CN111769526A - 一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，包括：判断特高压多端混合直流输电系统中故障阀组所在换流站类型，所述换流站类型分为送端换流站和受端换流站；判断各换流站站间通讯是否正常，若各换流站站间存在通讯中断，则根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站独立进行阀组故障退出控制；否则根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站联合进行阀组故障退出控制。本发明方法适用于多端混合直流输电控制系统，结合不同类型阀组的控制特点，使各站各阀组相互配合，能够快速完成多端混合直流输电系统阀组的故障退出，避免单个阀组故障引起整个系统停运。

Description

一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法

技术领域

本发明属于特高压多端混合直流输电系统控制技术领域，涉及一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法。

背景技术

常规直流输电系统具有传输容量大、电压等级高、制造成本低、运行损耗低、技术成熟可靠的优点，在大容量、远距离输送电能时，这种输电方式具有良好的技术经济性。但同时具有需要大量滤波和无功补偿装置、作为逆变站时易换相失败等缺点。

柔性直流输电系统具有控制性能好、运行方式灵活、不需要无功补偿、占地面积小、没有换相失败问题等优点；但柔性直流输电系统采用IGBT作为换流元件，建设成本高。

鉴于上述二者的优缺点，将LCC换流站与MMC换流站直流侧并联运行，送端采用LCC换流站，受端采用MMC换流站，能从根本上实现两者的优势互补：一方面可以用柔性直流输电系统连接低短路比的弱交流电网或无源电网，有效避免换相失败，另一方面能够发挥常规直流输电系统成本和损耗较低的优势。

我国电网的潮流方向单一、直流输电落点集中等特殊情况，导致了电力受端交流系统较弱。因此有将LCC和MMC并联运行，构建特高压多端混合直流输电系统的迫切需求。

国内特高压直流输电工程均采用双阀组串联的接线方式，系统存在多种运行方式，其中必然包括单个换流阀的故障退出。而现有的特高压直流输电工程，全部采用常规直流换流站，现有的换流阀故障退出控制策略只适用于特高压两端常规直流输电系统，不能适应于特高压柔性直流输电系统，更不能适用于特高压多端混合直流输电系统。因此，有必要研究特高压多端混合直流输电系统阀组的故障退出控制策略，为建设LCC和MMC多端混合并联工程奠定坚实的基础。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，在特高压多端混合直流输电系统面临某个阀组故障时，可有效保护一次设备、降低故障影响范围和避免系统停运。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：判断特高压多端混合直流输电系统中故障阀组所在换流站类型，所述换流站类型分为送端换流站和受端换流站；

步骤二：判断各换流站站间通讯是否正常，若各换流站站间存在通讯中断，则执行步骤三，否则执行步骤四；

步骤三：根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站独立进行阀组故障退出控制；

步骤四：根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站联合进行阀组故障退出控制。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，所述受端换流站为LCC换流站，所述送端换流站为全桥MMC换流站。

优选地，步骤三中，若故障阀组所在的换流站类型为送端换流站，即送端换流站发生阀组故障，则故障阀组闭锁隔离，故障阀组所在极的极线直流电压降低一半，各无故障换流站根据低压双阀组运行状态，自行切除故障阀组对应极中一个阀组，以保证系统正常工作。

优选地，步骤三中，若故障阀组所在的换流站类型为受端换流站，即受端换流站发生阀组故障，则同时闭锁本换流站故障阀组所在极的另一阀组，即故障阀组所在极退出运行，无故障极正常运行，其余各无故障换流站保持双阀组全压运行。

优选地，步骤四中，对于送端换流站的阀组故障退出控制方法包括：

步骤1：送端换流站出现阀组故障后，闭合故障阀组BPS，将故障阀组闭锁；

步骤2：送端换流站故障阀组所在极非故障阀组移相至逆变状态，同时通知其余换流站；

各无故障受端换流站收到送端换流站阀组故障信息后，对应阀组调节直流调制系数，将对应阀组的直流电压降至0后，闭合对应阀组BPS，闭锁隔离对应阀组；

送端换流站故障阀组BPS闭合后，送端换流站故障阀组所在极非故障阀组解除移相状态，恢复正常控制。

优选地，步骤2中，送端换流站故障阀组所在极非故障阀组移相至120°。

优选地，步骤四中，对于受端换流站的阀组故障退出控制方法包括：

步骤1：受端换流站出现阀组故障后，闭锁故障阀组；

步骤2：发生阀组故障的受端换流站闭锁本换流站故障所在极无故障阀组，同时通知其余换流站；

送端换流站收到受端换流站阀组故障信息后，故障所在极各阀组移相至120°，待送端换流站直流电流降至0后，闭合送端换流站中对应阀组的BPS，非对应阀组移相至164°；对应阀组BPS闭合后闭锁隔离，非对应阀组恢复正常控制；

步骤3：送端换流站中故障所在极各阀组移相后，闭合故障阀组BPS，在故障阀组BPS闭合后，本换流站故障所在极无故障阀组解锁，恢复正常运行；

步骤4：送端换流站中故障所在极各阀组移相后，无故障受端换流站中，对应阀组调节直流调制系数，将对应阀组直流电压降至0，闭合对应阀组BPS，对应阀组闭锁隔离，非对应阀组保持正常运行。

本申请所达到的有益效果：

1.本发明所述的阀组故障退出控制方法，在送端换流站阀组故障时，故障阀组闭锁，本换流站故障所在极无故障阀组迅速移相至120°，释放无故障阀组中能量，防止故障扩大，同时各受端换流站的对应阀组，调节直流调制系数，降低对应阀组间电压，闭合对应阀组BPS，闭锁隔离对应阀组，防止受端换流站进入双阀组半压运行的非正常故障状态。在受端换流站阀组故障时，受端换流站故障阀组闭锁后，通知本换流站故障所在极无故障阀组快速闭锁，防止故障阀组BPS闭合时，本极无故障阀组过压，损坏本极无故障阀组一次设备；同时送端换流站双阀组移相，防止送端输送功率涌向无故障受端换流站，保护无故障受端换流站不过压。

2.本发明所述的阀组故障退出控制方法，在阀组故障发生后迅速协调各换流站各阀组，使其相互配合，确保阀组故障退出过程中系统各电气量变化平稳、对交流系统的冲击小、无暂态过压现象，满足特高压多端混合直流输电系统的实际需求。在特高压多端混合直流输电系统面临某个阀组故障时，有效保护一次设备、降低故障影响范围和避免系统停运等问题。

附图说明

图1是本发明一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法流程图；

图2是本发明实施例中特高压多端混合直流输电系统的拓扑结构图；

图3是本发明实施例中送端换流站阀组故障退出时序图；

图4是本发明实施例中受端换流站阀组故障退出时序图；

图5是本发明实施例中送端换流站阀组故障退出波形图；

图6是本发明实施例中受端换流站阀组故障退出波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

特高压多端混合直流输电系统有多种运行方式、多种适用控制策略，为方便后续说明，本发明选择其中一种典型拓扑为实施例进行说明。

本技术领域内将常规换流站简称为LCC换流站，柔直换流站简称为MMC换流站；目前柔直换流站应用于特高压直流输电系统时，必须采用一定数量的全桥模块，以应对特高压部分特殊工况，本文为叙述便利，以全桥MMC结构的柔直换流站进行介绍，而带有半桥模块的混合桥柔直换流站的阀组故障控制与全桥MMC换流站基本一致，故不做具体说明。

图2给出了一种常用的特高压多端混合直流输电系统拓扑结构图，该特高压多端混合直流输电系统包括一个整流站和两个逆变站；

整流站采用LCC换流站，控制策略成熟、节约建设成本；

逆变站采用全桥MMC换流站，连接弱交流电网或无源电网，避免换相失败、支撑交流电网。

该拓扑结构既实现了LCC和MMC换流站的优势互补，又符合我国电网潮流方向单一、需要大量输送电力的现状。因此，本发明选取此拓扑结构为典型实施例进行说明。

结合LCC和MMC的控制特性，及已有的工程经验，本发明为图2所示的特高压多端混合直流输电系统选定送端LCC换流站控制直流功率、受端第一MMC换流站控制直流电流、受端第二MMC换流站控制直流电压的基本控制策略，三个站通过设置不同的电压、电流裕度，实现不同运行方式下的协调运行。

如图2所示，每个换流站有两个极，每个极包括两个阀组，其中，靠近极线侧阀组类型为高压阀组，另一个为低压阀组。

送端常规换流站的某一个阀组故障后，触发保护动作，立即闭锁故障阀组，导致直流电压降低、直流电流降低，本换流站阀组故障所在极的无故障阀组在电流控制器的作用下，将触发角降低到最小值，以维持直流电流；同时因直流电流与指令值存在偏差，与之并联的受端柔性直流换流站直流侧控制器退饱和，迅速进入定直流电流控制模式，将直流电压降低至50％左右，最终柔性直流站各阀组半压运行。

为避免双阀组半压运行的非正常工况出现，在送端常规换流站故障阀组闭锁后，迅速通知受端柔性直流换流站，降低其直流调制系数，将对应阀组直流电压降低、闭合BPS、闭锁对应阀组，保证各换流站对应阀组的同步隔离，维持系统稳态运行。

受端柔性直流换流站的某一个阀组故障后，触发保护动作，闭锁故障阀组，此时直流线路中的能量将继续给该换流站的阀组充电，使子模块电压快速上升；送端输送功率全部流向与之并联的无故障受端换流站，导致无故障受端换流站的直流电压进一步上升，出现过压风险。

为避免受端换流站出现直流过压，送端换流站应立即移相至逆变状态，迅速将直流线路中的能量释放掉，保证受端换流站阀组的安全，待直流电压、电流下降后，故障阀组在送端换流站中的对应阀组执行旁路逻辑；送端换流站对应阀组旁路后，通知受端换流站执行阀组旁路，各换流站转为单阀组运行，将功率损失降至最低。

需注意，阀组故障后需依赖站间通讯，完成各站间阀组的配合，以确保系统能够平稳、快速的完成特高压多端混合直流输电系统阀组的故障，而不引起整个系统停运。

综上，如图1所示，本发明的一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，包括以下步骤：

步骤一：判断特高压多端混合直流输电系统中故障阀组所在换流站类型，所述换流站类型分为送端换流站和受端换流站；

步骤二：判断各换流站站间通讯是否正常，若各换流站站间存在通讯中断，则执行步骤三，否则执行步骤四；

步骤三：根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站独立进行阀组故障退出控制；

若故障阀组所在的换流站类型为送端换流站，即送端换流站发生阀组故障，则故障阀组闭锁隔离，故障阀组所在极的极线直流电压降低一半，各无故障换流站根据低压双阀组运行状态，自行切除故障阀组对应极中一个阀组，以保证系统正常工作。

若故障阀组所在的换流站类型为受端换流站，即受端换流站发生阀组故障，因无法通知其他换流站闭锁配合，需同时闭锁本换流站故障阀组所在极的另一阀组，即故障阀组所在极退出运行，无故障极正常运行，其余各无故障换流站保持双阀组全压运行。

步骤四：根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站联合进行阀组故障退出控制。

下面以某一高压阀组故障为实施例详细说明步骤四。

如图3所示，特高压多端混合直流输电系统送端换流站高压阀组故障退出控制的过程如下：

步骤1：送端LCC换流站某一高压阀组故障后，闭合其BPS，直流电流流经其BPS，待其BPS闭合后将其BPI闭合、拉开隔离刀闸AI、拉开隔离刀闸CI、拉开BPS，将故障高压阀组隔离；

步骤2：送端LCC换流站故障阀组所在极低压阀组迅速移相至逆变状态，以降低故障电流；各个受端换流站中对应高压阀组快速调节直流调制系数，将本阀组直流电压降至0，然后闭合本阀组BPS，直流电流流经本阀组BPS，待其BPS闭合后将BPI闭合、拉开AI、拉开CI、拉开BPS，将各个受端换流站对应高压阀组隔离；

收到送端换流站故障高压阀组BPS闭合信息后，送端换流站故障阀组所在极低压阀组解除移相状态，恢复至正常控制模式，系统进入单阀组运行状态，较故障前直流电压降低一半，直流电流保持不变。

该实施例中，步骤1、步骤2中各BPS分闭合操作由控制系统自动完成，各个隔离刀闸AI、CI、BPI的操作顺序和时间不做特殊要求，符合工程运行规则即可。

步骤1中，送端换流站低压阀组移相至逆变状态，触发角在90°～180°，根据工程经验，推荐移相至120°。

步骤2中送端LCC换流站故障阀组所在极低压阀组迅速移相至逆变状态及各个受端换流站中对应高压阀组快速调节直流调制系数的触发条件均为收到送端LCC换流站高压阀组故障信号，无需考虑站间通讯时差。

图5为根据上述步骤四，特高压多端混合直流输电系统送端换流站高压阀组故障退出的PSCAD仿真波形。根据波形可见：在上述步骤四的控制下，LCC站高压阀组故障后，控制系统能够快速闭锁隔离三个站对应的高压阀组，并保持系统的持续运行。

如图4所示，特高压多端混合直流输电系统受端第一MMC换流站高压阀组故障退出的过程如下：

步骤1：受端第一MMC换流站的某一高压阀组发生故障，立即闭锁故障阀组；

步骤2：受端第一MMC换流站故障所在极低压阀组闭锁，以防止低压阀组模块过压；同时通知其余换流站；

送端LCC换流站收到第一MMC换流站高压阀组故障闭锁信号后，送端LCC换流站故障阀组对应极高压阀组、低压阀组触发角移相至逆变状态；待送端LCC换流站直流电流降至0后，闭合送端LCC换流站故障阀组对应极高压阀组BPS、送端LCC换流站故障阀组对应极低压阀组移相至164°；送端LCC换流站故障阀组对应极高压阀组BPS闭合后，送端LCC换流站故障阀组对应极高压阀组闭锁、低压阀组恢复正常控制；

步骤3：送端LCC换流站故障所在极高压、低压阀组移相后，受端第一MMC换流站闭合故障高压阀组BPS，待故障高压阀组BPS闭合后，闭合BPI、拉开AI、拉开CI、拉开BPS，隔离故障阀组，受端第一MMC换流站故障高压阀组BPS闭合后，故障所在极低压阀组解锁，恢复正常运行；

步骤4：送端LCC换流站故障所在极高压、低压阀组移相后，受端第二MMC换流站中对应高压阀组快速降低直流调制系数，将对应高压阀组直流电压降至0，闭合对应高压阀组BPS后闭锁，然后合BPI、拉开AI、拉开CI、拉开BPS，隔离对应阀组，故障阀组对应极低压阀组保持正常运行，系统进入单阀组运行状态。

该实施例中，步骤2中阀组移相至逆变状态，触发角在90°～180°，根据工程经验，推荐移相至120°。

步骤2中，受端第一MMC换流站低压阀组闭锁及送端LCC换流站高压阀组、低压阀组触发角移相至逆变状态的触发条件均为收到受端换流站高压阀组故障信号，无需考虑站间通讯时差。

步骤3、步骤4中BPS分闭合操作由控制系统自动完成，各个隔离刀闸AI、CI、BPI的操作顺序和时间不做特殊要求，符合工程运行规则即可。

图6为根据上述步骤四，特高压多端混合直流输电系统受端换流站高压阀组故障退出的PSCAD仿真波形。根据波形可见：在上述步骤四的控制下，第一MMC站高压阀组故障后，控制系统能够快速闭锁隔离三个站的高压阀组，并保持系统的持续运行。

综上所述，本发明方法适用于多端混合直流输电控制系统，结合不同类型阀组的控制特点，使各站各阀组相互配合，能够快速完成多端混合直流输电系统阀组的故障退出，避免单个阀组故障引起整个系统停运。

缩略词：

IGBT：Insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT；

LCC：Line commutated converter，电网换相型换流器，简称LCC；

MMC：Modular multilevel converter，模块化多电平换流器，简称MMC；

BPS：Bypass switch，旁路开关，简称BPS；

BPI：Bypass isolating switch，旁路隔离开关，简称BPI；

PSCAD：Power Systems Computer Aided Design，电力系统计算机辅助设计，简称PSCAD。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤一：判断特高压多端混合直流输电系统中故障阀组所在换流站类型，所述换流站类型分为送端换流站和受端换流站；

步骤二：判断各换流站站间通讯是否正常，若各换流站站间存在通讯中断，则执行步骤三，否则执行步骤四；

步骤三：根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站独立进行阀组故障退出控制；

步骤四：根据故障阀组所在的换流站类型，送端换流站和受端换流站联合进行阀组故障退出控制。

2.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，其特征在于：

所述受端换流站为LCC换流站，所述送端换流站为全桥MMC换流站。

3.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，其特征在于：

步骤三中，若故障阀组所在的换流站类型为送端换流站，即送端换流站发生阀组故障，则故障阀组闭锁隔离，故障阀组所在极的极线直流电压降低一半，各无故障换流站根据低压双阀组运行状态，自行切除故障阀组对应极中一个阀组，以保证系统正常工作。

4.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，其特征在于：

步骤三中，若故障阀组所在的换流站类型为受端换流站，即受端换流站发生阀组故障，则同时闭锁本换流站故障阀组所在极的另一阀组，即故障阀组所在极退出运行，无故障极正常运行，其余各无故障换流站保持双阀组全压运行。

5.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，其特征在于：

步骤四中，对于送端换流站的阀组故障退出控制方法包括：

步骤1：送端换流站出现阀组故障后，闭合故障阀组BPS，将故障阀组闭锁；

步骤2：送端换流站故障阀组所在极非故障阀组移相至逆变状态，同时通知其余换流站；

各无故障受端换流站收到送端换流站阀组故障信息后，对应阀组调节直流调制系数，将对应阀组的直流电压降至0后，闭合对应阀组BPS，闭锁隔离对应阀组；

送端换流站故障阀组BPS闭合后，送端换流站故障阀组所在极非故障阀组解除移相状态，恢复正常控制。

6.根据权利要求5所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，其特征在于：

步骤2中，送端换流站故障阀组所在极非故障阀组移相至120°。

7.根据权利要求1所述的一种特高压多端混合直流输电系统阀组故障退出控制方法，其特征在于：

步骤四中，对于受端换流站的阀组故障退出控制方法包括：

步骤1：受端换流站出现阀组故障后，闭锁故障阀组；

步骤2：发生阀组故障的受端换流站闭锁本换流站故障所在极无故障阀组，同时通知其余换流站；

送端换流站收到受端换流站阀组故障信息后，故障所在极各阀组移相至120°，待送端换流站直流电流降至0后，闭合送端换流站中对应阀组的BPS，非对应阀组移相至164°；对应阀组BPS闭合后闭锁隔离，非对应阀组恢复正常控制；

步骤3：送端换流站中故障所在极各阀组移相后，闭合故障阀组BPS，在故障阀组BPS闭合后，本换流站故障所在极无故障阀组解锁，恢复正常运行；

步骤4：送端换流站中故障所在极各阀组移相后，无故障受端换流站中，对应阀组调节直流调制系数，将对应阀组直流电压降至0，闭合对应阀组BPS，对应阀组闭锁隔离，非对应阀组保持正常运行。

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