CN113162102B - 一种抑制换相失败的低压限流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制换相失败的低压限流控制方法，属于高压直流输电技术领域，方法包括：检测逆变侧的直流电流、直流电压、交流电压，并在确定发生故障后启动低压限流控制器；计算直流电流变化量，将直流电流变化量乘以虚拟电阻得到电压补偿量；直流电流变化量由实际变化量和预测变化量叠加得到，预测变化量为直流电流的多阶微分项之和；将故障前的直流电压值与电压补偿量的差值输入至低压限流控制器，以使低压限流控制器根据差值改变直流电流指令值，从而限制直流电流。如此，在交流故障后，本发明结合直流电流预测与虚拟电阻可以提前减小直流电流，改善换相条件，从而抑制换相失败，降低交流系统故障时的电流冲击，促进故障后的系统恢复。

Description

一种抑制换相失败的低压限流控制方法

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，更具体地，涉及一种抑制换相失败的低压限流控制方法。

背景技术

采用电网换相换流器的高压直流输电由于其输送容量大、传输距离远等优势，目前已成为解决我国能源中心与负荷中心地理位置逆向分布问题的主要手段。然而由于其采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件，受端交流系统故障时容易引发换相失败。换相失败将会导致直流电流剧增、直流电压骤降，严重时还会造成直流闭锁，传输功率中断。随着受端交流电网馈入的直流输电线路数量逐渐增多，交直流耦合日趋紧密，由于交流故障诱发的单个换流站换相失败或将演化为其相邻换流站的相继换相失败，给我国交直流混联电网安全造成严重威胁。

换相失败预防控制(CFPREV)是现阶段主要的抑制首次换相失败的保护控制策略。其核心思想为在检测到交流故障时立刻减小触发角，提前触发留出更大的换相裕度。然而，现有研究表明，提前减小触发角会增大换流站无功需求水平，导致交流电网无功功率流向换流站，电流母线电压维持能力减弱，或将加剧换相失败。触发角提前与交流母线电压维持这对固有矛盾难以化解。

因此，急需一种摒弃触发角补偿思想的控制策略来对换相失败进行抑制，促进交直流混联系统受端交流电网故障后系统快速恢复。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其目的在于在电网故障后及时减小直流电流，抑制或缓解换相失败，促进电网恢复。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种抑制换相失败的低压限流控制方法，包括以下步骤：

S1：检测逆变侧的直流电流、直流电压、交流电压，以判断受端交流系统是否发生故障，并在确定发生故障后启动低压限流控制器；

S2：计算直流电流变化量，将所述直流电流变化量乘以虚拟电阻得到电压补偿量；所述直流电流变化量由直流电流实际变化量和直流电流预测变化量叠加得到，所述直流电流预测变化量为直流电流的多阶微分项之和；

S3：将故障前的直流电压值与所述电压补偿量的差值输入至所述低压限流控制器，以使所述低压限流控制器根据所述差值改变直流电流指令值，从而限制直流电流。

进一步地，步骤S2中，直流电流预测变化量ΔI_dcp为：

其中，Δt₁为一阶电流预测时间常数，Δt₂为二阶电流预测时间常数，I_dc为逆变侧直流电流，t₀为初始时刻。

进一步地，一阶电流预测时间常数Δt₁大于二阶电流预测时间常数Δt₂。

进一步地，步骤S2中，

直流电流变化量ΔI_dc为：

其中，ΔI_dca为直流电流实际变化量，I_dc为逆变侧直流电流，I_dN为额定直流电流；

电压补偿量ΔU_dc为：

ΔU_dc＝R^*ΔI_dc＝R^*(ΔI_dca+ΔI_dcp)，其中，R*为虚拟电阻值。

进一步地，步骤S3中，

直流电流指令I_ord表示为：

其中，I_max、I_min分别为低压限流控制器中直流电流指令的最大值与最小值；U_max、U_min分别为低压限流控制器中直流电压的最大值与最小值，且U_max<1；U_dc为逆变侧直流电压值。

进一步地，一阶电流预测时间常数Δt₁为10ms，二阶电流预测时间常数Δt₂为1ms，虚拟电阻值R*为0.75pu。

进一步地，步骤S1中，低压限流控制器的启动判据为以下之一：

(1)换流站所接电压母线零序电压分量U₀幅值大于第一预设值U_levelI，其中，3U₀＝U_a+U_b+U_c，U_a、U_b、U_c分别为A、B、C三相电压矢量；

(2)故障前后检测到的逆变侧交流电压经abc-αβ变换得到α-β平面上以角速度旋转的矢量U_αβ幅值之差大于第二预设值U_levelII，其中，

(3)直流电流预测变化量ΔI_dcp大于换相失败临界电流变化量

其中，

k为逆变侧换流变压器变比，N为逆变站中6脉波换流器个数，X_c为换相电抗，E_aciN为逆变侧交流系统额定线电压，γ₀为临界熄弧角，α_iN为逆变器额定触发角，I_dN为额定直流电流。

进一步地，在步骤S3之后，还包括：

S4：当低压限流控制器持续工作预设时间后，判断是否满足启动判据，若满足，低压限流控制器继续工作预设时间，直至低压限流控制器退出。

进一步地，第一预设值U_levelI为0.05pu，第二预设值U_levelII为0.15pu。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过检测逆变侧的直流电流、直流电压与交流电压，在交直流混联电网受端交流故障时计算考虑直流电流预测变化量的直流电流变化量，并乘以虚拟电阻得到电压补偿量；将故障前输入至低压限流控制器的直流电压值减去电压补偿量，得到当前电压值，以使低压限流控制器根据当前电压值改变直流电流指令值，从而提前减小直流电流，进而提高换相裕度，抑制换相失败。如此，本发明结合直流电流预测与虚拟电阻在交流故障后提前减小直流电流，提高了低压限流控制的灵敏性，能够有效缓解由于交流系统故障引发换相失败对电网造成的冲击；并且本发明在换相失败预防中，用直流电流补偿代替了触发角补偿，不存在基于触发角补偿的交流母线电压进一步跌落问题。

(2)本发明优选一阶电流预测时间常数Δt₁大于二阶电流预测时间常数Δt₂，以避免一阶微分项较小时，其灵敏性不足，预测效果将受限，以及二阶微分项较大时，带来的噪声将恶化预测精度的问题，从而同时兼顾灵敏性与精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种抑制换相失败的低压限流控制方法的流程图；

图2为本发明提供的一种抑制换相失败的低压限流控制方法的逻辑实现框图及接入位置示意图；

图3为低压限流控制(VDCOL)特性曲线与参数变化示意图；

图4为CIGRE-HVDC标准测试系统示意图；

图5为不同抑制策略对三相故障下换相失败的影响示意图，其中，(a)为采用方法1时换流变压器阀侧电流随时间的变化，(b)为采用方法2时换流变压器阀侧电流随时间的变化，(c)为采用方法3时换流变压器阀侧电流随时间的变化，(d)为采用三种方法时熄弧角随时间的变化，(e)为采用三种方法时逆变侧交流母线电压有效值随时间的变化，(f)为采用三种方法时直流电流随时间的变化，(g)为采用三种方法时电压补偿量随时间的变化，(h)为直流电流指令，(i)为逆变侧触发角；

图6为不同抑制策略对单相故障下换相失败的影响示意图，其中，(a)为采用方法1时换流变压器阀侧电流随时间的变化，(b)为采用方法2时换流变压器阀侧电流随时间的变化，(c)为采用方法3时换流变压器阀侧电流随时间的变化，(d)为采用三种方法时熄弧角随时间的变化，(e)为采用三种方法时逆变侧交流母线电压有效值随时间的变化，(f)为采用三种方法时直流电流随时间的变化，(g)为采用三种方法时电压补偿量随时间的变化，(h)为直流电流指令，(i)为逆变侧触发角。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

参阅图1和图2，本发明提供了一种抑制换相失败的低压限流控制方法，包括：

S1：检测逆变侧的直流电流I_dc、直流电压U_dc、交流电压有效值E_aci；当确定受端交流系统发生故障时，启动低压限流控制器；

具体的，低压限流控制器的启动判据为以下之一：

(1)单相故障检测：若换流站所接电压母线零序电压分量U₀幅值大于第一预设值U_levelI，则启动控制器。

其中，3U₀＝U_a+U_b+U_c，U_a、U_b、U_c分别为A、B、C三相电压矢量。

(2)三相故障检测：若故障前后检测到的逆变侧交流电压经abc-αβ变换得到α-β平面上以角速度旋转的矢量U_αβ幅值之差大于第二预设值U_levelII，则启动控制器。其中，

(3)基于直流电流微分的换相失败预测判据：若直流电流预测变化量ΔI_dcp大于换相失败临界电流变化量

则启动控制器。

其中，

Δt₁为一阶电流预测时间常数，Δt₂为二阶电流预测时间常数，I_dc为逆变侧直流电流，t₀为初始时刻，k为逆变侧换流变压器变比，N为逆变站中6脉波换流器个数，X_c为换相电抗，E_aciN为逆变侧交流系统额定线电压，γ₀为临界熄弧角，α_iN为逆变器额定触发角，I_dN为额定直流电流。

优选地，第一预设值U_levelI设为0.05pu，第二预设值U_levelII设为0.15pu。

S2：计算直流电流变化量ΔI_dc，将直流电流变化量ΔI_dc乘以虚拟电阻R*得到电压补偿量ΔU_dc；直流电流变化量ΔI_dc由直流电流实际变化量ΔI_dca和直流电流预测变化量ΔI_dcp叠加得到；直流电流预测变化量为直流电流的多阶微分项之和；

优选地，考虑到微分项阶数越高，噪声影响越大，本实施例利用Taylor公式，忽略二阶以上微分项及余项，得到直流电流变化量ΔI_dc为：

其中，ΔI_dca为直流电流实际变化量，I_dc为逆变侧直流电流，I_dN为额定直流电流；

电压补偿量ΔU_dc为：ΔU_dc＝R^*ΔI_dc＝R^*(ΔI_dca+ΔI_dcp)。

优选地，一阶电流预测时间常数Δt₁取10ms，二阶电流预测时间常数Δt₂取1ms，R*取0.75pu。

需要说明的是，该方法在随高压直流输电系统本身控制系统启动而启动，每个控制周期(取决于控制系统的精度)内都会循环执行一次，在系统稳态运行时，直流电流跟随直流电流指令变化且直流电流变化率接近0，ΔI_dc也趋近于0，本发明不会在系统稳态运行时造成不良影响。另外，在本发明中所选取的控制参数(γ₀、Δt₁、Δt₂)是根据换相特性人为选定的经验值，可以进行适当调整。γ₀的选取原则为判定交直流系统不发生换相失败的最小熄弧角；Δt₁、Δt₂的选取原则是既需要提高预测的灵敏性又要减小预测带来的谐波影响。

S3：将故障前的直流电压值与所述电压补偿量的差值输入至所述低压限流控制器，以使所述低压限流控制器根据所述差值改变直流电流指令值，从而限制直流电流。

低压限流控制(VDCOL)特性曲线与参数变化示意图如图3所示，将原始输入至低压限流控制(VDCOL)环节的直流电压值U_dc减去电压补偿量ΔU_dc，进而得到当前电压值U’_dc＝U_dc-ΔU_dc。考虑直流预测与虚拟电阻后，对应的直流电压U_dc、直流电流指令I_ord之间的关系为：

式中，I_max、I_min分别为VDCOL控制中直流电流指令的最大值与最小值；U_max、U_min分别为VDCOL控制中直流电压的最大值与最小值，且U_max<1。VDCOL根据当前电压值改变直流电流指令值调节直流电流。

进一步地，在步骤S3之后，还包括：

S4：当低压限流控制器持续工作预设时间后，判断是否满足启动判据，若满足，低压限流控制器继续工作预设时间，直至低压限流控制器退出。

优选地，预设时间取1s。

实施例2

为了验证本发明提供控制方法的技术效果，以PSCAD/EMTDC中自带的CIGRE-HVDC标准测试系统模型进行仿真实验，模型如图4所示，系统参数均沿用其自带参数，不做修改。

对比三种控制方法：

方法1：控制策略与CIGRE标准测试模型完全相同；

方法2：在方法1基础上，增加本发明，但设置本发明预测时间常数Δt₁与Δt₂均为0，即ΔI_dcp＝0，仅保留ΔI_dca，则电压补偿量ΔU_dc＝ΔI_dcaR*。

方法3：在方法1基础上，增加本发明。

对比不同抑制策略对三相故障下换相失败的影响，仿真设置：0.8s时逆变侧交流母线经1.25H电感三相接地，故障持续0.4s。结果如图5所示，仅方法3成功抑制了首次换相失败。电压补偿量ΔU_dc相较于方法2提前增加，更迅速的减小直流电压，由于VDCOL的作用，电流指令值I_ord也提前减小，成功抑制换相失败。并且在交流故障后，由于逆变侧触发角α_i未得到任何补偿，因此逆变侧交流电压有效值E_aci相较于方法1、2未发生更大跌落。因此，通过本发明作用，换相失败风险降低。

对比不同抑制策略对单相故障下换相失败的影响，仿真设置：0.8s时逆变侧交流母线经0.9H电感单相接地，故障持续0.4s。结果如图6所示，从换流变压器阀侧电流看，仅方法3未发生换相失败。

以上两组案例表明方法3均可有效抑制由于交流故障引发的过电流与过电压，并能够促进故障切除后系统恢复，对直流输电线路、换流站设备健康运行起到积极作用。

为衡量所提出的控制策略对高压直流输电系统发生换相失败的抑制作用，需要大量对比分析不同换流阀状态、不同严重程度交流故障下，方法1、2、3对直流换相失败的影响。因此，下文在逆变侧交流母线设置了不同的单相和三相感性接地故障，故障时刻均为0.8s与0.9s，故障持续时间均为0.4s。定义故障容量为：

式中，E_aciN为逆变侧交流母线额定电压；ω_N为交流系统额定角频率；L_f为接地电感值；P为直流输电系统额定功率。故障容量反映了交流故障相对直流输电系统的严重程度，值越大，说明故障越严重。

仿真设置故障水平F_L从10％到25％之间变化，表征系统发生不同严重程度的交流故障，观察三种控制策略下故障期间内逆变器发生换相失败次数。

仿真结果如表1所示，可得以下结论：

1)方法3区域均覆盖方法2区域，方法2区域均覆盖方法1区域，可见方法2与方法3均不会加剧换相失败；且对于换相失败抑制，控制方法3优于方法2优于方法1；

2)若系统在方法1控制下发生首次换相失败，则系统在方法2控制下也会发生首次换相失败；而在方法2所示区域工况下，方法3成功抑制了首次换相失败，证明本文所提控制策略具有首次换相失败抑制能力。

表1不同工况下不同控制策略换相失败抑制能力对比

综上，本发明提供的抑制换相失败的低压限流控制方法是抑制高压直流系统故障后换相失败的有效控制手段，该控制方法考虑了故障发生时直流电流与直流电压的波动特性，可在交流故障发生后快速减小直流电流，为换相留出更大裕度，抑制换相失败，加速故障后系统恢复。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：检测逆变侧的直流电流、直流电压、交流电压，以判断受端交流系统是否发生故障，并在确定发生故障后启动低压限流控制器；

S2：计算直流电流变化量，将所述直流电流变化量乘以虚拟电阻得到电压补偿量；所述直流电流变化量由直流电流实际变化量和直流电流预测变化量叠加得到，所述直流电流预测变化量ΔI_dcp为：

其中，Δt₁为一阶电流预测时间常数，Δt₂为二阶电流预测时间常数，I_dc为逆变侧直流电流，t₀为初始时刻；且Δt₁为10ms，Δt₂为1ms；

S3：将故障前的直流电压值与所述电压补偿量的差值输入至所述低压限流控制器，以使所述低压限流控制器根据所述差值改变直流电流指令值，从而限制直流电流。

2.如权利要求1所述的一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，

所述直流电流变化量ΔI_dc为：

其中，ΔI_dca为直流电流实际变化量，I_dc为逆变侧直流电流，I_dN为额定直流电流；

所述电压补偿量ΔU_dc为：

ΔU_dc＝R^*ΔI_dc＝R^*(ΔI_dca+ΔI_dcp)，其中，R*为虚拟电阻值。

3.如权利要求2所述的一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，

所述直流电流指令I_ord表示为：

其中，I_max、I_min分别为所述低压限流控制器中直流电流指令的最大值与最小值；U_max、U_min分别为所述低压限流控制器中直流电压的最大值与最小值，且U_max<1；U_dc为逆变侧直流电压值。

4.如权利要求2所述的一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其特征在于，所述虚拟电阻值R*为0.75pu。

5.如权利要求1所述的一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，低压限流控制器的启动判据为以下之一：

(1)换流站所接电压母线零序电压分量U₀幅值大于第一预设值U_levelI，其中，3U₀＝U_a+U_b+U_c，U_a、U_b、U_c分别为A、B、C三相电压矢量；

(2)故障前后检测到的逆变侧交流电压经abc-αβ变换得到α-β平面上以角速度旋转的矢量U_αβ幅值之差大于第二预设值U_levelII，其中，

(3)所述直流电流预测变化量ΔI_dcp大于换相失败临界电流变化量

其中，

k为逆变侧换流变压器变比，N为逆变站中6脉波换流器个数，X_c为换相电抗，E_aciN为逆变侧交流系统额定线电压，γ₀为临界熄弧角，α_iN为逆变器额定触发角，I_dN为额定直流电流。

6.如权利要求5所述的一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，还包括：

S4：当所述低压限流控制器持续工作预设时间后，判断是否满足所述启动判据，若满足，所述低压限流控制器继续工作所述预设时间，直至所述低压限流控制器退出。

7.如权利要求5所述的一种抑制换相失败的低压限流控制方法，其特征在于，所述第一预设值U_levelI为0.05pu，所述第二预设值U_levelII为0.15pu。

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