CN113098045B - 一种适用于uhvdc换相失败故障恢复的优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于UHVDC换相失败故障恢复的优化控制方法，该方法包括：1、实时采集UHVDC系统逆变侧直流电压、直流电流、换流器关断角、交流系统母线相电压；2、利用整流侧直流电流指令值与逆变侧直流电流测量值的差值和电流裕度函数斜率构建动态电流裕度控制；3、故障清除后，逆变侧换流器采用定电流控制，动态电流裕度控制生效，减小故障恢复过程中的电流裕度。本发明能明确UHVDC系统低电流恢复过程的直流电流控制目标，降低了整流侧和逆变侧定电流控制器交互不当引发系统不稳定恢复的概率，有效抑制UHVDC故障恢复过程产生的后续换相失败。

Description

一种适用于UHVDC换相失败故障恢复的优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于UHVDC换相失败故障恢复的优化控制方法，属于高压直流输电系统换相失败抑制技术领域。

背景技术

随着东西部电网互联对输送容量、输电距离的需求日益增长，特高压直流输电(UHVDC)系统在大容量、长距离输电和电力系统联网方面具有明显的优势，已成为“交直流混联”电网中的重要组成部分。UHVDC系统均采用晶闸管作为换流元件，需依靠电网电压恢复自身阻断能力，因此，逆变侧换流器易受电网故障发生换相失败。

由于首次换相失败的抑制对控制器预测响应速度要求极高，很难采取有效措施避免首次换相失败。单次换相失败持续时间较短，对交直流系统冲击有限，若受端交流系统故障及时清除，系统可以快速恢复至稳定运行状态。但是，交流系统故障清除后，UHVDC系统整流侧和逆变侧控制器均为定电流控制，整流侧直流电流指令值比逆变侧高0.1pu裕度，当直流电流均小于两侧电流指令值时，在故障恢复阶段直流电流控制趋势相同，当直流电流处于两侧直流电流指令值中间时，整流侧和逆变侧定电流控制对直流电流调节作用相反，整流侧定电流控制会降低触发角指令值，提高整流侧直流电压以提高直流电流，逆变侧定电流控制会提高触发角指令值，提高逆变侧直流电压以降低直流电流。由于UHVDC系统在故障恢复过程中，整流侧和逆变侧定电流控制交互不当，造成直流电流控制目标不明确引起震荡并造成超调，电流偏差控制输出快速降为0，在逆变侧切换为定关断角控制后，电流偏差控制无法正确按照电流偏差值增加关断角增量，进而导致换流器实际关断角过小造成恢复过程中的后续换相失败。对于交直流混联电网，后续换相失败引发的连续换相失败可能会导致直流系统闭锁，造成受端交流系统功率缺额、设备受损等严重后果。

随着我国高压直流输电工程规模日益扩大，华东和华南电网多馈入直流输电系统日趋形成，首次换相失败时有发生，因此，亟需对UHVDC系统故障恢复过程中产生的后续换相失败进行抑制，改善直流系统换相失败故障恢复特性。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种适用于UHVDC换相失败故障恢复的优化控制方法，以期能够明确直流电流恢复控制目标，从而抑制UHVDC系统故障恢复过程中引发的后续换相失败，改善系统故障恢复特性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种适用于UHVDC换相失败故障恢复的优化控制方法的特点是应用于由整流侧定电流控制器、低压限流控制器、动态电流裕度控制器、电流偏差控制器、逆变侧定电流控制器和逆变侧定关断角控制器所组成的UHVDC直流控制器中，并按照如下步骤进行：

步骤1、实时采集UHVDC系统逆变侧直流电压U_{d_inv}、直流电流I_{d_inv}、换流器关断角最小值γ_{T_min}、交流系统母线最小相电压U_{s_min}；

步骤2、所述逆变侧直流电压U_{d_inv}和直流电流I_{d_inv}经过一阶惯性函数的处理后，再利用补偿电阻系数计算直流输电线路的中点直流电压U_d；

步骤3、利用式(1)计算低压限流控制器输出的电流指令值I_{d_order}：

式(1)中，I_dL为最小限流电流；I_dH为最大限流电流；U_dL为电压下限值；U_dH为电压上限值；k₁表示斜率；d₁表示截距；

步骤4、所述电流指令值I_{d_order}与所设置的主控制极电流指令值I_ref相比较，取其中的较小值为整流侧直流电流指令值I_{dr_order}，并将所述整流侧直流电流指令值I_{dr_order}作为整流侧定电流控制器的输入信号；

步骤5、利用式(2)得到动态电流裕度控制器的动态电流裕度I_err：

I_err＝I_{err_ref}-k₂(I_{dr_order}-I_{d_inv}) (2)

式(2)中，I_{err_ref}为电流裕度额定值；k₂为电流裕度函数斜率；

步骤6、所述动态电流裕度I_err与I_{dr_order}-I_{d_inv}之和经过比例积分调节器后输出逆变侧定电流控制器的超前触发角β_{ref_CC}；

步骤7、利用式(3)得到电流偏差控制器输出的角增量Δγ：

式(3)中，k₃为电流偏差函数斜率；Δγ_max为最大角增量；ΔI_max为最大电流偏差；

步骤8、将所述角增量Δγ和所设置的逆变侧换流器的关断角指令值γ_ref之和与所测量的逆变侧换流器一个周期内关断角最小值γ_{T_min}作差后，再进行限幅处理以及比例积分调节器的处理后，输出逆变侧定关断角控制器的超前触发角β_{ref_CEA}；

步骤9、等待交流系统母线最小相电压U_{s_min}恢复至额定值后，当β_{ref_CC}大于β_{ref_CEA}时，逆变侧换流器在定电流控制模式下，将逆变侧定电流控制器输出的超前触发角β_{ref_CC}传输至逆变侧换流器，用于抑制故障恢复过程后续换相失败。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明提出了一种适用于UHVDC换相失败故障恢复的优化控制方法，在低电流恢复时，动态减小了直流电流裕度，明确了直流电流恢复控制目标，缓解了低电流恢复时直流电流震荡程度，极大程度上避免了直流电流控制超调，有效抑制了UHVDC系统换相失败故障恢复后续换相失败的发生。

2、本发明中动态电流裕度控制方法在直流电流恢复初期的电流裕度最小，控制目标较明确，可以有效抑制直流电流恢复后期震荡，且随着整流侧直流电流指令值恢复至正常值，电流裕度逐渐恢复额定值。

3、本发明有效改善了UHVDC系统换相失败故障恢复特性，减小了逆变侧换流器后续换相失败对交直流系统的冲击。

附图说明

图1为本发明动态电流裕度控制结构图；

图2为本发明换流器运行角度图；

图3为本发明UHVDC系统动态电流裕度控制伏安特性图；

图4为本发明换流器动态电流裕度控制下关断角仿真图；

图5为本发明换流器动态电流裕度控制下直流电流仿真图；

图6为本发明换流器动态电流裕度控制下电流偏差控制输出仿真图。

具体实施方式

本实施例中，UHVDC系统由整流侧交流系统、整流站、直流输电线路、逆变站、逆变侧交流系统组成，采用分层接入方式，双极低端换流器接入1000kV交流系统，双极高端换流器接入500kV交流系统。直流控制器采用CIGRE双极标准测试模型中的选择型控制器，如图1所示，由整流侧定电流控制器、低压限流控制器、动态电流裕度控制器、电流偏差控制器、逆变侧定电流控制器和逆变侧定关断角控制器组成；通过采集逆变侧直流电压U_{d_inv}和直流电流I_{d_inv}，测量环节采用一阶惯性函数，既可以反映测量设备的响应速度，也可以滤除谐波。为得到直流输电线路中点直流电压U_d，引入补偿电阻系数作为线路电压补偿。中点直流电压通过低压限流控制器计算电流指令值I_{d_order}，与主控制电流指令值I_ref比较，取其中的较小值为整流侧电流指令值I_{dr_order}，输入至整流侧定电流控制器。其中，低压限流控制器计算如式(1)所示：

式(1)中，I_dL为最小限流电流，取0.345pu；I_dH为最大限流电流，取1pu；U_dL为电压下限值，取0.2pu；U_dH为电压上限值，取0.75pu；k₁表示斜率，

d₁表示截距，

逆变侧包含定电流控制和定关断角控制，整流侧电流指令值I_{dr_order}与逆变侧直流电流I_{d_inv}的差值作为逆变侧定电流控制器和动态电流裕度控制器的输入信号，定关断角控制配备电流偏差控制，电流偏差控制器输出角增量如式(2)所示：

式(2)中，k₃为电流偏差函数斜率，取2.793；Δγ_max为最大角增量，取0.2793pu；ΔI_max为最大电流偏差，取0.1pu；

当逆变侧直流电流测量值I_{d_inv}小于整流侧电流指令值I_{dr_order}时，电流偏差控制器输出关断角增量，帮助直流电流快速回升至指令值。逆变侧定电流控制和定关断角控制均经过比例积分调节器快速控制直流电流和关断角，逆变侧采用何种控制取决于定电流控制器和定关断角控制器输出超前触发角更大，稳定运行时，逆变侧换流器采用定关断角控制，逆变侧交流系统发生故障后，定电流控制输出超前触发角可能大于定关断角控制。

如图2所示，换流阀换相过程起始于触发延迟角α，终止于熄弧延迟角δ，μ为叠弧角，γ为关断角，β＝μ+γ为超前触发角，逆变侧交流系统发生故障时，换相电压降低且发生畸变，考虑不对称故障造成的换相电压相角偏移

换流器实际关断角γ为：

式(3)中，I_d为直流电流；X_c为换相电抗；U为换相电压有效值。若γ小于换流阀恢复正向阻断能力所需最小关断角γ_min，则会发生换相失败故障。

对于UHVDC系统后续换相失败，在逆变侧交流系统故障恢复阶段，换流器换相电压恢复正常，直流电流快速上升，整流侧和逆变侧控制器都采用定电流控制，若整流侧电流指令值仍保持比逆变侧电流指令值高0.1pu裕度，当直流电流测量值I_{d_inv}均小于两侧电流指令值时，直流电流快速回升，当直流电流上升至逆变侧和整流侧电流指令值之间时，两侧定电流控制器调节作用相反，整流侧控制会降低触发角指令值，提高整流侧直流电压以提高直流电流，逆变侧控制会提高触发角指令值，提高逆变侧直流电压以降低直流电流。由于两侧定电流控制交互不当，会造成直流电流控制目标不明确，引起直流电流震荡上升，严重时导致直流电流超调，由式(5)可知，电流偏差控制器输出会逐渐减小为0，当逆变侧控制方式转变为定关断角控制时，电流偏差控制无法正确按照电流偏差值增加关断角增量，进而造成换流器关断角小于γ_min引发后续换相失败。

为避免换流器故障恢复期间直流电流控制目标不明确，本发明采用动态电流裕度控制，动态电流裕度计算如式(4)所示：

I_err＝I_{err_ref}-k₂(I_{dr_order}-I_{d_inv}) (4)

式(4)中，I_{err_ref}为电流裕度额定值，取0.1pu；k₂为电流裕度函数斜率，取0.04；

如图3所示，动态电流裕度控制代替恒定电流裕度控制后，在低电流恢复阶段，整流侧和逆变侧之间电流裕度明显减小，电流控制目标更为明确，可以有效减轻电流恢复震荡，避免控制超调，且随着I_{dr_order}恢复至额定值，电流控制裕度逐渐恢复至额定值0.1pu。本发明具体步骤如下：

步骤1、实时采集UHVDC系统逆变侧直流电压U_{d_inv}、直流电流I_{d_inv}、换流器关断角最小值γ_{T_min}、交流系统母线最小相电压U_{s_min}；

步骤2、逆变侧直流电压U_{d_inv}和直流电流I_{d_inv}经过一阶惯性函数的处理后，再利用补偿电阻系数计算直流输电线路的中点直流电压U_d；

步骤3、利用式(1)计算低压限流控制器输出的电流指令值I_{d_order}：

步骤4、电流指令值I_{d_order}与所设置的主控制极电流指令值I_ref相比较，取其中的较小值为整流侧直流电流指令值I_{dr_order}，并将整流侧直流电流指令值I_{dr_order}作为整流侧定电流控制器的输入信号；

步骤5、利用式(4)得到动态电流裕度控制器的动态电流裕度I_err：

步骤6、动态电流裕度I_err与I_{dr_order}-I_{d_inv}之和经过比例积分调节器后输出逆变侧定电流控制器的超前触发角β_{ref_CC}；

步骤7、利用式(2)得到电流偏差控制器输出的角增量Δγ：

步骤8、将角增量Δγ和所设置的逆变侧换流器的关断角指令值γ_ref之和与所测量的逆变侧换流器一个周期内关断角最小值γ_{T_min}作差后，再进行限幅处理以及比例积分调节器的处理后，输出定关断角控制器的超前触发角β_{ref_CEA}；

步骤9、等待交流系统母线最小相电压U_min恢复至额定值后，当β_{ref_CC}大于β_{ref_CEA}时，逆变侧换流器采用定电流控制，将逆变侧定电流控制器输出的超前触发角β_{ref_CC}传输至逆变侧换流器，用于抑制故障恢复过程后续换相失败。

本实施案例设置500kV交流母线发生三相感性接地故障验证本发明所提控制方法有效性，故障时刻为3s，持续时间为0.1s，故障电感设置为0.23H。采用恒定电流裕度控制时，在故障恢复阶段，1000kV侧低端换流器会因电流震荡上升产生超调发生后续换相故障。采用动态电流裕度控制代替恒定电流裕度控制时，低端换流器关断角如图4所示，3.1s故障清除后，未发生后续换相失败，逆变侧直流电流如图5所示，电流恢复期间并未产生震荡，电流偏差控制输出如图6所示，电流恢复期间未造成超调，角增量输出没有降至0。

Claims (1)

1.一种适用于UHVDC换相失败故障恢复的优化控制方法，其特征应用于由整流侧定电流控制器、低压限流控制器、动态电流裕度控制器、电流偏差控制器、逆变侧定电流控制器和逆变侧定关断角控制器所组成的UHVDC直流控制器中，并按照如下步骤进行：

步骤1、实时采集UHVDC系统逆变侧直流电压U_{d_inv}、直流电流I_{d_inv}、换流器关断角最小值γ_{T_min}、交流系统母线最小相电压U_{s_min}；

步骤2、所述逆变侧直流电压U_{d_inv}和直流电流I_{d_inv}经过一阶惯性函数的处理后，再利用补偿电阻系数计算直流输电线路的中点直流电压U_d；

步骤3、利用式(1)计算低压限流控制器输出的电流指令值I_{d_order}：

式(1)中，I_dL为最小限流电流；I_dH为最大限流电流；U_dL为电压下限值；U_dH为电压上限值；k₁表示斜率；d₁表示截距；

步骤4、所述电流指令值I_{d_order}与所设置的主控制极电流指令值I_ref相比较，取其中的较小值为整流侧直流电流指令值I_{dr_order}，并将所述整流侧直流电流指令值I_{dr_order}作为整流侧定电流控制器的输入信号；

步骤5、利用式(2)得到动态电流裕度控制器的动态电流裕度I_err：

I_err＝I_{err_ref}-k₂(I_{dr_order}-I_{d_inv}) (2)

式(2)中，I_{err_ref}为电流裕度额定值；k₂为电流裕度函数斜率；

步骤6、所述动态电流裕度I_err与I_{dr_order}-I_{d_inv}之和经过比例积分调节器后输出逆变侧定电流控制器的超前触发角β_{ref_CC}；

步骤7、利用式(3)得到电流偏差控制器输出的角增量Δγ：

式(3)中，k₃为电流偏差函数斜率；Δγ_max为最大角增量；ΔI_max为最大电流偏差；

步骤8、将所述角增量Δγ和所设置的逆变侧换流器的关断角指令值γ_ref之和与所测量的逆变侧换流器一个周期内关断角最小值γ_{T_min}作差后，再进行限幅处理以及比例积分调节器的处理后，输出逆变侧定关断角控制器的超前触发角β_{ref_CEA}；

步骤9、等待交流系统母线最小相电压U_{s_min}恢复至额定值后，当β_{ref_CC}大于β_{ref_CEA}时，逆变侧换流器在定电流控制模式下，将逆变侧定电流控制器输出的超前触发角β_{ref_CC}传输至逆变侧换流器，用于抑制故障恢复过程后续换相失败。

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