CN114156931B - 基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法 - Google Patents

基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法。混合级联直流输电系统的拓扑结构，包括送端采用LCC，受端VSC换流器或采用LCC串联VSC结构；控制方法包括以下步骤：实时获取混合级联直流输电系统的受端运行参数；根据受端运行参数与安全运行的预设阈值，判断受端是否即将发生或已经发生换相失败：若否，控制受端在第一运行模式运行；若是，控制受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行。本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，在抑制换相失败的同时，最大限度地减少了直流系统传输功率的变化。

Description

基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其是涉及基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法。
背景技术
高压/超高压直流输电是我国西电东送时广泛采用的输电方式之一，由于晶闸管技术成熟，在容量、成本等方面相比于IGBT等全控器件有很大的优势，所以这些直流的换流器基本上都由晶闸管构成。但是常规由晶闸管构成的电网换相换流器(LCC)在逆变侧需要有电源支撑，存在以下缺陷：在逆变侧交流电压跌落或谐波含量增加时容易发生换相失败：如果受端电网同时发生多回直流换相失败，将引起受端电网频率的大幅波动；此外LCC在运行过程中还需要消耗大量无功功率，在直流运行条件发生变化或直流闭锁时容易导致送端或受端电网电压大幅波动。而以IGBT等全控器件构成的柔性直流输电(VSC-HVDC)，具有有功无功解耦控制、不存在换相失败等优点，因此目前混合直流基本的形式是逆变侧全部采用VSC换流器，或者采用LCC和VSC级联的方式。
从交流系统的角度看，VSC可以等效成一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时地在PQ平面的四个象限内实现有功功率和无功功率的独立控制。VSC不会发生换相失败，因而可以大大提高受端电网的暂态稳定性。常规LCC直流中，逆变侧(受端)交流系统故障时，将导致换流母线电压跌落，从而引发逆变侧LCC换流器换相失败，直流电压降低，直流功率无法送出，最终造成受端电网的频率波动。在级联混合直流系统中，逆变侧交流系统故障仍可引发LCC换相失败，但由于串联VSC换流器的存在，直流电压不会降为零，混合直流输电系统仍可输送一定的功率至交流电网，减少对交流电网的冲击。此外由于VSC有功、无功可以解耦控制，在换流母线电压跌落时，VSC可以发出一定的无功，以支撑交流电网的电压，提高混合直流有功功率的送出能力。同时，由于串联LCC具有单向导电性，当直流线路发生故障时，LCC能有效阻止VSC故障电流，从而防止LCC和VSC换流器闭锁。
但是，现有技术中，却缺少一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，用以降低直流换相失败的风险，缩短直流换相失败时间。
需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，当已经发生或者即将发生换相失败时，使得受端LCC尽快从换相失败中恢复，缩短直流换相失败时间。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构，包括送端采用LCC，受端VSC换流器或采用LCC串联VSC结构；包括以下步骤：
S100：实时获取所述混合级联直流输电系统的受端运行参数；
S200：根据所述受端运行参数与安全运行的预设阈值，判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败：若否，控制受端在第一运行模式运行；若是，执行步骤S300；
S300：控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行，以抑制换相失败。
可选地，所述运行参数包括零序电压；
所述判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法包括，判断所述零序电压是否超过第一预设阈值。
可选地，所述运行参数包括触发延迟角和触发超前角；
所述判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法包括，判断第一变换输出值与第二变换输出值的差值是否超过第二预设阈值；
其中，所述第一变换输出值为稳态时所述触发延迟角和所述触发超前角的变换输出值；所述第二变换输出值为实时获取的所述触发延迟角和所述触发超前角的变换输出值。
可选地，所述触发延迟角和所述触发超前角的变换输出值，通过以下算式得到：
其中，α为所述触发延迟角，β为所述触发超前角，UAC_L1、UAC_L2、UAC_L3分别为第一相、第二相和第三相的电压值。
可选地，所述运行参数包括受端LCC桥臂电流；
所述判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法包括，判断所述受端LCC桥臂电流是否大于第三预设阈值。
可选地，步骤S200中，所述控制受端在第一运行模式运行的方法包括，受端LCC采取定直流电压控制模式；
和/或
受端VSC采取定直流电压控制模式并跟踪和控制交流电压。
可选地，步骤S300中，所述控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行，包括以下方法：
控制所述受端LCC由定直流电压控制转入定熄弧角控制。
可选地，所述控制所述受端LCC由定直流电压控制转入定熄弧角控制的方法，包括增大所述受端LCC的所述熄弧角，从而降低换相失败的临界电压。
可选地，根据所述换相失败的临界电压和换流母线额定电压，获取换相失败临界电压下降数：
式中，Uc为使逆变器发生换相失败的临界电压，Un为换流母线额定电压，k为所述换相失败临界电压下降系数；
当受端交流系统发生三相短路时，产生所述换相失败临界电压下降系数，此时，所述换相失败临界电压下降系数通过下式获得：
K为所述换相失败临界电压下降系数，Xc为换相电抗，I'd为电压暂降时直流电流增大的瞬时值，Id为直流电流，λmin为极限熄弧角，λ0为熄弧角指令值；
根据式(2)和式(3)：增大所述受端LCC的所述熄弧角指令值λ0，降低所述逆变器发生换相失败的临界电压Uc。
可选地，步骤S300中，所述控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行的方法，还包括增大所述受端VSC的无功功率输出，补偿交流母线的无功功率。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，具有以下有益效果：
本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构，包括送端采用LCC，受端VSC换流器或采用LCC串联VSC结构；所述控制方法包括以下步骤：实时获取所述混合级联直流输电系统的受端运行参数；根据所述受端运行参数与安全运行的预设阈值，判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败：若否，控制受端在第一运行模式运行；若是，控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行，以抑制换相失败。由此可见，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统换相失败的控制方法，能够判定已发生换相失败或预测可能换相失败，根据判定结果对所述受端采用不同的运行模式，能够保证系统的安全运行，降低受端换相失败的风险。
进一步地，本发明提供的基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，采用通过对混合级联直流输电系统逆变侧交流系统故障时引发LCC换相失败时，从LCC和VSC两个方面来采取措施，一方面增大LCC的熄弧角；另一方面VSC增加无功功率输出，减少换流母线电压的跌落幅度，能够缩短直流换相失败时间，使LCC尽快从换相失败中恢复正常运行。
由此可见，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，通过对LCC-HVDC直流控制和VSC-HVDC逆变站无功控制的优化，在抑制换相失败的同时最大限度地减小直流系统传输功率的变化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法使用的其中一种混合级联直流输电系统拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法的控制策略示意图；
图3为本发明实施例提供的其中一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法流程示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。以及，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
为了便于理解，在具体介绍本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法之前，先简要阐述其中一种所述混合级联直流输电系统的拓扑结构。参见附图1，从附图中可以看出，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构包括送端(整流侧)采用LCC构，受端(逆变侧)为3个VSC并联后与LCC串联的混合直流输电系统。这种结构可以兼有LCC技术成熟、成本低和VSC控制性能好的优点。特别地，根据串联混合直流输电系统的输送容量的需要，受端可以采用相应数量的VSC并联后与LCC串联的结构，本发明对此不作限制。
本发明实施例提供了一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构，包括送端采用LCC，受端VSC换流器或采用LCC串联VSC结构。参见附图2，包括以下步骤：
S100：实时获取所述混合级联直流输电系统的受端运行参数。
S200：根据所述受端运行参数与安全运行的预设阈值，判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败：若否，控制受端在第一运行模式运行；若是，执行步骤S300。
S300：控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行，以抑制换相失败。
具体地，在其中一种实施方式中，根据所述受端运行参数与安全运行的预设阈值，判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法，包括下述任一条件满足即可判定换相失败即将发生或已经发生。
1.零序电压超过第一预设阈值
优选地，实时获取所述混合级联直流输电系统的收端运行参数中的零序电压，若所述零序电压超过第一预设阈值，即判定换相失败即将发生或已经发生，该判据主要用于检测单相故障。
2.电压的αβ变换输出值小于稳态时αβ变换输出值超过第二预设阈值
优选地，实时获取所述混合级联直流输电系统的收端运行参数中的触发延迟角α和触发超前角β；判断第一变换输出值与第二变换输出值的差值是否超过第二预设阈值；其中，所述第一变换输出值为稳态时所述触发延迟角α和所述触发超前角β的变换输出值；所述第二变换输出值为实时获取的所述触发延迟角α和所述触发超前角β的变换输出值。该判据主要用检测三相故障。
较佳地，所述触发延迟角α和所述触发超前角β的变换输出值，通过以下算式得到：
其中，α为所述触发延迟角，β为所述触发超前角，UAC_L1、UAC_L2、UAC_L3分别为第一相、第二相和第三相的电压值。
3.受端LCC桥臂电流大于第三预设阈值
优选地，实时获取所述混合级联直流输电系统的收端运行参数中包括受端LCC桥臂电流
所述判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法包括，判断所述受端LCC桥臂电流是否大于第三预设阈值。
优选地，步骤S200中，所述控制受端在第一运行模式运行的方法包括，受端LCC采取定直流电压控制模式，便于受端LCC和VSC之间的协调。和/或受端VSC采取定直流电压控制模式并跟踪和控制交流电压，能够尽可能地保持直流输电功率的稳定。
优选地，步骤S300中，所述控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行，包括以下方法：控制所述受端LCC由定直流电压控制转入定熄弧角控制。
具体地，所述控制所述受端LCC由定直流电压控制转入定熄弧角控制的方法，包括增大所述受端LCC的所述熄弧角，从而降低换相失败的临界电压。
较佳地，根据所述换相失败的临界电压和换流母线额定电压，获取换相失败临界电压下降数：
式中，Uc为使逆变器发生换相失败的临界电压，Un为换流母线额定电压，k为所述换相失败临界电压下降系数。
当受端交流系统发生三相短路时，产生所述换相失败临界电压下降系数，此时，所述换相失败临界电压下降系数通过下式获得：
K为所述换相失败临界电压下降系数，Xc为换相电抗，I'd为电压暂降时直流电流增大的瞬时值，Id为直流电流，λmin为极限熄弧角，λ0为LCC的熄弧角。
根据式(2)和式(3)，增大所述受端LCC的所述熄弧角λ0，降低所述逆变器发生换相失败的临界电压Uc。即当所述熄弧角λ0增大时，发生换相失败的临界下降电压系数反而减小，从而将换相失败临界电压Uc控制在较低的值，使系统更难发生换相失败。即增大λ0设定值，可提高发生换相失败的交流电压下降临界值，增大逆变器的关断裕度，从而增强直流输电系统的安全稳定性。
可以理解地，熄弧角是根据HVDC运行的额定工况，由交直流系统的其他基本参数决定的。熄弧角的增大有利于增大换相过程的关断裕度角，缓解换流母线电压暂降时实际关断角下降程度，使系统更难发生换相失败，保证了高压直流输电运行的安全稳定性。但是，当熄弧角整定值变动时，系统将偏离额定稳态运行点，造成直流传输功率下降，特别当熄弧角λ0值增大时，系统消耗更多无功功率，不利于其稳定经济地运行。因此，熄弧角不宜取得太小，但也不宜过大，应兼顾系统运行的经济性和安全可靠性。
优选地，步骤S300中，所述控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行的方法，还包括增大所述受端VSC的无功功率输出，补偿交流母线的无功功率。由于柔性直流的控制功能，根据需求灵活调整移相角和交流侧幅值，从而调整柔性直流线路的有功和无功功率的大小和方向。即可以根据电网的无功需求灵活地调节无功功率，动态补偿交流母线的无功功率，以稳定交流母线电压。进一步地，柔直可快速灵活地调整有功功率的大小和方向，可在电网发生故障时向系统提供有功和无功紧急支撑。
综上所述，参见附图3，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，根据所述收端运行参数与安全运行的预设阈值，判定已发生换相失败或预测可能换相失败时，从受端LCC和VSC两个方面来采取措施，一方面增大LCC的熄弧角，从而降低换相失败的临界电压，减少换相失败的风险；另一方面VSC增加无功功率输出，由于串联VSC换流器的存在，直流电压不会降为零，混合直流输电系统仍可输送一定的功率至交流电网。通过VSC增加无功功率输出，减少换流母线电压的跌落幅度，缩短直流换相失败时间，使LCC尽快从换相失败中恢复回来。由此可见，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，通过对LCC-HVDC直流控制和VSC-HVDC逆变站无功控制的优化，在抑制换相失败的同时最大限度地减小直流系统传输功率的变化。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
综上，上述实施例对基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法的不同构型进行了详细说明，当然，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构，包括送端采用LCC，受端VSC换流器采用LCC串联VSC结构；其特征在于，包括以下步骤：
S100：实时获取所述混合级联直流输电系统的受端运行参数；
S200：根据所述受端运行参数与安全运行的预设阈值，判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败：若否，控制受端在第一运行模式运行；若是，执行步骤S300；其中，所述控制受端在第一运行模式运行，包括受端LCC采取定直流电压控制模式；和/或受端VSC采取定直流电压控制模式并跟踪和控制交流电压；
S300：控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行，以抑制换相失败；
其中，步骤S300中，所述控制所述受端由所述第一运行模式运行转至第二运行模式运行，包括：
控制所述受端LCC由定直流电压控制转入定熄弧角控制，以及增大所述受端VSC的无功功率输出，补偿交流母线的无功功率；
步骤S300，还包括：
根据所述换相失败的临界电压和换流母线额定电压，获取换相失败临界电压下降数：
式中，Uc为使逆变器发生换相失败的临界电压，Un为换流母线额定电压，k为所述换相失败临界电压下降系数；
当受端交流系统发生三相短路时，产生所述换相失败临界电压下降系数，此时，所述换相失败临界电压下降系数通过下式获得：
K为所述换相失败临界电压下降系数，Xc为换相电抗，I'd为电压暂降时直流电流增大的瞬时值，Id为直流电流，λmin为极限熄弧角，λ0为熄弧角指令值；
根据式(2)和式(3)：增大所述受端LCC的所述熄弧角指令值λ0，降低所述逆变器发生换相失败的临界电压Uc。
2.根据权利要求1所述的基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，其特征在于，所述运行参数包括零序电压；
所述判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法包括，判断所述零序电压是否超过第一预设阈值。
3.根据权利要求1所述的基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，其特征在于，所述运行参数包括触发延迟角和触发超前角；
所述判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法包括，判断第一变换输出值与第二变换输出值的差值是否超过第二预设阈值；
其中，所述第一变换输出值为稳态时所述触发延迟角和所述触发超前角的变换输出值；所述第二变换输出值为实时获取的所述触发延迟角和所述触发超前角的变换输出值。
4.根据权利要求3所述的基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，其特征在于，所述触发延迟角和所述触发超前角的变换输出值，通过以下算式得到：
其中，α为所述触发延迟角，β为所述触发超前角，UAC_L1、UAC_L2、UAC_L3分别为第一相、第二相和第三相的电压值。
5.根据权利要求1所述的基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，其特征在于，所述运行参数包括受端LCC桥臂电流；
所述判断所述受端是否即将发生或已经发生换相失败的方法包括，判断所述受端LCC桥臂电流是否大于第三预设阈值。
6.根据权利要求1所述的基于混合级联直流输电系统抑制换相失败的控制方法，其特征在于，所述控制所述受端LCC由定直流电压控制转入定熄弧角控制的方法，包括增大所述受端LCC的所述熄弧角，从而降低换相失败的临界电压。
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