CN112152250A - 考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法，包括：提取换流器的等效电阻、等效电感和等效电容参数，平波电抗器电感值，额定直流电压，电流内环PI比例参数和积分参数；根据故障电流抑制要求设置直流电流抑制控制的转角频率，计算换流器的开关系数；在内环电流控制环节，附加桥臂电流抑制控制；解锁换流站；设置发生直流极间短路故障；当检测到直流电流上升率超过UdcN/2Ldc时，启动直流抑制控制，将换流器初始开关系数改为所计算出的自适应开关系数Kc；同时投入桥臂电流抑制控制。本发明达到抑制直流故障电流的目的，降低对直流断路器开断能力的要求，防止换流器在直流断路器动作前闭锁，保证有功功率在故障期间传输不中断。

Description

考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法
技术领域
本发明涉及基于电压源换流器的高压直流输电技术控制领域，特别是一种考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法。
背景技术
基于电压源换流器的高压直流输电技术(VSC-HVDC)是现代电力系统异步联网和可再生能源并网的有效技术途径，尤其是模块化多电平变换器(MMC)的高压大容量传输能力使其成为直流电网工程建设的必然选择，但与晶闸管相比，MMC中的全控电子器件在发生故障时更易因过流而损坏，阻碍了直流电网的发展。
抑制故障电流普遍的方法是通过改变子模块拓扑结构赋予MMC故障电流清除能力，例如全桥子模块和钳位双子模块，通过闭锁子模块中的IGBT，将直流电压合成为零，并阻断交流馈电电流以清除故障电流。然而，出于投资成本的考虑，现有工程基本采用基于半桥子模块的MMC。对于此类直流系统，安装直流断路器(DCCB)是隔离直流故障的主流手段。但是随着直流系统的电压等级和传输容量的提高，配套的直流断路器技术尚未成熟，直流故障电流抑制措施的研究十分重要。
现有的抑制方式主要有一种直流电网组合式故障限流装置(官二勇，董新洲，王豪.直流电网组合式故障限流装置及其运行策略研究.中国电机工程学报)，该组合式故障限流装置是直流限流器和具有故障电流关断能力的柔性直流换流器的组合体；一种新型混合式直流故障限流器拓扑(韩乃峥，贾秀芳，赵西贝，许建中，赵成勇.一种新型混合式直流故障限流器拓扑.中国电机工程学报)，其主限流电路采用晶闸管器件，可在直流断路器断路时将限流电感快速旁路；此两种措施都需要额外安装故障电流抑制装置，增加工程投资。一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器(郝瑞祥，杨晓峰，薛尧，陈博伟，林智钦，孙湖.一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器.电工技术学报)，其通过在交流输出端口增加阻断IGBT及其旁路吸收回路实现故障限流，此种抑制方式中，改进型子模块拓扑增加了IGBT及其旁路吸收回路，增加了设备投资，且无法应用于现有工程。基于虚拟电感的故障电流抑制控制策略(Li X,Li Z,Zhao B,et al.HVDC Reactor ReductionMethod Based on Virtual Reactor Fault Current Limiting Control of MMC.IEEETransactions on Industrial Electronics,2019)，通过控制子模块电容的放电程度建立虚拟电抗，实现故障限流的目的；自适应故障电流抑制控制策略(Ni B,Xiang W,Zhou M,etal.An Adaptive Fault Current Limiting Control for MMC and Its Application inDC Grid.IEEE Transactions on Power Delivery,2020)，通过自适应地改变投入子模块的数量，达到限流的目的；此两种方式只考虑了直流故障电流的抑制，而未考虑桥臂电流的抑制，无法保证换流站在故障期间功率输送不中断。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法，达到抑制直流故障电流的目的，降低对直流断路器开断能力的要求；同时防止换流器在直流断路器动作前闭锁，保证有功功率在故障期间传输不中断。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法，包括以下步骤：
步骤1：提取换流器的等效电阻Req、等效电感Leq和等效电容参数Ceq，平波电抗器电感值Ld，额定直流电压UdcN，电流内环PI比例参数kp和积分参数ki，直流电流实时值idc以及直流电流参考值idcref；
步骤2：根据故障电流抑制要求设置直流电流抑制控制的转角频率fz，计算换流器的开关系数
Figure BDA0002691880080000031
其中
Figure BDA0002691880080000032
Tb＝2πfzCeqLdc，Ldc＝Leq+2Ld；其中，Ta为微分系数，s为拉普拉斯算子，Tb为积分系数，Ldc为综合电感
步骤3：在内环电流控制环节，在d轴参考电流输入点附加桥臂电流抑制控制，其中桥臂电流抑制控制的时间常数
Figure BDA0002691880080000033
kp与ki分别为内环PI控制器参数；
步骤4：解锁换流站，让柔性直流系统稳定运行；
步骤5：设置发生直流极间短路故障；当检测到直流电流上升率超过UdcN/2Ldc时，启动直流抑制控制，将换流器初始开关系数改为所计算出的自适应开关系数Kc；同时投入桥臂电流抑制控制，通过抑制交流分量来降低桥臂电流；经过一段延时后，直流断路器开断故障电流，隔离故障；故障被隔离后，两个控制退出运行；
步骤6：经过一段去游离时间后，直流断路器重合闸，系统恢复运行。
进一步地，在步骤6中，去游离时间为200ms～300ms。
与现有技术相比，本发明有益效果是：通过自适应改变换流器的开关系数来重塑直流阻抗，达到抑制直流故障电流的目的，降低对直流断路器开断能力的要求。同时在电流内环中投入桥臂电流抑制控制来降低桥臂电流，防止换流器在直流断路器动作前闭锁。相比于现有方法，本发明无需投入额外的设备，并且加入了桥臂电流抑制方式，能够保证有功功率在故障期间不中断传输，提高直流系统运行的可靠性。
附图说明
图1是附加桥臂电流抑制方法图。
图2是故障电流联合抑制控制与直流断路器的配合图。
图3是两端柔性直流输电系统示意图。
图4是未加控制的故障电流与采用故障电流抑制仿真验证图。
图5是在不同参数下加入桥臂电流抑制控制后桥臂电流的波形图，fz＝72Hz。
图6是在不同参数下加入桥臂电流抑制控制后桥臂电流的波形图，fz＝41Hz。
图7是在不同参数下加入桥臂电流抑制控制后桥臂电流的波形图，fz＝22.5Hz。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明一种考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法，具体如下：
一、提取换流器的等效电阻Req、等效电感Leq和等效电容参数Ceq，平波电抗器电感值Ld，额定直流电压UdcN，电流内环PI比例参数kp和积分参数ki，直流电流实时值idc以及直流电流参考值idcref。
二、根据故障电流抑制要求设置直流电流抑制控制的转角频率fz，计算换流器的开关系数
Figure BDA0002691880080000041
其中
Figure BDA0002691880080000042
Tb＝2πfzCeqLdc，Ldc＝Leq+2Ld，其中，Ta为微分系数，s为拉普拉斯算子，Tb为积分系数，Ldc为综合电感。
三、在内环电流控制环节，在d轴参考电流输入点附加桥臂电流抑制控制，其中桥臂电流抑制控制的时间常数
Figure BDA0002691880080000043
kp与ki分别为内环PI控制器参数。
四、解锁换流站，让柔性直流系统稳定运行。
五、设置发生直流极间短路故障。当检测到直流电流上升率超过UdcN/2Ldc时，启动直流抑制控制，将换流器初始开关系数改为所计算出的自适应开关系数Kc，达到旁路部分子模块来降低直流故障电流的效果。同时投入桥臂电流抑制控制，通过抑制交流分量来降低桥臂电流。经过6ms的延时后，直流断路器开断故障电流，隔离故障。故障被隔离后，两个控制退出运行。
六、经过200ms～300ms的去游离时间后，直流断路器重合闸，系统恢复运行。
下面以图3的两端柔性直流输电系统为例对本发明方法技术效果进行验证：
验证方案一：直流故障电流抑制控制
设置控制参数如表1所示：
表1验证方案一控制参数
Figure BDA0002691880080000051
在表1三组不同参数下，6ms时刻的故障电流值分别可降低40％、49.4％和57％。仿真验证如图4所示，与未加控制的故障电流相比，本发明控制方法的故障电流抑制效果显著。
验证方案二：桥臂电流抑制控制
在表1三组不同参数下加入桥臂电流抑制控制后桥臂电流的波形如图5～图7所示。换流站闭锁时间的延长效果如表2所示。
表2不同控制参数下桥臂电流抑制效果
Figure BDA0002691880080000052
可见，本发明控制方法可有效降低桥臂电流，保证换流器在直流断路器开断前不被闭锁。

Claims (2)

1.一种考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提取换流器的等效电阻Req、等效电感Leq和等效电容参数Ceq，平波电抗器电感值Ld，额定直流电压UdcN，电流内环PI比例参数kp和积分参数ki，直流电流实时值idc以及直流电流参考值idcref；
步骤2：根据故障电流抑制要求设置直流电流抑制控制的转角频率fz，计算换流器的开关系数
Figure FDA0002691880070000011
其中
Figure FDA0002691880070000012
Tb＝2πfzCeqLdc，Ldc＝Leq+2Ld；其中，Ta为微分系数，s为拉普拉斯算子，Tb为积分系数，Ldc为综合电感；
步骤3：在内环电流控制环节，在d轴参考电流输入点附加桥臂电流抑制控制，其中桥臂电流抑制控制的时间常数
Figure FDA0002691880070000013
kp与ki分别为内环PI控制器参数；
步骤4：解锁换流站，让柔性直流系统稳定运行；
步骤5：设置发生直流极间短路故障；当检测到直流电流上升率超过UdcN/2Ldc时，启动直流抑制控制，将换流器初始开关系数改为所计算出的自适应开关系数Kc；同时投入桥臂电流抑制控制，通过抑制交流分量来降低桥臂电流；经过一段延时后，直流断路器开断故障电流，隔离故障；故障被隔离后，两个控制退出运行；
步骤6：经过一段去游离时间后，直流断路器重合闸，系统恢复运行。
2.根据权利要求1所述的考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法，其特征在于，在步骤6中，去游离时间为200ms～300ms。
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