CN112825429A - 基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，包括：S1：分析光伏无功输出与有功之间的关系，将光伏逆变器的工作状态分为三种模式；S2：实时监测交直流互联系统的运行状态与直流系统的无功特性，判断直流系统是否发生换相失败故障：若直流系统发生换相失败故障，则进入步骤S3，否则，返回步骤S2；S3：切换光伏逆变器的工作模式，使其工作在STATCOM模式下，抑制直流系统进一步的连续换相失败的发生。本发明能够利用系统中存在的大量光伏逆变器的动态无功支撑能力，对直流连续换相失败进行抑制，提高电力系统运行稳定性。该抑制方法无需增加额外设备，配置成本低；由于系统中存在大量光伏逆变器，能够提供的容量大。

Description

基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法

技术领域

本发明涉及直流连续换相失败抑制技术领域，具体而言涉及一种基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法。

背景技术

基于晶闸管的直流输电技术由于其大容量、远距离输电的优点在实际工程中得到了广泛的应用。我国华东、华南等负荷中心地区形成了典型的多馈入直流系统，其中华东电网截至2018年底共馈入11回直流，直流的密集接入在有效缓解用电压力的同时，也给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战，其中直流换相失败就是一个重要的挑战，若直流换相失败后处理不当，容易引发后续的直流连续换相失败甚至直流闭锁事件的发生，进一步导致系统大功率缺额和严重的频率问题。

目前，针对抑制直流连续换相失败的策略，国内外一般从提升系统的动态无功支撑角度出发，利用SVC、SVG的无功补偿能力来给予系统在发生直流换相失败时一定量的动态无功支撑，但SVG设备一般配置成本较高，容量也较小。

例如，专利号为CN201711475450.6的发明专利中，提到一种提高近区直流换相失败恢复速度的STATCOM附加控制方法，根据STATCOM所连交流母线与直流换流母线之间的电压关联因子评估STATCOM附加控制的可行性，若评估结果表明STATCOM附加控制可行，则在STATCOM交流电压控制器基础上增加附加控制器，根据近区直流系统的运行状态修改交流电压参考值。在直流换相失败之后，本发明充分利用直流近区STATCOM的动态无功支撑能力，提高换流母线电压水平，帮助直流系统更快恢复。但第一需要评估附加控制可行性，即并不是所有情况都能适用该控制方法，第二，需要增加额外的附加控制器，配置成本增加。

专利号为CN201811273587.8的发明专利中，提到一种电池储能电站应对直流换相失败的控制策略，根据直流换流站母线电压来对电池储能电站进行控制：一旦发现系统电压暂降超过设定值则立即控制电池储能电站发出无功，提升换流站母线电压；若换流站母线电压畸变率超过设定值，则电池储能电站立即执行有源滤波控制策略，对谐波进行补偿，降低换流站母线电压畸变率；通过采取上述控制措施减少直流换相失败的发生或缩短直流换相失败后的恢复时间，进而减少直流换相失败对受端电网的影响，提高受端电网安全稳定性。但前述方法需要专门设置电池储能电站才能实现，配置成本高，且容量同样受限。

随着光伏发电产业进入到快速发展阶段，电网系统中存在大量光伏逆变器，光伏逆变器可以将光伏太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电，反馈回商用输电系统，或是供离网的电网使用，在某些应用场合，光伏逆变器具备无功调调节特性。但目前尚未有将光伏逆变器应用到交直流互联系统中以解决直流连续换相失败的例子，对于在发生直流换相失败后，如何采用光伏逆变器正确提供无功支撑，在确保系统稳定运行的同时尽可能地提高运行效率和减少能量损耗的具体技术方案更加未曾涉及。本发明提出的基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法能够充分利用光伏逆变器的动态无功支撑能力，从而有效抑制直流连续换相失败的发生，减少系统的功率冲击，提高受端交流系统的稳定性，对于维持多馈入直流系统乃至交直流混联电网的安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，实时监测系统是否发生了直流换相故障，一旦发生，利用系统中存在的大量光伏逆变器的动态无功支撑能力，提供系统运行所需无功功率，对直流连续换相失败进行抑制，提高电力系统运行稳定性。该抑制方法无需增加额外设备，配置成本低；由于系统中存在大量光伏逆变器，能够提供的容量大；通过设置光伏逆变器的三种工作模式，动态调整无功输出范围，提高光伏逆变器运行效率，减少电网损耗。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，所述抑制方法包括：

S1：分析光伏无功输出与有功之间的关系，将光伏逆变器的工作状态分为三种模式：最大功率跟踪模式、有功削减工作模式以及STATCOM工作模式；

其中，当光伏逆变器处于最大功率跟踪模式时，光伏有功输出功率最大；当光伏逆变器处于有功削减工作模式时，按照预设削减策略对光伏有功输出功率进行削减；当光伏逆变器处于STATCOM工作模式时，光伏逆变器作为静止同步补偿器运行以保证系统的动态无功需求；

S2：实时监测交直流互联系统的运行状态与直流系统的无功特性，判断直流系统是否发生换相失败故障：

若直流系统发生换相失败故障，则进入步骤S3，否则，返回步骤S2；

S3：切换光伏逆变器的工作模式，使其工作在STATCOM模式下，以提供直流系统动态无功支撑，抑制直流系统进一步的连续换相失败的发生。

进一步的实施例中，步骤S1中，所述将光伏逆变器的工作状态分为三种模式是指：

(1)当光伏逆变器处于最大功率跟踪模式时，其输出的无功范围Q表示为：

其中，S为逆变器的视在功率，P_mppt为MPPT控制下光伏输出的有功功率；

(2)当光伏逆变器处于有功削减模式时，其输出的无功范围Q表示为：

其中，P_dec为有功削减模式下光伏输出的有功功率；

(3)当光伏逆变器处于STATCOM模式下时，利用光伏逆变器的额定容量为电网提供动态无功支撑，其输出的无功范围Q表示为：

-S≤Q≤S。

进一步的实施例中，步骤S2中，所述交直流互联系统的运行状态包括以下参数的变化趋势：换流母线电压U_L、直流功率P_d、直流吸收无功Q_d及熄弧角γ。

进一步的实施例中，步骤S2中，所述直流系统的无功特性的监测过程包括以下步骤：

S21：将直流系统换流器的稳态方程表示为：

式中，V_d和I_d分别为直流电压和直流电流，P_d和Q_d分别为有功功率和无功功率，V_d0为理想空载直流电压，B为串联的桥数，k为换流变压器变比，X_c为换相电抗，U_ac表示高压侧母线线电压有效值，γ表示逆变侧熄弧角，φ表示换流器的功率因数；

根据下述公式计算得到换流器消耗的无功功率：

进一步的实施例中，步骤S2中，所述判断直流系统是否发生换相失败故障是指，根据换流器两个阀的工作状态判断直流系统是否发生换相失败故障：

当换流器两个阀进行换相时，如果在换相过程中退出导通的阀在反向电压的作用下未能及时恢复阻断能力，或者在反向电压作用期间换相过程未能结束、使本该关断的阀在正向电压作用下重新导通，则判定直流系统发生换相失败故障。

进一步的实施例中，步骤S3中，光伏逆变器在直流换相失败时提供的无功功率为：

ΔQ＝KΔU

式中，ΔU为换流母线电压的变化量；K为逆变器无功下垂系数，根据经验数据和实际情况进行设定。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)充分利用逆变器调相运行能力，能够在直流系统发生换相失败时给予一定的无功支撑，具有较好的工程应用价值。

(2)给予的无功支撑在确保系统运行稳定的基础上，尽可能地提高运行效率和减少能量损耗。

(3)无需另接设备或控制装置，配置成本低，普适性强。

(4)当直流换相失败时，光伏逆变器响应速度快，运行效率高，能够有效避免系统遭受更大的损失。

(5)实时监测交直流互联系统的运行状态与直流系统的无功特性，判断直流系统是否发生换相失败故障，判断过程具有一定的预测性，进一步降低电网风险；并且，监测数据可以作为经验数据再行利用，提高数据利用率和判断结果的精确性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法的流程图。

图2是本发明的交直流系统功率交换示意图。

图3是本发明的光伏逆变器的工作模式示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提及一种基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，所述抑制方法包括：

S1：分析光伏无功输出与有功之间的关系，将光伏逆变器的工作状态分为三种模式：最大功率跟踪模式、有功削减工作模式以及STATCOM工作模式。

其中，当光伏逆变器处于最大功率跟踪模式时，光伏有功输出功率最大；当光伏逆变器处于有功削减工作模式时，按照预设削减策略对光伏有功输出功率进行削减；当光伏逆变器处于STATCOM工作模式时，光伏逆变器作为静止同步补偿器运行以保证系统的动态无功需求。

S2：实时监测交直流互联系统的运行状态与直流系统的无功特性，判断直流系统是否发生换相失败故障：

若直流系统发生换相失败故障，则进入步骤S3，否则，返回步骤S2。

S3：切换光伏逆变器的工作模式，使其工作在STATCOM模式下，以提供直流系统动态无功支撑，抑制直流系统进一步的连续换相失败的发生。

经实践证明，当直流系统发生换相失败时，由于直流电流的上升使得直流系统的无功需求增大，若不能提供足够的动态无功支撑，容易导致系统连续换相失败的发生，光伏逆变器作为STATCOM运行可保证系统在发生直流换相失败的动态无功需求。

下面结合附图对本发明所提及的抑制方法进行详细阐述。

一、分析光伏无功输出与有功之间的关系，设置光阀逆变器的工作状态

步骤S1中，所述将光伏逆变器的工作状态分为三种模式是指：

(1)当光伏逆变器处于最大功率跟踪模式时，其输出的无功范围Q表示为：

其中，S为逆变器的视在功率，P_mppt为MPPT控制下光伏输出的有功功率。

(2)当光伏逆变器处于有功削减模式时，其输出的无功范围Q表示为：

其中，P_dec为有功削减模式下光伏输出的有功功率。

(3)当光伏逆变器处于STATCOM模式下时，利用光伏逆变器的额定容量为电网提供动态无功支撑，其输出的无功范围Q表示为：

-S≤Q≤S。

正常情况下，光伏逆变器采用最大功率点跟踪控制模式，最大程度地保证光伏的有功输出；若逆变器的无功容量不足，考虑对光伏进行有功功率削减，从而满足系统的无功需求；在夜间或系统无功缺额较为严重时，可切换到STATCOM模式下，使光伏逆变器作为STATCOM运行保证系统的动态无功需求。

二、监测直流系统是否发生换相失败故障

监测直流换相是否失败有两种方式：

第一种方式

步骤S2中，所述判断直流系统是否发生换相失败故障是指，根据换流器两个阀的工作状态判断直流系统是否发生换相失败故障：

当换流器两个阀进行换相时，如果在换相过程中退出导通的阀在反向电压的作用下未能及时恢复阻断能力，或者在反向电压作用期间换相过程未能结束、使本该关断的阀在正向电压作用下重新导通，则判定直流系统发生换相失败故障。

该方式较为直接，判断结果准确，但具有一定的延迟特性。

第二种方式

通过实时监测交直流互联系统的运行状态与直流系统的无功特性，判断是否发生换相失败故障。

具体的，所述交直流互联系统的运行状态包括以下参数的变化趋势：换流母线电压U_L、直流功率P_d、直流吸收无功Q_d及熄弧角γ。

而所述直流系统的无功特性的监测过程则包括以下步骤：

S21：将直流系统换流器的稳态方程表示为：

式中，V_d和I_d分别为直流电压和直流电流，P_d和Q_d分别为有功功率和无功功率，V_d0为理想空载直流电压，B为串联的桥数，k为换流变压器变比，X_c为换相电抗，U_ac表示高压侧母线线电压有效值，γ表示逆变侧熄弧角，φ表示换流器的功率因数；

根据下述公式计算得到换流器消耗的无功功率：

继而根据检测到的状态量的变化趋势与直流系统的无功特性，判别是否发生换相失败故障。该方式可以对换相失败故障做出提前预测，避免造成更大的损失。该判断过程可以结合历史经验数据执行，同样的，实时采集的监测数据也可以作为经验数据在后续再行利用，提高数据利用率和判断结果的精确性。

三、采用光伏逆变器抑制直流系统进一步的连续换相失败的发生

步骤S3中，光伏逆变器在直流换相失败时提供的无功功率为：

ΔQ＝KΔU

式中，ΔU为换流母线电压的变化量；K为逆变器无功下垂系数，根据经验数据和实际情况进行设定

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，其特征在于，所述抑制方法包括：

S1：分析光伏无功输出与有功之间的关系，将光伏逆变器的工作状态分为三种模式：最大功率跟踪模式、有功削减工作模式以及STATCOM工作模式；

其中，当光伏逆变器处于最大功率跟踪模式时，光伏有功输出功率最大；当光伏逆变器处于有功削减工作模式时，按照预设削减策略对光伏有功输出功率进行削减；当光伏逆变器处于STATCOM工作模式时，光伏逆变器作为静止同步补偿器运行以保证系统的动态无功需求；

S2：实时监测交直流互联系统的运行状态与直流系统的无功特性，判断直流系统是否发生换相失败故障：

若直流系统发生换相失败故障，则进入步骤S3，否则，返回步骤S2；

S3：切换光伏逆变器的工作模式，使其工作在STATCOM模式下，以提供直流系统动态无功支撑，抑制直流系统进一步的连续换相失败的发生。

2.根据权利要求1所述的基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S1中，所述将光伏逆变器的工作状态分为三种模式是指：

(1)当光伏逆变器处于最大功率跟踪模式时，其输出的无功范围Q表示为：

其中，S为逆变器的视在功率，P_mppt为MPPT控制下光伏输出的有功功率；

(2)当光伏逆变器处于有功削减模式时，其输出的无功范围Q表示为：

其中，P_dec为有功削减模式下光伏输出的有功功率；

(3)当光伏逆变器处于STATCOM模式下时，利用光伏逆变器的额定容量为电网提供动态无功支撑，其输出的无功范围Q表示为：

-S≤Q≤S。

3.根据权利要求1所述的基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S2中，所述交直流互联系统的运行状态包括以下参数的变化趋势：换流母线电压U_L、直流功率P_d、直流吸收无功Q_d及熄弧角γ。

4.根据权利要求1所述的基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S2中，所述直流系统的无功特性的监测过程包括以下步骤：

S21：将直流系统换流器的稳态方程表示为：

式中，V_d和I_d分别为直流电压和直流电流，P_d和Q_d分别为有功功率和无功功率，V_d0为理想空载直流电压，B为串联的桥数，k为换流变压器变比，X_c为换相电抗，U_ac表示高压侧母线线电压有效值，γ表示逆变侧熄弧角，φ表示换流器的功率因数；

根据下述公式计算得到换流器消耗的无功功率：

5.根据权利要求1所述的基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S2中，所述判断直流系统是否发生换相失败故障是指，根据换流器两个阀的工作状态判断直流系统是否发生换相失败故障：

当换流器两个阀进行换相时，如果在换相过程中退出导通的阀在反向电压的作用下未能及时恢复阻断能力，或者在反向电压作用期间换相过程未能结束、使本该关断的阀在正向电压作用下重新导通，则判定直流系统发生换相失败故障。

6.根据权利要求1所述的基于逆变器调相运行能力的直流连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S3中，光伏逆变器在直流换相失败时提供的无功功率为：

ΔQ＝KΔU

式中，ΔU为换流母线电压的变化量；K为逆变器无功下垂系数，根据经验数据和实际情况进行设定。

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