MMC桥臂电流的直流分量。
根据如图3所示的功率平衡等效电路，MMC桥臂单元的交流功率为：
Figure GDA0003552705540000051
式中：M＝ω2L1C1，ω为角频率。
然而，公式(6)中仅有两个独立方程，却包含UM1AC～UM3AC、θ1～θ3六个未知量，则该方程组没有唯一解。使端口电压在相近水平，可降低T-PFCCB子模块电容的数值和体积，在此以端口电压之差最小为目标获得最优解，求解UMiAC。目标函数见式(7)。
Figure GDA0003552705540000052
式中：UMjmax＝|UMjDC|+|UMjAC|，为第j个端口的电压最大值。
获得直流电压UMiDC和交流电压UMiAC，将二者相加即可得到T-PFCCB的潮流控制参数。控制策略如图4所示。
本发明的故障切除方法是：
①线路故障时，T-PFCCB按下述动作：线路故障初始的通路如图5(a)所示。继电保护检测到直流故障，立即闭锁故障线路中的子模块和负载转移开关，旁路其他桥臂的子模块。流经故障线路的电流迅速减小至零，为超快速机械开关提供开断条件，超快速机械开关逐渐打开，如图5(b)所示。2ms后，超快速机械开关完全跳开，故障电流快递给电容C2充电。同时，中断反并联晶闸管的持续导通信号，因晶闸管为半控元件，故障方向的晶闸管仍会通过故障电流，如图5(c)所示。电容被充电至避雷器的动作值时，避雷器投入电路，故障电流逐渐减小，并于切除故障，如图5(d)所示。
②线故障时，T-PFCCB按下述动作：母线故障初始的通路如图6(a)所示。检测到故障，闭锁所有桥臂中的全桥型子模块以及负载转移开关，并导通母线转移支路中的晶闸管。此时，桥臂呈现高阻抗状态，故障电流逐渐转移至母线转移支路中的电容C3，所有超快速机械开关在零电流、低电压的条件下逐渐打开，如图6(b)所示。所有UFD完全跳开后，故障电流给电容C3快速充电，如图6(c)所示。电容C3被充电至避雷器的动作值时，避雷器投入电路，故障电流逐渐减小，如图6(d)所示。
搭建仿真模型，验证控制效果：
为了验证本发明提出T-PFCCB的潮流控制和故障切除功能，搭建了四端直流电网，并将T-PFCCB安装在换流站1处。下面对潮流控制、线路故障和母线故障3种工况进行了仿真。
(1)潮流控制
在T-PFCCB启动之前，直流电网已处于稳定运行状态，I12＝0.767kA、I13＝1.8kA、I14＝0.933kA、I34＝-0.067kA、I23＝-0.267kA。t＝1s时，启动T-PFCCB并设定I13＝1kA、I14＝0.5kA。图7(a)为直流线路电流仿真图，直流电网内部的电流分布情况。可以发现，T-PFCCB在0.2s内使I13、I14变化至目标值，验证了其具有固定2条线路潮流的能力，同时I12、I34、I23在直流电网功率的约束下，分别变化至2kA、-0.5kA、-1.5kA，即T-PFCCB虽然以I13、I14作为直接控制目标，实际上能够控制整个直流电网的潮流分布。图7(b)和(c)分别为T-PFCCB桥臂电流和桥臂电压，二者均呈现出具有直流偏置的正弦波，其中直流偏置实现直流电网潮流控制，正弦波实现多个桥臂之间的功率平衡。此外，多个桥臂电压的峰值基本处在相近的水平，进一步验证了控制策略优化的有效性。图7(d)为T-PFCCB子模块电容电压，本发明并未对子模块电容进行预充电，验证了其可依靠直流线路电流即可实现启动过程，节约了预充电电路的建设成本。
(2)t＝2.1s时，T1端发生短路故障。图8(a)中，iL和i′L分别为使用T-PFCCB和ABB公司断路器时的故障电流，发生故障后电流迅速升高，但T-PFCCB采用电容作为转移支路可降低46％的故障电流，进而缩短了故障切除时间。图8(b)为低损耗支路电流，t1时刻之前，在桥臂电压和故障电流的作用下，其以正弦趋势增大，并在LCS闭锁后立即降至零。图8(c)为流经转移支路电容的故障电流，故障初期变化较小，仍为正弦形式。LCS闭锁后，故障电流转移至该支路，致其迅速增大，且在避雷器触发后迅速降低。图8(d)为避雷器支路电流，触发后迅速增大，并在非线性电阻的特性下衰减至零，完成故障隔离。需要注意的是避雷器的触发时间约为6ms，验证了参数设计方法的有效性。
(3)t＝2.1s时，换流站1出口母线发生短路故障。图9(a)中，iB和i′B分别为使用T-PFCCB和ABB公司断路器时的故障电流，由于远端换流站均会向故障点馈入电流，故其值高于线路故障时的电流。且相比于ABB的断路器，T-PFCCB降低了36％的故障电流。图9(b)为低损耗支路电流，故障发生后，3条支路将共同分担故障电流引发的增量，减小了元件的耐流能力要求，并在收到闭锁信号后，故障电流迅速降为零。图9(c)为转移支路电容电流，iB2为母线转移支路电流，晶闸管导通之前该支路电流为零。由于为总转移支路，故在导通后电流上升速度最大。图9(d)为避雷器电流，故障电流和电容值的差异导致避雷器触发时间不同。

Claims (2)

1.一种具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构，其特征在于：若干个全桥型子模块、桥臂电感L1、超高速机械开关、负载转移支路相连组成桥臂单元，所有桥臂单元的一端直接相连成为公共节点，该公共节点再与直流电网的节点相连，桥臂单元的另一端经平波电抗器接入直流电网线路中，母线转移支路由电容C3和晶闸管组成，其一端连接桥臂单元的公共节点，另一端通过反并联晶闸管、电容C2和相邻桥臂单元连接，相邻桥臂单元之间通过反并联晶闸管和电容C1连接，电容C1、C2、C3均并联避雷器，可根据电能质量和控制效果的要求调整单个桥臂中子模块的数量，故具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器具有良好的拓展性；
①令T-PFCCB桥臂的输出电压如式(1)所示
Figure FDA0003561270900000011
式中，UMi为桥臂两端电压，UMiDC和UMiAC为桥臂两端电压的直流分量和交流分量幅值，二者分别起到控制电网潮流和自身功率平衡的作用，θi为交流分量的初相角，i为桥臂编号；
②直流电压UMiDC生成：根据直流电网网孔KVL和定功率换流站KCL，可得线路电流与直流电压UMiDC的关系，如式(2)、(3)所示
Figure FDA0003561270900000012
A＝(R12+R13+R23)(R14+R34)+R13(R12+R23) (3)
式中：Iij和Rij为直流电网内线路电流和电阻，I2、I3、I4为换流站电流；
③具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器必须能够保持自身功率平衡，则有：
I12UM1DC+I13UM2DC+I14UM3DC＝0 (4)
设定直流电网中线路电流，并把直流线路电流值代入式(2)和式(4)，即得到UMiDC；
④交流电压UMiAC生成：
令桥臂的交、直流功率相互抵消，直流功率为：
PMiDC＝-PMiAC＝IMiDC·UMiDC (5)
式中，PMiDC为桥臂直流功率，PMiAC为桥臂交流功率，IMiDC为桥臂电流的直流分量；
桥臂单元的交流功率为：
Figure FDA0003561270900000021
式中：M＝ω2L1C1，ω为角频率；
以端口电压之差最小为目标获得最优解得到UMiAC，目标函数见式(7)
Figure FDA0003561270900000022
式中：UMjmax＝|UMjDC|+|UMjAC|，为第j个端口的电压最大值；
获得直流电压UMiDC和交流电压UMiAC，将二者相加即可得到具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器的潮流控制参数。
2.根据权利要求1所述的具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器拓扑结构，其特征在于：三端口直流潮流控制器的故障切除方法：
①线路故障时，具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器按下述动作：继电保护检测到直流故障，立即闭锁故障线路中的子模块和负载转移开关，旁路其他桥臂的子模块，流经故障线路的电流迅速减小至零，为超快速机械开关提供开断条件，超快速机械开关逐渐打开，2ms后，超快速机械开关完全跳开，故障电流快速给电容C2充电，同时，中断反并联晶闸管的持续导通信号，因晶闸管为半控元件，故障方向的晶闸管仍会通过故障电流，电容被充电至避雷器的动作值时，避雷器投入电路，故障电流逐渐减小，并于切除故障；
②母线故障时，具有故障切除能力的三端口直流潮流控制器按下述动作：检测到故障，闭锁所有桥臂中的全桥型子模块以及负载转移开关，并导通母线转移支路中的晶闸管，此时，桥臂呈现高阻抗状态，故障电流逐渐转移至母线转移支路中的电容C3，所有超快速机械开关在零电流、低电压的条件下逐渐打开，所有超高速机械开关完全跳开后，故障电流给电容C3快速充电，电容C3被充电至避雷器的动作值时，避雷器投入电路，故障电流逐渐减小。
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