CN115296333B - 基于特高压直流输电系统送端lcc换流站的电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特高压直流输电系统送端LCC换流站的电压平衡控制方法，实现特高压直流输电系统中送端LCC换流站高低压阀组之间的电压平衡，利用换流阀组的电压变化量来对其进行控制，使得换流阀组的电流参考值能够在初始参考值的基础上根据直流电压的变化来进行实时修正。发明的电压平衡控制策略可使LCC换流站所串联的高低压阀组能够快速有效的实现电压平衡且无需阀组间的通信与PI控制器，简化了系统的设计难度，有效避免了因换流阀组电压过高进而影响系统稳定运行的问题，同时该策略在系统送端功率阶跃、交流系统故障以及不同交流系统强度下仍然能够保持较好的控制效果。

Description

基于特高压直流输电系统送端LCC换流站的电压平衡控制 方法

技术领域

本发明涉及特高压直流输电技术领域，具体为一种基于特高压直流输电系统送端LCC换流站的电压平衡控制方法。

背景技术

在过去的几十年时间里以电网换相换流器(line commutated converter,LCC)为主的高压直流输电技术发展迅速，它相较于高压交流输电能够轻易的实现两个不同步电力系统的互联，且远距离送电稳定性更强，输电线路成本更低。特高压直流输电技术则是在原有直流输电的基础上具备了更高的电压等级，能够更加经济高效的进行大容量的电力输送。未来随着我国电力需求的不断提升，特高压直流输电技术在输电网络的构建中也将具有更加广泛的应用前景。

与±500kV的传统高压直流输电相比，特高压直流输电的控制与保护更加复杂。为了承担更高的电压等级与更大的输送容量，特高压直流输电系统通常采用每一极双十二脉动换流器串联的结构。其更复杂的换流器接线型式也使得系统送端LCC换流站的串联阀组间将会存在电压不平衡问题。

现有技术方案：

(1)措施1：基于PI控制器和高低压阀组通信的电压平衡控制策略，可以参考如下文献：

[参考文献1]刘茂涛，张志朝，宋述波.云广直流同极双阀组电压平衡控制分析及改进[J].南方电网技术，2014，8(02)：24-27.

[参考文献2]王庆，石岩，陶瑜，韩伟.±800kV直流输电系统双12脉动阀组平衡稳定运行及投退策略的仿真研究[J].电网技术，2007(17)：1-6+10.

[参考文献3]郭宏光，吴彦维，陈大鹏，王亚涛，李楠，周晓风.分层接入方式下锡泰特高压直流输电系统阀组电压平衡控制[J].电力系统自动化，2019，43(02)：176-181.

[参考文献4]吴彦维，李晔，陈大鹏，李乾，周晓风.10000MW特高压直流工程受端分层接入交流电网方式下直流控制系统研究[J].电力系统保护与控制，2015，43(18)：108-113.

但是该措施本质皆为利用特高压直流输电系统送端LCC换流站高低压阀组间的电压偏差来对电流参考值进行修正，进而实现阀组之间的电压平衡，这也使得其所设计的控制策略将额外增加阀组之间的通信，并且需要引入PI控制器，从而增加了系统设计的难度。

2、措施2：附加直流电压调节环节的电压平衡控制策略，可以参考如下文献：

[参考文献5]陶瑜，马为民，马玉龙，舒敏波，曹镇，郎鹏越.特高压直流输电系统的控制特性[J].电网技术，2006(22)：1-4+53.

但是该措施限制条件较多，实现较为困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于特高压直流输电系统送端LCC换流站的电压平衡控制方法，使LCC换流站所串联的高低压阀组能够很好的实现电压平衡且无需阀组间的通信，有效避免因换流阀组电压过高进而影响系统稳定运行的问题。技术方案如下：

一种基于特高压直流输电系统送端LCC换流站的电压平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定特高压直流输电系统拓扑结构：送端为LCC换流站，受端为LCC或MMC换流站；送端与受端换流站之间通过架空线连接，且送端与受端均采用对称双极的接线形式，且每一极都由一个靠近直流极线的高压换流阀组和一个靠近中性点的低压换流阀组串联组成；

步骤2：计算高低压换流阀组的电压基准值：

U_dcbase＝(U_dcref+I_dcref0R)/2 (1)

式中，U_dcbase为高低压换流阀组直流电压基准值；U_dcref为受端换流站正极直流电压参考值；I_dcref0为高低压换流阀组原有电流参考值；R为直流输电线路等效直流电阻；

步骤3：计算换流阀组的直流电压相对变化量：

式中，当X＝H时代表高压阀组、X＝L时代表低压阀组；U_dcX为换流阀组实际输出直流电压，ΔU_dcX为换流阀组的直流电压相对变化量；

步骤4：计算原有直流电流参考值的修正量：

ΔI_X＝I_dcref0-ΔU_dcXI_dcref0，X＝H、L (3)

式中，ΔI_X为原有直流电流参考值的修正量；

步骤5：计算最终的高低压换流阀组直流电流参考值：

I_dcrefX＝I_dcref0+ΔI_X，X＝H、L (4)

式中，I_dcrefX为最终的高低压换流阀组直流电流参考值；

步骤6：确定控制策略：

若高压阀组的直流电压U_dcH增大，那么其电压将大于电压基准值U_dcbase，即高压阀组直流电压相对变化量ΔU_dcH大于1，高压阀组直流电流参考值的修正量ΔI_H小于0，则高压阀组最终的直流电流参考值I_dcrefH将小于原有电流参考值I_dcref0；为使高压阀组直流电流跟随新的电流指令值，在电流控制器的作用下，高压阀组的触发角α_H将增大进而减小高压阀组的直流电压U_dcH；

若低压阀组直流电压U_dcL减小，那么低压阀组直流电压相对变化量ΔU_dcL小于1，低压阀组直流电流参考值的修正量ΔI_L大于0，则最终的低压阀组电流参考值I_dcrefL将大于原有电流参考值I_dcref0；为使低压阀组直流电流跟随新的电流指令值，在电流控制器的作用下，低压阀组的触发角α_L将减小进而增大低压阀组的直流电压U_dcL。

本发明的有益效果是：本发明的电压平衡控制策略可使LCC换流站所串联的高低压阀组能够快速有效的实现电压平衡且无需阀组间的通信与PI控制器，简化了系统的设计难度，有效避免了因换流阀组电压过高进而影响系统稳定运行的问题，同时该策略在系统送端功率阶跃、交流系统故障以及不同交流系统强度下仍然能够保持较好的控制效果。

附图说明

图1为特高压直流输电系统拓扑结构图。

图2为基于电压变化量的附加电压平衡控制策略框图之高压阀组附加电压平衡控制。

图3为基于电压变化量的附加电压平衡控制策略框图之低压阀组附加电压平衡控制。

图4为切除/投入电压平衡控制策略时系统动态响应特性；(a)LCC正极高低压阀组触发角；(b)LCC正极高低压阀组直流电压；(c)LCC正极高低压阀组有功功率；(d)受端换流站正极直流电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明所依据的特高压直流输电系统结构示意图如图1所示，其中送端为LCC换流站，受端换流站可根据实际工程需求确定，送受端换流站之间通过架空线连接。特高压直流输电系统的送受端都应用了对称双极的接线形式，且每一极都由一个高压阀组(靠近直流极线的换流阀组)和一个低压阀组(靠近中性点的换流阀组)串联组成。

在特高压直流输电系统中，送端LCC换流站采用定直流电流及后备最小触发角控制，受端换流站通常都采用定直流电压控制。同时为了使直流输电系统的运行更加灵活可靠，送端与受端换流站的串联换流阀组均采用独立的控制系统。

特高压直流输电系统在正常运行时送端LCC换流站通常采用定直流电流控制。因此LCC换流站每一极所串联的高低压阀组的直流电压并未直接受控，这也就导致了LCC换流站的高低压阀组将会存在电压不平衡现象。而受端换流站因为通常采用定直流电压控制，所以其串联换流阀组的直流电压将维持平衡。

为了实现特高压直流输电系统中送端LCC换流站高低压阀组之间的电压平衡，可以利用换流阀组的电压变化量来对其进行控制，使得换流阀组的电流参考值能够在初始参考值的基础上根据直流电压的变化来进行实时修正。需要说明的是由于系统正负极对称，因此技术方案的实施均以正极为例进行说明，控制策略的具体技术方案如下：

1)将受端正极直流电压参考值和送端高低压换流阀组原有电流参考值与直流输电线路等效直流电阻的乘积相加，之后再除以2，可以得到高低压换流阀组的电压基准值。如式(5)所示：

U_dcbase＝(U_dcref+I_dcref0R)/2 (5)

式(5)中U_dcbase为高低压换流阀组直流电压基准值；U_dcref为受端换流站正极直流电压参考值；I_dcref0为高低压换流阀组原有电流参考值；R为直流输电线路等效直流电阻。

2)将高低压阀组直流侧输出的实际直流电压与步骤1所得的直流电压基准相比之后得到换流阀组的直流电压相对变化量。如式(6)所示：

式(6)中当X＝H时代表高压阀组、X＝L时代表低压阀组；U_dcX为换流阀组实际输出直流电压，ΔU_dcX为换流阀组的直流电压相对变化量

3)将原有的电流参考值和换流阀组直流电压相对变化量与电流参考值的乘积作差，即可得到原有直流电流参考值的修正量。如式(7)所示：

ΔI_X＝I_dcref0-ΔU_dcXI_dcref0(X＝H、L) (7)

式(7)中ΔI_X为原有直流电流参考值的修正量。

4)将步骤3所得的参考值修正量与原本的电流参考值相加之后可得到最终的高低压换流阀组直流电流参考值。如式(8)所示：

I_dcrefX＝I_dcref0+ΔI_X(X＝H、L) (8)

式(8)中I_dcrefX为最终的高低压换流阀组直流电流参考值。

基于电压变化量的附加电压平衡控制策略框图如图2和图3所示。其中α_H、α_L分别为高低压阀组的触发角；β_H、β_L分别为高低压阀组的触发超前角；U_dcH、U_dcL分别为高低压阀组的直流电压；ΔU_dcH、ΔU_dcL分别为高低压阀组直流电压相对变化量；ΔI_H、ΔI_L分别为高低压阀组直流电流参考值的修正量；I_dcrefH、I_dcrefL分别为高低压阀组最终的直流电流参考值。

从物理角度看，若高压阀组的直流电压增大，那么其电压将大于基准值，即ΔU_dcH大于1，ΔI_H小于0，则I_dcrefH将小于原有电流参考值I_dcref0。为了使高压阀组直流电流跟随新的电流指令值I_dcrefH，在电流控制器的作用下，高压阀组的触发角α_H将增大进而减小高压阀组的直流电压。

同理对于低压阀组来说若其直流电压减小，那么ΔU_dcL小于1，ΔI_L大于0，所以最终的低压阀组电流参考值I_dcrefL将大于原有电流参考值I_dcref0。同样为了使低压阀组直流电流跟随新的电流指令值I_dcrefL，在电流控制器的作用下，低压阀组的触发角α_L将减小进而增大低压阀组的直流电压。综上所述，可以看出本发明所提附加电压平衡控制策略在无需阀组通信和PI控制器的情况下即可实现LCC换流站高低压阀组间的电压平衡。

为了验证本文所提基于电压变化量的附加电压平衡控制策略的正确性，在PSCAD/EMTDC中搭建了如图1所示的特高压直流输电系统电磁暂态仿真模型，其中受端换流站为MMC换流站，其控制方式为定直流电压与定无功功率。系统仿真参数设置如表1与表2所示：

表1送端LCC换流站系统参数设置

表2受端MMC换流站系统参数设置

为了验证本发明所提控制策略是否有效，在系统已经进入稳态运行的情况下，设定在10s时切除LCC换流站高低压阀组的电压平衡控制策略，并在20s时重新投入该策略。在此期间，系统的仿真结果如图4所示。

从图4(a)可以看出在10s时系统切除电压平衡控制策略后，LCC高压阀组的触发角从15度降低至8.3度左右，低压阀组的触发角则从15度升高至19度左右。高低压阀组触发角的变化也使得二者的直流电压和有功功率发生变化(如图4(b)、图4(c))，可以看到高压阀组的直流电压在电压平衡控制策略切除期间不断上升，在20s时达到了420kV。这也说明了在送端LCC换流站中加入电压平衡控制策略的必要性。

在20s时电压平衡控制策略被重新投入，此时在平衡控制的作用下LCC高低压阀组的电流参考值开始跟随电压变化量作动态修正。动态变化的参考值使得高低压阀组的触发角、直流电压与有功功率在较短的时间内重新恢复到了正常值，系统也再次回到了稳定运行状态(如图4(a)、图4(b)、图4(c))。同时能够看出在电压平衡控制策略切除与投入的整个时间段，受端换流站的直流电压并未受到影响(如图4(d))。

综上所述，在加入了发明的电压平衡控制策略后，LCC换流站所串联的高低压阀组能够很好的实现电压平衡且无需阀组间的通信，有效避免了因换流阀组电压过高进而影响系统稳定运行的问题。

Claims (1)

1.一种基于特高压直流输电系统送端LCC换流站的电压平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定特高压直流输电系统拓扑结构：送端为LCC换流站，受端为LCC或MMC换流站；送端与受端换流站之间通过架空线连接，且送端与受端均采用对称双极的接线形式，且每一极都由一个靠近直流极线的高压换流阀组和一个靠近中性点的低压换流阀组串联组成；

步骤2：计算高低压换流阀组的电压基准值：

U_dcbase＝(U_dcref+I_dcref0R)/2 (1)

式中，U_dcbase为高低压换流阀组直流电压基准值；U_dcref为受端换流站正极直流电压参考值；I_dcref0为高低压换流阀组原有电流参考值；R为直流输电线路等效直流电阻；

步骤3：计算换流阀组的直流电压相对变化量：

式中，当X＝H时代表高压阀组、X＝L时代表低压阀组；U_dcX为换流阀组实际输出直流电压，ΔU_dcX为换流阀组的直流电压相对变化量；

步骤4：计算原有直流电流参考值的修正量：

ΔI_X＝I_dcref0-ΔU_dcXI_dcref0，X＝H、L (3)

式中，ΔI_X为原有直流电流参考值的修正量；

步骤5：计算最终的高低压换流阀组直流电流参考值：

I_dcrefX＝I_dcref0+ΔI_X，X＝H、L (4)

式中，I_dcrefX为最终的高低压换流阀组直流电流参考值；

步骤6：确定控制策略：

若高压阀组的直流电压U_dcH增大，那么其电压将大于电压基准值U_dcbase，即高压阀组直流电压相对变化量ΔU_dcH大于1，高压阀组直流电流参考值的修正量ΔI_H小于0，则高压阀组最终的直流电流参考值I_dcrefH将小于原有电流参考值I_dcref0；为使高压阀组直流电流跟随新的电流指令值，在电流控制器的作用下，高压阀组的触发角α_H将增大进而减小高压阀组的直流电压U_dcH；

若低压阀组直流电压U_dcL减小，那么低压阀组直流电压相对变化量ΔU_dcL小于1，低压阀组直流电流参考值的修正量ΔI_L大于0，则最终的低压阀组电流参考值I_dcrefL将大于原有电流参考值I_dcref0；为使低压阀组直流电流跟随新的电流指令值，在电流控制器的作用下，低压阀组的触发角α_L将减小进而增大低压阀组的直流电压U_dcL。