CN113629708A - 混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控制方法 - Google Patents

混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控制方法，当混合直流输电系统受端交流电网发生短路故障，受端交流母线电压跌落，测量出此时交流母线电压有效值；由于混合型MMC具有主动降直流电压运行的能力，在保证受端MMC输出电流始终在额定电流范围内的前提下，通过设置直流电压参考值并使其不高于交流母线电压有效值的控制方式，使得受端功率能够送出去，从而抑制了受端换流器过电压。本发明通过主动降低受端直流电压，减少受端的能量吸收，避免发生受端系统功率盈余，从而抑制了受端换流器过电压，提高了系统的运行可靠性，适用于长距离大容量柔性直流输电场合。

Description

混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控 制方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控制方法。
背景技术
目前已有的大多数高压直流输电工程均采用基于电网换相换流器(LCC)的传统直流输电技术，具有造价低、损耗小、技术成熟等优点，但同时也存在逆变侧易换相失败、无法向弱交流系统或无源系统送电等缺点。基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电技术近年来受到学术界和工业界的广泛关注，相比传统直流输电技术，具有无换相失败风险、可以向无源电网供电、有功无功独立控制、谐波水平低等优势，但也存在运行损耗较大，投资成本高等缺点。
为了充分发挥电网换相换流器LCC和MMC各自的优势，近期基于LCC和MMC的混合直流输电系统越来越受到各界的关注，它有效扩展了直流输电系统的适用范围，必将成为未来大规模、远距离、大容量输电的一个发展方向。其中，LCC-F/HMMC型混合直流输电系统在送端使用LCC，能够充分发挥其损耗低和技术成熟度高的优势；在受端采用全桥子模块与半桥子模块混合型MMC(即F/HMMC)，既可以解决逆变侧的换相失败问题，也发挥了全桥子模块的直流故障自清除能力；由于F/HMMC每个桥臂是由HBSM和FBSM混合级联而成，因而能够减少使用的电力电子器件数，同时减少运行损耗，有利于面向工程。
混合直流输电系统受端交流系统发生短路故障，造成能量输送受阻，而送端在短时间内通常难以快速响应，造成受端系统暂时功率盈余，从而在受端换流器上产生过电压。因此，当受端交流系统发生故障后，受端需要主动降直流电压以减少能量吸收，保证功率能够送出去，避免受端换流器过电压，提升混合直流输电系统的运行可靠性。
文献[徐雨哲,徐政,张哲任等.基于LCC和混合型MMC的混合直流输电系统控制策略[J].广东电力,2018,31(9):13-25]中分析了混合型MMC的运行原理及受端换流器直流电压运行范围与子模块配比之间的关系，研究了混合直流输电系统直流侧故障自清除问题和送端交流系统故障后的功率续传问题，但是未针对受端交流系统短路故障后受端换流器产生过电压的情况进行分析。文献[李晓栋,徐政等.3种混合直流输电系统的交流故障特性对比[J].电力自动化设备,2019,39(09):228-235]中针对受端交流系统的严重故障，利用F/HMMC的降直流电压运行能力，逆变侧MMC采用后备降直流电压的附加控制，减小送端直流功率，降低受端MMC承受的过电压；但是由于送端在短时间内难以快速响应，仍可能造成受端暂时功率盈余而造成受端换流器过电压，且未给出故障期间的详细控制环节。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控制方法，由于混合型MMC具有主动降直流电压运行的能力，在保证受端MMC输出电流始终在额定电流范围内的前提下，通过设置直流电压参考值并使其不高于交流母线电压有效值的控制方式，使得受端功率能够送出去，从而抑制了受端换流器过电压。
一种混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控制方法，所述混合直流输电系统的送端换流器采用LCC，受端换流器采用全桥子模块和半桥子模块混合的MMC，所述控制方法包括如下步骤：
(1)稳态运行时，送端换流器采用定直流电流控制，受端换流器采用定直流电压控制；
(2)当受端电网发生短路故障后，受端交流母线电压跌落，测量出此时受端交流母线的电压有效值Us；
(3)使送端换流器仍保持定直流电流控制，保证受端换流器输出电流在额定电流范围内的前提下，将受端换流器的工作模式切换至直流电压降压运行模式；
(4)确定受端换流器的直流电压指令值Udc_ref，使其始终不大于受端交流母线电压有效值Us，并根据该指令值对受端换流器进行定直流电压控制。
进一步地，所述步骤(1)中稳态运行下的受端换流器，其桥臂电压满足以下关系式；
Figure BDA0003241379830000031
Figure BDA0003241379830000032
其中：upj为受端换流器j相上桥臂电压，unj为受端换流器j相下桥臂电压，Udc为受端换流器的直流电压，uvj为受端换流器j相输出电压，j＝a、b或c。
所述步骤(2)中受端电网发生短路故障后，受端交流母线电压降落，导致接收的功率降低，由于送端换流器采用定直流电流控制，直流电流被限住，直流功率会随着直流电压线性下降，便能够将功率送出。因此，测量出受端交流母线电压有效值Us，作为后面控制必需的一个已知量。
进一步地，所述步骤(3)中将受端换流器的工作模式切换至直流电压降压运行模式，需保证受端换流器的直流电压运行范围满足以下关系式；
Mac-2KFB≤Mdc≤2-Mac
其中：Mdc为受端换流器直流侧电压调制比，Mac为受端换流器交流侧电压调制比，KFB为单桥臂中全桥子模块的占比。
进一步地，所述受端换流器的直流侧电压调制比Mdc和交流侧电压调制比Mac的表达式如下：
Figure BDA0003241379830000033
其中：Udc为受端换流器的直流电压，Udcn为受端换流器的额定直流电压，Um为受端换流器阀侧相电压幅值。
进一步地，所述步骤(3)中将受端换流器的工作模式切换至直流电压降压运行模式，需保证受端换流器的桥臂电压范围满足以下关系式；
Figure BDA0003241379830000034
其中：upj为受端换流器j相上桥臂电压，unj为受端换流器j相下桥臂电压，j＝a、b或c，NFB为单桥臂中全桥子模块的数量，Ntotal为单桥臂中子模块的总数量，Ucn为子模块电容的额定电压且Ucn＝Udcn/Ntotal，Udcn为受端换流器的额定直流电压。
进一步地，所述步骤(4)中当受端电网发生短路故障后，受端交流母线电压有效值Us的跌落范围为0～1pu，此时设定受端换流器的直流电压指令值Udc_ref始终低于Us，两者之间的差值取为0.1pu，保证功率能够送出去，系统就永不会过载，从而实现抑制受端换流器过压的目的。
本发明在混合直流输电系统受端交流电网故障发生后，首先测量出受端交流母线电压的有效值，利用受端换流器主动降直流电压运行的能力，通过设置直流电压指令值并使其不高于受端交流母线电压有效值的控制方式，同时结合送端换流器的定直流电流控制，保证受端MMC输出电流始终在额定电流范围内，受端吸收的功率便随着直流电压线性下降。本发明控制方法通过主动降低受端直流电压，减少受端的能量吸收，避免发生受端系统功率盈余，从而抑制了受端换流器过电压，提高了系统的运行可靠性，适用于长距离大容量柔性直流输电场合。
在本发明控制方法下混合直流输电系统仍然可以传输一定量的功率，即使受端电网发生最严重的三相金属线短路故障，受端交流母线电压跌落至0，可以通过设置受端换流器直流电压参考值为0的方案实现功率传输的阻断；当故障切除后，混合直流输电系统能够顺利地恢复功率传输。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.采用本发明方法，无需与送端换流器之间进行通信，也无需改变送端换流器的控制方式，简单且响应速度快。
2.本发明方法除了能够抑制受端换流器过电压外，同时保证了混合直流输电系统在故障期间仍能够输送一定的功率，提高了混合直流输电系统的可靠性。
附图说明
图1为混合直流输电系统的拓扑结构示意图。
图2为MMC的拓扑结构示意图。
图3(a)为混合MMC的桥臂结构示意图。
图3(b)为半桥子模块的拓扑结构示意图。
图3(c)为全桥子模块的拓扑结构示意图。
图4为受端换流站的控制策略框图。
图5(a)为受端电网短路故障后，受端交流母线电压有效值波形图。
图5(b)为受端电网短路故障后，采用本发明控制策略下混合直流输电系统整流侧和逆变侧的直流电压波形图。
图5(c)为受端电网短路故障后，采用本发明控制策略下混合直流输电系统整流侧和逆变侧的直流电流波形图。
图5(d)为受端电网短路故障后，采用本发明控制策略下混合直流输电系统整流侧和逆变侧的直流功率波形图。
图6为受端电网短路故障后，采用本发明控制策略下混合直流输电系统受端换流器的桥臂电压波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施方式针对的混合直流输电系统为LCC-F/HMMC型混合直流输电系统，即送端采用LCC，受端采用全桥子模块和半桥子模块混合型MMC；当受端交流电网发生短路故障后，受端能量送出受阻，通过控制器的设计抑制受端换流器的过电压，具体控制方法包括如下步骤：
(1)稳态运行时，整流侧LCC采用定直流电流控制，逆变侧F/HMMC采用定直流电压控制。
稳态运行下的受端MMC换流器，其桥臂电压始终满足以下关系式(j＝a,b,c)：
Figure BDA0003241379830000051
Figure BDA0003241379830000052
其中：upj为上桥臂电压，unj为下桥臂电压，Udc为直流电压，uvj为输出交流电压。将上述两式相加减分别得到上下桥臂电压的表达式：
Figure BDA0003241379830000061
Figure BDA0003241379830000062
(2)当受端交流电网发生短路故障后，受端交流母线电压跌落，测量出此时受端交流母线电压有效值Us。
受端交流系统发生短路故障后，受端交流母线电压降落，导致接收的功率降低；由于送端LCC采用定直流电流控制，直流电流被限住，直流功率会随着直流电压线性下降，便能够将功率送出。因此，测量出受端交流母线电压有效值Us，作为后面F/MMMC控制必需的一个已知量。
(3)整流侧LCC仍保持定直流电流控制，保证受端MMC输出电流在额定电流范围内，逆变侧F/HMMC切换到直流电压降压运行。
F/HMMC切换到直流电压降压运行模式，可以根据以下公式计算出F/HMMC的直流电压运行范围。
已知阀侧三相电压的表达式为：
Figure BDA0003241379830000063
其中：Um为阀侧相电压幅值，ω为工频角速度。
定义Mac为混合型MMC交流侧电压调制比，满足：
Figure BDA0003241379830000064
其中：Udcn为混合型MMC额定直流电压。
Ucn为子模块电容额定电压，它满足：
Figure BDA0003241379830000065
其中：Ntotal为每个桥臂总子模块数。
定义直流侧电压调制比Mdc，其表达式为：
Figure BDA0003241379830000071
将上述表达式代入稳态运行条件下推导出的上下桥臂电压表达式总，以a相为例，可得a相上下桥臂电压需满足以下表达式：
Figure BDA0003241379830000072
Figure BDA0003241379830000073
对于混合型MMC来说，每个桥臂能够输出的电压范围为：
Figure BDA0003241379830000074
最终可以得到混合型子模块直流电压运行范围为：
Mac-2KFB≤Mdc≤2-Mac
实际工程中MMC的交流侧调制比Mac通常取0.85左右，则当全桥子模块比例系数KFB为0.5，即全桥子模块占所有子模块的一半时，混合型MMC直流电压运行范围为[-0.15Udcn,1.15Udcn]，由此可见混合型MMC的直流电压拥有较大的运行范围，符合直流工程中的降直流电压运行的需求。
(4)确定直流电压指令值Udc_ref，使其始终不大于受端交流母线电压有效值Us。
当受端交流电网发生短路故障后，受端交流母线电压Us的跌落范围为0～1pu，此时设定受端换流器直流电压参考值(单位为pu)总是不高于受端交流母线电压Us，比如低一个差值，通常取为0.1pu，功率能够送出去，系统就永远不会过载，从而实现了抑制受端换流器过电压的目的。在这样的控制方法下，混合直流输电系统仍然可以传输一定量的功率，即使受端电网发生最严重的三相金属线短路故障，受端交流母线电压跌落至0，可以通过设置受端换流器直流电压参考值为0的方案实现功率传输的阻断；当故障切除后，混合直流输电系统能够顺利地恢复功率传输。
如图1所示，本实施方式中混合直流输电系统整流站由12脉动LCC，接线方式为Y0/Y和Y0/△的换流变压器，滤波器和无功补偿器等组成；逆变站由全桥子模块和半桥子模块混合型MMC(即F/HMMC，其拓扑结构如图2所示，桥臂及子模块结构如图3(a)～图3(c)所示)，接线方式为Y0/△的换流变压器组成。整流站和逆变站的直流出口侧均串接有平波电抗器，一方面防止雷电等来自直流线路的陡波冲击波进入换流站，换流设备免遭损坏，另一方面抑制直流故障电流的陡增。
混合直流输电系统受端换流器的控制策略如图4所示，当受端交流系统发生故障后，改变直流电压指令值Udc_ref的值来实现控制。
结合图1，采用本发明控制策略实例中的混合直流输电系统参数如表1所示：
表1
Figure BDA0003241379830000081
以下我们通过模拟受端电网发生三相短路故障来验证本发明控制策略的效果。
假定在t＝0.1s时，受端交流电网发生三相短路故障。由图5(a)可以看出，受端交流母线电压有效值Us跌落至0.8pu；故障发生后，F/HMMC切换至直流电压降压运行模式，并设置此时的直流电压指令值Udc_ref为0.7pu。
图4给出了换流站级控制的基本结构，其中下标ref表示参考值，下标mes表示测量值，Ku、KQ和Tu、TQ分别为定电压控制、定无功功率控制的比例系数和积分时间常数；定电压控制输出d轴电流参考值id_ref，q轴电流参考值iq_ref由定无功功率控制给出，两者经内环控制器后，输出电压参考信号uv_ref(k＝d,q)。再根据以下表达式可以得到受端换流器上下桥臂的电压，以此来判断是否产生了过电压。
Figure BDA0003241379830000091
Figure BDA0003241379830000092
本实例测试结果如图5(a)～图5(d)和图6所示，图5(a)给出了受端交流母线电压的有效值，图5(b)给出了整流侧和逆变侧直流电压的响应曲线，图5(c)给出了整流侧和逆变侧直流电流的响应曲线。从上述图中可以看出受端电网发生三相短路故障后，交流电压跌落到0.8pu，因此受端MMC的直流电压指令值设为0.7pu；由于整流侧LCC采用定直流电流控制，将直流电流限住，保证受端MMC输出电流在额定电流范围内，因此直流功率与直流电压的变化成正比。图5(d)给出了整流侧和逆变侧直流功率的响应曲线，受端换流器通过主动降低直流电压，减少能量吸收，保证混合直流输电系统能够传输一定的有功功率。图6为受端换流器的桥臂电压波形图，从图中可以看出，故障发生后未产生过电压，验证了本控制方法能够抑制受端换流器过电压。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种混合直流输电系统受端电网故障下抑制受端换流器过压的控制方法，所述混合直流输电系统的送端换流器采用LCC，受端换流器采用全桥子模块和半桥子模块混合的MMC；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)稳态运行时，送端换流器采用定直流电流控制，受端换流器采用定直流电压控制；
(2)当受端电网发生短路故障后，受端交流母线电压跌落，测量出此时受端交流母线的电压有效值Us；
(3)使送端换流器仍保持定直流电流控制，保证受端换流器输出电流在额定电流范围内的前提下，将受端换流器的工作模式切换至直流电压降压运行模式；
(4)确定受端换流器的直流电压指令值Udc_ref，使其始终不大于受端交流母线电压有效值Us，并根据该指令值对受端换流器进行定直流电压控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中稳态运行下的受端换流器，其桥臂电压满足以下关系式；
Figure FDA0003241379820000011
Figure FDA0003241379820000012
其中：upj为受端换流器j相上桥臂电压，unj为受端换流器j相下桥臂电压，Udc为受端换流器的直流电压，uvj为受端换流器j相输出电压，j＝a、b或c。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中将受端换流器的工作模式切换至直流电压降压运行模式，需保证受端换流器的直流电压运行范围满足以下关系式；
Mac-2KFB≤Mdc≤2-Mac
其中：Mdc为受端换流器直流侧电压调制比，Mac为受端换流器交流侧电压调制比，KFB为单桥臂中全桥子模块的占比。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述受端换流器的直流侧电压调制比Mdc和交流侧电压调制比Mac的表达式如下：
Figure FDA0003241379820000021
其中：Udc为受端换流器的直流电压，Udcn为受端换流器的额定直流电压，Um为受端换流器阀侧相电压幅值。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中将受端换流器的工作模式切换至直流电压降压运行模式，需保证受端换流器的桥臂电压范围满足以下关系式；
Figure FDA0003241379820000022
其中：upj为受端换流器j相上桥臂电压，unj为受端换流器j相下桥臂电压，j＝a、b或c，NFB为单桥臂中全桥子模块的数量，Ntotal为单桥臂中子模块的总数量，Ucn为子模块电容的额定电压且Ucn＝Udcn/Ntotal，Udcn为受端换流器的额定直流电压。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中当受端电网发生短路故障后，受端交流母线电压有效值Us的跌落范围为0～1pu，此时设定受端换流器的直流电压指令值Udc_ref始终低于Us，两者之间的差值取为0.1pu，保证功率能够送出去，系统就永不会过载，从而实现抑制受端换流器过压的目的。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在混合直流输电系统受端交流电网故障发生后，首先测量出受端交流母线电压的有效值，利用受端换流器主动降直流电压运行的能力，通过设置直流电压指令值并使其不高于受端交流母线电压有效值的控制方式，同时结合送端换流器的定直流电流控制，保证受端MMC输出电流始终在额定电流范围内，受端吸收的功率便随着直流电压线性下降。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：该控制方法通过主动降低受端直流电压，减少受端的能量吸收，避免发生受端系统功率盈余，从而抑制了受端换流器过电压，提高了系统的运行可靠性，适用于长距离大容量柔性直流输电场合。
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