CN112332436B - 适用于受端混联型lcc-vsc直流系统的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于受端混联型LCC‑VSC直流系统的协调控制方法，当整流端LCC交流网侧发生故障后，故障后工作在定电流模式下的高压阀组LCC的电流指令即为I_order‑0.1，与协调控制环节PI控制器的输入值保持一致；进入整流侧LCC、逆变侧高压阀组LCC、逆变侧低压阀组MMC三组换流器均与直流系统有功率交换的阶段；承接以上阶段，进入整流侧LCC与逆变侧低压阀组MMC与直流系统有功率交换阶段，增大直流线路临界电流，进而提高系统在故障期间能传输的有功功率。本发明能够在低压阀组MMC实现降压运行的协调控制环节，能够提高受端混联型LCC‑VSC直流输电系统对送端交流侧故障的耐受能力。

Description

适用于受端混联型LCC-VSC直流系统的协调控制方法

技术领域

本发明涉及混合直流输电系统的控制领域，特别是涉及一种受端混联型LCC-VSC直流系统的协调控制方法。

背景技术

如图1所示，为受端混联型LCC-VSC直流输电系统结构系统拓扑结构图。其采用双极对称结构。

对于任何整流侧采用LCC，逆变侧采用VSC结构的混合直流输电系统都存在着当送端交流侧故障而导致网络电压跌落过大的时候，系统会停止功率传输的问题。这是因为整流侧LCC输出直流电压会随着送端网络电压的跌落而下降，而逆变侧VSC会输出固定的直流电压值，这就使得直流电流会不断减小并最终导致系统功率传输的中断。目前，对于受端混联型LCC-VSC直流输电系统交流侧故障方面的研究还集中在故障后换流器响应方面。

针对受端混联型LCC-VSC直流输电系统在送端网络电压因交流侧故障而跌落时，系统有功传输会减小甚至中断的问题这一现象，有必要提出一种有效的控制逻辑。

发明内容

基于现有技术的现状，本发明提出了一种适用于受端混联型LCC-VSC直流系统的协调控制方法，基于受端两种换流器LCC和MMC控制方式的结合，实现了能够缓解送端网络电压因交流侧故障而跌落现象的协调控制策略。

本发明采取以下技术方案实现：

一种适用于受端混联型LCC-VSC直流系统的协调控制方法，于低压阀组三端并联半桥MMC的控电压主站执行，受端混联型LCC-VSC直流系统处于额定运行状态下，MMC直流端实际电流的标幺值I_d与低压限流环节与电流指令中产生的系统直流电流指令的标幺值I_order相等，PI控制器输入为0.1，输入至额定运行状态下的低压阀组MMC的电压参考值为U_order，该方法包括以下步骤：

当整流端LCC交流网侧发生故障后，传输有功迅速减小，PI控制器的输入值变为负，小于U_order的输出值成为新的直流电压参考值输入至MMC系统；故障后工作在定电流模式下的高压阀组LCC的电流指令为I_order-0.1，并且与协调控制环节PI控制器的输入值保持一致；

进入整流侧LCC、逆变侧高压阀组LCC、逆变侧低压阀组MMC三组换流器均与直流系统有功率交换的阶段，在此阶段内，逆变侧总的输出电压维持不变，经VDCOL输出的电流指令I_order保持不变；

承接以上阶段，进入整流侧LCC与逆变侧低压阀组MMC与直流系统有功率交换阶段，在此阶段内，整流侧LCC采用最小触发角控制方式；逆变侧高压阀组LCC因电流指令I_order与实际直流电流I_d的差值始终大于0.1，逆变侧LCC的触发超前角β将持续增大至最大值90°并保持不变；增大直流线路临界电流，进而提高系统在故障期间能传输的有功功率；

直流线路临界电流的表达式如下：

其中，I'_d为临界电流，U_dr为整流侧LCC直流电压，U_diL为逆变侧MMC直流电压降低MMC的输出电压U_diL，R_i为等效换相电阻，R_d为直流线路电阻。

与现有技术相比，本发明建立在对故障后受端混联型直流系统运行特性的详细分析的基础上，能够在低压阀组MMC实现降压运行的协调控制环节，能够提高受端混联型LCC-VSC直流输电系统对送端交流侧故障的耐受能力。

附图说明

图1为受端混联型LCC-VSC直流输电系统拓扑结构图；

图2为受端混联型直流输电系统LCC的控制策略框图；(a)整流侧LCC控制逻辑，(b)逆变侧高压阀组LCC控制逻辑，(c)低压限流环节与电流指令；

图3为受端混联型直流输电系统运行特性图；

图4为送端网侧电压跌落情况下直流系统的运行特性图；

图5为本发明的一种适用于受端混联型LCC-VSC直流系统的协调控制方法框图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式及附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

如图2所示，为受端混联型直流输电系统LCC的控制策略框图。整流侧LCC采用定直流电流控制方式，并辅以最小触发角控制。逆变侧高压阀组LCC采用定熄弧角控制方式，并设置定电流控制方式为后备控制策略。在这两种控制方式之间加入了电流偏差控制(current error control，CEC)环节，以实现两种控制方式的平滑切换。输入进整流端和逆变端LCC控制器的直流电流指令是由电流额定值I_Rated与低压限流环节(voltage dependentdirect current limiter，VDCOL)输出的电流指令值共同决定的。逆变侧低压阀组三端并联MMC采用基于等负载率的主从控制方式，具体的实现方式为：主站采用定电压控制；从站采用定功率控制，从站的功率指令则是通过实时的负荷容量以及换流站容量计算得到的。

综合系统内各换流站的控制逻辑和运行方式，受端混联型直流输电系统的运行特性曲线如图3所示。AB段为整流侧LCC最小触发角控制；BC段为整流侧LCC的定电流控制；CDE段为整流侧LCC的VDCOL环节；OJ段为逆变侧LCC的定熄弧角控制；OF段为逆变侧LCC的电流偏差控制(CEC)；FG段为逆变侧LCC的定电流控制环节，与整流侧的电流控制相比要小一个电流裕度ΔI(一般取0.1)的值；GHI段为逆变侧LCC的VDCOL环节，同样比整流侧小一个ΔI的值。逆变侧低压阀组MMC运行于主从控制方式下，输出固定直流电压，换算成标幺值为0.5，对应线段KL。当系统处于额定运行状态时，系统运行于点O处。

整流端LCC输出的直流电压U_dr为：

其中，E_r为整流端LCC交流侧线电压有效值，α为整流端LCC的触发角，I_d为直流线路电流，L_c为整流端LCC的换相电感，R_r为整流侧LCC换相过程的等效换相电阻。

逆变端高压阀组LCC输出的直流电压U_diH，计算公式为：

其中，E_i为逆变端LCC交流侧线电压有效值，β为逆变端LCC的触发超前角；L'_c为逆变端LCC的换相电感，R_i为逆变侧换相过程的等效换相电阻，逆变侧低压阀组MMC的输出直流电压U_diL为：

其中，U_v为MMC网侧相电压幅值，m为调制比(一般情况下，半桥MMC的额定调制比约为0.85，最大值为1)。

稳态时系统的直流电流I_d，计算公式为：

其中，R_d为直流线路电阻；

整流端LCC输送的有功功率P_dr，计算公式为为：

P_dr＝U_drI_d (5)

从式(1)-(5)可以看出，送端LCC网侧交流电压因故障而跌落会导致线电压有效值E的下降，则U_diH将会减小，进一步导致I_d的减小，如果E跌落过大，I_d将会减小至0并最终使得送端发出的有功功率P_dr也变为0，最终导致系统停止传输有功功率。

有关送端网侧交流电压不同跌落程度对受端混联型LCC-VSC系统的影响具体说明如下：

当系统送端网侧交流电压因故障而产生电压跌落现象时，整流端LCC切换至最小触发角α_min(5°)控制模式，输出的直流电压为：

随着线电压有效值E的降低，结合故障后系统的运行特性曲线图4，整流端LCC的最小触发角UI特性曲线会由AB段向下平移。随着AB曲线不断下移，系统一极内的三组换流器：整流侧LCC、逆变侧高压阀组LCC、逆变侧低压阀组MMC，与直流系统进行功率交换的个数也会逐渐减少。以此为依据，可以将送端网侧交流电压跌落程度对受端混联型直流系统运行状态的影响划分为3个阶段：三组换流器均与直流系统有功率交换；两组换流器与直流系统有功率交换；三组换流器均不与直流系统有功率交换。

(1)三组换流器均与直流系统有功率交换：此阶段为第一阶段，起始于整流侧LCC的UI特性曲线因送端网侧的交流电压跌落从AB段开始下降，结束于逆变侧LCC的触发超前角β刚好达到90°为止。

在第一阶段内，以其中的某一运行点M为例，当混联系统处于当前运行阶段时，整流侧LCC工作于最小触发角模式；逆变侧高压阀组LCC切换为定电流控制环节，电流指令由逆变侧的VDCOL提供；逆变侧低压阀组MMC主从控制继续输出不变的直流电压，整个系统的运行状态由三组换流器共同决定。整流侧LCC输出直流电压可表示为：

其中，E'为跌落后的整流端LCC交流侧线电压有效值，I'_d为处于新稳态下的直流电流，U_inv为逆变侧输出的直流电压。

如果新的系统稳定运行点位于FG段，则I'_d值为0.9；如果位于GH段，则U_inv与I'_d之间的关系可以用逆变侧LCC低压限流环节的UI特性曲线的表达式来表示，由图5可知，GH段的表达式为：

对于临界运行点N，结合式(2),当β＝90°时,逆变侧LCC输出直流电压U_diH的第一项为零，第二项为因等效换相电阻R_i产生的电压降，低压阀组MMC输出直流电压值不变，因此U_inv为两者之和，因此逆变侧总的输出直流电压为：

U_inv＝U_diL+2I'_dR_i (9)

将U_inv标幺后再代入式(9)可计算出临界电流I'_d的标幺值，再代入式(7)即可求出临界情况下送端LCC线电压有效值E'。

(2)两组换流器与直流系统有功率交换：此阶段为第二阶段。在此阶段内，高压阀组LCC的超前触发角β增大至最大值90°并保持不变，只有整流侧LCC与逆变侧低压阀组MMC与直流系统有功率交换。第二阶段承接第一阶段，并结束于整流侧LCC直流电压U_dr刚好等于逆变侧MMC直流电压U_diL时。

在这一阶段内，整流侧LCC依然是最小触发角控制方式；逆变侧高压阀组LCC因电流指令I_order与实际直流电流I_d的差值始终大于0.1，结合图2(b)的控制方式，逆变侧LCC的触发超前角β将持续增大至最大值90°并保持不变。在此阶段内，逆变侧高压阀组LCC不再能控制直流电流，只有等效换相电阻R_i还对直流系统故障后的电流响应有影响，整个系统的运行状态主要受整流侧LCC和逆变侧低压阀组MMC影响，直流线路电流的表达式为：

在临界状态下，直流线路电流恰好为零，整流侧LCC因等效换相电阻R_r而产生的电压降变为零，因此输出电压变为：

同理，逆变侧高压阀组LCC也不存在因等效换相电阻产生的换相压降，因此临界状态下整流侧输出直流电压就等于逆变侧低压阀组MMC输出直流电压。

根据式(12)即可求得临界状态下的LCC交流侧线电压有效值。

(3)三组换流器均不与直流系统有功率交换：此阶段为第三阶段。第三阶段承接上一阶段直至送端网侧交流电压完全跌落至零为止。在此阶段内，整流侧LCC仍然保持最小触发角控制方式，然而LCC的直流电压已经完全小于逆变侧MMC的直流电压，直流线路电流始终为零，系统完全失去传输有功功率的能力，任意一组换流器都不再与直流系统之间存在功率交换。

如图5所示，为本发明的一种适用于受端混联型LCC-VSC直流系统的协调控制方法框图。该方法执行在低压阀组三端并联半桥MMC的控电压主站，半桥MMC受调制比不能大于1的限制，因此输出的直流电压值存在下限，结合式(3)可知，当调制比m＝1时，MMC输出直流电压最小。PI输出电压指令最小值U_dcmin＝2U_v。

该方法的控制逻辑具体描述如下：

当受端混联型LCC-VSC直流系统处于额定运行状态下，MMC直流端实际电流的标幺值I_d与低压限流环节与电流指令中产生的系统直流电流指令的标幺值I_order相等，PI控制器输入为0.1，输入至额定运行状态下的低压阀组MMC的电压参考值为U_order，当整流端LCC交流网侧发生故障后，传输有功迅速减小，PI控制器的输入值变为负，输出值将小于U_order，代替U_order成为新的直流电压参考值输入进MMC系统。结合图2(b)，故障后工作在定电流模式下的高压阀组LCC的电流指令即为I_order-0.1，与协调控制环节PI控制器的输入值保持一致。因此在整流端LCC交流网侧发生故障后，系统形成新的稳定运行状态并持续到故障清除。

在阶段一内，虽然协调控制环节会降低低压阀组MMC的直流电压，但减少的电压会被分配到高压阀组LCC上，因此逆变侧总的输出电压维持不变，所以经VDCOL输出的电流指令I_order保持不变，系统传输的有功功率与是否使用协调控制环节无关。在阶段二内，结合式(10)，降低MMC的输出电压U_diL即可增大直流线路电流，进而一定程度上提高了系统在故障期间能传输的有功功率。

Claims (1)

1.一种适用于受端混联型LCC-VSC直流系统的协调控制方法，于低压阀组三端并联半桥MMC的控电压主站执行，受端混联型LCC-VSC直流系统处于额定运行状态下，低压阀组MMC的直流端实际电流的标幺值I_d与高压阀组LCC的低压限流环节产生的系统直流电流指令的标幺值I_order相等，PI控制器输入为0.1，输入至额定运行状态下的低压阀组MMC的电压参考值为U_order，其特征在于，该方法包括以下步骤：

当整流端LCC交流网侧发生故障后，传输有功迅速减小，PI控制器的输入值变为负，小于U_order的输出值成为新的直流电压参考值输入至MMC系统；故障后工作在定电流模式下的高压阀组LCC的电流指令为I_order-0.1，并且与协调控制环节PI控制器的输入值保持一致；

进入整流侧LCC、逆变侧高压阀组LCC、逆变侧低压阀组MMC三组换流器均与直流系统有功率交换的阶段，在此阶段内，逆变侧总的输出电压维持不变，经VDCOL输出的电流指令I_order保持不变；

承接以上阶段，进入整流侧LCC以及逆变侧低压阀组MMC与直流系统有功率交换的阶段，在此阶段内，整流侧LCC采用最小触发角控制方式；逆变侧高压阀组LCC因电流指令I_order与实际直流电流I_d的差值始终大于0.1，逆变侧LCC的触发超前角β将持续增大至最大值90°并保持不变；增大直流线路临界电流，进而提高系统在故障期间能传输的有功功率；

直流线路临界电流的表达式如下：

其中，I'_d为临界电流，U_dr为整流侧LCC直流电压，U_diL为逆变侧低压阀组MMC的输出直流电压，R_i为等效换相电阻，R_d为直流线路电阻。

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