CN111711215B - 一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法 - Google Patents

一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法，包括步骤：1)基于开关状态组合的孤岛检测主判据；2)基于电压突变量启动的压差越限的孤岛检测辅助判据；3)基于当前工况电压给定的孤岛平滑切换控制方法。本发明将基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合，对两端柔性直流输电网进行孤岛检测，并设计成孤岛检测器；当孤岛检测器检测到孤岛后，通过设计参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值的孤岛平滑切换控制方法，实现了两端柔性直流输电网的孤岛平滑切换控制。

Description

一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电网的技术领域，尤其是指一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术是以可关断器件和脉冲宽度调制技术为基础的新一代直流技术。它具有可以实现灵活的有功功率和无功功率的独立控制；可以不改变电压极性，实现直流功率方向反转，适合构成多端柔性直流输电系统；具备向无源网络系统供电的能力；开关频率较高，无需串联输出滤波器；可以实现静止同步补偿器等一系列优点。柔性直流输电控制灵活，可以在不同交流电源之间进行电力输送的任务，特别适合应用于大型海上风电场并网等领域。
正常情况下，柔性直流输电网的海岛电网发出的电能分别通过交流通道和直流通道送出给大陆电网。当交流通道因为某些原因跳开，导致海岛风电只能由直流通道送出，这种状态就称为柔性直流输电网的孤岛状态。
当交流通道因故障断开，而直流通道的功率还是根据原先的定功率控制模式进行输电时，海岛内电网将出现“窝电”现象，引起海岛电网频率和电压抬升，海岛内系统频率将持续往不利方向运行，破坏海岛内电气设备的绝缘和风力发电机的动力系统，最终导致系统崩溃，海岛内风机全部脱网，从而影响电网的供电可靠性。
因此，如何快速检测出海岛电网送出通道异常，并及时切换柔性直流输电网的控制策略，成为影响柔性直流输电网安全稳定运行的关键问题。
本发明提供一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法。首先，提出了基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合的孤岛综合检测方法，在断路器位置开入异常情况下，主判据失效的特殊工况下，实现对孤岛的准确检测。同时，提出了一种基于当前工况电压给定的孤岛平滑切换控制方法，通过设计参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值的孤岛平滑切换控制方法，实现了对柔性直流输电网孤岛的平滑切换控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法。针对断路器辅助接点接触不良，或断路器“双位置”等问题导致孤岛检测器无法对断路器的状态进行正确判断的问题，提出了一种基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合的孤岛综合检测方法。该孤岛综合检测方法在直流断路器通信延时或失败的特殊工况下，实现了对孤岛的准确检测。本发明还提出了一种基于当前工况电压给定的孤岛平滑切换控制方法，通过设计参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值，实现了系统对孤岛的稳定控制，从而维持整个海岛电网的稳定运行。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法，所述两端柔性直流输电网包括大陆电网、海岛电网、第一交流断路器、第二交流断路器、第三交流断路器、第四交流断路器、第五交流断路器、第六交流断路器、交流甲线、交流乙线、直流线路、第一交流母线、第二交流母线、第一直流母线、第二直流母线、第一模块化多电平电压源型换流器、第二模块化多电平电压源型换流器、第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器；其中，所述大陆电网与海岛电网通过两条交流通道和一条直流通道连接；直流通道为：大陆电网依次经第一变压器、第一交流母线、第五交流断路器、第三变压器、第一模块化多电平电压源型换流器、第一直流母线、直流线路、第二直流母线、第二模块化多电平电压源型换流器、第四变压器、第六交流断路器、第二交流母线、第二变压器与海岛电网连接；第一条交流通道为：大陆电网依次经第一变压器、第一交流母线、第一交流断路器、交流甲线、第二交流断路器、第二交流母线、第二变压器与海岛电网连接；第二条交流通道为：大陆电网依次经第一变压器、第一交流母线、第三交流断路器、交流乙线、第四交流断路器、第二交流母线、第二变压器与海岛电网连接；
所述孤岛检测和平滑切换控制方法，包括以下步骤：
1)基于开关状态组合的孤岛检测主判据：通过判断交流通道上交流断路器的开关状态组合，检测两端柔性直流输电网有无孤岛的产生；
2)基于电压突变量启动的压差越限的孤岛检测辅助判据：以第二交流母线的电压突变量作为启动条件，检测第一交流母线和第二交流母线上是否存在压差越限，从而实现在主判据失效的情况下，对两端柔性直流输电网进行孤岛检测；
3)基于当前工况电压给定的孤岛平滑切换控制：通过设计参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值的孤岛平滑切换控制，从而实现两端柔性直流输电网的孤岛平滑切换控制。
在步骤1)中，通过判断第一交流断路器、第二交流断路器与第三交流断路器、第四交流断路器的开关状态组合，进而识别两端柔性直流输电网是否处于孤岛状态，包括以下步骤：
1.1)定义交流通道上4个交流断路器的开关函数分别为SACCB1、SACCB2、SACCB3、和SACCB4，并定义交流断路器的开关状态函数如下：
Figure GDA0004073350090000041
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当SACCBx为1时，表示交流断路器闭合，当SACCBx为0时，表示交流断路器断开；当SACCBx为null时，表示交流断路器的开关状态不确定；
1.2)定义交流通道上4个交流断路器的电流状态分别为SIACCB1、SIACCB2、SIACCB3、和SIACCB4，并定义交流断路器的电流状态函数如下：
Figure GDA0004073350090000042
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当SIACCBx为1时，表示对应交流断路器有电流，当SIACCBx为0时，表示对应交流断路器无电流；
1.3)定义Sx为综合交流断路器开关状态函数SACCBx和电流状态函数SIACCBx的开关状态组合函数，并定义开关状态组合函数Sx如下：
Figure GDA0004073350090000043
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当Sx为1时，表示对应交流断路器确定是闭合的；当Sx为0时，表示对应交流断路器确定是断开的；当Sx为null时，表示对应交流断路器的开关状态是不能确定的，进而表示基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
定义开关状态组合函数Sx和开关状态函数SACCBx、电流状态函数SIACCBx的关系如下：
当SACCBx、SIACCBx均为1时，Sx为1，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx为1、SIACCBx为0时，Sx为1，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx、SIACCBx均为0时，Sx为0，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx为0、SIACCBx为1时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
当SACCBx为null、SIACCBx为0时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
当SACCBx为null、SIACCBx为1时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
1.4)定义IslandACCB是基于开关状态组合的孤岛检测判据结果，并定义孤岛检测判据结果IslandACCB与开关状态组合函数Sx的关系如下：
IslandACCB＝S1S2+S3S4
定义IslandACCB的计算原则如下：
1×1＝1，1×0＝0，0×0＝0，1×null＝null，0×null＝0，null×null＝null；
1+1＝1，1+0＝1，0+0＝0，1+null＝1，0+null＝null，null+null＝null；
当IslandACCB＝0时，表示发生孤岛；当IslandACCB＝1时，表示没有发生孤岛；当IslandACCB＝null时，表示两端柔性直流输电网是否联网未知，基于开关状态组合的孤岛检测主判据无法检测出孤岛。
在步骤2)中，基于电压突变量启动的压差越限的孤岛检测辅助判据，包括以下步骤：
2.1)电压突变量启动：两端柔性直流输电网的电压相位差和幅值差由交、直流通道传输的有功功率和无功功率决定，当海岛电网和大陆电网非计划脱离时，有功功率和无功功率的传输通道突然中断，在断开的瞬间，必然在海岛电网和大陆电网之间出现角度差和电压幅值差，因此，能够检测此时海岛电网的电压突变量作为压差越限辅助判据的启动条件；
其中，电压突变量采用积分的方式进行计算，对检测时刻在半个周期内进行积分：
Figure GDA0004073350090000061
式中，t＝k为孤岛检测开始时刻；
Figure GDA0004073350090000062
为t＝k时刻的电压突变量；u(t)为电压采样值；u(t-T)为前一周期的电压采样值；u(t-2T)为前两个周期的电压采样值；T为工频信号周期；
当得到的电压突变量的积分值大于整定值，则电压突变量启动；
定义Sft为判断是否发生的浮动门槛值，其大小为：
Figure GDA0004073350090000063
定义电压突变量启动的条件为：
Figure GDA0004073350090000064
当满足上式，电压突变量启动，满足压差越限判据的启动条件；
2.2)压差越限判据：通过以海岛电网的电压与大陆电网的电压同步作差，当压差超过预设的阈值之后，判定系统已经进入孤岛状态运行；
定义ΔU为海岛电网的电压与大陆电网的电压的压差，压差ΔU的计算公式如下式所示：
Figure GDA0004073350090000071
式中，
Figure GDA0004073350090000072
Uisdm、ωisd和
Figure GDA0004073350090000073
分别表示海岛电网电压的相量、最大值、角频率和初相角；
Figure GDA0004073350090000074
Ugridm、Ugrid、ωgrid和
Figure GDA0004073350090000075
分别表示大陆电网电压的相量、最大值、有效值、角频率和初相角；P为交流通道传输的有功功率；Q为交流通道传输的无功功率；R为交流通道的电阻值；X为交流通道的电抗值；j为虚数单位；
当压差超过整定值时，就能够判定此时海岛电网进入孤岛状态运行，压差越限判据如下式所示：
ΔU＞k·ΔUmax
式中，k为可靠系数，ΔUmax为当交流通道输送功率最大的时候，海岛电网和大陆电网的电压差，ΔUmax的计算公式如下式所示：
Figure GDA0004073350090000076
式中，Pmax和Qmax为联网状态下，交流通道输送的最大有功功率和最大无功功率。
在步骤3)中，首先，结合主判据和辅助判据得到孤岛检测的流程图，并设计成孤岛检测器，然后通过设计的孤岛检测器对孤岛进行检测；当孤岛检测器检测出孤岛信号时，此时海岛电网已经以孤岛状态运行一段时间，海岛电网的电压已经偏离额定值，如果电压参考值直接给定为额定值，切换瞬间，由于第二模块化多电平电压源型换流器控制输出的电压和海岛电网存在差值，海岛电网将发生剧烈波动，最终会导致海岛电网失稳；为实现第二模块化多电平电压源型换流器联网状态时的定有功功率和无功功率控制模式向孤岛状态时的定交流电压和频率控制模式的平滑切换，提出一种参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值的孤岛平滑切换控制方法，其孤岛平滑切换控制的实现包括以下步骤：
3.1)海岛电网的电压有功分量Usd与海岛电网的电压目标值Usobj比较之后，形成交流电压误差信号，经过PI调节器，得到海岛电网的电流有功分量参考值Isdref，而海岛电网的电流无功分量参考值Isqref给定为0时，即电流无功分量的控制目标为0；切换瞬间，海岛电网的电压目标值Usobj将以切换时刻海岛电网交流电压标幺值给定，之后以预设的斜率，逐渐过渡到1Pu；
3.2)海岛电网的电流isabc经派克变换模块，得到海岛电网的电流有功分量Isd和电流无功分量Isq，其中，派克变换模块的旋转角度是以切换时刻海岛电网交流频率和孤岛状态时的初始角度经弧度斜坡发生器变换之后给定，而后以预设斜率，逐渐过渡到50Hz；
3.3)海岛电网的电流有功分量Isd与海岛电网的电流有功分量参考值Isdref进行比较后，得到误差信号，送入PI调节器放大，放大信号加上海岛电网的电压有功分量Usd，并减去第二模块化多电平电压源型换流器的桥臂电抗器的电压无功分量，就得到第二模块化多电平电压源型换流器的电压有功分量参考值Udref；海岛电网的电流无功分量Isq与参考电流0比较后，误差信号经PI调节器放大，放大信号加上第二模块化多电平电压源型换流器的桥臂电抗器的电压有功分量，并与海岛电网的电压无功分量Usq作差，得到的就是第二模块化多电平电压源型换流器的电压无功分量参考值Uqref；
3.4)第二模块化多电平电压源型换流器的电压有功分量参考值Udref和电压无功分量参考值Uqref经派克逆变换模块后得到换流器三相参考电压，该三相参考电压经最近电平逼近法形成触发脉冲信号，从而驱动第二模块化多电平电压源型换流器，实现孤岛平滑切换控制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明首次提出并实现了两端柔性直流输电网的孤岛检测，突破两端柔性直流输电网的孤岛在交流断路器通信延时或失败时难以检测到的缺点。
2、本发明首次实现了基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合的孤岛综合检测，弥补了仅通过开关状态进行孤岛检测的弊端，实现了在主判据失效的情况下对孤岛的准确检测。
3、本发明首次设计了基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合的孤岛综合检测流程，并设计了孤岛检测器的安装，为实际两端柔性直流输电工程的孤岛检测提供了一定借鉴意义。
4、本发明设计了一种基于当前工况电压给定的孤岛平滑切换控制方法，当检测到孤岛发生时，通过设计参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值，从而维持整个海岛电网的稳定运行。
5、本发明首次提出的基于当前工况电压给定的孤岛平滑切换控制方法，解决了孤岛直接切换控制导致海岛电网电压冲击过大的问题。
6、本发明方法在两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制中具有广泛的使用空间，操作简单、适应性强，在提高柔性直流输电网的稳定性和可靠性上有广阔前景。
附图说明
图1为本发明的两端柔性直流输电网的结构图。
图2为本发明的两端柔性直流输电网孤岛状态的结构图。
图3为本发明的基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合的孤岛综合检测流程图。
图4为本发明的孤岛检测器的安装图。
图5为本发明的两端柔性直流输电网的孤岛平滑切换控制图。
图6为本发明在RTDS仿真平台上搭建的系统结构图。
图7为本发明的RTDS仿真图之一。
图8为本发明的RTDS仿真图之二。
图9为本发明的RTDS仿真图之三。
图10为本发明的RTDS仿真图之四。
图11为本发明的RTDS仿真图之五。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的两端柔性直流输电网包括大陆电网ACgrid1、海岛电网ACgrid2、第一交流断路器ACCB1、第二交流断路器ACCB2、第三交流断路器ACCB3、第四交流断路器ACCB4、第五交流断路器ACCB5、第六交流断路器ACCB6、交流甲线L1、交流乙线L2、直流线路L3、第一交流母线#1、第二交流母线#2、第一直流母线#3、第二直流母线#4、第一模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC1、第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2、第一变压器TM1、第二变压器TM2、第三变压器TM3、第四变压器TM4；其中，所述大陆电网ACgrid1与海岛电网ACgrid2通过两条交流通道和一条直流通道连接；直流通道为：大陆电网ACgrid1依次经第一变压器TM1、第一交流母线#1、第五交流断路器ACCB5、第三变压器TM3、第一模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC1、第一直流母线#3、直流线路L3、第二直流母线#4、第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2、第四变压器TM4、第六交流断路器ACCB6、第二交流母线#2、第二变压器TM2与海岛电网ACgrid2连接；第一条交流通道为：大陆电网ACgrid1依次经第一变压器TM1、第一交流母线#1、第一交流断路器ACCB1、交流甲线L1、第二交流断路器ACCB2、第二交流母线#2、第二变压器TM2与海岛电网ACgrid2连接；第二条交流通道为：大陆电网ACgrid1依次经第一变压器TM1、第一交流母线#1、第三交流断路器ACCB3、交流乙线L2、第四交流断路器ACCB4、第二交流母线#2、第二变压器TM2与海岛电网ACgrid2连接。
针对上述两端柔性直流输电网，本实施例所提供的孤岛检测和平滑切换控制方法，具体情况如下：
1)两端柔性直流输电网的孤岛状态如图2所示，由于联网状态转孤岛状态的切换控制过程是一个暂态过程，在RTDS仿真平台中搭建了两端柔性直流输电网的结构如图6所示。
海岛电网通过交直流通道与大陆电网相连，海岛电网包括风电场、阻感型负载以及补偿电容器，海岛电网的系统参数如表1所示，交流通道参数如表2所示，直流通道参数如表3所示。
表1两端柔性直流输电网的系统参数
Figure GDA0004073350090000111
表2两端柔性直流输电网的交流通道参数
序号 类别 长度(km) 阻值(欧/km) 抗值(欧/km) 容值(欧/km)
1 交流线路 20.0 0.08 0.38 0.24078
表3两端柔性直流输电网的直流通道参数
Figure GDA0004073350090000121
2)基于开关状态组合的孤岛检测主判据：通过判断交流通道上交流断路器的开关状态组合，检测两端柔性直流输电网有无孤岛的产生。
通过判断第一交流断路器ACCB1、第二交流断路器ACCB2与第三交流断路器ACCB3、第四交流断路器ACCB4的开关状态组合，进而识别两端柔性直流输电网是否处于孤岛状态，包括以下步骤：
2.1)定义交流通道上4个交流断路器的开关函数分别为SACCB1、SACCB2、SACCB3、和SACCB4，并定义交流断路器的开关状态函数如下：
Figure GDA0004073350090000122
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当SACCBx为1时，表示交流断路器闭合，当SACCBx为0时，表示交流断路器断开；当SACCBx为null时，表示交流断路器的开关状态不确定；
2.2)定义交流通道上4个交流断路器的电流状态分别为SIACCB1、SIACCB2、SIACCB3、和SIACCB4，并定义交流断路器的电流状态函数如下：
Figure GDA0004073350090000123
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当SIACCBx为1时，表示对应交流断路器有电流，当SIACCBx为0时，表示对应交流断路器无电流；
2.3)定义Sx为综合了交流断路器开关状态函数SACCBx和电流状态函数SIACCBx的开关状态组合函数，并定义开关状态组合函数Sx如下：
Figure GDA0004073350090000131
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当Sx为1时，表示对应交流断路器确定是闭合的；当Sx为0时，表示对应交流断路器确定是断开的；当Sx为null时，表示对应交流断路器的开关状态是不能确定的，进而表示基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
定义开关状态组合函数Sx和开关状态函数SACCBx、电流状态函数SIACCBx的关系如下：
当SACCBx、SIACCBx均为1时，Sx为1，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx为1、SIACCBx为0时，Sx为1，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx、SIACCBx均为0时，Sx为0，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx为0、SIACCBx为1时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
当SACCBx为null、SIACCBx为0时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
当SACCBx为null、SIACCBx为1时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
2.4)定义IslandACCB是基于开关状态组合的孤岛检测判据结果，并定义孤岛检测判据结果IslandACCB与开关状态组合函数Sx的关系如下：
IslandACCB＝S1S2+S3S4
定义IslandACCB的计算原则如下：
1×1＝1，1×0＝0，0×0＝0，1×null＝null，0×null＝0，null×null＝null；
1+1＝1，1+0＝1，0+0＝0，1+null＝1，0+null＝null，null+null＝null；
当IslandACCB＝0时，表示发生孤岛；当IslandACCB＝1时，表示没有发生孤岛；当IslandACCB＝null时，表示两端柔性直流输电网是否联网未知，基于开关状态组合的孤岛检测主判据无法检测出孤岛。
3)基于电压突变量启动的压差越限的孤岛检测辅助判据：以第二交流母线#2的电压突变量作为启动条件，检测第一交流母线#1和第二交流母线#2上是否存在压差越限，从而实现在主判据失效的情况下，对两端柔性直流输电网进行孤岛检测。其包括以下步骤：
3.1)电压突变量启动：两端柔性直流输电网的电压相位差和幅值差由交、直流通道传输的有功功率和无功功率决定，当海岛电网ACgrid2和大陆电网ACgrid1非计划脱离时，有功功率和无功功率的传输通道突然中断，在断开的瞬间，必然在海岛电网ACgrid2和大陆电网ACgrid1之间出现角度差和电压幅值差，因此，能够检测此时海岛电网的电压突变量作为压差越限辅助判据的启动条件。
其中，电压突变量采用积分的方式进行计算，对检测时刻在半个周期内进行积分：
Figure GDA0004073350090000151
式中，t＝k为孤岛检测开始时刻；
Figure GDA0004073350090000152
为t＝k时刻的电压突变量；u(t)为电压采样值；u(t-T)为前一周期的电压采样值；u(t-2T)为前两个周期的电压采样值；T为工频信号周期。
当得到的电压突变量的积分值大于整定值，则电压突变量启动；
定义Sft为判断是否发生的浮动门槛值，其大小为：
Figure GDA0004073350090000153
定义电压突变量启动的条件为：
Figure GDA0004073350090000154
当满足上式，电压突变量启动，满足压差越限判据的启动条件；
3.2)压差越限判据：通过以海岛电网的电压与大陆电网的电压同步作差，当压差超过预设的阈值之后，判定系统已经进入孤岛状态运行。
定义ΔU为海岛电网的电压与大陆电网的电压的压差，压差ΔU的计算公式如下式所示：
Figure GDA0004073350090000155
式中，
Figure GDA0004073350090000156
Uisdm、ωisd和
Figure GDA0004073350090000157
分别表示海岛电网电压的相量、最大值、角频率和初相角；
Figure GDA0004073350090000158
Ugridm、Ugrid、ωgrid和
Figure GDA0004073350090000159
分别表示大陆电网电压的相量、最大值、有效值、角频率和初相角；P为交流通道传输的有功功率；Q为交流通道传输的无功功率；R为交流通道的电阻值；X为交流通道的电抗值；j为虚数单位。
当压差超过整定值时，就能够判定此时海岛电网进入孤岛状态运行，压差越限判据如下式所示：
ΔU＞k·ΔUmax
式中，k为可靠系数，ΔUmax为当交流通道输送功率最大的时候，海岛电网和大陆电网的电压差，ΔUmax的计算公式如下式所示：
Figure GDA0004073350090000161
式中，Pmax和Qmax为联网状态下，交流通道输送的最大有功功率和最大无功功率。
4)设计基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合的孤岛综合检测流程图，如图3所示。
首先对海岛电网侧电气量进行采样，包括交流母线电压
Figure GDA0004073350090000162
交流通道断路器的电流状态SIACCB2和SIACCB4，交流通道断路器的开关状态SACCB2和SACCB4等等，接收大陆电网侧交流系统的电气量包括交流母线电压
Figure GDA0004073350090000163
交流通道断路器的电流状态SIACCB1和SIACCB3，交流通道断路器的开关状态SACCB1和SACCB3等。综合海岛电网侧电气量和大陆电网侧电气量相关信息对断路器开入异常进行判断。
若断路器开入正常，则进入孤岛检测主判据。根据交流通道断路器的状态组合来判定系统是否发生孤岛。
IslandACCB＝S1S2+S3S4
若IslandACCB为0，则发生孤岛，进入孤岛切换控制；若IslandACCB为1，则未发生孤岛，返回主程序运行；当IslandACCB＝null时，表示两端柔性直流输电网是否联网未知，基于开关状态组合的孤岛检测主判据无法检测出孤岛。
若断路器开入异常，则启用孤岛检测的辅助判据，对电压突变量进行采样判定。
Figure GDA0004073350090000171
若
Figure GDA0004073350090000172
则电压突变量启动；反之，电压突变量未启动，返回主程序；
由于通信是正常的，孤岛检测器可以接收到大陆电网侧电气量信息，启用压差越限判定逻辑，结合海岛电网侧电压与之比较后，判定是否发生孤岛。
Figure GDA0004073350090000173
若ΔU＞k·ΔUmax，则发生孤岛，进入切换控制策略；反之，则未发生孤岛，返回主程序运行。
5)将基于开关状态组合的主判据和基于电压突变量启动的压差越限的辅助判据相结合的孤岛综合检测方法设计成孤岛检测器，并安装在T2端的换流器上，如图4所示。通过采集海岛电网和大陆电网的开关状态、交流母线电压等电气信息量对柔性直流输电网进行孤岛检测，当检测到系统进入孤岛后，将孤岛信号下发给T2端换流器的控制器，控制器由联网状态切换入孤岛状态运行。
6)当控制保护装置接收到孤岛检测器发出的孤岛信号后，系统进入孤岛平滑切换控制，如图5所示。海岛电网ACgrid2的电压usabc经派克变换模块abc-dq，得到海岛电网ACgrid2的电压有功分量Usd和电压无功分量Usq。海岛电网ACgrid2的电压有功分量Usd与海岛电网ACgrid2的电压目标值Usobj比较之后，形成交流电压误差信号，经过PI调节器，得到海岛电网ACgrid2的电流有功分量参考值Isdref，而海岛电网ACgrid2的电流无功分量参考值Isqref给定为0时，即电流无功分量的控制目标为0；切换瞬间，海岛电网ACgrid2的电压目标值Usobj将以切换时刻海岛电网交流电压标幺值给定，之后以预设的斜率，逐渐过渡到1Pu。
海岛电网ACgrid2的电流isabc经派克变换模块abc-dq，得到海岛电网ACgrid2的电流有功分量Isd和电流无功分量Isq，其中派克变换模块abc-dq的旋转角度是以切换时刻海岛电网交流频率和孤岛状态时的初始角度经弧度斜坡发生器变换之后给定，而后以预设斜率，逐渐过渡到50Hz。
海岛电网ACgrid2的电流有功分量Isd与海岛电网ACgrid2的电流有功分量参考值Isdref进行比较后，得到误差信号，送入PI调节器放大，放大信号加上海岛电网ACgrid2的电压有功分量Usd，并减去第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的桥臂电抗器的电压无功分量，就得到第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的电压有功分量参考值Udref；海岛电网ACgrid2的电流无功分量Isq与参考电流0比较后，误差信号经PI调节器放大，放大信号加上第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的桥臂电抗器的电压有功分量，并与海岛电网ACgrid2的电压无功分量Usq作差，得到的就是第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的电压无功分量参考值Uqref。
第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2的电压有功分量参考值Udref和电压无功分量参考值Uqref经派克逆变换模块dq-abc后得到换流器三相参考电压，该三相参考电压经最近电平逼近法(NLM)形成触发脉冲信号，从而驱动第二模块化多电平电压源型换流器MMC-VSC2，实现孤岛平滑切换控制。
7)孤岛检测仿真分析：柔性直流输电网启动运行之后，系统进入联网状态运行，风电场的发电功率除去海岛电网自身的阻性负载消耗之后，其余有功通过交流通道和直流通道输送到大陆电网。补偿电容器注入到海岛电网的容性无功将海岛电网内的感性负载和变压器消耗的无功完全补偿，海岛电网无需从大陆电网吸收无功，即此时的交流通道仅输送有功功率。当系统运行到某一时刻，模拟开关ACCB1的开入状态异常，同时发生开关“偷跳”，系统进入孤岛状态运行，此时基于开关状态组合主判据失效，孤岛检测器启用辅助判据，进行孤岛检测。
如图7所示，Δu为电压突变量；VDVC为压差判据；ACCB1为开关状态，IslandC为孤岛信号。从图7可以看出，断路器ACCB1断开之后，电压突变量逐渐增大，到达整定值0.05Pu后，电压突变量启动，孤岛检测器开放压差越限判据，进入压差越限判据检测。当压差大于其整定值0.3Pu，且持续时间超过整定时间350ms后，孤岛检测器判断海岛电网进入孤岛状态，发出孤岛信号。
8)孤岛平滑切换控制仿真分析：ACCB1“偷跳”前系统运行工况：(1)海岛电网：风电场注入海岛电网的功率为15MW，阻性负载消耗有功约为8MW，感性负载消耗无功功率10MW，加上变压器等消耗的无功几乎和补偿电容器注入系统无功功率11MW相抵消，海岛电网与大陆电网交换的无功功率为0；(2)直流通道：直流系统经充电启动之后，输送的有功功率参考值Pref设为0，无功功率参考值Qref设为0，直流通道送出的功率为0；(3)交流通道：输送的有功功率为海岛电网向大陆电网输送的6.7MW，无功功率约为0。由于交流线路输送功率的较小，压差越限判据延时的整定时间为350ms，整定值为0.5Pu，电压突变量整定值为0.05Pu，无延时动作。
当ACCB1断开后，海岛电网形成孤岛，电压有效值和频率持续上升，400ms后，孤岛检测器识别到孤岛后，将孤岛信号下发给T2端换流器的系统级控制器，T2端换流器的系统级控制器采用孤岛平滑切换控制策略。如图8所示，uisd为海岛电网电压瞬时值，Uisd为海岛电网电压有效值，fisd为海岛电网电压频率，ACCB1为开关状态，IslandC为孤岛信号。从图8可以看出在切换瞬间，海岛电网电压波动较小，趋势平缓，电压有效值按既定斜率缓慢下降至1Pu，频率也按既定斜率缓慢下降至50Hz。而后孤岛控制器将海岛电网电压控制在50Hz和1Pu。可见，采用孤岛平滑切换控制策略，在换流器孤岛切换瞬间，换流器注入电压与海岛电网电压同期条件满足，孤岛切换过程平滑且可控。
如图9所示，Pdc和Qdc分别为直流通道的有功功率和无功功率，Pac和Qac分别为交流通道的有功功率和无功功率，Pisd和Qisd分别为海岛电网的有功功率和无功功率。从图9可以看出，ACCB1断开前，海岛电网向大陆电网注入的有功全部由交流通道承担，直流通道输送功率为0。ACCB1断开后到T2端换流器接到孤岛信号前，交流通道断开，其输送功率为0，直流通道输送功率也为0，海岛电网中风机发出的功率除去岛内负载消耗掉后，另外一部分剩余的功率导致了海岛电网电压和频率上升。在孤岛信号发出后，T2端换流器平滑切换入孤岛状态控制，由于在切换瞬间，换流器注入电压和海岛电网电压略有差异，导致岛内风机由于惯性作用出现较大的功率波动，T2端换流器的功率跟随岛内风机功率变化，控制风机输出功率到稳定值，从而实现海岛电网从联网状态向孤岛状态的平滑切换。
如图10所示，
Figure GDA0004073350090000201
和
Figure GDA0004073350090000202
分别为直流通道的正极和负极直流电压，Udc为直流电压的标幺值。从图10可以看出，柔性直流输电网在海岛电网从联网状态向孤岛状态切换过程中，整体电压保持平稳，保证了T2端换流器的控制模式从联网状态到孤岛状态的平滑切换。
9)对比仿真分析：为验证本发明所提的孤岛平滑切换控制的有效性，对直接切换控制进行对比仿真。采用与孤岛平滑切换控制仿真过程中相同的工况，而T2端换流器采用孤岛直接切换控制。
ACCB1“偷跳”后，孤岛检测器利用辅助判据检测到孤岛发生，将孤岛信号下发给T2端，T2端换流器采用孤岛直接切换控制策略，如图11所示。从图11可以看出，当ACCB1断开后，海岛电网形成孤岛，电压有效值和频率持续上升，ACCB1开关断开400ms后，孤岛检测器检测到海岛电网形成孤岛，下发给T2端换流器的系统级控制器，T2端换流器的系统级控制器接收到孤岛检测的孤岛信号后，采用孤岛直接切换控制策略。可以看出在切换瞬间，海岛电网受到极大的冲击，电压有效值瞬间跌落，并且夹杂着高次谐波，海岛电网电压的频率瞬间陡增至380Hz，电压跌落至0.5Pu。而后控制器发挥作用，将海岛电网电压控制在50Hz，1Pu。可见，采用孤岛直接切换控制，在T2端换流器的孤岛切换瞬间，换流器注入电压与海岛电网电压存在较大频差、角差和压差，同期条件不满足，对海岛电网的冲击巨大。
由此说明，采用孤岛平滑切换控制较孤岛直接切换控制的效果显著，对电压的冲击小，从而验证了所提孤岛平滑切换控制的有效性。
综上所述，在采用以上方案后，本发明为两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制提供了新的方法，该方法弥补仅通过开关状态进行孤岛检测的弊端，实现了在主判据失效的情况下对孤岛的准确检测；设计的孤岛平滑切换控制策略，能及时切换控制模式，维持整个海岛电网的稳定运行，解决了两端柔性直流输电网孤岛难以检测和切换控制的问题，有效推动柔性直流输电网的发展，具有实际推广价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法，所述两端柔性直流输电网包括大陆电网(ACgrid1)、海岛电网(ACgrid2)、第一交流断路器(ACCB1)、第二交流断路器(ACCB2)、第三交流断路器(ACCB3)、第四交流断路器(ACCB4)、第五交流断路器(ACCB5)、第六交流断路器(ACCB6)、交流甲线(L1)、交流乙线(L2)、直流线路(L3)、第一交流母线(#1)、第二交流母线(#2)、第一直流母线(#3)、第二直流母线(#4)、第一模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC1)、第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)、第一变压器(TM1)、第二变压器(TM2)、第三变压器(TM3)、第四变压器(TM4)；其中，所述大陆电网(ACgrid1)与海岛电网(ACgrid2)通过两条交流通道和一条直流通道连接；直流通道为：大陆电网(ACgrid1)依次经第一变压器(TM1)、第一交流母线(#1)、第五交流断路器(ACCB5)、第三变压器(TM3)、第一模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC1)、第一直流母线(#3)、直流线路(L3)、第二直流母线(#4)、第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)、第四变压器(TM4)、第六交流断路器(ACCB6)、第二交流母线(#2)、第二变压器(TM2)与海岛电网(ACgrid2)连接；第一条交流通道为：大陆电网(ACgrid1)依次经第一变压器(TM1)、第一交流母线(#1)、第一交流断路器(ACCB1)、交流甲线(L1)、第二交流断路器(ACCB2)、第二交流母线(#2)、第二变压器(TM2)与海岛电网(ACgrid2)连接；第二条交流通道为：大陆电网(ACgrid1)依次经第一变压器(TM1)、第一交流母线(#1)、第三交流断路器(ACCB3)、交流乙线(L2)、第四交流断路器(ACCB4)、第二交流母线(#2)、第二变压器(TM2)与海岛电网(ACgrid2)连接；
其特征在于，所述孤岛检测和平滑切换控制方法，包括以下步骤：
1)基于开关状态组合的孤岛检测主判据：通过判断交流通道上交流断路器的开关状态组合，检测两端柔性直流输电网有无孤岛的产生；
2)基于电压突变量启动的压差越限的孤岛检测辅助判据：以第二交流母线(#2)的电压突变量作为启动条件，检测第一交流母线(#1)和第二交流母线(#2)上是否存在压差越限，从而实现在主判据失效的情况下，对两端柔性直流输电网进行孤岛检测；
3)基于当前工况电压给定的孤岛平滑切换控制：通过设计参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值的孤岛平滑切换控制，从而实现两端柔性直流输电网的孤岛平滑切换控制。
2.根据权利要求1所述的一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法，其特征在于：在步骤1)中，通过判断第一交流断路器(ACCB1)、第二交流断路器(ACCB2)与第三交流断路器(ACCB3)、第四交流断路器(ACCB4)的开关状态组合，进而识别两端柔性直流输电网是否处于孤岛状态，包括以下步骤：
1.1)定义交流通道上4个交流断路器的开关函数分别为SACCB1、SACCB2、SACCB3、和SACCB4，并定义交流断路器的开关状态函数如下：
Figure FDA0004073350080000021
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当SACCBx为1时，表示交流断路器闭合，当SACCBx为0时，表示交流断路器断开；当SACCBx为null时，表示交流断路器的开关状态不确定；
1.2)定义交流通道上4个交流断路器的电流状态分别为SIACCB1、SIACCB2、SIACCB3、和SIACCB4，并定义交流断路器的电流状态函数如下：
Figure FDA0004073350080000031
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当SIACCBx为1时，表示对应交流断路器有电流，当SIACCBx为0时，表示对应交流断路器无电流；
1.3)定义Sx为综合了交流断路器开关状态函数SACCBx和电流状态函数SIACCBx的开关状态组合函数，并定义开关状态组合函数Sx如下：
Figure FDA0004073350080000032
式中，x表示交流断路器的编号1、2、3和4，当Sx为1时，表示对应交流断路器确定是闭合的；当Sx为0时，表示对应交流断路器确定是断开的；当Sx为null时，表示对应交流断路器的开关状态是不能确定的，进而表示基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
定义开关状态组合函数Sx和开关状态函数SACCBx、电流状态函数SIACCBx的关系如下：
当SACCBx、SIACCBx均为1时，Sx为1，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx为1、SIACCBx为0时，Sx为1，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx、SIACCBx均为0时，Sx为0，基于开关状态组合的孤岛检测主判据有效；
当SACCBx为0、SIACCBx为1时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
当SACCBx为null、SIACCBx为0时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
当SACCBx为null、SIACCBx为1时，Sx为null，基于开关状态组合的孤岛检测主判据失效；
1.4)定义IslandACCB是基于开关状态组合的孤岛检测判据结果，并定义孤岛检测判据结果IslandACCB与开关状态组合函数Sx的关系如下：
IslandACCB＝S1S2+S3S4
定义IslandACCB的计算原则如下：
1×1＝1，1×0＝0，0×0＝0，1×null＝null，0×null＝0，null×null＝null；
1+1＝1，1+0＝1，0+0＝0，1+null＝1，0+null＝null，null+null＝null；
当IslandACCB＝0时，表示发生孤岛；当IslandACCB＝1时，表示没有发生孤岛；当IslandACCB＝null时，表示两端柔性直流输电网是否联网未知，基于开关状态组合的孤岛检测主判据无法检测出孤岛。
3.根据权利要求1所述的一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法，其特征在于：在步骤2)中，基于电压突变量启动的压差越限的孤岛检测辅助判据，包括以下步骤：
2.1)电压突变量启动：两端柔性直流输电网的电压相位差和幅值差由交、直流通道传输的有功功率和无功功率决定，当海岛电网(ACgrid2)和大陆电网(ACgrid1)非计划脱离时，有功功率和无功功率的传输通道突然中断，在断开的瞬间，必然在海岛电网(ACgrid2)和大陆电网(ACgrid1)之间出现角度差和电压幅值差，因此，能够检测此时海岛电网的电压突变量作为压差越限辅助判据的启动条件；
其中，电压突变量采用积分的方式进行计算，对检测时刻在半个周期内进行积分：
Figure FDA0004073350080000051
式中，t＝k为孤岛检测开始时刻；
Figure FDA0004073350080000052
为t＝k时刻的电压突变量；u(t)为电压采样值；u(t-T)为前一周期的电压采样值；u(t-2T)为前两个周期的电压采样值；T为工频信号周期；
当得到的电压突变量的积分值大于整定值，则电压突变量启动；
定义Sft为判断是否发生的浮动门槛值，其大小为：
Figure FDA0004073350080000053
定义电压突变量启动的条件为：
Figure FDA0004073350080000054
当满足上式，电压突变量启动，满足压差越限判据的启动条件；
2.2)压差越限判据：通过以海岛电网的电压与大陆电网的电压同步作差，当压差超过预设的阈值之后，判定系统已经进入孤岛状态运行；
定义ΔU为海岛电网的电压与大陆电网的电压的压差，压差ΔU的计算公式如下式所示：
Figure FDA0004073350080000055
式中，
Figure FDA0004073350080000056
Uisdm、ωisd和
Figure FDA0004073350080000057
分别表示海岛电网电压的相量、最大值、角频率和初相角；
Figure FDA0004073350080000058
Ugridm、Ugrid、ωgrid和
Figure FDA0004073350080000059
分别表示大陆电网电压的相量、最大值、有效值、角频率和初相角；P为交流通道传输的有功功率；Q为交流通道传输的无功功率；R为交流通道的电阻值；X为交流通道的电抗值；j为虚数单位；
当压差超过整定值时，就能够判定此时海岛电网进入孤岛状态运行，压差越限判据如下式所示：
ΔU＞k·ΔUmax
式中，k为可靠系数，ΔUmax为当交流通道输送功率最大的时候，海岛电网和大陆电网的电压差，ΔUmax的计算公式如下式所示：
Figure FDA0004073350080000061
式中，Pmax和Qmax为联网状态下，交流通道输送的最大有功功率和最大无功功率。
4.根据权利要求1所述的一种两端柔性直流输电网的孤岛检测和平滑切换控制方法，其特征在于：在步骤3)中，首先，结合主判据和辅助判据得到孤岛检测的流程图，并设计成孤岛检测器，然后通过设计的孤岛检测器对孤岛进行检测；当孤岛检测器检测出孤岛信号时，此时海岛电网已经以孤岛状态运行一段时间，海岛电网的电压已经偏离额定值，如果电压参考值直接给定为额定值，切换瞬间，由于第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)控制输出的电压和海岛电网存在差值，海岛电网将发生剧烈波动，最终会导致海岛电网失稳；为实现第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)联网状态时的定有功功率和无功功率(P-Q)控制模式向孤岛状态时的定交流电压和频率(V-f)控制模式的平滑切换，提出一种参考值由当前工况电压按预设斜率变化到额定值的孤岛平滑切换控制方法，其孤岛平滑切换控制的实现包括以下步骤：
3.1)海岛电网(ACgrid2)的电压有功分量Usd与海岛电网(ACgrid2)的电压目标值Usobj比较之后，形成交流电压误差信号，经过PI调节器，得到海岛电网(ACgrid2)的电流有功分量参考值Isdref，而海岛电网(ACgrid2)的电流无功分量参考值Isqref给定为0时，即电流无功分量的控制目标为0；切换瞬间，海岛电网(ACgrid2)的电压目标值Usobj将以切换时刻海岛电网交流电压标幺值给定，之后以预设的斜率，逐渐过渡到1Pu；
3.2)海岛电网(ACgrid2)的电流isabc经派克变换模块(abc-dq)，得到海岛电网(ACgrid2)的电流有功分量Isd和电流无功分量Isq，其中，派克变换模块(abc-dq)的旋转角度是以切换时刻海岛电网交流频率和孤岛状态时的初始角度经弧度斜坡发生器变换之后给定，而后以预设斜率，逐渐过渡到50Hz；
3.3)海岛电网(ACgrid2)的电流有功分量Isd与海岛电网(ACgrid2)的电流有功分量参考值Isdref进行比较后，得到误差信号，送入PI调节器放大，放大信号加上海岛电网(ACgrid2)的电压有功分量Usd，并减去第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的桥臂电抗器的电压无功分量，就得到第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的电压有功分量参考值Udref；海岛电网(ACgrid2)的电流无功分量Isq与参考电流0比较后，误差信号经PI调节器放大，放大信号加上第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的桥臂电抗器的电压有功分量，并与海岛电网(ACgrid2)的电压无功分量Usq作差，得到的就是第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的电压无功分量参考值Uqref；
3.4)第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)的电压有功分量参考值Udref和电压无功分量参考值Uqref经派克逆变换模块(dq-abc)后得到换流器三相参考电压，该三相参考电压经最近电平逼近法形成触发脉冲信号，从而驱动第二模块化多电平电压源型换流器(MMC-VSC2)，实现孤岛平滑切换控制。
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