CN112086986B - 混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，包括以下步骤，采集直流系统受端各换流母线的交流电压与直流电压，将所述交流电压与直流电压混合加权并作为低压限流单元的输入，计算低压限流单元中的直流电压权重系数与交流电压权重系数，根据所述直流电压权重系数与交流电压权重系数执行对应的优先恢复目标操作；计算低压限流单元中的各LCC受端交流电压输入信号权重系数，根据所述各LCC受端交流电压输入信号权重系数计算低压限流单元的输入电压信号。本发明在HMIDC系统的VDCOL的控制信号中引入交流电压信号来反映各子系统间的相互作用，考虑交流系统强度的影响，兼顾直流电压与交流电压恢复质量，从而改善系统的故障恢复性能。

Description

混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，尤其涉及一种混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法。

背景技术

直流输电(high voltage direct current，HVDC)相比于交流输电具有不受系统稳定极限的限制、相同输送容量造价低等优势，逐渐成为我国远距离、大容量、跨区域输电的主要方式。HVDC根据换流方式的不同分为常规直流输电(line commutated converterbased high voltage direct current,LCC-HVDC)和柔性直流输电(voltage sourceconverter based high voltage direct current,VSC-HVDC)。LCC-HVDC采用半控型器件晶闸管作为基本单元，其电压等级高、传输容量大，但LCC-HVDC换流器存在换相失败、运行中需消耗大量无功功率等缺点。随着全控型开关器件的迅速发展，新一代直流输电技术VSC-HVDC采用IGBT作为基本单元，具有四象限运行、谐波含量低、不存在换相失败等优点，在新能源并网与异步联网场景中具有广泛应用前景。由于受限于全控电力电子器件制造水平，当前柔性直流换流器的电压等级与容量小于LCC-HVDC。结合两种直流输电的优缺点，将2种直流输电系统馈入电气距离较近的交流电网时，便形成了混合多馈入直流输电系统(hybrid multi-infeed HVDC,HMIDC)。我国南方电网、华东电网等受端负荷中心已经初步形成LCC-HVDC和VSC-HVDC混合多馈入的格局，HMIDC将成为我国未来受端电网的特有形态。

HMIDC兼具LCC与VSC的优势，具有较大的输送容量和更为灵活的运行方式。在受端电网发生故障时，邻近直流系统同时吸收大量无功功率，电气距离较近的馈入母线可能迅速跌落，若某一逆变站换流母线交流电压下降到一定数值，由于换相裕度不足会发生换相失败，逆变侧LCC相当于发生极间短路，直流电流迅速增大，换相重叠角增大，则此逆变站在换相恢复过程中需要更强的无功支持，VSC虽有一定的无功支撑的能力，但也受限于换流器容量约束，于是导致交流系统电压的进一步下降，不仅此逆变站由于换相裕度不足会发生连续换相失败，还易引发其它逆变站LCC相继发生换相失败，严重威胁系统安全稳定运行。如果在切除故障后各直流系统不能得以顺利恢复，将造成大范围停电。

低压限流单元(VDCOL)是HMIDC系统中重要的控制环节之一，其主要功能是在电压水平较低时限制直流电流(功率)的大小，从而限制直流系统吸收的无功功率，改善直流系统的在故障后的运行特性与恢复过程。现有低压限流单元大多采用直流电压输入型VDCOL，对于单条直流系统来说，由于不需要考虑各子系统间的相互影响，所以其控制性能往往可以满足稳定性要求，但对于HMIDC系统来说在某些严重故障情况下，由于其控制信号不能够有效反映各子系统间的相互影响，就会导致HMIDC系统在故障发生后无法恢复到稳定运行状态。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种，主要解决HMIDC系统在某些严重故障情况下，由于其控制信号不能够有效反映各子系统间的相互影响，导致HMIDC系统在故障发生后无法恢复到稳定运行状态。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，包括以下步骤，

采集直流系统受端各换流母线的交流电压与直流电压，将所述交流电压与直流电压混合加权并作为低压限流单元的输入，所述低压限流单元计算得到直流电流参考值并生成触发脉冲，根据所述触发脉冲控制所述直流电压与交流电压全部恢复至稳定值，切换至正常控制状态；

计算低压限流单元中的直流电压权重系数与交流电压权重系数，根据所述直流电压权重系数与交流电压权重系数执行对应的优先恢复目标操作；

计算低压限流单元中的各LCC受端交流电压输入信号权重系数，根据所述各LCC受端交流电压输入信号权重系数计算低压限流单元的输入电压信号，所述输入电压信号用于为低压限流单元的启动及运行。

在一些实施方式中，所述混合多馈入直流系统包括VSC换流器和LCC换流器；

对于所述VSC换流器，在恢复过程中采用定交流电压控制，待所有电压恢复至额定值后退出运行，切换至正常控制状态；

对于所述LCC换流器，将采集到的交流电压与直流电压经信号计算加权处理，得到低压限流单元的输入信号的标幺值，其计算式如下：

式中，U_{in_i}表示第i端LCC换流器低压限流单元的输入电压信号；U_dci表示第i端LCC换流器直流端口电压；U_{ac_j}表示第j端LCC换流器换流母线的交流电压值；ξ_i0表示第i端LCC换流器低压限流单元直流电压的权重系数；ξ_ij表示第i端LCC换流器低压限流单元中j端换流母线交流电压的权重系数；k为LCC馈入端数。

在一些实施方式中，所述直流电压权重系数与交流电压权重系数的计算方法具体为：建立所有混合多馈入直流系统的广义短路比；计算各LCC端受端交流系统强度安全风险系数，将所述安全风险系数等效为直流电压权重系数；根据所述直流电压权重系数计算得到交流电压权重系数。

在一些实施方式中，所述广义短路比的计算方式为：

式中，S_Ni为第i个LCC所连接母线的短路容量；Q_Fi为第i个LCC的无功补偿容量；P_Ni为第i个LCC的额定功率；P_Nj为第j个LCC的额定功率；MIIF_ji为广义多馈入交互影响因子。

在一些实施方式中，所述广义多馈入交互影响因子用于评估各直流换流站间电压交互作用程度，其定义为：当换流母线i上投入对称三相电抗器，使得所述换流母线i的电压下降1％时，换流母线j上的电压变化率，即：

在一些实施方式中，所述直流电压权重系数为：

式中，ξ_i0表示第i端LCC换流器低压限流单元直流电压的权重系数；CSCR_i表示第i端LCC接入交流系统的临界短路比；MIESCR_i表示第i端LCC接入交流系统的广义短路比；

结合式(1-2)与式(2-3)，所述交流电压权重系数表示为：

式中，ξ_aci表示第i端LCC换流母线交流电压的权重系数之和。

在一些实施方式中，所述低压限流单元中的各LCC受端交流电压输入信号权重系数的计算方法具体为：基于各LCC馈入系统的短路比计算各换流母线权重系数比值；利用换流母线权重系数和，得到各换流母线权重系数。

在一些实施方式中，所述各换流母线权重系数比值符合：

式中，ξ_i1、ξ_i2、…ξ_ik表示i端低压限流单元中第1、2、…k端LCC换流器换流母线交流电压的权重系数；MIESCR₁、MIESCR₂、…MIESCR_k表示第1、2、…k端LCC接入交流系统的广义短路；k为LCC馈入端数。

本发明的有益效果为：在HMIDC系统的VDCOL的控制信号中引入交流电压信号来反映各子系统间的相互作用，考虑交流系统强度的影响，兼顾直流电压与交流电压恢复质量，从而改善系统的故障恢复性能。

附图说明

图1为混合多馈入直流系统的低压限流协调控制框图；

图2为低压限流单元运行特性曲线图；

图3为多馈入直流VDCOL协调控制示意图；

图4为定交流电压控制结构示意图；

图5为本发明实施例公开的混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明的目的在于提供一种混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法采用受端交流电压、直流电压输入作为输入信号，控制框图如图1所示。图1中，t_U为电压测量时间常数，输入量经测量环节与VDCOL环节后输出直流电流指令值I_dc后再与直流电流额定值I_dc，r进行取小，得到最终的整流侧电流指令值I_ord。

下面介绍一下本发明所采用的交直流电压输入信号低压限流单元(AC/DC-VDCOL)。

(1)VDCOL的基本原理

当直流输电系统发生严重故障，导致换流器交流侧母线电压大幅跌落时，VDCOL强制性地降低直流电流指令值以控制系统功率的传输，使得逆变器能够从换相失败中恢复过来，同时系统稳定运行在“低电压小电流”状态下，直至系统故障切除。此外，VDCOL对直流电流的控制减少了逆变器的无功消耗，减少了交流系统向换流站倒送的无功功率，这有助于交流电压的恢复，也避免了换流阀会由于长时间流过大电流而缩短其使用寿命。

图2为低压限流单元VDCOL的运行特性曲线，由图2推导出电压、电流间的关系式为：

式中，I_high、I_low、U_high、U_low分别为直流电流与输入电压的上下限值。低压限流控制方式输出的电流指令值I_dc依赖于输入的电压检测值U_in。

(2)VDCOL的基本类型

按照VDCOL输入电压类型的不同，将其分为两类：一类是AC-VDCOL，由交流电压U_ac启动的低压限流控制方式；另一类是DC-VDCOL，由直流电压U_dc启动的低压限流控制方式。AC-VDCOL主要用在交流电压大幅度跌落时降低电流指令值对无功的消耗进行控制，改善系统发生交流故障后，交流母线电压及系统功率的恢复特性，但对于直流故障无明显的控制效果；DC-VDCOL在系统发生直流故障以及交流电压故障的情况下都有较好的控制效果，直流电流指令跟踪直流电压的变化而动态调整，一定程度上能降低直流故障后系统发生换相失败的概率，但无法反馈交流母线电压的变化特性。

(3)混合多馈入直流AC/DC-VDCOL的协调控制

对于HMIDC系统来说，特别是当各系统的电气距离过近时，如果只基于DC-VDCOL特性来求解系统的直流电流控制指令值，极大概率会加剧各系统间的相互作用，不利于维持整个系统的动态稳定。因此，针对混合多馈入直流系统采用AC/DC-VDCOL控制策略。此外，在某些严重故障情况下，由于交流控制信号不能够有效反映各子系统间的相互影响，就会导致MIDC系统在故障发生后无法恢复到稳定运行状态，故有必要在HMIDC系统的VDCOL的控制信号中引入所有LCC直流馈入端交流电压信号来反映这种相互作用，从而改善系统的故障恢复性能。

利用采集到的直流系统受端各换流母线电压与直流电压数据，按照VDCOL对不同受端系统稳定性的影响，构建直流电压与各端LCC电压混合输入的低压限流单元。将交直流电压混合加权并作为交直流电压混合型低压限流单元的输入，从而使得直流功率的恢复不仅依赖于直流电压，而且考虑到了受端交流系统的电压恢复的情况。

如图5所示,本实施例提出了一种混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，包括以下步骤，

采集直流系统受端各换流母线的交流电压与直流电压，将交流电压与直流电压混合加权并作为低压限流单元的输入，低压限流单元计算得到直流电流参考值并生成触发脉冲，根据触发脉冲控制直流电压与交流电压全部恢复至稳定值，切换至正常控制状态；

计算低压限流单元中的直流电压权重系数与交流电压权重系数，根据直流电压权重系数与交流电压权重系数执行对应的优先恢复目标操作；

计算低压限流单元中的各LCC受端交流电压输入信号权重系数，根据各LCC受端交流电压输入信号权重系数计算低压限流单元的输入电压信号，输入电压信号用于为低压限流单元的启动及运行。

在HMIDC系统的VDCOL的控制信号中引入交流电压信号来反映各子系统间的相互作用，考虑交流系统强度的影响，兼顾直流电压与交流电压恢复质量，从而改善系统的故障恢复性能。

作为本发明的其中一种优选实施方案，多馈入直流VDCOL的协调控制由以下步骤实现，其控制结构图如图3所示(以N馈入混合直流系统为例)。混合多馈入直流系统包括VSC换流器和LCC换流器；

对于VSC换流器，在恢复过程中采用定交流电压控制，定交流电压控制框图如图4所示。待所有电压恢复至额定值后退出运行，切换至正常控制状态；

对于LCC换流器，将采集到的交流电压与直流电压经信号计算加权处理，得到低压限流单元的输入信号的标幺值，其计算式如下：

式中，U_{in_i}表示第i端LCC换流器低压限流单元的输入电压信号；U_dci表示第i端LCC换流器直流端口电压；U_{ac_j}表示第j端LCC换流器换流母线的交流电压值；ξ_i0表示第i端LCC换流器低压限流单元直流电压的权重系数；ξ_ij表示第i端LCC换流器低压限流单元中j端换流母线交流电压的权重系数；k为LCC馈入端数。

作为本发明的其中一种优选实施方案，直流电压权重系数与交流电压权重系数的计算方法具体为：

建立所有混合多馈入直流系统的广义短路比；

计算各LCC端受端交流系统强度安全风险系数，将安全风险系数等效为直流电压权重系数；

根据直流电压权重系数计算得到交流电压权重系数。

HMIDC系统在故障切除后恢复过程中不仅需要有直流功功率的快速恢复，同时也须考虑恢复过程中对受端交流电网电压稳定性的扰动程度，受端电网强度越小，受低压限流作用影响差异较大。为此，建立所有混合多馈入直流系统的广义短路比(MIESCR)，广义短路比的计算方式为：

式中，S_Ni为第i个LCC所连接母线的短路容量；Q_Fi为第i个LCC的无功补偿容量；P_Ni为第i个LCC的额定功率；P_Nj为第j个LCC的额定功率；MIIF_ji为广义多馈入交互影响因子。

作为本发明的其中一种优选实施方案，广义多馈入交互影响因子用于评估各直流换流站间电压交互作用程度，其定义为：当换流母线i上投入对称三相电抗器，使得换流母线i的电压下降1％时，换流母线j上的电压变化率，即：

MIIF_ji反映了换流母线i上交流电压的变化对换流母线j上的交流电压变化的影响程度。

作为本发明的其中一种优选实施方案，当MIESCR较大时，表示交流系统强度较大，无论是其自身换流母线电压的变化，还是临近直流的换流母线电压的变化对其稳定性的影响都较小，故可将其自身直流电压的变化作为主要决定因素。为此，构建直流电压权重系数，直流电压权重系数为：

式中，ξ_i0表示第i端LCC换流器低压限流单元直流电压的权重系数；CSCR_i表示第i端LCC接入交流系统的临界短路比；MIESCR_i表示第i端LCC接入交流系统的广义短路比；

结合式(1-2)与式(2-3)，交流电压权重系数表示为：

式中，ξ_aci表示第i端LCC换流母线交流电压的权重系数之和。

由式(2-3)与式(2-4)可知，直流电压权重系数表征了受端系统的强度风险程度，ξ_i0越大表明系统强度安全性越高，恢复过程中对交流系统的稳定性影响越小，则直流电压与有功功率可作为优先恢复目标。反之，交流权重系数较大，应优先考虑交流系统电压恢复情况。低压限流单元直流电压的权重系数与MIESCR呈正相关。

HMIDC系统中电气距离相近的直流输电子系统之间的相互作用较强，在发生故障时，换流母线跌落程度关联密切，同时也够影响MIDC系统故障恢复特性。为此，需在交流输入信号中加入各端换流母线参与程度，以表征多馈入直流系统间的耦合作用。

LCC直流受端电网间耦合作用影响了各受端换流母线的交流电压恢复速度，若换流母线i电压受母线j电压影响较大，即交互作用因子MIIF_ij较大，第j端馈入交流系统强度MIESCR_j较小，i端低压限流单元交流输入U_j信号权重系数越大，可在稳定恢复j母线电压的同时，快速恢复第i条直流功率，改善交流系统的频率稳定，性减小停电损失。

作为本发明的其中一种优选实施方案，低压限流单元中的各LCC受端交流电压输入信号权重系数的计算方法具体为：

基于各LCC馈入系统的短路比计算各换流母线权重系数比值；

利用换流母线权重系数和，得到各换流母线权重系数。

因此，各换流母线权重系数比值应符合：

式中，ξ_i1、ξ_i2、…ξ_ik表示i端低压限流单元中第1、2、…k端LCC换流器换流母线交流电压的权重系数；MIESCR₁、MIESCR₂、…MIESCR_k表示第1、2、…k端LCC接入交流系统的广义短路；k为LCC馈入端数。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

采集直流系统受端各换流母线的交流电压与直流电压，将所述交流电压与直流电压混合加权并作为低压限流单元的输入，所述低压限流单元计算得到直流电流参考值并生成触发脉冲，根据所述触发脉冲控制所述直流电压与交流电压全部恢复至稳定值，切换至正常控制状态；

计算低压限流单元中的直流电压权重系数与交流电压权重系数，根据所述直流电压权重系数与交流电压权重系数执行对应的优先恢复目标操作；

计算低压限流单元中的各LCC受端交流电压输入信号权重系数，根据所述各LCC受端交流电压输入信号权重系数计算低压限流单元的输入电压信号，所述输入电压信号用于为低压限流单元的启动及运行；

所述混合多馈入直流系统包括VSC换流器和LCC换流器；

对于所述VSC换流器，在恢复过程中采用定交流电压控制，待所有电压恢复至额定值后退出运行，切换至正常控制状态；

对于所述LCC换流器，将采集到的交流电压与直流电压经信号计算加权处理，得到低压限流单元的输入信号的标幺值，其计算式如下：

式中，U_{in_i}表示第i端LCC换流器低压限流单元的输入电压信号；U_dci表示第i端LCC换流器直流端口电压；U_{ac_j}表示第j端LCC换流器换流母线的交流电压值；ξ_i0表示第i端LCC换流器低压限流单元直流电压的权重系数；ξ_ij表示第i端LCC换流器低压限流单元中j端换流母线交流电压的权重系数；k为LCC馈入端数；

所述直流电压权重系数与交流电压权重系数的计算方法具体为：

建立所有混合多馈入直流系统的广义短路比；

计算各LCC端受端交流系统强度安全风险系数，将所述安全风险系数等效为直流电压权重系数；

根据所述直流电压权重系数计算得到交流电压权重系数；

所述直流电压权重系数为：

式中，ξ_i0表示第i端LCC换流器低压限流单元直流电压的权重系数；CSCR_i表示第i端LCC接入交流系统的临界短路比；MIESCR_i表示第i端LCC接入交流系统的广义短路比；

结合式(1-2)与式(2-3)，所述交流电压权重系数表示为：

式中，ξ_aci表示第i端LCC换流母线交流电压的权重系数之和。

2.如权利要求1所述的混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，其特征在于，所述广义短路比的计算方式为：

式中，S_Ni为第i个LCC所连接母线的短路容量；Q_Fi为第i个LCC的无功补偿容量；P_Ni为第i个LCC的额定功率；P_Nj为第j个LCC的额定功率；MIIF_ji为广义多馈入交互影响因子。

3.如权利要求2所述的混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，其特征在于，所述广义多馈入交互影响因子用于评估各直流换流站间电压交互作用程度，其定义为：当换流母线i上投入对称三相电抗器，使得所述换流母线i的电压下降1％时，换流母线j上的电压变化率，即：

4.如权利要求1所述的混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，其特征在于，所述低压限流单元中的各LCC受端交流电压输入信号权重系数的计算方法具体为：

基于各LCC馈入系统的短路比计算各换流母线权重系数比值；

利用换流母线权重系数和，得到各换流母线权重系数。

5.如权利要求4所述的混合多馈入直流系统低压限流协调控制方法，其特征在于，所述各换流母线权重系数比值符合：

式中，ξ_i1、ξ_i2、…ξ_ik表示i端低压限流单元中第1、2、…k端LCC换流器换流母线交流电压的权重系数；MIESCR₁、MIESCR₂、…MIESCR_k表示第1、2、…k端LCC接入交流系统的广义短路；k为LCC馈入端数。

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