CN113595125B - 一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法及装置，以及采用该控制方法进行故障处理的高压直流输电系统。本发明的控制方法，通过对逆变侧故障状态的检测，触发控制信号，并在控制信号有效期间通过对整流侧和逆变侧的电流控制和触发角限制值控制，实现了故障过程中整流侧换流站始终消耗一定的无功功率，减小了送端交流过电压的风险，避免了送端可再生能源风机的大面积脱网，保证了以新能源发电为主体的交直流混联大电网的可靠稳定运行。

Description

一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法及装置

技术领域

本发明涉及高压直流输电以及电力电子技术领域，尤其涉及一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法及装置。

背景技术

特高压直流输电系统的大规模应用形成了一个庞大的交直流混联电网，当交直流系统发生故障时，送端电网因大量能量输出受阻而受到严重冲击，毫秒数量级内的直流暂态能量平衡与过电压抑制是迫切需要解决的问题。特别是面向大规模风、光可再生能源可靠送出的超/特高压直流输电系统而言，受端交流系统接地故障将会导致送端交流系统严重的过电压，交流过电压大于1.1倍额定电压值，将会造成大面积风机脱网事故。

采用串联晶闸管的传统电网换相换流器(LCC)，具有容量大、成本低、损耗小、可靠性高、控制系统简单等优点，广泛应用于高压直流输电工程。然而，位于受端换流站的LCC换流器对交流系统强度要求较高，交流电压扰动下易发生换相失败，引起输送功率剧烈波动甚至中断，对交流系统造成冲击。

目前，多地电网均已形成直流多馈入系统，由于直流落点密集，换流站之间电气耦合紧密，交流系统故障易引发多馈入系统多条线路同时或相继发生换相失败，造成交直流系统功率交换的巨大缺额，对交流电网稳定运行构成严重威胁。针对受端LCC换流器换相失败问题，现有技术主要通过控制系统调整换流器的触发角，来避免部分换相失败的发生或缩短换相失败过程，降低换相失败发生概率和严重程度。但是无法根本上解决LCC换流器换相失败问题，直流多馈入系统换相失败对电网安全稳定的威胁依然存在。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法及装置，以解决现有技术中高压直流输电系统换流器换向失败等故障对交流电网稳定运行产生重大影响的问题。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法，包括步骤：

逆变侧发生故障时，产生长度为ΔT的控制信号；

根据所述控制信号，将整流侧的直流控制模式切换为单极电流控制模式并屏蔽低压限流功能；将逆变侧的换流器进行桥臂旁通并将其触发角限制值设置为第一限制角度；

当所述控制信号结束时，执行恢复和取消操作，将整流侧的直流控制模式恢复为故障前控制模式；取消逆变侧的换流器旁通操作并将触发角限制值恢复至故障前的限制值。

进一步的，所述故障包括交流接地故障或换向失败，发生所述故障时根据如下判据进行判断：

逆变侧三相零序电压幅值大于第一定值Δset₁；或者

逆变侧三相电压幅值小于第二定值Δset₂；或者

逆变侧换流器交直流电流差值大于第三定值Δset₃。

进一步的，将逆变侧触发角限制值恢复至故障前的限制值，包括将逆变侧触发角限制值按照速率为第四定值Δset₄恢复。

进一步的，包括：当所述控制信号结束时，等待第一延时时间ΔT₁后对整流侧和逆变侧执行恢复和取消操作。

进一步的，所述故障前控制模式包括功率控制模式。

进一步的，所述第一限制角度为90度。

根据本发明的第二个方面，提供了一种高压直流输电系统暂态过电压控制装置，包括故障检测模块、控制信号产生模块、故障处理模块、以及故障恢复模块；其中，

所述故障检测模块，用于检测逆变侧是否发生故障；

所述控制信号产生模块，在故障检测模块检测到逆变侧发生故障时，产生长度为ΔT的控制信号；

所述故障处理模块，用于根据控制信号，将整流侧的直流控制模式切换为单极电流控制模式并屏蔽低压限流功能；将逆变侧的换流器进行桥臂旁通并将其触发角限制值设置为第一限制角度；

所述故障恢复模块，用于当控制信号结束时，执行恢复和取消操作，将整流侧的直流控制模式恢复为故障前控制模式；取消逆变侧的换流器旁通操作并将触发角限制值恢复至故障前的限制值。

根据本发明的第三个方面，提供了一种高压直流输电系统，所述高压直流输电系统包括送端整流侧换流器、受端逆变侧换流器、以及连接于送端整流侧换流器和受端逆变侧换流器之间的高压直流架空线路，

所述高压直流输电系统在逆变侧发生故障时，采用如本发明第一个方面所述的方法进行故障处理。

根据本发明的第四个方面，提供了一种处置装置，所述处理装置包括处理器，所述处理器用于运行程序，所述程序运行时执行如本发明第一个方面所述的方法。

根据本发明的第五个方面，提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一个方面所述的方法。

综上所述，本发明提供了一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法及装置，以及采用该控制方法进行故障处理的高压直流输电系统。本发明的控制方法，通过对逆变侧故障状态的检测，触发控制信号，并在控制信号有效期间通过对整流侧和逆变侧的电流控制和触发角限制值控制，实现了故障过程中整流侧换流站始终消耗一定的无功功率，减小了送端交流过电压的风险，避免了送端可再生能源如风机的大面积脱网，保证了以新能源发电为主体的交直流混联大电网的可靠稳定运行。

本发明具有如下有益的技术效果：

(1)通过对逆变侧电流、电压以及交直流电流差值的实时监测，及时发现故障状态并触发控制信号进行故障处理，提高了高压直流输电系统故障发现和处理的实时性。

(2)逆变侧和整流侧均根据控制信号进行故障处理，控制信号结束后，整流侧配合逆变侧完成直流电压的恢复并始终保持直流电流为故障前水平，实现了故障过程中整流侧换流站始终消耗一定的无功功率，减小了送端交流过电压的风险。

(3)将逆变侧触发角限制在90度状态有利于整流侧控制直流电流为故障前水平，并且是故障消失后恢复阶段抑制交流过电压的关键措施，提高了故障后系统的恢复效率。

附图说明

图1是本发明高压直流输电系统暂态过电压控制方法的流程图；

图2是本发明高压直流输电系统暂态过电压控制装置的构成框图；

图3是本发明高压直流输电系统的拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法，该方法的流程图如图1所示，包括如下步骤：

1、逆变侧发生故障时，产生长度为ΔT的控制信号。该故障例如可以为交流接地故障或换向失败故障，控制信号可以为零功率控制信号。

该控制信号的持续时间ΔT例如为200ms。在高压直流输电系统稳定运行时，通过实时采集逆变侧的三相电流、电压等信号来进行故障判断，通过求取逆变侧的三相零序电压幅值，α/β变换三相电压幅值、以及换流器交直流侧的电流值以进行故障判断。判断逆变侧是否发生故障，如交流接地故障或换向失败故障，可以根据如下判据进行判断：

逆变侧三相零序电压幅值大于第一定值Δset₁；或者

逆变侧三相电压幅值小于第二定值Δset₂；或者

逆变侧换流器交直流电流差值大于第三定值Δset₃。

例如可以采用如下判断逻辑来生成控制信号：

(U_{ac_unll}＞Δset₁)||(U_{ac_αβ}＜Δset₂)||(I_{v_dc}-I_{v_ac}＞Δset₃)

即在上述公式的条件满足时，该控制信号有效。

其中U_{ac_unll}为三相零序电压幅值，U_{ac_αβ}为三相电压幅值，I_{v_dc}和I_{v_ac}分别为换流器直流侧与交流侧电流。第一定值Δset₁典型取值为0.1标幺、第二定值的典型取值为0.9标幺、第三定值的典型取值为0.07标幺。

2、根据该控制信号，将整流侧的直流控制模式切换为单极电流控制模式并屏蔽低压限流功能；高压直流输电系统中，整流侧的直流控制模式通常包括双极功率控制模式、单极功率控制模式和单极电流控制模式，正常情况下，整流侧的直流控制模式一般为功率控制模式，在检测到逆变侧故障发生时，将整流侧的直流控制模式切换为单极电流控制模式，可以使得整流侧控制系统始终保持故障前的直流电流水平，避免了功率控制模式下因故障过程中直流电压的波动造成的功率的波动；并且，将逆变侧的换流器进行桥臂旁通并将其触发角限制值设置为第一限制角度，将逆变侧的换流器设置为换流桥臂旁通状态，以使其直流侧短路，同时，控制逆变器换流器的触发角限制值为第一限制角度，该第一限制角度可设置为90度，即换流器最终触发角为直流电压控制器输出与触发角限制值中的较小者。将逆变侧触发角限制值设置在90度状态有利于整流侧控制直流电流为故障前水平，并且是故障消失后恢复阶段抑制交流过电压的关键措施。

3、当所述控制信号结束时，执行恢复和取消操作，将整流侧的直流控制模式恢复为故障前控制模式，故障前的控制模块例如为功率控制模式，其中包括单极功率控制模式和双极功率控制模式；取消逆变侧的换流器旁通操作并将触发角限制值恢复至故障前的限制值，优选的，等待第一延时时间ΔT₁之后执行取消和恢复操作。检测到交流电网单相或三相接地故障消失，检测依据为控制信号的持续时间加第一延时时间ΔT₁，其典型取值可选为100ms，增加该第一延时时间主要用于弥补逆变侧与整流侧之间的站间通信综合延时。

此时，控制整流侧直流电流和逆变侧直流电压，将直流输电系统恢复到故障前状态。控制整流侧与逆变侧配合将直流输电系统恢复到故障前稳定状态；整个故障及恢复过程中，整流侧始终控制直流电流，逆变侧控制直流电压，在该直流恢复过程中，整流侧直流电流控制器始终为激活状态，将逆变侧换流器触发角限制值按照第四定值Δset₄的速率恢复到直流电压控制器的正常输出值，该第四定值Δset₄优选取值为0.45度/毫秒，逆变侧触发角限制值按速率恢复有利于减小恢复期间对交流电压的影响，加快交直流系统的整体恢复，从而使得直流输电系统恢复到故障前功率传输水平。

根据本发明的第二个实施例，提供了一种高压直流输电系统暂态过电压控制装置，该装置的构成框图如图2所示，包括故障检测模块、控制信号产生模块、故障处理模块、以及故障恢复模块。

故障检测模块用于检测逆变侧是否发生故障，该故障例如可以为交流接地故障或换向失败故障。逆变侧发生交流接地故障或换向失败故障的判据可以根据以下条件判断：

逆变侧三相零序电压幅值大于第一定值Δset₁；或者

逆变侧三相电压幅值小于第二定值Δset₂；或者

逆变侧换流器交直流电流差值大于第三定值Δset₃。

控制信号产生模块，在故障检测模块检测到逆变侧发生交流接地故障或换向失败故障时，产生长度为ΔT的控制信号，控制信号可以为零功率控制信号。该控制信号可以在逆变侧产生，并通过快速站间通信方式发送至整流侧，以实现整流侧和逆变侧同时进行故障处理。

故障处理模块，用于根据控制信号，将整流侧的直流控制模式切换为单极电流控制模式并屏蔽低压限流功能；将逆变侧的换流器进行桥臂旁通并将其触发角限制值设置为第一限制角度。

故障恢复模块，用于当控制信号结束时，将整流侧的直流控制模式恢复为故障前控制模式；取消逆变侧的换流器旁通操作并将触发角限制值恢复至故障前的限制值，例如将逆变侧触发角限制值按照速率为第四定值Δset₄恢复。

根据本发明的第三个实施例，提供了一种高压直流输电系统，该高压直流输电系统的拓扑结构示意图如图3所示，该系统包括送端整流侧换流器、受端逆变侧换流器以及连接于送端整流侧换流器和受端逆变侧换流器之间的高压直流架空线路。送端整流侧换流器例如为LCC(Line Commutated Converter)换流器，受端逆变侧换流器例如为LCC(LineCommutated Converter)换流器，如图3所示，送端整流侧换流器可以由换流阀11Y、11D……14Y、14D组成，受端逆变侧换流器可以由换流阀21Y、21D……24Y、24D组成。高压直流输电系统的结构也可以不限于以上实例中的结构，可以为其他常见的用于高压直流输电系统换流器拓扑结构。本发明该实施例提供的高压直流输电系统在逆变侧发生交流接地故障或换向失败故障时，采用如本发明第一个实施例所述的控制方法进行故障处理，具体的控制方法已在本发明第一个实施例中进行说明，在此不再赘述。

根据本发明的第四个实施例，提供了一种处置装置，该处理装置包括处理器，处理器用于运行程序，所述程序运行时执行如本发明第一个方面所述的方法。处置装置包括嵌入式工业控制平台或PC装置，该处置装置用于实现如本发明第一个方面所述的控制方法。

根据本发明的第五个实施例，提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述存储有计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一个方面所述的方法。

综上所述，本发明涉及一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法及装置，以及采用该控制方法进行故障处理的高压直流输电系统。本发明的控制方法，通过对逆变侧故障状态的检测，触发控制信号，并在控制信号有效期间通过对整流侧和逆变侧的电流控制和触发角限制值控制，实现了故障过程中整流侧换流站始终消耗一定的无功功率，减小了送端交流过电压的风险，避免了送端可再生能源风机的大面积脱网，保证了以新能源发电为主体的交直流混联大电网的可靠稳定运行。本发明通过对逆变侧电流电压以及交直流电流差值的实时监测，及时发现故障状态并触发控制信号进行故障处理，提高了高压直流输电系统故障发现和处理的实时性。逆变侧和整流侧均根据控制信号进行故障处理，整流侧配合逆变侧完成直流电压的恢复并始终保持直流电流为故障前水平，实现了故障过程中整流侧换流站始终消耗一定的无功功率，减小了送端交流过电压的风险。将逆变侧触发角限制在90度状态有利于整流侧控制直流电流为故障前水平，并且是故障消失后恢复阶段抑制交流过电压的关键措施，提高了故障后系统的恢复效率。

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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。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。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置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。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供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步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高压直流输电系统暂态过电压控制方法，其特征在于，包括步骤：

逆变侧发生故障时，产生长度为ΔT的控制信号；

根据所述控制信号，将整流侧的直流控制模式切换为单极电流控制模式并屏蔽低压限流功能；将逆变侧的换流器进行桥臂旁通并将其触发角限制值设置为第一限制角度；

当所述控制信号结束时，执行恢复和取消操作，将整流侧的直流控制模式恢复为故障前控制模式；取消逆变侧的换流器旁通操作并将触发角限制值恢复至故障前的限制值；

所述故障包括交流接地故障或换向失败故障，发生所述故障时根据如下判据进行判断：

逆变侧三相零序电压幅值大于第一定值Δset₁；或者

逆变侧三相电压幅值小于第二定值Δset₂；或者

逆变侧换流器交直流电流差值大于第三定值Δset₃；

将逆变侧触发角限制值恢复至故障前的限制值，包括将逆变侧触发角限制值按照速率为第四定值Δset₄恢复。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：当所述控制信号结束时，等待第一延时时间ΔT₁后对整流侧和逆变侧执行恢复和取消操作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障前控制模式包括功率控制模式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一限制角度为90度。

5.一种高压直流输电系统暂态过电压控制装置，其特征在于，包括故障检测模块、控制信号产生模块、故障处理模块、以及故障恢复模块；其中，

所述故障检测模块，用于检测逆变侧是否发生故障；

所述故障包括交流接地故障或换向失败故障，发生所述故障时根据如下判据进行判断：

逆变侧三相零序电压幅值大于第一定值Δset₁；或者

逆变侧三相电压幅值小于第二定值Δset₂；或者

逆变侧换流器交直流电流差值大于第三定值Δset₃；

所述控制信号产生模块，在故障检测模块检测到逆变侧发生故障时，产生长度为ΔT的控制信号；

所述故障处理模块，用于根据所述控制信号，将整流侧的直流控制模式切换为单极电流控制模式并屏蔽低压限流功能；将逆变侧的换流器进行桥臂旁通并将其触发角限制值设置为第一限制角度；

所述故障恢复模块，用于当所述控制信号结束时，执行恢复和取消操作，将整流侧的直流控制模式恢复为故障前控制模式；取消逆变侧的换流器旁通操作并将触发角限制值恢复至故障前的限制值；将逆变侧触发角限制值恢复至故障前的限制值，包括将逆变侧触发角限制值按照速率为第四定值Δset₄恢复。

6.一种高压直流输电系统，所述高压直流输电系统包括送端整流侧换流器、受端逆变侧换流器、以及连接于送端整流侧换流器和受端逆变侧换流器之间的高压直流架空线路，其特征在于，

所述高压直流输电系统在逆变侧发生故障时，采用如权利要求1-4中任意一项所述的方法进行故障处理。

7.一种处理装置，所述处理装置包括处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，所述程序运行时执行权利要求1-4中任意一项所述的方法。

8.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。