CN113241749B - 基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法 - Google Patents

基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，当检测到高压直流换相失败引发的送端整流侧过电压超过启动门槛时，根据送端三相电压变化量和虚拟电阻得到直流电流附加调节量；为提升暂态过电压抑制的快速性，定义归算因子并将虚拟电阻归算至定电流控制器的输出端，直流电流附加调节量转化为触发角附加调节量，并叠加到定电流控制器的输出端进行控制。其中，虚拟电阻的参数选取综合考虑暂态过电压抑制效果和逆变侧换相裕度约束下的直流电流控制范围。本发明方法可将送端暂态过电压特性引入到整流侧定电流控制器，在不增加额外无功设备投资成本的基础上，有效抑制直流换相失败期间送端电网的暂态过电压水平。

Description

基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法
技术领域
本发明属于电力系统保护和控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法。
背景技术
由于能源和负荷中心呈逆向分布特点，使得电网换相换流器型高压直流输电技术(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)在大容量、远距离输电工程中得到了广泛的应用。换相失败是LCC-HVDC系统运行中的常见故障，当受端交流电网电压受到扰动后，LCC逆变站容易发生换相失败。在换相失败期间，换流站与电网之间交换的无功功率也会大幅波动，从而引发整流站近区电网的过电压现象。
由于目前许多风机高电压穿越能力一般设置为1.1p.u.无延迟脱网，换相失败期间送端电网的过电压有可能引起整流站近区风电机组大面积脱网，实际电网运行中也多次暴露了风电机组对交流电网电压变化敏感的问题。因此，降低高压直流整流站近区过电压水平对于避免交直流混联电网连锁反应风险具有重要意义。
随着送端新能源比例的增大和直流传输容量的提升，直流系统换相失败期间送端电网的暂态过电压问题已逐渐得到许多学者的关注，目前的研究主要集中在换相失败期间送端电网无功特性和暂态过电压抑制策略两方面。
在换相失败期间送端无功/电压特性研究方面，研究人员通过仿真和实际案例分析了特高压直流在扰动期间送端暂态过电压引起的风电机组高压脱网问题以及换相失败不同阶段换流站的无功特性，得出了送端近区交流电压呈现“先降低后升高”的变化特性。
在换相失败期间送端暂态过电压抑制策略方面，由于换相失败引起的送端过电压一般发生在换相失败后的几十毫秒内，基于换流站交流滤波器投切的传统直流无功控制方法(一般延时200ms)，无法充分满足快速控制需求。目前的研究主要从改进换流站控制策略或增加无功补偿设备角度开展。在换流站控制策略改进方面包括引入逆变站主动投旁通对策略、增加直流斩波器、改进整流站定电流控制器的时间常数等方法。然而，以上方法将不同程度上影响直流功率恢复速率和连续换相失败风险。在增加无功补偿设备方面包括在整流侧增加调相机来抑制送端系统暂态过电压的协调控制方法，但该策略将大大增加电网投资成本。
针对现有高压直流换相失败期间送端电网暂态过电压抑制方法存在的不足，本发明提出了一种基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，将暂态过电压特性引入到整流侧定电流控制器，在不增加额外无功设备投资成本的基础上，有效抑制高压直流换相失败期间送端电网的暂态过电压水平。
本发明采用如下的技术方案。
一种基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，所述方法包括步骤：
步骤S1，当检测到换相失败引发的送端电网三相电压变化量Δuαβ超过启动门槛值εH时，根据三相电压变化量Δuαβ、虚拟电阻Rv得到整流侧定电流控制器直流电流附加调节量ΔId；
步骤S2，定义归算因子kv，并将虚拟电阻归算至定电流控制器的输出端，直流电流附加调节量ΔId转化为触发角附加调节量Δαr，并叠加到定电流控制器的输出端进行控制；
步骤S3，当检测到送端电网三相电压变化量小于设定退出门槛值εL时，退出虚拟电阻控制。
进一步地，所述步骤S1中，
通过虚拟电阻Rv将暂态过电压实时引入整流侧定电流控制器，直流电流附加调节量ΔId的计算公式为：
ΔId＝Δuαβ/Rv。
进一步地，所述步骤S1中，
虚拟电阻的参数选取综合考虑暂态过电压抑制效果和逆变侧换相裕度约束下的直流电流控制范围。
进一步地，所述步骤S1中，
虚拟电阻Rv的换相裕度约束：
Figure BDA0003078530680000031
其中，
Figure BDA0003078530680000032
为额定直流电流，Δuαβ为基于abc/αβ变换得到的三相电压变化量，γlim为临界关断角，L为每相的换相电感，ω为电网基波角频率，β为逆变侧触发超前角，ULL为逆变侧换流变阀侧电压有效值，φ为相角偏移。
进一步地，所述步骤S2中，
归算至定电流控制器输出端的虚拟电阻Rv′为：
Rv′＝Rv/kv。
进一步地，所述步骤S2中，
触发角附加调节量Δαr为：
Δαr＝Δuαβkv/Rv。
进一步地，所述步骤S2中，
归算因子kv等于整流侧定电流控制器PI参数的比例系数。
进一步地，所述步骤S1中，
虚拟电阻控制启动门槛值εH取值范围为1.06p.u.～1.10p.u.。
进一步地，所述步骤S3中，
虚拟电阻控制退出门槛值εL取值范围为1.02p.u.～1.05p.u.。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
当电网运行正常时，虚拟电阻控制环节不影响直流系统的稳态运行。当检测到整流侧出现过电压时，本发明所述控制策略通过将暂态过电压因素引入整流侧定电流控制器，实现动态调节整流侧触发角以抑制整流侧无功不平衡和暂态过电压问题。
附图说明
图1是本发明所述的基于虚拟电阻的暂态过电压抑制方法流程图；
图2是本发明抑制方法实施例框图；
图3是本发明与其他控制方法相比较的仿真验证图；a送端交流电压有效值，b逆变侧有功功率，c直流电流，d逆变侧关断角。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明所述的基于虚拟电阻的高压直流换相失败期间送端电网暂态过电压抑制方法：当检测到高压直流换相失败引发整流侧暂态过电压，且三相电压变化量超过启动门槛值时，根据三相电压变化量和虚拟电阻大小得到定电流控制器直流电流附加调节量；为提升暂态过电压抑制的快速性，定义归算因子，并将虚拟电阻归算至定电流控制器的输出端，直流电流附加调节量转化为触发角附加调节量，并叠加到定电流控制器的输出端进行控制；当检测到送端三相电压变化量小于设定退出门槛值时，退出虚拟电阻控制环节。
其中，虚拟电阻的参数选取应综合考虑暂态过电压抑制效果和逆变侧换相裕度约束下的直流电流控制范围。
如图1所示，本发明所述的基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，当检测到高压直流换相失败引发送端电网整流侧出现暂态过电压，且三相电压变化量Δuαβ超过启动门槛值εH时，根据三相电压变化量Δuαβ、虚拟电阻Rv得到整流侧定电流控制器直流电流附加调节量ΔId；
其中，虚拟电阻控制环节启动门槛值εH取值范围为1.06p.u.～1.10p.u.。
整流侧定电流控制器直流电流附加调节量ΔId的计算公式为：
ΔId＝Δuαβ/Rv
虚拟电阻Rv的参数选取应满足换相裕度需求约束，虚拟电阻Rv应满足：
Figure BDA0003078530680000051
其中，
Figure BDA0003078530680000052
为额定直流电流，Δuαβ为基于abc/αβ变换得到的三相电压变化量，γlim为临界关断角，一般取值范围为7～10°；L为每相的换相电感，ω为电网基波角频率，β为逆变侧触发超前角，ULL为逆变侧换流变阀侧电压有效值，φ为相角偏移。
相角偏移φ为：
Figure BDA0003078530680000053
其中，ΔUa为a相电压跌落幅值。当三相电压对称跌落时，有φ＝0。
步骤S2，考虑到定电流控制器PI环节的控制滞后作用，定义归算因子kv，并将虚拟电阻Rv归算至定电流控制器的输出端，得到归算至定电流控制器输出端的虚拟电阻Rv′，以及将直流电流附加调节量转换为触发角附加调节量Δαr，并叠加到定电流控制器的输出端进行控制；
其中，归算至定电流控制器输出端的虚拟电阻Rv′为：
Rv′＝Rv/kv
整流侧触发角附加调节量Δαr的计算公式为：
Δαr＝Δuαβkv/Rv
其中，归算因子kv等于整流侧定电流控制器PI参数的比例系数。
步骤S3，当检测到送端电网整流侧暂态过电压的三相电压变化量Δuαβ小于设定退出门槛值εL时，退出虚拟电阻控制环节。
其中，虚拟电阻控制环节退出门槛值εL取值范围为1.02p.u.～1.05p.u.。
下面是本发明的一个具体仿真验证实例：
为验证基于虚拟电阻的高压直流换相失败期间送端电网暂态过电压抑制方法的有效性，在PSCAD/EMTDC中基于CIGRE标准测试模型进行仿真验证。仿真模型主要参数如下：
换流站采用12脉动换流器，额定直流电压为500kV，额定直流电流为2kA，换流变压器高压侧交流母线额定电压Ui＝230kV，换流变比k＝0.909，极对数N＝2，变压器二次侧等值短路阻抗X＝13.32Ω，无功补偿装置等值容纳Bc＝0.01184S。虚拟电阻控制环节启动和退出的门槛值分别取为1.07p.u.和1.02p.u.。针对CIGRE高压直流标准测试仿真模型，选取虚拟电阻Rv′为0.38。
以CIGRE高压直流标准测试仿真模型为例，所提控制策略的实施框图，如图2所示。为验证本发明所提控制方法的控制效果，选取常规控制方法与本发明所提控制方法进行仿真对比。逆变侧交流母线在1.0s时设置对称电感型短路故障，故障持续时间0.1s，过渡电感Lf＝0.1H。不同控制方法下送端交流电压有效值、直流传输功率、直流电流和逆变侧关断角仿真结果，如图3所示。
由图3可知，当受端电网发生交流故障后，本发明所提控制策略应用前后整流侧暂态过电压幅值分别为1.14p.u.和1.09p.u.，通过优化暂态期间直流电流和触发角变化过程，暂态过电压水平可有效限制在1.1p.u.以内，送端暂态过电压均在故障清除后的0.1s后达到额定电压。
两种控制方法作用下直流系统均只发生了1次换相失败，整流传输功率暂降水平和恢复时间基本相同，所提控制策略并不影响直流暂态功率水平和故障恢复过程。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
当电网运行正常时，虚拟电阻控制环节不影响直流系统的稳态运行。当检测到整流侧出现过电压时，本发明所述控制策略通过将暂态过电压因素引入整流侧定电流控制器，实现动态调节整流侧触发角以抑制整流侧无功不平衡和暂态过电压问题。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
步骤S1，当检测到换相失败引发的送端电网三相电压变化量Δuαβ超过启动门槛值εH时，根据三相电压变化量Δuαβ、虚拟电阻Rv得到整流侧定电流控制器直流电流附加调节量ΔId；
虚拟电阻的参数选取综合考虑暂态过电压抑制效果和逆变侧换相裕度约束下的直流电流控制范围；
虚拟电阻Rv的换相裕度约束：
Figure FDA0003386914060000011
其中，
Figure FDA0003386914060000012
为额定直流电流，Δuαβ为基于abc/αβ变换得到的三相电压变化量，γlim为临界关断角，L为每相的换相电感，ω为电网基波角频率，β为逆变侧触发超前角，ULL为逆变侧换流变阀侧电压有效值，φ为相角偏移；
步骤S2，定义归算因子kv，并将虚拟电阻归算至定电流控制器的输出端，直流电流附加调节量ΔId转化为触发角附加调节量Δαr，并叠加到定电流控制器的输出端进行控制；
步骤S3，当检测到送端电网三相电压变化量小于设定退出门槛值εL时，退出虚拟电阻控制。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，
通过虚拟电阻Rv将暂态过电压实时引入整流侧定电流控制器，直流电流附加调节量ΔId的计算公式为：
ΔId＝Δuαβ/Rv。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中，
归算至定电流控制器输出端的虚拟电阻R′v为：
R′v＝Rv/kv。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中，
触发角附加调节量Δαr为：
Δαr＝Δuαβkv/Rv。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中，
归算因子kv等于整流侧定电流控制器PI参数的比例系数。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，
虚拟电阻控制启动门槛值εH取值范围为1.06p.u.～1.10p.u.。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟电阻的换相失败期间送端电网暂态过压抑制方法，其特征在于，所述步骤S3中，
虚拟电阻控制退出门槛值εL取值范围为1.02p.u.～1.05p.u.。
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