CN111969567B - 混联型直流输电系统受端交流故障处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混联型直流输电系统受端交流故障处理方法及系统，根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的无功功率补偿量，并将其补偿至每个VSC外环控制器上；根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的有功功率最大值，根据VSC有功功率最大值计算VSC外环控制器的电流参考值的限幅值，作为每个VSC外环控制器产生的d轴电流参考值的限幅；根据VSC有功功率最大值计算送端LCC控制器的电流限幅值，作为送端LCC控制器产生的电流参考值的限幅本发明方法使得混联型直流输电系统在受端交流系统发生故障时，降低故障暂态情况下造成的VSC子模块过电压，同时一定程度上抑制了LCC出现连续换相失败的问题。

Description

混联型直流输电系统受端交流故障处理方法及系统

技术领域

本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种混联型直流输电系统受端交流故障处理方法及系统。

背景技术

基于晶闸管技术的电网换相换流器型高压直流输电系统(Line CommutedConverter based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)具有技术成熟、经济性好的优点，已经广泛应用于海底电缆送电、远距离大容量输电以及异步电网背靠背互联等场合。但它存在着逆变站易发生换相失败、无功损耗大、无法对弱交流系统供电等缺陷，在一定程度上制约了它的发展。基于电压源型换流器的柔性直流输电系统(Voltage SourceConverter basedHigh Voltage Direct Current,VSC-HVDC)采用了模块化多电平换流器技术，其具有快速解耦的有功功率及无功功率控制性能、无换相失败、滤波容量需求小等优点，在新能源发电并网、城市配网增容、远距离负荷供电等领域具有广阔的应用前景，但它也有着造价昂贵、故障率高、控制复杂等缺点。为了能综合LCC-HVDC和VSC-HVDC的优点，混联型直流输电成为一个重要发展方向。混联型直流输电系统是指送端采用LCC，受端采用LCC与多个电压源型换流器(VSC)混联的输电方式。该混联型直流输电系统提供了更为灵活、快捷的输电方式，改善了受端交流系统电压稳定性，降低了换相失败发生的概率，能够兼顾经济和技术效益。

在LCC-HVDC中，针对受端交流系统故障，采用低压限流、换相失败预测等控制方法来实现故障穿越；在VCS-HVDC中，针对受端交流系统故障，由于送端通常采用定电压控制，受端通常采用定功率控制，会使用降低送端功率参考值从而降低直流电流的方法来实现故障穿越。

现有的交流故障穿越方法主要是针对于LCC-HVDC单独运行和VSC-HVDC单独运行的情况，没有考虑混联型直流输电系统的情况下LCC与VSC之间的协调配合控制；即现有技术无法在混联型直流输电系统在功率接收端出现严重交流故障时，实现直流系统不闭锁正常运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种混联型直流输电系统受端交流故障处理方法，解决了现有技术难以实现受端交流系统故障穿越的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种混联型直流输电系统受端交流故障处理方法，其特征是，包括以下过程：

获取受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况；

根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断出受端交流系统发生故障时，执行以下过程：

根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的无功功率补偿量，并将其补偿至每个VSC外环控制器上；

根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的有功功率最大值，

根据VSC有功功率最大值计算VSC外环控制器的电流参考值的限幅值，作为每个VSC外环控制器产生的d轴电流参考值的限幅；

根据VSC有功功率最大值计算送端LCC控制器的电流限幅值，作为送端LCC控制器产生的电流参考值的限幅。

进一步的，所述根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断出受端交流系统发生故障，包括：

当受端交流系统三相电压跌落值大于10％额定电压，各VSC子模块电压平均值中最大值大于1.2倍额定子模块电压，且受端直流保护系统未动作时，判断受端交流系统发生故障。

进一步的，所述VSC的无功功率补偿量的计算公式为：

无功功率补偿量

其中ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，Q_N为VSC额定无功功率，k₁为正常数。

进一步的，所述VSC的有功功率最大值的计算公式为：

有功功率最大值

其中P_vscN为VSC额定有功功率，k₂为正常数。

进一步的，所述VSC外环控制器的电流参考值的限幅值的计算公式为：

VSC外环控制器的电流参考值的限幅值

其中k为换流变压器变比，k₃为大于1的正常数。

进一步的，所述送端LCC控制器的电流限幅值的计算公式为：

送端LCC控制器的电流限幅值

其中U_dcN为额定直流电压，N为VSC换流站个数。

相应的，本发明还提供了一种混联型直流输电系统受端交流故障处理系统，其特征是，包括测量单元、判断单元、第一控制单元、第一计算单元、第二控制单元和第三控制单元，其中：

测量单元，用于获取受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况；

判断单元，用于根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断受端交流系统是否发生故障；

响应于判断单元判断出发生故障时，执行以下单元：

第一控制单元，用于根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的无功功率补偿量，并将其补偿至每个VSC外环控制器上；

第一计算单元，用于根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的有功功率最大值，

第二控制单元，用于根据VSC有功功率最大值计算VSC外环控制器的电流参考值的限幅值，作为每个VSC外环控制器产生的d轴电流参考值的限幅；

第三控制单元，用于根据VSC有功功率最大值计算送端LCC控制器的电流限幅值，作为送端LCC控制器产生的电流参考值的限幅。

进一步的，所述判断单元中，根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断受端交流系统是否发生故障，包括：

当受端交流系统三相电压跌落值大于10％额定电压，各VSC子模块电压平均值中最大值大于1.2倍额定子模块电压，且受端直流保护系统未动作时，判断受端交流系统发生故障。

进一步的，所述第一控制单元中，VSC的无功功率补偿量的计算公式为：

无功功率补偿量

其中ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，Q_N为VSC额定无功功率，k₁为正常数。

进一步的，所述第一计算单元中，VSC的有功功率最大值的计算公式为：

有功功率最大值

其中P_vscN为VSC额定有功功率，k₂为正常数。

进一步的，所述第二控制单元中，VSC外环控制器的电流参考值的限幅值的计算公式为：

VSC外环控制器的电流参考值的限幅值

其中k为换流变压器变比，k₃为大于1的正常数。

进一步的，所述第三控制单元中，送端LCC控制器的电流限幅值的计算公式为：

送端LCC控制器的电流限幅值

其中U_dcN为额定直流电压，N为VSC换流站个数。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明方法使得混联型直流输电系统在受端交流系统发生故障时，降低故障暂态情况下造成的VSC子模块过电压，同时一定程度上抑制了LCC出现连续换相失败的问题。

附图说明

图1为混联型直流输电系统接线图；

图2为混合直流输电系统协调控制框图；

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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发明的保护范围。

当混联型直流输电系统的受端交流系统发生故障时，受端的高端LCC阀组可能发生换相失败，换相失败会将直流侧短路，从而造成较大的直流故障电流；对于低端的VSC阀组，有功功率送出受阻，盈余的直流功率会存储在MMC电容子模块上，从而导致子模块电压升高，可能引起换流器闭锁甚至损坏设备。

本发明的创新思路是：通过对送端和受端的协调控制，降低故障期间VSC的功率盈余，从而抑制其换流阀子模块电压的升高，实现故障穿越，保障直流系统安全运行。

混联型直流输电系统的一个实施例的系统接线方式如图1所示：受端高端阀组采用电网换相换流器型(LCC)常规直流换流站，低端阀组采用多座电压源型换流器(VSC)柔性直流换流站，低端三座柔性直流换流站(VSC)并联再与高端常规直流换流站(LCC)串联构成一极；图1中：①为送端交流系统，②为送端LCC换流器，③为直流输电线路，④为受端LCC换流器，⑤为受端VSC换流器(3个并联)，⑥为受端交流系统。

本发明的一种混联型直流输电系统受端交流故障处理方法，参见图3所示，包括以下步骤：

步骤1，检测受端交流系统的三相电压，用于计算受端交流系统电压跌落值；检测各个VSC子模块电压平均值，并取其中的最大值作为最终的VSC子模块电压平均值，用于判断VSC子模块是否过电压；检测受端直流保护系统是否动作，用于判断故障发生的区域，如果直流保护动作则说明故障发生在直流区域内；

步骤2：对检测到的受端交流系统三相电压进行傅里叶变换，计算三相电压有效值，再用受端交流系统电压额定值减去计算得到的三相电压有效值得到受端交流系统三相电压跌落值；

步骤3：根据工程经验与系统故障穿越需求，当受端交流系统三相电压跌落值大于10％额定电压，VSC子模块电压平均值大于1.2倍额定子模块电压，且直流保护未动作时，说明受端交流系统发生故障并导致VSC子模块电压升高，需启动以下步骤；

步骤4：根据受端交流系统电压跌落值，计算VSC的无功功率补偿量ΔQ以及VSC的有功功率最大值P_max；

电压跌落值越大时，VSC能输出的有功功率越低，同时需要输出更多的无功功率去抬高受端交流系统电压，因此采用如下公式计算：

无功功率补偿量

其中ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，Q_N为VSC额定无功功率，k₁为正常数，可根据实际情况调整；

有功功率最大值

其中P_vscN为VSC额定有功功率，k₂为正常数，可根据实际情况调整；

步骤5：将上述无功功率补偿量ΔQ补偿至每个VSC外环控制器上，增加VSC输出的无功功率，有助于逆变站交流系统电压恢复，抑制LCC出现连续换相失败；

步骤6：根据VSC有功功率最大值计算VSC外环控制器的电流参考值的限幅值，并计算送端LCC控制器的电流限幅值；

VSC外环控制器的电流参考值的限幅值

其中k为换流变压器变比，k₃为大于1的正常数，可根据实际情况调整；

根据VSC有功功率最大值，忽略传输功率损耗，可计算送端单极的最大功率为2NP_max，从而计算送端LCC控制器的电流限幅值

其中U_dcN为额定直流电压，N为VSC换流站个数；

步骤7：将上述计算得到的VSC外环控制器的电流参考值限幅值，作为每个VSC外环控制器产生的d轴电流参考值的限幅，用于限制VSC的电流，在受端交流系统故障期间限制VSC有功功率，减少子模块电压的上升，降低子模块过压风险；

步骤8：将上述计算得到的送端LCC控制器电流限幅值I_{max_LCC}，作为送端LCC控制器产生的电流参考值的限幅，在受端交流系统故障期间限制直流电流，减少传输的直流功率，进一步降低子模块过压风险。

通过上述步骤，使得直流输电系统在故障时送受端实现协调控制，从而实现故障穿越。

本发明方法使得混联型直流输电系统在受端交流系统发生故障时，降低故障暂态情况下造成的VSC子模块过电压，同时一定程度上抑制了LCC出现连续换相失败的问题。

实施例

结合图2、图3介绍本发明的具体实施方法：

步骤1：检测受端交流系统的三相电压U_acA、U_acB、U_acC，用于计算受端交流系统电压跌落值；检测各个VSC子模块电压平均值，并取其中的最大值作为VSC子模块电压平均值Uc_avrg，用于判断子模块是否过电压；检测受端直流保护系统是否动作，用于判断故障发生的区域，如果直流保护动作则说明故障发生在直流区域内；

步骤2：根据测量的受端交流系统三相电压，进行傅里叶变换，计算三相电压有效值，受端交流系统三相电压跌落值ΔU为受端交流交流电压额定值减去计算得到的电压有效值；

步骤3：根据工程经验与系统故障穿越需求，当受端交流系统电压跌落值ΔU大于10％额定电压，VSC子模块电压平均值Uc_avrg大于1.2倍额定子模块电压，且直流保护未动作时，说明受端交流系统发生故障并导致VSC子模块电压升高，需启动以下步骤；

步骤4：根据受端交流系统电压跌落值ΔU，通过功率计算单元，计算VSC的无功功率补偿量ΔQ以及VSC的有功功率最大值P_max；

步骤5：将上述无功功率补偿量ΔQ补偿至每个VSC外环无功控制器上，有助于受端交流系统电压恢复，抑制LCC出现连续换相失败；

3个VSC外环控制器的控制原理相同，均进行相同的调控过程，图2中仅以一个VSC外环内环控制器进行示意。VSC的外环有功类控制采用电压控制或者有功功率控制，无功类控制采用无功功率控制，具体补偿方式如下：VSC外环无功控制器的输入为无功功率参考值Q_ref减去无功功率实际值Q，将上述无功功率补偿量ΔQ加上原来的无功功率参考值Q_ref作为新的无功功率参考值；

步骤6：计算VSC有功功率最大值之后，通过电流限幅计算单元，根据VSC有功功率最大值P_max计算VSC控制器电流参考值的限幅值I_{max_vsc}，计算送端LCC控制器电流限幅值I_{max_lcc}；

此实施例中VSC换流站个数N＝3；

步骤7：将上述VSC电流参考值的限幅值I_{max_vsc}作为每个VSC外环有功控制器输出的限幅，用于限制VSC的电流，减少子模块电压的上升，降低子模块过压风险；

具体如下：VSC外环有功控制器生成电流参考值I_dref，在生成的电流参考值I_dref之后增加一个限幅环节，其限幅值为I_{max_vsc}；

步骤8：将上述送端LCC电流限幅值作为送端LCC控制器电流参考值的限幅，在受端交流系统故障期间限制直流电流，从而减少传输的直流功率，进一步降低子模块过压风险；

具体如下：送端LCC控制器生成直流电流参考值I_ref，在生成的直流电流参考值之后增加一个限幅环节，限幅值为I_{max_lcc}。

通过上述步骤，使得直流输电系统在故障时实现送受端实现协调控制，从而实现故障穿越。

实施例

相应的，本发明还提供了一种混联型直流输电系统受端交流故障处理系统，包括测量单元、判断单元、第一控制单元、第一计算单元、第二控制单元和第三控制单元，其中：

测量单元，用于获取受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况；

判断单元，用于根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断受端交流系统是否发生故障；

响应于判断单元判断出发生故障时，执行以下单元：

第一控制单元，用于根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的无功功率补偿量，并将其补偿至每个VSC外环控制器上；

第一计算单元，用于根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的有功功率最大值，

第二控制单元，用于根据VSC有功功率最大值计算VSC外环控制器的电流参考值的限幅值，作为每个VSC外环控制器产生的d轴电流参考值的限幅；

第三控制单元，用于根据VSC有功功率最大值计算送端LCC控制器的电流限幅值，作为送端LCC控制器产生的电流参考值的限幅。

进一步的，所述判断单元中，根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断受端交流系统是否发生故障，包括：

当受端交流系统三相电压跌落值大于10％额定电压，各VSC子模块电压平均值中最大值大于1.2倍额定子模块电压，且受端直流保护系统未动作时，判断受端交流系统发生故障。

进一步的，所述第一控制单元中，VSC的无功功率补偿量的计算公式为：

无功功率补偿量

其中ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，Q_N为VSC额定无功功率，k₁为正常数。

进一步的，所述第一计算单元中，VSC的有功功率最大值的计算公式为：

有功功率最大值

其中P_vscN为VSC额定有功功率，k₂为正常数。

进一步的，所述第二控制单元中，VSC外环控制器的电流参考值的限幅值的计算公式为：

VSC外环控制器的电流参考值的限幅值

其中k为换流变压器变比，k₃为大于1的正常数。

进一步的，所述第三控制单元中，送端LCC控制器的电流限幅值的计算公式为：

送端LCC控制器的电流限幅值

其中U_dcN为额定直流电压，N为VSC换流站个数。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种混联型直流输电系统受端交流故障处理方法，其特征是，包括以下过程：

获取受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况；

根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断出受端交流系统发生故障时，执行以下过程：

根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的无功功率补偿量，并将其补偿至每个VSC外环控制器上；

根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的有功功率最大值，

根据VSC有功功率最大值计算VSC外环控制器的电流参考值的限幅值，作为每个VSC外环控制器产生的d轴电流参考值的限幅；

根据VSC有功功率最大值计算送端LCC控制器的电流限幅值，作为送端LCC控制器产生的电流参考值的限幅；

其中，所述VSC的无功功率补偿量的计算公式为：

无功功率补偿量

其中，ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，Q_N为VSC额定无功功率，k₁为正常数；

所述VSC的有功功率最大值的计算公式为：

有功功率最大值

其中，ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，P_vscN为VSC额定有功功率，k₂为正常数；

所述VSC外环控制器的电流参考值的限幅值的计算公式为：

VSC外环控制器的电流参考值的限幅值

其中，P_max为有功功率最大值，U_acN为受端交流系统额定电压，k为换流变压器变比，k₃为大于1的正常数；

所述送端LCC控制器的电流限幅值的计算公式为：

送端LCC控制器的电流限幅值

其中，P_max为有功功率最大值，U_dcN为额定直流电压，N为VSC换流站个数。

2.根据权利要求1所述的一种混联型直流输电系统受端交流故障处理方法，其特征是，所述根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断出受端交流系统发生故障，包括：

当受端交流系统三相电压跌落值大于10％额定电压，各VSC子模块电压平均值中最大值大于1.2倍额定子模块电压，且受端直流保护系统未动作时，判断受端交流系统发生故障。

3.一种混联型直流输电系统受端交流故障处理系统，其特征是，包括测量单元、判断单元、第一控制单元、第一计算单元、第二控制单元和第三控制单元，其中：

测量单元，用于获取受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况；

判断单元，用于根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断受端交流系统是否发生故障；

响应于判断单元判断出发生故障时，执行以下单元：

第一控制单元，用于根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的无功功率补偿量，并将其补偿至每个VSC外环控制器上；

第一计算单元，用于根据受端交流系统电压跌落值计算VSC的有功功率最大值，

第二控制单元，用于根据VSC有功功率最大值计算VSC外环控制器的电流参考值的限幅值，作为每个VSC外环控制器产生的d轴电流参考值的限幅；

第三控制单元，用于根据VSC有功功率最大值计算送端LCC控制器的电流限幅值，作为送端LCC控制器产生的电流参考值的限幅；

其中，所述第一控制单元中，VSC的无功功率补偿量的计算公式为：

无功功率补偿量

其中，ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，Q_N为VSC额定无功功率，k₁为正常数；

所述第一计算单元中，VSC的有功功率最大值的计算公式为：

有功功率最大值

其中，ΔU为电压跌落值，U_acN为受端交流系统额定电压，P_vscN为VSC额定有功功率，k₂为正常数；

所述第二控制单元中，VSC外环控制器的电流参考值的限幅值的计算公式为：

VSC外环控制器的电流参考值的限幅值

其中，P_max为有功功率最大值，U_acN为受端交流系统额定电压，k为换流变压器变比，k₃为大于1的正常数；

所述第三控制单元中，送端LCC控制器的电流限幅值的计算公式为：

送端LCC控制器的电流限幅值

其中，P_max为有功功率最大值，U_dcN为额定直流电压，N为VSC换流站个数。

4.根据权利要求3所述的一种混联型直流输电系统受端交流故障处理系统，其特征是，所述判断单元中，根据受端交流系统的电压跌落值、各VSC子模块电压平均值和受端直流保护系统动作情况判断受端交流系统是否发生故障，包括：

当受端交流系统三相电压跌落值大于10％额定电压，各VSC子模块电压平均值中最大值大于1.2倍额定子模块电压，且受端直流保护系统未动作时，判断受端交流系统发生故障。

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