CN116613805A - 基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，在监测到多馈入直流输电系统发生首次换相失败时，根据目标直流输电系统逆变站的换流母线电压，确定相邻直流输电系统不发生换相失败的电压裕度；进而计算目标直流逆变站与相邻直流逆变站的无功交换量临界值；根据无功交换量临界值确定直流电流控制参考值，对逆变站直流电流实时控制。本发明能够根据直流系统逆变站换流母线电压自适应地调节直流电流，能够有效降低多馈入直流输电系统中无功电压耦合的影响，有效抑制多回直流系统的后续换相失败。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，具体涉及基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法。
背景技术
随着电网换相换流型直流输电在大容量远距离跨区域输电等方面的广泛运用，越来越多的直流输电系统馈入同一区域形成多馈入直流输电系统。多馈入直流输电系统落点紧密，交流系统故障易诱发多回直流输电系统发生同时换相失败。当控制不当或故障长时间持续时，可能进一步导致多回直流输电系统发生后续换相失败。连续的换相失败可能引起直流闭锁，严重影响电网的安全稳定运行。因此，抑制多馈入直流输电系统的换相失败，对保障大电网安全具有重要意义。
增加无功补偿装置、协调各直流输电系统恢复次序和优化直流输电系统控保特性是抑制直流输电系统后续换相失败的主要手段。根据后续换相失败的产生机理，研究人员指出控制交互不当易导致后续换相失败的发生。基于此，研究人员对低压限流控制的启动阈值和响应特性等对进行了改进，从而根据故障严重程度灵活调节直流电流以抑制后续换相失败，并提高了低压限流控制响应速度。但现有方法主要针对单回直流输电系统的换相失败抑制，忽略了多馈入直流输电系统中直流输电系统之间的交互特性。目前针对多馈入直流输电系统交互作用的研究主要集中于耦合程度评估。换流母线电压的耦合是造成多回直流输电系统同时换相失败的主要原因。CIGRE工作组提出了多馈入交互作用因子用以衡量换流站之间交互作用的强弱。现有研究基于稳态电气量计算临界电压，忽略了控制暂态特性，导致临界电压计算产生误差，且无法用于后续换相失败的评估，无法兼顾自身换相恢复和相邻直流换相失败抑制的需求。
因此，如何考虑多馈入直流输电系统交互作用和控制器暂态特性，同时兼顾自身换相失败和相邻直流换相失败抑制需求从而更有效抑制后续换相失败，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明需要解决的问题是：如何考虑多馈入直流输电系统交互作用和控制器暂态特性，同时兼顾自身换相失败和相邻直流换相失败抑制需求从而更有效抑制后续换相失败。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，在监测到多馈入直流输电系统发生首次换相失败时，计算各回直流输电系统发生后续换相失败的安全裕度，基于安全裕度控制直流电流，抑制多回直流输电系统发生后续换相失败，包括如下步骤：
S101、受端交流电网故障后启动控制，采集目标直流输电系统逆变站的换流母线电压；
S102、根据目标直流输电系统逆变站换流母线电压估计相邻直流输电线路逆变站换流母线电压；
S103、计算相邻直流输电系统不发生后续换相失败的电压裕度；
S104、计算相邻直流输电系统不发生后续换相失败条件下目标直流逆变站与相邻直流逆变站的临界无功交换量；
S105、计算避免相邻直流输电系统发生后续换相失败的目标直流直流输电系统的直流电流参考值；
S106、将该直流电流控制参考值设置为目标直流输电系统的逆变站直流电流指令值，实施控制。
上述基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，作为优选方案，所述相邻直流输电系统不发生后续换相失败的电压裕度是指相邻直流输电系统刚好不发生后续换相失败的换流母线电压与电网故障后的换流母线电压的有效值差值。
与现有技术相比的区别，本发明具有如下有益效果：
1、现有技术根据直流电压的变化或以零无功交换为目标控制直流电流以避免后续换相失败，忽略了直流电流控制对相邻直流输电系统后续换相失败的影响，可能引发相邻直流输电系统的后续换相失败，在多馈入直流系统中的适应性有限；本发明考虑了控制响应、电气量变化对多回直流输电系统交互作用的影响，根据相邻直流输电系统后续换相失败的安全裕度控制直流电流，可更大限度地阻止多馈入直流系统的后续换相失败。
2、现有技术针对单回直流输电系统后续换相失败的安全裕度进行评估，难以计及多馈入直流系统交互作用的影响；本发明考虑多回直流输电系统的无功电压交互作用，可更为准确评估多馈入直流输电系统后续换相失败的安全裕度。
3、现有技术对后续换相失败安全裕度的评估忽略了直流输电系统控制器切换的影响，可能产生较大误差；本发明考虑了直流输电系统控制器响应及切换的影响，可准确评估后续换相失败的安全裕度。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中作为实例的直流输电系统直流输电系统的结构示意图。
图3为实施例中三相故障下各逆变站关断角波形图。
图4为实施例中三相故障下目标直流逆变站电气量波形图。
图5为实施例中单相故障下各逆变站关断角波形图；
图6为实施例中单相故障下目标直流逆变站电气量波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，该方法的思想是，在监测到多馈入直流输电系统发生首次换相失败时，计算各回直流输电系统发生后续换相失败的安全裕度，基于安全裕度控制直流电流，抑制多回直流输电系统发生后续换相失败，启动执行以下步骤：
S101、受端交流电网故障后启动控制，采集目标直流输电系统逆变站的换流母线电压；
S102、根据目标直流输电系统逆变站换流母线电压估计相邻直流输电线路逆变站换流母线电压；
S103、计算相邻直流输电系统不发生后续换相失败的电压裕度；
S104、计算相邻直流输电系统不发生后续换相失败条件下目标直流逆变站与相邻直流逆变站的临界无功交换量；
S105、计算避免相邻直流输电系统发生后续换相失败的目标直流直流输电系统的直流电流参考值；
S106、将该直流电流控制参考值设置为目标直流输电系统的逆变站直流电流指令值，实施控制。
本发明的多馈入直流系统换相失败抑制方法，通过目标直流逆变站换流母线电压计算相邻直流换流母线电压，并与换相失败临界电压相比，确定相邻直流输电系统发生后续换相失败的电压裕度，确定不发生后续换相失败时的临界无功交换量，计算逆变站直流电流指令值。本发明充分考虑了故障恢复过程中直流控制对相邻多回直流后续换相失败的影响，根据换相电压和直流系统状态自适应地调节直流电流，有效降低多馈入直流输电系统中无功电压耦合的影响，有效抑制多回直流的后续换相失败。
具体实施时，步骤S102中，相邻直流输电线路逆变站换流母线电压按以下方法进行计算：
其中，ULi为故障后第i回直流逆变站的换流母线电压，ULNi、ULNj分别为第i回和相邻第j回直流逆变站换流母线额定电压；BVIFij为计及了交流线路故障位置差异的母线电压交互因子，按下式计算：
其中，ΔUi和ΔUj分别为交流系统故障下第i回和相邻j回直流输电线路逆变站换流母线的电压变化量；l为故障距离，可由故障测距确定；ΔUf为交流线路故障节点f的电压变化量；其中ADIFjf(l)为相邻第j回直流输电线路逆变站换流母线电压的变化量与交流系统的故障节点f处电压变化量的比值。ADIFif(l)为第i回直流输电线路逆变站换流母线电压的变化量与交流系统的故障节点f处电压变化量的比值，分别由下式计算：
其中，系数Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Aj、Bj、Cj、Dj、Ej分别为：
Ai＝zrs·[Z′is-Z′ir],Di＝zrs·[zrs+Z′ss-Z′rr]
Bi＝Z′ir·[Z′ss-Z′sr]+Z′is·[Z′rr-Z′sr]+zrs·Z′ir
Aj＝zrs·[Z′js-Z′jr],Dj＝zrs·[zrs+Z′ss-Z′rr]
Bj＝Z′jr·[Z′ss-Z′sr]+Z′js·[Z′rr-Z′sr]+zrs·Z′jr
其中，zrs是故障线路Lrs的阻抗值；Z′is、Z′ir、Z′sr、Z′js和Z′jr分别为n-1阶节点阻抗矩阵中节点i与节点s、节点i与节点r、节点s与节点r、节点j与节点s、节点j与节点r之间的互阻抗；Z′ss和Z′rr分别为n-1阶节点阻抗矩阵中节点r和节点s的自阻抗；节点i指第i回直流输电线路逆变侧交流母线节点；节点j指相邻第j回直流输电线路逆变侧交流母线节点；节点r和节点s指交流系统故障线路两端节点。
具体实施时，步骤S103中，相邻直流输电系统不发生后续换相失败的电压安全裕度按以下方法确定：
其中，ΔULj表示相邻第j回直流输电系统不发生后续换相失败的电压安全裕度；Uthj为相邻第j回直流不发生后续换相失败的临界换流母线电压，由下式计算：
其中，γth为直流输电系统的临界关断角；Nj为第j回直流输电系统6脉动换流器的数量；Xrj为第j回直流输电系统逆变侧换相电抗；Idj0为第j回直流输电系统整流站电流定值；KΔi为电流偏差控制的比例常数；βcea为定关断角控制控制输出的超前触发角，可由下式计算：
βcea＝β+Kp-cea(γ0-γ+Δγcec)
其中，Δγcec为电流偏差控制的输出值；Kp-cea为定关断角控制的PI控制比例参数；γ为直流输电系统逆变站的关断角；γ0为关断角初始值；β为中间计算参数，β按以下方法计算：
其中，βccc为定电流控制的输出超前触发角；Kp-ccc和Ti-ccc分别为定电流控制的比例和积分常数；Id-ref为直流电流的参考值；Id为直流电流的实测值；C1是积分常数，可由正常运行的状态确定；ki表示电流斜率；ki和Id的值可由下式计算：
其中，Udor表示整流站理想空载直流电压；Rcr和Rci分别表示整流站和逆变站的等效换相电阻；RL为直流电阻；Id0为整流站电流稳态值。
具体实施时，步骤S104中，相邻直流输电系统不发生后续换相失败条件下目标直流逆变站与相邻直流逆变站的临界无功交换量按以下方法确定：
其中，ΔQexj为相邻第j回直流输电系统不发生后续换相失败条件下目标直流逆变站与相邻第j回相邻直流逆变站的临界无功交换量，B为节点导纳矩阵虚部形成的矩阵；n表示直流输电系统相邻回数。
具体实施时，步骤S105中，目标直流输电系统的直流电流指令值按以下方法确定：
f(ULi,Id-ordi)＝0
式中，Id-ordi为目标直流输电系统的直流电流指令值；f(ULi,Id-ordi)为避免相邻直流发生后续换相失败的目标直流逆变站无功函数，按以下方法确定：
其中，Ki为目标直流输电系统换流变压器变比；Xri为目标直流输电系统逆变侧换相电抗；为目标直流输电系统逆变站提供的无功功率；Saci为目标直流输电系统的受端交流电网短路容量。
实施例
为验证本发明方法的有效性，以如图2所示的算例双馈入直流输电系统接线图为例，进行分析计算。直流输电系统的额定功率为1000MW，额定直流电压和直流电流为500kV和2kA，受端交流系统电压等级为230kV。正常运行时逆变站的关断角为15°，晶闸管的关断时间为约400us，临界关断角为7°。线路全长100km，线路阻抗为0.028+j0.271Ω/km。直流输电系统和直流输电系统多馈入短路比分别为2和4。本发明逆变站交流母线处发生不同故障类型的短路故障为场景，验证抑制后续换相失败的效果，以及逆变站有功和无功功率变化对交流系统的影响。
为对比本发明和常规低压限流控制分别对于后续换相失败的抑制作用以及有功无功对交流电压的影响，在设置相同故障状况下，分别采用以下三种不同的控制方法，记录故障期间逆变站的电气量变化。
方法1：基于CIGRE HVDC标准测试模型的常规低压限流控制。其中直流电压的门槛值Udl、Udh分别为0.4pu和0.9pu；直流电流上下限Idh、Idl分别为0.55pu和1.0pu。
方法2：基于关断角判别的AC/DC输入切换的改进VDCOL控制策略。
方法3：本发明。
在直流输电系统LCC-HVDC1换流母线处设置三相故障，过渡电感为0.3H。故障发生时间为1s，持续0.1s后清除，计算得到后续换相失败的临界电压为0.88pu。图3、图4所示为三相故障下各逆变站关断角波形和目标直流逆变站电气量波形。采用方法1时，在直流输电系统LCC-HVDC1发生首次换相失败后，逆变站与相邻直流输电系统无功交换增加，直流输电系统LCC-HVDC1和直流输电系统LCC-HVDC2均发生后续换相失败。在方法2下，改进后的VDCOL通过转换控制措施减轻了换相电压跌落幅度；在直流输电系统LCC-HVDC1发生后续换相失败后，直流输电系统LCC-HVDC2未发生后续换相失败。方法1和方法2作用下直流输电系统LCC-HVDC1在恢复期间的换相电压最小值分别为0.85pu和0.86pu，均小于临界电压，临界电压能够准确判断后续换相失败。
当采取方法3时，逆变站控制系统根据换相电压自适应调节直流电流大小，直流电流相较于方法2提前增加，更迅速的促进直流输电系统LCC-HVDC1无功恢复。直流输电系统LCC-HVDC1在1-1.1s逆变站无功需求降低，更快恢复到稳态值，减少无功交换量的同时减轻了直流输电系统LCC-HVDC2换相电压跌落，并且换相电压均大于临界电压，直流输电系统LCC-HVDC1和直流输电系统LCC-HVDC2均未发生后续换相失败。方法3有效抑制了两回直流输电系统的后续换相失败。
在直流输电系统LCC-HVDC1换流母线处设置过渡电感为0.5H的单相故障，故障发生时间为1s，持续0.1s后清除。图5、图6所示为单相故障下各逆变站关断角波形和目标直流逆变站电气量波形。在方法1下，直流输电系统LCC-HVDC1和直流输电系统LCC-HVDC2均发生后续换相失败，直流输电系统LCC-HVDC1恢复期间的换相电压最小值为0.87pu，小于临界电压。方法2下直流输电系统LCC-HVDC1未发生后续换相失败，但由于控制启动造成直流电流快速抬升，逆变站向相邻直流输电系统吸收大量无功，造成直流输电系统LCC-HVDC2发生后续换相失败。在方法3下，直流输电系统LCC-HVDC1根据换相电压自适应调节直流电流大小，使得逆变站无功需求降低，从而降低多回直流输电系统间的无功交换量，达到了抑制相邻直流输电系统后续换相失败的目的。
本发明所提方法基于直流输电系统无功电压安全裕度灵活的调节直流电流指令值，减少了多回直流输电系统间的无功交换，从而促进多直流协调恢复。
综上所示，本发明基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，考虑了故障恢复过程中直流控制对相邻多回直流后续换相失败的影响，根据换相电压和直流系统状态自适应地调节直流电流，有效降低多馈入直流输电系统中无功电压耦合的影响，有效抑制多回直流的后续换相失败。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，在监测到多馈入直流输电系统发生首次换相失败时，计算各回直流输电系统发生后续换相失败的安全裕度，基于安全裕度控制直流输电系统的直流电流，抑制多回直流输电系统发生后续换相失败，所述方法具体包括如下步骤：
S101、受端交流电网故障后启动控制，采集目标直流输电系统逆变站的换流母线电压；
S102、根据目标直流输电系统逆变站换流母线电压估计相邻直流输电线路逆变站换流母线电压；
S103、计算相邻直流输电系统不发生后续换相失败的电压裕度；
S104、计算相邻直流输电系统不发生后续换相失败条件下目标直流逆变站与相邻直流逆变站的临界无功交换量；
S105、计算避免相邻直流输电系统发生后续换相失败的目标直流输电系统的直流电流参考值；
S106、将该直流电流控制参考值设置为目标直流输电系统的逆变站直流电流指令值，实施控制。
2.如权利要求1中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S103中，相邻直流输电系统不发生后续换相失败的电压安全裕度的计算方式包括：
其中，ΔULj表示相邻第j回直流输电系统不发生后续换相失败的电压安全裕度；ULi为故障后第i回直流逆变站的换流母线电压，ULNi、ULNj分别为第i回和相邻第j回直流逆变站换流母线的额定电压；BVIFij为计及交流线路故障位置差异的母线电压交互因子；Uthj为相邻第j回直流不发生后续换相失败的临界换流母线电压。
3.如权利要求2中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，相邻第j回直流不发生后续换相失败的临界换流母线电压的计算方式包括：
其中，γth为直流输电系统的临界关断角；Nj为第j回直流输电系统6脉动换流器的数量；Xrj为第j回直流输电系统逆变侧换相电抗；Idj0为第j回直流输电系统整流站电流定值；KΔi为电流偏差控制的比例常数；γ0为关断角初始值；βcea为定关断角控制控制输出的超前触发角。
4.如权利要求3中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，定关断角控制控制输出的超前触发角的计算方式包括：
βcea＝β′+Kp-cea(γ0-γ+Δγcec)
其中，Δγcec为电流偏差控制的输出值；Kp-cea为定关断角控制的PI控制比例参数；γ为直流输电系统逆变站的关断角；β′为中间计算参数。
5.如权利要求4中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，所述中间计算参数β′按以下方法计算：
其中，βccc为定电流控制的输出超前触发角；Kp-ccc和Ti-ccc分别为定电流控制的比例和积分常数；ki表示电流斜率；Id-ref为直流电流的参考值；Id为直流电流的实测值；C1是积分常数，由正常运行的状态确定。
6.如权利要求5中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，电流斜率ki按照以下方法计算：
其中，Udor表示整流站理想空载直流电压；Rcr和Rci分别表示整流站和逆变站的等效换相电阻；RL为直流电阻。
7.如权利要求5中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，所述直流电流的实测值Id按以下方法计算：
其中，Id0为整流站电流稳态值。
8.如权利要求1中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S104中，相邻直流输电系统不发生后续换相失败条件下目标直流逆变站与相邻直流逆变站的临界无功交换量的计算方式包括：
其中，ΔQexj为相邻第j回直流输电系统不发生后续换相失败条件下目标直流逆变站与相邻第j回相邻直流逆变站的临界无功交换量，B为节点导纳矩阵虚部形成的矩阵；ΔULj表示相邻第j回直流输电系统不发生后续换相失败的电压安全裕度；n表示直流输电系统相邻回数。
9.如权利要求1中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，步骤S106中，目标直流输电系统的直流电流指令值通过求解下式得到：
f(ULi,Id-ordi)＝0
式中，Id-ordi为目标直流输电系统的直流电流指令值；ULi为故障后第i回直流逆变站的换流母线电压；f(ULi,Id-ordi)为避免相邻直流发生后续换相失败的目标直流逆变站无功函数。
10.如权利要求9中所述的基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法，其特征在于，避免相邻直流发生后续换相失败的目标直流逆变站无功函数按下式确定：
其中，Ki为目标直流输电系统换流变压器变比；ULi为故障后第i回直流逆变站的换流母线电压，γth为直流输电系统的临界关断角；Xri为目标直流输电系统逆变侧换相电抗；为目标直流输电系统逆变站提供的无功功率；ΔULj表示相邻第j回直流输电系统不发生后续换相失败的电压安全裕度；ULNi、ULNj分别为第i回和相邻第j回直流逆变站换流母线的额定电压；BVIFij为计及交流线路故障位置差异的母线电压交互因子；Uthj为相邻第j回直流不发生后续换相失败的临界换流母线电压；Saci为目标直流输电系统的受端交流电网短路容量。
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| CN202310676091.XA CN116613805A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 基于安全裕度评估的多馈入直流系统换相失败抑制方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116937654A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-24 | 四川大学 | 一种混合多馈入直流输电系统的反馈功率协调控制方法 |
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2023
- 2023-06-08 CN CN202310676091.XA patent/CN116613805A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116937654A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-24 | 四川大学 | 一种混合多馈入直流输电系统的反馈功率协调控制方法 |
| CN116937654B (zh) * | 2023-09-14 | 2023-11-28 | 四川大学 | 一种混合多馈入直流输电系统的反馈功率协调控制方法 |
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