CN115241919A - 一种用于新型电力系统的slcc换相系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于输电系统技术领域，涉及一种用于新型电力系统的SLCC换相系统及其控制方法和可读介质，包括：用于提供交流电压的换流变压器和用于交直流变换的换流单元，换流变压器通过一电感与换流单元中各相串联，每相均包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂均包括一VSC阀，换流变压器和换流单元之间连接SVG支路，SVG支路与LCC换流阀并联；SVG支路包括串联的换流变压器和电抗器，电抗器的输出端与换流变压器和换流单元连接。其克服了传统LCC直流输电技术中对交流系统依赖程度高，在大规模新能源汇集场景下适应性差的问题，能有效抑制送端过电压、受端低电压，并降低换相失败的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于新型电力系统的SLCC(Statcom and line commutationconverter)换相系统及其控制方法和可读介质，属于输电系统技术领域。
背景技术
新型电力系统是以承载实现碳达峰碳中和，贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求为前提，确保能源电力安全为基本前提、以满足经济社会发展电力需求为首要目标、以最大化消纳新能源为主要任务，以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动与多能互补为支撑，具有清洁低碳、安全可控、智能友好、开放互动基本特征的电力系统。
直流输电是我国能源的骨干运输通道，在能源输送方面将发挥着不可替代的作用。针对大规模清洁能源并网、传输、消纳等问题，直流输电将是进一步提升清洁能源利用率、充分满足未来电力需求、助力新型电力系统建设的必要手段。新型电力系统的构建离不开直流输电，同时也将对直流输电的发展产生深远影响。新型电力系统能有力推动直流送端风光火储一体化发展，通过采取增加火电调峰深度、配置储能、优化直流曲线等综合措施，提升输电通道清洁电量占比。
传统设计理念认为随着电力系统的发展，系统强度不断提升，直流输电具有越来越好的性能和稳定性。但随着大规模新能源的接入，已经暴露出诸多问题：(1)滤波器投切引起的电压波动在上升，频繁投切；(2)变压器有载调压频繁动作；(3)直流输电系统扰动时送端电网过电压有上升趋势，威胁风机运行；(4)直流输电系统扰动时受端电压回复有恢复趋势，威胁电压稳定；(5)背景谐波被放大；(6)VSC的震荡问题难以有效解决；(7)对控制技术要求提升；(8)随着工程规模提升，换流站占地面积大等等。
新型电力系统对高压直流输电提出了更高的要求，例如风电和光伏发电的随机性和波动性造成了电源侧出力的不确定性；风电机组能提供的系统惯量远小于火电机组，在新型电力系统中，一旦发生有功功率扰动，频率的波动范围将会扩大，速度也会加快；新能源难以向系统提供无功支撑，且新能源主要接入低电压等级电网，大规模接入后系统电压调节能力显著下降。这些对直流输电系统提出了更高的适应能力。亟需发展新的换流技术适应未来的交流系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种用于新型电力系统的SLCC换相系统及其控制方法和可读介质，其克服了传统LCC直流输电技术中对交流系统依赖程度高，在大规模新能源汇集场景下适应性差的问题，能有效抑制送端过电压、受端低电压，并降低换相失败的风险。
为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种用于新型电力系统的SLCC换相系统，包括：用于提供交流电压的换流变压器和用于交直流变换的换流单元，所述换流变压器通过一电感与所述换流单元中各相串联，每相均包括上桥臂和下桥臂，每个所述桥臂均包括一VSC阀，所述换流变压器和换流单元之间连接SVG支路，所述SVG支路与LCC换流阀并联；所述SVG支路包括串联的换流变压器和电抗器，采用三相星接连接，所述电抗器的输出端与所述换流变压器和换流单元连接。
进一步，SLCC换相系统的等效模型包括主回路和SVG支路，主回路包括交流信号源和换流变等效阻抗，交流信号源与换流变等效阻抗串联，换流变等效阻抗的输出端与LCC换流阀连接；SVG支路包括第二交流信号源和连接电抗器电感，第二交流信号源与连接电抗器电感串联，连接电抗器电感的输出端与主回路连接。
进一步，LCC换流阀承担有功功率的传输，SVG支路提供无功功率，采用系统无功交换结零为控制目标。
本发明还公开了一种用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，用于控制上述任一项的SLCC换相系统，包括以下步骤：对SLCC换相系统进行稳态特性控制，获得稳态特性控制结果；对SLCC换相系统进行暂态特性控制，获得暂态特性控制结果；对SLCC换相系统进行阶跃特性控制，获得阶跃特性控制结果；根据稳态特性控制结果、暂态特性控制结果和阶跃特性控制结果，对SLCC换相系统进行控制。
进一步，稳态特性中VSC阀控制方法为：对基频电流进行控制；对谐波电流进行控制；将基频电流和谐波电流进行结合，输出结合结果；将结合结果与电压前馈结果融合，获得VSC阀控制电压对VSC阀进行控制。
进一步，对基频电流进行控制的方法为：将系统无功指令输入无功电流调节器进行调节，将交流系统电压输入暂态无功控制器中进行控制，在二者之间进行暂态切换输出无功电流目标值；将子模块电容电压额定值和子模块电容电压测量值输入子模块电容电压控制器，输出有功电流目标值；将交流系统电压输入锁相环生成系统电压相位；将无功电流目标值和有功电流目标值结合，将结合结果输入基频电流控制器，根据系统电压相位和SVG阀侧电流，生成基频电流控制结果。
进一步，对谐波电流进行控制的方法为：将换流阀电流输入谐波电流检测单元输出谐波电流目标值；将谐波电流目标值和SVG阀侧电流输入谐波电流控制单元，生成谐波电流控制结果。
进一步，暂态特性中VSC阀闭锁策略为：检测VSC阀桥臂电流瞬时值超过预设值时，过流暂时闭锁；发生永久性故障时，当预设时间内连续触发暂时闭锁动作的次数超过阈值，闭锁换流阀；当检测到任一桥臂电容电压平均值超过阈值，进行VSC阀桥臂子模块电容平均值过压保护，闭锁换流阀；换流阀运行过程中，功率模块出现故障时，功率模块控制板发送旁路请求，阀控控制器统计任一桥臂已经旁路的子模块数量与现在请求旁路的子模块数量之和大于保护是否大于设定值，若是则闭锁换流阀；VSC阀故障穿越控制策略为：VSC阀检测到交流母线出现电压跌落后，关闭谐波补偿功能，按照额定容量输出最大电流，交流母线电压恢复后，重新恢复谐波补偿功能与无功指令。
进一步，VSC阀存在三种状态：1)LCC正常，VSC换流阀故障穿越；2)LCC闭锁重启，VSC换流阀暂时性闭锁；3)LCC闭锁，VSC换流阀闭锁；SLCC-HVDC与LCC-HVDC各故障条件下，LCC换流阀的闭锁情况一致。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任一项用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明利用电压源特性，减少对交流系统的依赖，提升动态无功特性，灵活适应新能源孤岛馈入，降低换相失败风险，同时有效避免交流电网谐波污染，大幅减轻设备应力，提升设备安全运行可靠性。
2、本发明采用成熟的大容量电力电子器件，可靠性高、损耗小，容量规模不受限。
3、本发明通过电压源和电流源的协调控制，有效降低了单一电压源换流器引起的振荡风险。
4、本发明实现谐波和无功自补偿，取消大量滤波器配置，大大减小换流站占地面积，提升环境适应性。该技术大幅度提升了面向未来新型电力系统发展形势下新能源并网经直流送出场景下直流输电技术的灵活适应性。
附图说明
图1是本发明一实施例中SLCC换相换流阀结构示意图；
图2是本发明一实施例中的SLCC-HVDC稳态电路等效图；
图3是本发明一实施例中的SLCC换流阀工作原理图；
图4是本发明一实施例中的SLCC技术中VSC换流阀控制框图；
图5是本发明一实施例中的直流功率0.1pu的各参数波形图，(a)为直流功率0.1pu、Vt＝152.67kV的波形图，(b)为直流功率0.1pu、μ＝1.8°的波形图，(c)为直流功率0.1pu、Qc＝-40Mvar的波形图；
图6是本发明一实施例中的受端三相接地故障下LCC换流阀波形图，(a)是传统LCC技术Y-D换流变阀侧电流的波形图，(b)是传统LCC技术Y-Y换流变阀侧电流的波形图；(c)是SLCC技术Y-D换流变阀侧电流的波形图，(d)是SLCC技术Y-Y换流变阀侧电流的波形图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了解决现有技术中存在的风电和光伏发电的随机性和波动性造成了电源侧出力的不确定性；风电机组能提供的系统惯量远小于火电机组，在新型电力系统中，一旦发生有功功率扰动，频率的波动范围将会扩大，速度也会加快；新能源难以向系统提供无功支撑，且新能源主要接入低电压等级电网，大规模接入后系统电压调节能力显著下降等问题。本发明提出了一种用于新型电力系统的SLCC换相系统及其控制方法，其克服了传统LCC直流输电技术的系列技术缺陷，解决了对交流系统依赖程度高，在大规模新能源汇集场景下适应性差的问题，能有效抑制送端过电压、受端低电压的问题，并降低换相失败的风险；避免谐波流入交流系统引起的电能质量污染和振荡；大幅减少有载分接开关频繁动作及滤波器反复投切引起的设备安全风险。与此同时，该技术同时攻克了VSC直流输电技术的容量受限、振荡风险高、可靠性差、损耗大等问题，是未来新型电力系统发展条件下的传统直流输电技术的升级技术。
实施例一
本实施例公开了一种用于新型电力系统的SLCC换相系统，其主要特点为SVG装置并联在6脉动晶闸管换流器中换流变阀侧，其中LCC换流阀承担有功功率的传输，SVG支路提供无功功率，SVG支路采用三相星接连接，中性点不接地结构。采用系统无功交换结零为控制目标。如图1所示，包括：用于提供交流电压的换流变压器和用于交直流变换的换流单元，换流变压器通过一电感与换流单元中各相串联，每相均包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂均包括一VSC阀，换流变压器和换流单元之间连接SVG支路，SVG支路与LCC换流阀并联。SVG支路包括串联的换流变压器和电抗器，采用三相星接连接，电抗器的输出端与换流变压器和换流单元连接。
如图2所示，SLCC换相系统的等效模型包括主回路和SVG支路，主回路包括交流信号源和换流变等效阻抗，交流信号源与换流变等效阻抗串联，换流变等效阻抗的输出端与LCC换流阀连接；SVG支路包括第二交流信号源和连接电抗器电感，第二交流信号源与连接电抗器电感串联，连接电抗器电感的输出端与主回路连接。Us为换流变压器电压，Ig为换流变压器出口线电流，Lr为换流变等效阻抗；Ps和Qs分别为交流系统输送有功和无功功率；UL为并网点交流电压，Pg和Qlg为并网点传输有功和无功功率；Is为换流变压器出口阀侧线电流，PL和QL分别为LCC阀侧传输有功和无功功率；Lapf为SVG支路连接电抗器，It为SVG支路电流，Ut为SVG等效电压源，Qt为SVG发出无功功率。
与传统LCC系统相比，SLCC系统多出一条SVG支路，换流变阻抗经与SVG阻抗并联后的合成阻抗值降低，减小了感性压降，加速了换相过程，稳态时减小了换流阀的无功消耗和分接开关的动作次数。
在发生故障条件时，对于LCC-HVDC系统，换相失败主要由逆变侧发生交流故障，交流母线电压下降，交流电流馈入直流侧，换流器换相裕度不足引起的，而SLCC-HVDC系统通过控制VSC阀的开通关断，为系统提供了辅助换相电压，从而加速了直流系统换相过程，提高系统换相裕度。故障具体过程如图3所示，深色虚线表示传统LCC技术的换相电压，浅色实线表示SLCC系统的换相电压，由于SLCC系统存在换相电压支撑能力，在同样换相面积的前提下，SLCC系统能更快完成换相，进一步提高了关断角的裕度，减少换相失败的风险。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，用于控制上述任一项的SLCC换相系统，包括以下步骤：
S1对SLCC换相系统进行稳态特性控制，获得稳态特性控制结果；
S2对SLCC换相系统进行暂态特性控制，获得暂态特性控制结果；
S3对SLCC换相系统进行阶跃特性控制，获得阶跃特性控制结果；
S4根据稳态特性控制结果、暂态特性控制结果和阶跃特性控制结果，对SLCC换相系统进行控制。
首先，基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建SLCC高压直流输电模型，模型中SLCC系统采用有功无功分离控制，由LCC换流阀承担有功功率的传输，SVG支路提供无功功率并实施动态无功控制以及滤波，无功控制目标为首次设置为交流系统无功结零，谐波控制目标为阀侧谐波结零，具体控制框图如下图4所示。在SLCC-HVDC系统中，LCC送端采用定电流/定功率控制，受端采用定电压/定角度控制。
如图4所示，稳态特性中VSC阀控制方法为：
S1.1对基频电流进行控制。
对基频电流进行控制的方法为：将系统无功指令输入无功电流调节器进行调节，将交流系统电压输入暂态无功控制器中进行控制，在二者之间进行暂态切换输出无功电流目标值；将子模块电容电压额定值和子模块电容电压测量值输入子模块电容电压控制器，输出有功电流目标值；将交流系统电压输入锁相环生成系统电压相位；将无功电流目标值和有功电流目标值结合，将结合结果输入基频电流控制器，根据系统电压相位和SVG阀侧电流，生成基频电流控制结果。
S1.2对谐波电流进行控制。
对谐波电流进行控制的方法为：将换流阀电流输入谐波电流检测单元输出谐波电流目标值；将谐波电流目标值和SVG阀侧电流输入谐波电流控制单元，生成谐波电流控制结果。
S1.3将基频电流和谐波电流进行结合，输出结合结果。
S1.4将结合结果与电压前馈结果融合，获得VSC阀控制电压对VSC阀进行控制。
稳态特性包括无功补偿特性和谐波补偿特性。
如图5所示，为图5是本发明一实施例中的直流功率0.1pu的各参数波形图，(a)为直流功率0.1pu、Vt＝152.67kV的波形图，(b)为直流功率0.1pu、μ＝1.8°的波形图，(c)为直流功率0.1pu、Qc＝-40Mvar的波形图；通过图5观察直流功率从0.1-1.0pu功率升降过程中的VSC换流阀无功出力参数。SLCC换相系统的等效模型的主支路参数如表1所示。
表1主回路参数结果表
直流电流5kA时，VSC换流阀端口无功出力为440Mvar，在设计的VSC换流阀的基波容量范围内。常规LCC的无功配置容量通常为60％的直流功率，考虑一组备用，大约为4800Mvar，考虑各种严苛工况SLCC技术方案下整站无功消耗为490*8＝3920MVA，相比常规LCC方案，单个换流站无功消耗能整体减少880MVA。
由于VSC换流阀采用电流源控制模式对换流阀电流进行补偿，因此补偿效果取决于换流阀电流测量精度，如果测量非常精确则补偿度可以接近100％，考虑到谐波电流测量出现误差以及延时的不确定性，VSC换流阀的补偿效果会有所下降。仿真中设置SVG补偿6k±1次谐波到49次，系统短路比SCR＝3，经SVG补偿谐波后，流入交流系统的谐波电流成分非常小，补偿率达到98％以上，谐波电压满足设计要求。
表2谐波补偿效果表
暂态特性：针对SLCC-HVDC开展PSCAD暂态仿真控制，以下在PSCAD中进行仿真验证，暂态特性中VSC阀闭锁策略为：
检测VSC阀桥臂电流瞬时值超过5kA时，延时10us，过流暂时闭锁，检测桥臂电流瞬时下降到低于3000A，延时5ms，解锁换流阀；
当系统发生永久性故障时，暂时闭锁可能发生多次动作，导致持续频繁切换使设备损坏，当1s内连续触发三次暂时闭锁动作，闭锁换流阀；
当检测到任一桥臂电容电压平均值超过3100V，延时200us，进行VSC阀桥臂子模块电容平均值过压保护，闭锁换流阀；
换流阀运行过程中，功率模块出现故障时，功率模块控制板向阀控控制器发送旁路请求，阀控控制器统计任一桥臂已经旁路的子模块数量与现在请求旁路的子模块数量之和大于保护是否大于设定值，若是则闭锁换流阀；
VSC阀故障穿越控制策略为：VSC阀检测到500kV交流母线出现电压跌落后，关闭谐波补偿功能，按照额定容量输出最大电流，交流母线电压恢复后，重新恢复谐波补偿功能与无功指令。
暂态特性试验项目结论如表3所示，VSC阀存在三种状态：1)LCC正常，VSC换流阀故障穿越；2)LCC闭锁重启，VSC换流阀暂时性闭锁；3)LCC闭锁，VSC换流阀闭锁；SLCC-HVDC与LCC-HVDC各故障条件下，LCC换流阀的闭锁情况一致。
表3暂态特性试验项目表
同时暂态工况下，SLCC技术具备换相电压支撑能力，能减少换相失败概率，提升直流系统的恢复速度。具体如图6所示，(a)是传统LCC技术Y-D换流变阀侧电流的波形图，(b)是传统LCC技术Y-Y换流变阀侧电流的波形图；(c)是SLCC技术Y-D换流变阀侧电流的波形图，(d)是SLCC技术Y-Y换流变阀侧电流的波形图。LCC逆变侧交流系统发生金属性短路故障，LCC出现换相失败，SLCC在故障期间能够按照最大容量输出电流，对LCC换流阀恢复过程有加快作用。
阶跃特性：
基于PSCAD仿真模型依次开展了0.5pu下电流阶跃、功率阶跃、直流电压阶跃和关断角阶跃等阶跃特性试验，其实验参数如表4所示，试验结论与LCC-HVDC预期效果相同。
表4阶跃特性试验参数表
Claims (10)
1.一种用于新型电力系统的SLCC换相系统，其特征在于，包括：用于提供交流电压的换流变压器和用于交直流变换的换流单元，所述换流变压器通过一电感与所述换流单元中各相串联，每相均包括上桥臂和下桥臂，每个所述桥臂均包括一VSC阀，所述换流变压器和换流单元之间连接SVG支路，所述SVG支路与LCC换流阀并联；所述SVG支路包括串联的换流变压器和电抗器，采用三相星接连接，所述电抗器的输出端与所述换流变压器和换流单元连接。
2.如权利要求1所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统，其特征在于，所述SLCC换相系统的等效模型包括主回路和SVG支路，所述主回路包括交流信号源和换流变等效阻抗，所述交流信号源与换流变等效阻抗串联，所述换流变等效阻抗的输出端与LCC换流阀连接；所述SVG支路包括第二交流信号源和连接电抗器电感，所述第二交流信号源与连接电抗器电感串联，所述连接电抗器电感的输出端与所述主回路连接。
3.如权利要求1所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统，其特征在于，所述LCC换流阀承担有功功率的传输，所述SVG支路提供无功功率，采用系统无功交换结零为控制目标。
4.一种用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-3任一项所述的SLCC换相系统，包括以下步骤：
对所述SLCC换相系统的稳态特性进行控制，获得稳态特性控制结果；
对所述SLCC换相系统的暂态特性进行控制，获得暂态特性控制结果；
对所述SLCC换相系统的阶跃特性进行控制，获得阶跃特性控制结果；
根据所述稳态特性控制结果、暂态特性控制结果和阶跃特性控制结果，对所述SLCC换相系统进行控制。
5.如权利要求4所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，其特征在于，稳态特性中VSC阀控制方法为：
对基频电流进行控制；
对谐波电流进行控制；
将所述基频电流和谐波电流进行结合，输出结合结果；
将所述结合结果与电压前馈结果融合，获得VSC阀控制电压对所述VSC阀进行控制。
6.如权利要求5所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，其特征在于，所述对基频电流进行控制的方法为：
将系统无功指令输入无功电流调节器进行调节，将交流系统电压输入暂态无功控制器中进行控制，在二者之间进行暂态切换输出无功电流目标值；
将子模块电容电压额定值和子模块电容电压测量值输入子模块电容电压控制器，输出有功电流目标值；
将交流系统电压输入锁相环生成系统电压相位；
将无功电流目标值和有功电流目标值结合，将结合结果输入基频电流控制器，根据所述系统电压相位和SVG阀侧电流，生成基频电流控制结果。
7.如权利要求4所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，其特征在于，所述对谐波电流进行控制的方法为：
将换流阀电流输入谐波电流控制单元输出谐波电流目标值；
将所述谐波电流目标值和SVG阀侧电流输入谐波电流控制单元，生成谐波电流控制结果。
8.如权利要求4所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，其特征在于，所述暂态特性中VSC阀闭锁策略为：
检测VSC阀桥臂电流瞬时值超过预设值时，过流暂时闭锁；
发生永久性故障时，当预设时间内连续触发暂时闭锁动作的次数超过阈值，闭锁换流阀；
当检测到任一桥臂电容电压平均值超过阈值，进行VSC阀桥臂子模块电容平均值过压保护，闭锁换流阀；
换流阀运行过程中，功率模块出现故障时，所述功率模块控制板发送旁路请求，阀控控制器统计任一桥臂已经旁路的子模块数量与现在请求旁路的子模块数量之和大于保护是否大于设定值，若是则闭锁换流阀；
VSC阀故障穿越控制策略为：VSC阀检测到交流母线出现电压跌落后，关闭谐波补偿功能，按照额定容量输出最大电流，交流母线电压恢复后，重新恢复谐波补偿功能与无功指令。
9.如权利要求8所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法，其特征在于，所述VSC阀存在三种状态：1)LCC正常，VSC换流阀故障穿越；2)LCC闭锁重启，VSC换流阀暂时性闭锁；3)LCC闭锁，VSC换流阀闭锁；SLCC-HVDC与LCC-HVDC各故障条件下，LCC换流阀的闭锁情况一致。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求4-9任一项所述的用于新型电力系统的SLCC换相系统的控制方法。
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