CN111769586B - 分层接入uhvdc系统非故障层换流器的换相失败抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败抑制方法，其步骤包括：1、实时采集UHVDC系统受端的交流母线电压和换流器的关断角，检测交流系统电压扰动；若所采集模拟量超过所设定值，则执行定关断面积控制；2、对交流侧故障层和非故障层进行判别，并对非故障层换流器的直流电流上升量进行预测，计算控制器输出的触发超前角指令限制量；3、故障清除后，恢复关断角到额定值，并解除触发超前角的输出限制。本发明能有效抑制分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败，从而改善系统在故障期间的暂态响应特性，减小逆变站换相失败带来的功率波动以及对交流电网的冲击。

Description

分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败抑制方法

技术领域

本发明涉及一种分层接入UHVDC系统非故障层换流器换相失败抑制方法，属于高压直流输电技术领域。

背景技术

随着大容量、长距离的输电需求不断增加，基于电网换相换流器的高压直流输电以其突出的经济性和远距离输电的优势，在直流输电工程中得到了广泛应用。而基于电网换相的换流器采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件，在受端电网电压受到扰动时，极易发生换相失败，易造成功率传输大幅波动，严重威胁电网安全。近年来，特高压直流输电输送功率不断增加，为了提升受端系统电压支撑和潮流消纳能力，容量超过10兆瓦的特高压直流输电工程逆变站大多使用分层接入技术，即受端高低端换流器分别经换流变接入不同电压等级的交流电网中。分层接入方式的应用使得直流输电系统的结构和控制更加复杂，现有工程中仍然存在以下问题：

1)受端接入的两个交流电网之间存在着电气耦合，当其中一个电网电压发生扰动时，会引起另外一个电网电压发生跌落或者畸变，从而影响换流器的正常运行，严重时高低端换流器会因换相电压的波动而发生换相失败；

2)高低端换流器直流侧串联使得两换流器的直流电流相同，当一个换流器发生换相失败时，直流电流会迅速增加，从而影响到另一个换流器的正常换相，引发高低端换流器同时发生换相失败。

引起特高压直流输电系统换相失败的原因有很多，当换流阀正常工作并且能够正常接收触发脉冲时，导致逆变器换相失败的主要电气因素是交流电网电压波动和直流电流变化。交流系统受到扰动引起电压波动时，经换流变与之直接连接的换流器极易发生换相失败，且难以避免，而与未发生故障的电网连接的换流器可在扰动或故障发生后采取合适的控制方式抑制换相失败的发生。高低端换流器同时发生换相失败对于受端分层接入的特高压直流输电系统而言，会导致送端系统有功功率不平衡以及受端系统产生大量功率缺额。因此，需对分层接入特高压直流输电系统高低端换流器的协调控制进行研究，达到抑制非故障层换流器换相失败的目的，这对于提高直流输电系统运行的安全性和稳定性、改善故障期间交直流系统的暂态运行特性，具有重要的工程意义。但是，目前已公开的专利中，提出的分层接入方式下高低端换流器的协调控制较少对引起换相失败的电网交流电压和直流电流进行综合考虑，影响换相失败的判别精度，抑制换相失败的控制策略尚需进一步完善。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败抑制方法，以期能够有效抑制分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败，改善系统在故障期间的暂态响应特性，从而减小逆变站换相失败带来的功率波动以及对交流电网的冲击。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败抑制方法的特点包括如下步骤：

步骤1、实时采集UHVDC系统受端的交流母线电压、换流器的关断角；

步骤2、根据所述交流母线电压和关断角判别受端母线电压交流扰动是否导致换流器发生换相失败，若导致，则表示发生故障，并执行步骤3；否则，返回步骤1；

步骤3、执行定关断面积控制，包括：依据交流母线电压跌落程度增加关断角的指令值，从而增加控制器输出的触发超前角指令；

步骤4、对交流侧故障层和非故障层进行判别，得到故障层判别结果，再根据所述故障层判别结果，对非故障层换流器的直流电流上升量进行预测，得到触发超前角指令的限制量，从而用于限制控制器触发超前角的输出；

步骤5、对所发生的故障进行故障清除判别，若故障已清除，则恢复关断角到额定值，并解除步骤4的触发超前角输出的限制；否则，返回步骤3。

本发明所述的换流器换相失败抑制方法的特点也在于，当下列条件至少满足其一时，判别换流器发生换相失败，并将对应换流器判定为故障层换流器：

1)交流母线电压最小相电压小于所设定的第一电压定值Uset1，且持续时间超过所设定的第一检测时间定值Tset1；

2)换流器关断角小于所设定的第一关断角定值GAMMAset1，且持续时间超过所设定的第二检测时间定值Tset2；

3)交流母线电压的变化速率大于所设定的第一速率定值DUset1，且持续时间超过所设定的第三检测时间定值Tset3。

当下列条件全部满足时，判别故障已清除：

1)交流母线电压最小相电压大于所设定的第二电压定值Uset2，且持续时间超过所设定的第四检测时间定值Tset4；

2)换流器关断角大于所设定的第二关断角定值GAMMAset2，且持续时间超过所设定的第五检测时间定值Tset5。

所述故障层换流器确定后，另一层作为非故障层，其对应换流器确定为非故障层换流器，并立刻闭锁非故障层换流器对应的判别输出，控制器以维持换流器关断面积不变为前提，通过电压跌落程度计算高低层换流器的关断角指令值给定关断角控制器，再通过叠弧面积补偿环节计算非故障层换流器的触发超前角最小值，从而限制控制器的输出指令。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明提出了一种基于定关断面积的协调控制方法，相比于已有技术中的分层接入UHVDC系统高低端换流器协调控制方法，其综合考虑了引起逆变站换流器换相失败的交流电网电压和直流电流这两种电气量。根据换流器的换相电压-时间面积理论优化了换流器的响应特性，提高了换流器换相失败有更高的判别精度，有效抑制了非故障层换流器的换相失败。

2、本发明改善了分层接入UHVDC系统在受到受端交流电网扰动时的暂态响应特性，减小了逆变站换流器换相失败带来的功率波动以及对交流电网的冲击。

3、本发明因仅对逆变侧换流器的控制器进行了改进，无需增加或改动换流站的一次设备，具有良好的经济性。

附图说明

图1为本发明分层接入UHVDC系统拓扑结构图；

图2为本发明中逆变侧换流器控制系统结构图；

图3为本发明中三相全波桥式电路拓扑结构图；

图4为本发明中换流器换相失败抑制方法的流程图；

图5为本发明500kV母线三相感性故障下高低端换流器关断角仿真图；

图6为本发明500kV母线三相感性故障下直流电压仿真图；

图7为本发明500kV母线三相感性故障下直流电流仿真图；

图8为本发明500kV母线三相感性故障下直流功率仿真图。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，双极UHVDC系统依次由送端交流电网、整流站、输电线路、逆变站、受端交流电网组成。其中U_dc为UHVDC系统单极额定电压，i_d为额定直流电流。正常运行状态下，每个12脉换流器的直流侧电压为U_dc/2，流过的直流电流为i_d。送端换流器工作在整流状态，交流侧经换流变接入750kV交流系统；受端换流器工作在逆变状态，其中靠近极母线的高端换流器经换流变接至500kV交流母线，靠近接地点的低端换流器经换流变接至1000kV交流母线，分别接入交流系统AC1、AC2中，并配备相应电压等级的交流滤波器来补偿逆变站消耗的无功功率。图1中送受端换流器直流侧串联，正负极的串联节点连接到接地极，靠近极母线的换流器经平波电抗器接至直流输电线路，极母线上装设直流滤波器。

如图2所示，本发明采用适用于受端分层接入的CIGRE双极标准测试模型中的控制系统，每一个换流器配备独立的触发延迟控制。通过PI控制器调节直流电流I_dc与关断角γ，输出触发角指令值。其中，直流电流的参考值来自低压限流环节VDCOL，低压限流环节VDCOL可以在直流电压跌落到某个指定值时对直流电流指令进行限制，减小换相失败的可能性，高低端控制器的VDCOL输出的电流指令取最小值送至整流侧控制器中。

如图3所示，基于电网换相换流器的基本模块是三相全波桥式电路，图3中电流方向是阀V1、V2导通向阀V2、V3导通的换相过程。根据等值电路，换相过程满足以下关系：

在叠弧期间对式(1)两侧积分，可得叠弧面积的提供量S_{μ_pro}和需求量S_{μ_need}：

在触发延迟角一定的情况下，当叠弧面积的需求量S_{μ_need}增加或者提供量S_{μ_pro}减小时，都会使得关断面积S_γ减小。若关断面积小于晶闸管所需的最小关断面积，即S_γ＜S_{γ_min}，关断的晶闸管无法恢复正向阻断能力而重燃，从而发生换相失败。由上式可知，在触发延迟角一定的情况下，交流电压降低会使叠弧面积的提供量S_{μ_pro}减小；直流电流或者换相电抗增加会使其需求量S_{μ_need}增加。

对关断时间进行积分可得关断面积：

定关断面积控制能够提高交流电压扰动时系统判别换相失败的精度，并考虑了实际换相电压的波动情况。定关断面积控制的控制目标为实际关断面积等于最小关断面积，控制目标如下：

对于定关断角控制而言，定关断面积控制根据实际的换相电压来计算定关断角控制的关断角指令值：

由于UHVDC分层接入方式的特殊结构，高低端换流器之间以及交流系统之间均存在耦合关系。

以高层交流系统发生故障为例，当500kV母线因故障而导致电压跌落时，由于交流电压幅值减小，对应的高端换流器发生换相失败。交流系统的耦合关系使得1000kV母线同时存在小幅度的电压跌落，对应的低端换流器也发生了换相失败。由于1000kV母线交流电压跌落幅度很小，发生换相失败的概率较低，因此低端换流器发生换相失败的主导因素不是交流电压的跌落。

根据式(3)可知，叠弧面积需求量与直流电流成正比，故障层换流器发生换相失败后，直流电流迅速增加引起叠弧面积增大，是导致非故障层换流器换相失败的主要原因。而在换相失败期间，直流电流峰值最高可上升至2.0pu。因此，为防止非故障层换流器发生换相失败，故障发生前后叠弧面积的提供量应满足以下关系：

S′_{μ_pro}≥2.0S_{μ_pro} (7)

式(7)表明，为防止非故障层逆变阀发生换相失败，需增加叠弧面积提供量，从而保证在叠弧过程结束后，换流阀能够留有足够的裕度完成去游离过程。将式(2)代入式(7)有：

综上可知：非故障层换流器换相失败的主要原因是由于故障层换流器发生换相失败后，引起直流电流升高而导致自身关断面积减小；非故障层换流器的换相失败发生时刻较故障层换流器晚若干控制周期，若在故障层换流器发生换相失败后能根据直流电流的骤升量对非故障层换流器的控制系统给予一定的补偿，可预防此次换相失败。

根据故障期间直流电流的上升量定义直流电流增益系数：

式中：I_max故障期间直流电流峰值，I_dN为额定直流电流。

故障期间直流电流上升导致非故障层换流器叠弧面积需求量增加。因此在故障发生后，根据检测到的母线电压和换流器关断角的变化情况对故障层和非故障层进行判别，进而选取不同的K_{i_dc}值，以满足高低层换流器在故障期间的叠弧要求。由式(7)可知，非故障层换流器K_{i_dc}值至少要大于2.0，为换流器的关断面积增加一定的裕度，提升抑制换相失败效果；然而，该值选取过大又会影响非故障层换流器的功率传输。本发明中非故障层换流器的K_{i_dc}的取值范围为2.1-2.8。

根据式(10)，可得适用于分层接入UHVDC系统的协调控制目标：

在关断面积一定的前提下，式(6)在故障期间根据交流电压跌落计算出关断角参考值。在此基础上，式(10)通过叠弧面积增加的需求量，推导出触发超前角的限制值，以保证能在直流电流增加的条件下，为换流器预留出式(6)计算出的关断角。若该层为故障层，K_{i_dc}取1.0，此时对换流器触发超前角的限制仅考虑交流电压跌落引起的叠弧面积缺失，并结合定关断面积控制策略，增大故障层关断角参考值，有利于抑制换相失败；若该层为非故障层，K_{i_dc}取2.1～2.8，此时以直流电流增加为换相失败的主导因素，根据非故障层的交流电压波动，得到在换相失败期间的触发超前角参考值，该值可满足换相失败期间的峰值电流在叠弧结束后依然有足够的关断时间。

因协调控制投入的前提为直流电流有大幅度的上升，而正常状态下，电流会维持在1.0pu左右。为防止故障层过补偿或在正常运行状态下非故障层误补偿，需要加入故障判别模块与之配合；不仅如此，在故障清除后也要及时将暂态控制退出。

对于图1所示的分层接入特高压直流输电系统，针对受端交流系统导致换流器换相失败的问题，根据上述推导，本实施例中的一种分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败抑制方法，当交流系统发生故障后，整个控制系统响应过程如图4所示，具体包括如下步骤：

步骤1、实时采集UHVDC系统受端的交流母线电压、换流器的关断角；

步骤2、根据交流母线电压和关断角判别受端母线电压交流扰动是否导致换流器发生换相失败，若导致，则表示发生故障，并执行步骤3；否则，返回步骤1；

当下列条件至少满足其一时，判别判别换流器发生换相失败，并将对应换流器判定为故障层换流器：

1)交流母线电压最小相电压小于所设定的第一电压定值Uset1，且持续时间超过所设定的第一检测时间定值Tset1；

2)换流器关断角小于所设定的第一关断角定值GAMMAset1，且持续时间超过所设定的第二检测时间定值Tset2；

3)交流母线电压的变化速率大于所设定的第一速率定值DUset1，且持续时间超过所设定的第三检测时间定值Tset3。

步骤3、执行定关断面积控制，包括：依据交流母线电压跌落程度增加关断角的指令值，从而增加控制器输出的触发超前角指令；

步骤4、对交流侧故障层和非故障层进行判别，得到故障层判别结果，再根据故障层判别结果，对非故障层换流器的直流电流上升量进行预测，得到触发超前角指令的限制量，从而用于限制控制器触发超前角的输出；

步骤5、对所发生的故障进行故障清除判别，若故障已清除，则恢复关断角到额定值，并解除步骤4的触发超前角输出的限制；否则，返回步骤3。

当下列条件全部满足时，判别故障已清除：

1)交流母线电压最小相电压大于所设定的第二电压定值Uset2，且持续时间超过所设定的第四检测时间定值Tset4；

2)换流器关断角大于所设定的第二关断角定值GAMMAset2，且持续时间超过所设定的第五检测时间定值Tset5。

根据直流输电系统具体的运行特性，给出Tset1至Tset5、Uset1、Uset2、GAMMAset1、GAMMAset2、DUset1和DUset2的取值范围：

时间定值Tset1至Tset5的取值范围均为10-30ms，第一电压定值Uset1的取值范围为0.85-0.9pu，第二电压定值Uset1的取值范围为0.93-0.95pu，关断角定值GAMMAset1及GAMMAset2的取值范围均为7°-10°，DUset的取值范围为-5pu/ms至-0.005pu/ms。

故障层换流器确定后，另一层作为非故障层，其对应换流器确定为非故障层换流器，并立刻闭锁非故障层换流器对应的判别输出，控制器以维持换流器关断面积不变为前提，通过电压跌落程度计算高低层换流器的关断角指令值给定关断角控制器，再通过叠弧面积补偿环节计算非故障层换流器的触发超前角最小值，从而限制控制器的输出指令。

本发明以500kV母线发生感性接地故障为算例验证所提控制方法的有效性。图5为高低端换流器关断角仿真图，图6为直流电压仿真图，图7为直流电流仿真图，图8为直流功率仿真图。接地电感值设置为0.08H，故障发生时刻设置在3秒，故障清除时刻设置在3.1秒。

由仿真图可以看出，本发明提出的换相失败抑制方法有效抑制了分层接入UHVDC系统非故障层换流器换相失败的发生，具体体现在：

1)非故障层换流器的关断角在故障期间维持在12°以上，能够正常换相；

2)直流电压在故障期间维持在0.4pu以上，非故障层换流器降压运行；

3)由于直流电压的降低，VDCOL动作，直流电流最小值跌落至0.3pu；

4)故障期间仍有直流功率传输，相比于高低端换流器同时换相失败而言，送受端换流站功率波动幅度减小。

Claims (2)

1.一种分层接入UHVDC系统非故障层换流器的换相失败抑制方法，其特征包括如下步骤：

步骤1、实时采集UHVDC系统受端的交流母线电压、换流器的关断角；

步骤2、根据所述交流母线电压和关断角判别受端母线电压交流扰动是否导致换流器发生换相失败，若导致，则表示发生故障，并执行步骤3；否则，返回步骤1；

当下列条件至少满足其一时，判别换流器发生换相失败，并将对应换流器判定为故障层换流器：

1)交流母线电压最小相电压小于所设定的第一电压定值Uset1，且持续时间超过所设定的第一检测时间定值Tset1；

2)换流器关断角小于所设定的第一关断角定值GAMMAset1，且持续时间超过所设定的第二检测时间定值Tset2；

3)交流母线电压的变化速率大于所设定的第一速率定值DUset1，且持续时间超过所设定的第三检测时间定值Tset3；

步骤3、执行定关断面积控制，包括：依据交流母线电压跌落程度增加关断角的指令值，从而增加控制器输出的触发超前角指令；

步骤4、对交流侧故障层和非故障层进行判别，得到故障层判别结果，再根据所述故障层判别结果，对非故障层换流器的直流电流上升量进行预测，得到触发超前角指令的限制量，从而用于限制控制器触发超前角的输出，具体包括：

先依据检测到的母线电压和换流器关断角的变化情况对故障层和非故障层进行判别，根据故障期间直流电流的上升量，利用式(1)定义直流电流增益系数K_{i_dc}：

式(1)中：I_max为故障期间直流电流峰值，I_dN为额定直流电流；

基于步骤3计算的关断角指令值γ_ref，利用(2)计算适用于分层接入UHVDC系统的换流器触发超前角指令值β_lim：

式(2)中：γ_ref为考虑电压跌落时满足最小关断面积的关断角指令值，U_{ph_min}和U'_{ph_min}分别为额定电压最小值和故障电压最小值，γ为额定关断角，β为额定触发超前角；

步骤5、对所发生的故障进行故障清除判别，若故障已清除，则恢复关断角到额定值，并解除步骤4的触发超前角输出的限制；否则，返回步骤3；

当下列条件全部满足时，判别故障已清除：

1)交流母线电压最小相电压大于所设定的第二电压定值Uset2，且持续时间超过所设定的第四检测时间定值Tset4；

2)换流器关断角大于所设定的第二关断角定值GAMMAset2，且持续时间超过所设定的第五检测时间定值Tset5。

2.根据权利要求1所述的换流器的 换相失败抑制方法，其特征在于，所述故障层换流器确定后，另一层作为非故障层，其对应换流器确定为非故障层换流器，并立刻闭锁非故障层换流器对应的判别输出，控制器以维持换流器关断面积不变为前提，通过电压跌落程度计算高低层换流器的关断角指令值给定关断角控制器，再通过叠弧面积补偿环节计算非故障层换流器的触发超前角最小值，从而限制控制器的输出指令。

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