CN111769530B - 大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，属于柔性直流输电技术领域。当检测到直流电压低于阈值U dcth，且直流电流变化率大于阈值ε时，换流站立即切换至主动限流控制，即在最近电平逼近调制过程中将各相子模块投入总数降为kN(k≤1)，并以风电场并网母线电压要求确定k值；设计一种集成限流功能的耗散电阻配置方法，将耗散电阻分布配置在各相上下桥臂，同时具备解决功率盈余问题和降低换流阀电流应力的能力；最后设计了两者与直流断路器的协调配合方法，在保证风电场安全运行的同时协同抑制故障电流，从而降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。具有科学合理，适用性强，效果佳的优点。

Description

大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器柔性直流输电(modular multilevel converter basedhigh voltage direct current,MMC-HVDC)技术在大规模可再生能源发电汇集、多能互补和友好型并网等领域具有良好的应用前景。为应对可再生能源大规模开发、远距离外送的需求，采用架空线构建多端柔性直流电网成为未来电网发展的必然趋势。相比于电缆线路，架空线增加了短路故障发生的概率，因此，故障清除和保护问题是该领域的研究热点。采用直流断路器快速隔离直流故障是一种最直接有效的方法，已在舟山五端柔性直流输电工程和即将投运的张北直流电网中使用，具有较好的应用前景。但由于直流故障电流无过零点，且上升速度快，直流断路器需快速隔离故障并耗散大量能量，导致开断成本和技术难度较高，制约了其发展空间。
故障限流技术是解决上述问题的有效手段，对于直流断路器的推广应用具有重要意义。目前，直流故障电流抑制主要可以分为网侧限流和源侧限流两种技术方案。第一种方案是通过网侧故障限流设备来增大线路阻抗或降低线路电压，从而实现故障电流的有效抑制。其中最简单直接的方法就是采用限流电抗器，其电抗值越大，限流效果越好，但同时也恶化了系统的动态性能和稳定性。在限流装置方面，故障限流器、带限流功能的潮流控制器和直流断路器是目前研究的热点。但由于限流装置制造困难，且增加了建设成本，经济性较差，工程实用性有待认证。另一种方案是利用功率器件的可控性，通过降低源侧电压抑制故障电流，即利用半桥MMC自身的调控能力实现故障限流，但现有方法会导致其交流出口电压为零，桥臂将承受三相短路过流，并且对交流系统的影响较大，将危及风电场的安全稳定运行，难以适用于大规模风电接入的柔性直流输电系统。此外，现有限流措施单一，故障电流协同抑制方法尚属空白。因此，有必要设计控制灵活，易于实施，且兼顾风电场安全运行与MMC限流能力的故障电流协同抑制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明在故障发生时提前于故障识别、依靠MMC主动限流控制和集成限流功能的耗散电阻间的协同配合，实现对直流故障电流和流过桥臂换流阀电流的有效抑制，进而降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求，其对于直流断路器的推广应用具有重要的实际意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，包括下列步骤：
步骤(1)：设计主动限流控制启动判据中电压阈值Udcth和电流变化率阈值ε，并实时监测系统运行状态，包括风电场输出功率、换流站提供的无功功率、直流电压及电流；
步骤(2)：直流故障发生后，故障点电压将瞬间跌落，其子模块电容快速向故障点放电，产生过电流，在满足主动限流控制启动判据后，换流站立即切换至主动限流控制模式；
步骤(3)：根据直流电压初始值Udc0、调制比M、风电场并网母线电压的安全阈值Usth及其故障前输出功率PWF，结合如下公式计算换流站主动限流控制时各相投入子模块数量的最小比例k；
Figure GDA0003690531140000021
Figure GDA0003690531140000022
Figure GDA0003690531140000023
步骤(4)：在最近电平逼近调制过程中，将子模块投入个数参考值Nref由N切换至kN(k≤1)来减少同一时刻处于放电状态的电容数量，从而将直流侧电压降为kUdc0，抑制直流故障电流上升率及峰值；
步骤(5)：触发导通桥臂耗能支路的开关Th，将全部耗散电阻投入运行，为交流侧馈入电流提供新的流通路径，通过分流降低流过换流阀的故障电流，防止其闭锁；
步骤(6)：直流断路器隔离故障后，当直流电压和电流不再满足启动判据或检测到直流故障被完全隔离时，换流站立即从主动限流控制模式切换至正常控制模式，恢复子模块的正常投切，并撤除开关Th的触发脉冲，使其在电流过零点时自然关断，恢复正常运行状态。
步骤(1)、步骤(2)中所述的主动限流控制启动判据是：直流电压低于所设定的电压阈值Udcth，且直流电流变化率大于所设定的电流阈值ε，可在无需接收保护指令的情况下实现正常运行状态和主动限流控制的快速切换。
步骤(3)中所述的换流站主动限流控制时各相投入子模块数量最小比例k的选取原则是：以风电场稳定运行的电压约束为判据，设计故障期间子模块投入的最小比例，实现在不影响风电场安全运行的同时抑制直流故障电流。
步骤(5)中所述的耗散电阻是在三相上下桥臂对称配置的，具有限流功能，可以在故障期间转移交流侧馈入桥臂的电流，从而降低换流阀的电流应力，具有保护换流阀的作用。
通过主动限流控制和耗散电阻的协调配合，可在限制直流故障电流的同时进一步降低流过桥臂换流阀的电流，同时降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。
本发明的有益效果在于：
1、本发明MMC主动限流控制方法可在故障发生后快速降低桥臂子模块投入个数，在保证风电场安全稳定运行的同时抑制故障电流，并可在故障隔离后迅速恢复正常投切，提高系统的恢复速度。
2、本发明集成限流功能的耗能装置配置方法可有效解决系统功率盈余问题，并可与主动限流控制相配合，在抑制直流故障电流的同时进一步减小流过桥臂换流阀的电流，因此，本发明方法下开关器件电流应力较小，开关器件的安全裕度有所提高，系统可靠性得到改善，同时对DCCB开断速度及容量的需求也有所降低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的MMC主动限流控制框图；
图3为本发明的集成限流功能的耗散电阻配置示意图；
图4为本发明的直流侧故障后MMC桥臂中的交流电流通路；
图5为本发明的风电经双极MMC-HVDC并网系统结构图；
图6为本发明的故障极MMC B相子模块投入数量对比图；
图7为本发明的风电场并网母线电压对比图；
图8为本发明的故障极MMC直流侧故障电流对比图；
图9为本发明的故障极MMC桥臂电流对比图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图9所示，本发明的大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，当检测到直流电压低于其阈值Udcth，且直流电流变化率大于其阈值ε时，换流站立即切换至主动限流控制，即在最近电平逼近调制过程中将各相子模块投入总数降为kN(k≤1)，并以风电场并网母线电压要求确定k值；设计了一种集成限流功能的耗散电阻配置方法，即将耗散电阻分布配置在各相上下桥臂，使其同时具备解决功率盈余问题和降低换流阀电流应力的能力；最后设计了两者与直流断路器的协调配合方法，在保证风电场安全运行的同时协同抑制故障电流，从而降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。具有科学合理，适用性强，效果佳的优点。包括下列步骤：
步骤(1)：设计主动限流控制启动判据中电压阈值Udcth和电流变化率阈值ε，并实时监测系统运行状态，包括风电场输出功率、换流站提供的无功功率、直流电压及电流；
步骤(2)：直流故障发生后，故障点电压将瞬间跌落，其子模块电容快速向故障点放电，产生过电流，在满足主动限流控制启动判据后，换流站立即切换至主动限流控制模式；
步骤(3)：根据直流电压初始值Udc0、调制比M、风电场并网母线电压的安全阈值Usth及其故障前输出功率PWF，结合如下公式计算换流站主动限流控制时各相投入子模块数量的最小比例k；
Figure GDA0003690531140000051
Figure GDA0003690531140000052
Figure GDA0003690531140000053
步骤(4)：在最近电平逼近调制过程中，将子模块投入个数参考值Nref由N切换至kN(k≤1)来减少同一时刻处于放电状态的电容数量，从而将直流侧电压降为kUdc0，抑制直流故障电流上升率及峰值；
步骤(5)：触发导通桥臂耗能支路的开关Th，将全部耗散电阻投入运行，为交流侧馈入电流提供新的流通路径，通过分流降低流过换流阀的故障电流，防止其闭锁；
步骤(6)：直流断路器隔离故障后，当直流电压和电流不再满足启动判据或检测到直流故障被完全隔离时，换流站立即从主动限流控制模式切换至正常控制模式，恢复子模块的正常投切，并撤除开关Th的触发脉冲，使其在电流过零点时自然关断，恢复正常运行状态。
步骤(1)、步骤(2)中所述的主动限流控制启动判据是：直流电压低于所设定的电压阈值Udcth，且直流电流变化率大于所设定的电流阈值ε，可在无需接收保护指令的情况下实现正常运行状态和主动限流控制的快速切换。
步骤(3)中所述的换流站主动限流控制时各相投入子模块数量最小比例k的选取原则是：以风电场稳定运行的电压约束为判据，设计故障期间子模块投入的最小比例，实现在不影响风电场安全运行的同时抑制直流故障电流。
步骤(5)中所述的耗散电阻是在三相上下桥臂对称配置的，其相比于传统配置方法除了可以吸收系统盈余功率，还具有限流功能，可以在故障期间转移交流侧馈入桥臂的电流，从而降低换流阀的电流应力，具有保护换流阀的作用。
所述的故障电流协同抑制方法是通过主动限流控制和耗散电阻的协调配合，可在限制直流故障电流的同时进一步降低流过桥臂换流阀的电流，同时降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。
参见图2所示，为MMC主动限流控制框图，具体说明如下：
①在直流侧发生短路接地故障后，当直流电压低于其阈值Udcth，且直流电流变化率大于其阈值ε时，MMC立即切换至主动限流控制，即将子模块投入个数参考值Nref由N切换至kN来减少同一时刻处于放电状态的电容数量，从而将等效电容增大至Ceq/k2，直流侧电压降为kuC，实现直流短路电流上升率及峰值的有效抑制。
②对于连接风电场的MMC而言，当其采取主动限流控制时，风电场并网母线电压将随之跌落，影响其安全稳定运行，特别是基于DFIG的风电场，由于其定子侧直接与电网相连，对并网母线电压非常敏感，易受到影响。为此，MMC应以DFIG稳定运行的电压约束为判据，设计其故障期间子模块投入的最小比例k。
在直流线路发生单极短路接地故障后，故障极MMC切换至主动限流控制时，调制比M将迅速增大至1。因此，为了简化计算，其交流出口电压可根据M＝1计算，如式(1)所示。同时，由于DCCB可在6ms内快速隔离直流故障，在此期间，可认为风电场输出功率近似不变，且可忽略非故障极MMC对并网母线电压的无功支撑作用。并网母线与故障极MMC之间等效电阻通常较小，可忽略其对传输功率的影响，进而可推出从并网母线流入故障极MMC的有功功率和无功功率表达式如(2)和(3)所示。经分析可知，故障期间流入故障极MMC的功率越多，要求Uac的值就越大，因此，为了留有一定的安全裕度，可在风电场输出功率PWF全部注入故障极MMC，且Q为0时计算k，以满足DFIG安全运行的电压要求。
Figure GDA0003690531140000061
Figure GDA0003690531140000071
Figure GDA0003690531140000072
式中：ωs为系统角频率；K为换流变压器变比；Usth为风电场并网母线电压的安全阈值；α和Lx分别为换流变压器阀侧与故障极MMC之间的电压相位差和等效电感。
参见图3所示，为集成限流功能的耗散电阻配置示意图，即在MMC各相上、下桥臂电感两端均设置一个耗能支路，由耗散电阻Rs和开关Th组成，并将各相两开关之间的引出线相连，以构造交流电流的流通路径。具体说明如下：
①Th由多个开关单元构成，为实现交流电流的双向流通，采用两个反并联快速晶闸管控制其导通。其中耗散电阻Rs采用传统参数设计方法，并采取分组投切的控制策略，即根据系统不平衡功率控制其投切组数，尽可能的降低耗能装置投切对系统传输功率及电压的影响；Th中反并联晶闸管的数量取决于系统稳态运行时其所承受的最大电压值，对于所提对称配置方法，Th承受的是单相桥臂电压中交流分量的峰值，可根据实际工程进行相关配置。
②在系统正常运行时，Th处于关断状态，桥臂耗能支路不起作用，不影响系统稳态运行；当直流电网中换流站闭锁或受端交流系统故障时，可通过控制耗能装置的分组投切消耗风电场注入功率，维持交流系统或直流电网内部功率平衡。当直流侧发生短路故障后，通过迅速触发Th中的反并联晶闸管，使桥臂耗能支路导通，为交流侧馈入电流提供新的通路，从而降低流过换流阀的电流。
参见图4所示，为直流侧故障后MMC桥臂中的交流电流通路，具体说明如下：
①交流侧馈入电流的流通路径有两条：一条是通过桥臂电感、子模块与其他两相构成回路，如图4中红色虚线所示；另一条是通过桥臂电感、耗散电阻以及晶闸管与其他两相构成回路，如图4中绿色虚线所示。
②耗散电阻越小，耗能支路的分流作用越强，流过子模块的交流电流就越小，从而可保证功率器件的安全运行。
参见图5-图9所示，为本发明实施例在Matlab/Simulink软件中的具体应用。图5是风电经双极MMC-HVDC并网系统结构图，其中WFMMC表示风电场仿真参数如表1所示，该结构采用对称双极带金属回线的主接线方式，由正极和负极两个半桥型MMC构成，其每相由上、下两个桥臂构成，且均采用N个子模块(SM)和桥臂电抗器(L0)串联的方式，以此组成三相对称的结构；直流侧两极配有限流电抗器(L1和L2)以抑制直流故障电流的上升率，通过直流断路器与架空线进行连接，并在双极中性母线与金属回线之间配置中性母线开关(neutralbus switch,NBS)，以实现不同运行方式的有效切换。故障电流协同抑制情况如图6-图9所示。具体说明如下：
参见图6所示，为故障极MMC B相子模块投入数量对比图，MMC可在故障发生后快速切换至主动限流控制模式，并可在故障隔离后快速恢复至正常投切状态；参见图7所示，是风电场并网母线电压对比图，在主动限流控制期间，风电场并网母线电压跌落至0.85p.u，未低于所设置的最低电压安全阈值0.8p.u，从而验证了所提k值选取原则的有效性；参见图7所示，是故障极MMC直流侧故障电流对比图，采取协同限流控制后直流电流由7.66kA下降至4.42kA，下降了3.24kA(42.3％)，可实现直流故障电流的有效抑制；参见图8所示，是故障极MMC桥臂电流对比图，桥臂电流最大值由4.47kA下降至3.09kA，下降了1.38kA(即30.8％)，从而表明所提耗能装置配置方法可在主动限流控制的基础上进一步降低换流阀的电流应力，说明本发明方法下开关器件电流应力较小，开关器件的安全裕度有所提高，系统可靠性也得到改善，同时降低了对DCCB开断速度及容量的需求。
表1送端MMC与受端MMC的主要参数
Figure GDA0003690531140000081
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，其特征在于：在故障发生时提前于故障识别、依靠换流站主动限流控制和集成限流功能的耗散电阻间的协同配合，实现对直流故障电流和流过桥臂换流阀电流的有效抑制；包括下列步骤：
步骤(1)：设计主动限流控制启动判据中电压阈值Udcth和电流变化率阈值ε，并实时监测系统运行状态，包括风电场输出功率、换流站提供的无功功率、直流电压及电流；
步骤(2)：直流故障发生后，故障点电压将瞬间跌落，其子模块电容快速向故障点放电，产生过电流，在满足主动限流控制启动判据后，换流站立即切换至主动限流控制模式；
步骤(3)：根据直流电压初始值Udc0、调制比M、风电场并网母线电压的安全阈值Usth及其故障前输出功率PWF，结合如下公式计算换流站主动限流控制时各相投入子模块数量的最小比例k；
Figure FDA0003701942000000011
Figure FDA0003701942000000012
Figure FDA0003701942000000013
式中：ωs为系统角频率；K为换流变压器变比；Usth为风电场并网母线电压的安全阈值；α和Lx分别为换流变压器阀侧与故障极MMC之间的电压相位差和等效电感；L0为桥臂电抗器；
步骤(4)：在最近电平逼近调制过程中，将子模块投入个数参考值Nref由N切换至kN来减少同一时刻处于放电状态的电容数量，其中k≤1，从而将直流侧电压降为kUdc0，抑制直流故障电流上升率及峰值；
步骤(5)：触发导通桥臂耗能支路的开关Th，将全部耗散电阻投入运行，为交流侧馈入电流提供新的流通路径，具体流通路径有两条：一条是通过桥臂电感、子模块与其他两相构成回路；另一条是通过桥臂电感、耗散电阻以及晶闸管与其他两相构成回路，通过分流降低流过换流阀的故障电流，防止其闭锁；所述的耗散电阻是在三相上下桥臂对称配置的，在换流站各相上、下桥臂电感两端均设置一个耗能支路，由耗散电阻Rs和开关Th组成，并将各相两开关Th之间的引出线相连，以构造交流电流的流通路径，其中耗散电阻Rs采用传统参数设计方法，并采取分组投切的控制策略，开关Th承受的是单相桥臂电压中交流分量的峰值，由多个开关单元构成；该方法具有限流功能，可以在故障期间转移交流侧馈入桥臂的电流，从而降低换流阀的电流应力，具有保护换流阀的作用；
步骤(6)：直流断路器隔离故障后，当直流电压和电流不再满足启动判据或检测到直流故障被完全隔离时，换流站立即从主动限流控制模式切换至正常控制模式，恢复子模块的正常投切，并撤除开关Th的触发脉冲，使其在电流过零点时自然关断，恢复正常运行状态。
2.根据权利要求1所述的大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，其特征在于：步骤(1)、步骤(2)中所述的主动限流控制启动判据是：直流电压低于所设定的电压阈值Udcth，且直流电流变化率大于所设定的电流阈值ε，可在无需接收保护指令的情况下实现正常运行状态和主动限流控制的快速切换。
3.根据权利要求1所述的大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，其特征在于：步骤(3)中所述的换流站主动限流控制时各相投入子模块数量最小比例k的选取原则是：以风电场稳定运行的电压约束为判据，设计故障期间子模块投入的最小比例，实现在不影响风电场安全运行的同时抑制直流故障电流。
4.根据权利要求1所述的大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法，其特征在于：通过主动限流控制和耗散电阻的协调配合，可在限制直流故障电流的同时进一步降低流过桥臂换流阀的电流，同时降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。
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