一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法及装置与流程

1.本发明涉及输电技术领域，尤其涉及一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法及装置。


背景技术：

2.随着直流输电工程在大容量远距离输电及区域电网互联等领域的广泛应用，已经出现多条常规直流线路与柔性直流线路落点于同一交流系统的混合多馈入直流输电系统。常规直流系统采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件，存在换相失败现象，而柔性直流输电系统无换相失败问题且可实现有功无功解耦控制，可提供无功电压支撑。如何利用柔性直流输电系统的无功电压支撑能力来改善多馈入直流输电系统的故障恢复特性，特别是抑制常规直流连续换相失败就成了一个热点问题。
3.对于首次换相失败，大多数情况是由于逆变侧交流系统故障导致换流母线电压的快速跌落和直流电流的快速增大，换相裕度不足，熄弧角γ小于晶闸管固有的极限熄弧角γ
min
，换相失败发生，而此期间控制器还来不及响应，通常首次换相失败是难以避免的。连续换相失败指直流输电系统首次发生换相失败后，系统没有达到原来的或者新的平衡点，再一次发生换相失败，即对应熄弧角γ多次小于γ
min
。
4.现有的抑制连续换相失败的协调控制策略，大多的设计初衷是通过大幅度增大柔性直流输电的无功功率，为系统提供无功支撑，虽然有助于抑制连续换相失败的发生，但这往往会导致故障清除后其输出的有功功率受限，不利于系统功率恢复。


技术实现要素：

5.本发明提供一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法及装置，其充分利用柔性直流输电无功快速调节的能力，从而抑制常规直流输电系统的连续换相失败，并且最大限度提升故障恢复期间有功功率的传输能力。
6.本发明提供一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法，包括：
7.当接收到常规直流输电系统的故障信号时，将基于故障时的熄弧角的偏差量的无功功率附加控制环节附加到柔性直流输电系统的外环控制器上；
8.获取常规直流输电系统的相关电气测量值，并根据所述电气测量值计算临界换相电压和电流限制斜率；
9.根据所述临界换相电压与受端电压的大小关系和电流限制斜率，调整外环输出的q轴参考电流的上下幅值，并引入电流斜率控制器对外环输出的q轴参考电流的上下幅值进行控制，以对所述外环控制器输出的参考电流进行限幅，得到参考电流限幅值；其中，所述电流斜率控制器的斜率等于所述电流限制斜率；
10.基于所述无功功率附加控制环节和所述参考电流限幅值，控制外环控制器输出给内环电流控制器的最终电流参考值，以使得所述内环电流控制器根据所述最终电流参考值生成调制波，控制柔性直流输电系统。
11.作为上述方案的改进，所述将基于故障时的熄弧角的偏差量的无功功率附加控制环节附加到柔性直流输电系统的外环控制器上，具体包括：
12.计算故障时常规直流输电系统的熄弧角测量值与熄弧角参考值的差值，根据所述差值计算电压偏差补偿量，并将所述电压偏差补偿量附加到柔性直流输电系统的外环控制器的输入值上。
13.作为上述方案的改进，所述常规直流输电系统的相关电气测量值包括常规直流受端换流阀熄弧角测量值和常规直流输电系统的直流电流；
14.则，所述获取常规直流输电系统的相关电气测量值，并根据所述电气测量值计算临界换相电压和电流限制斜率，具体包括：
15.根据所述直流电流，计算临界换相电压；
16.计算所述换流阀熄弧角测量值与预设熄弧角参考值的偏差，将所述偏差输入到p控制器，得到电流限制斜率。
17.作为上述方案的改进，所述根据所述直流电流，计算临界换相电压，具体包括：
18.根据如下公式计算临界换相电压：
[0019][0020]
其中，u
lim
为临界换相电压，k为逆变侧变压器变比，id为直流电流，xr为逆变侧等效换相阻抗，γ
min
为晶闸管固有的极限熄弧角，βn为逆变侧的额定越前触发角。
[0021]
作为上述方案的改进，所述根据所述临界换相电压与受端电压的大小关系和电流限制斜率，调整外环输出的q轴参考电流的上下幅值，具体包括：
[0022]
当所述临界换相电压小于所述受端电压且所述电流限制斜率大于0时，调整外环输出的q轴参考电流的下限值为q轴参考电流限幅值；否则，所述q轴参考电流的下限值为预设q轴参考电流下限值；
[0023]
当所述电流限制斜率小于0时，所述q轴参考电流的上限值为所述q轴参考电流限幅值；否则，所述q轴参考电流的上限值为预设q轴参考电流上限值。
[0024]
作为上述方案的改进，所述q轴参考电流限幅值通过以下步骤获得：
[0025]
获取常规直流受端换流站从交流系统吸收的无功功率，根据所述无功功率和如下公式计算q轴参考电流限幅值：
[0026][0027]
其中，i
qlim1
为q轴参考电流限幅值；q
lcc
为常规直流输电系统从受端交流系统吸收的无功功率，sb为系统容量的基准值，u
sd
、u
sq
分别为受端交流电压的d轴分量、q轴分量，id为柔性直流输出电流的d轴分量。
[0028]
作为上述方案的改进，所述方法还包括：
[0029]
当检测到常规直流输电系统未发生故障时，获取柔性直流输电系统外环控制器输出的参考电流；
[0030]
根据预设参考电流幅值对所述参考电流进行限幅，得到限幅后的参考电流，并根据所述限幅后的参考电流，控制外环控制器输出给内环电流控制器的电流参考值，以使得
所述内环电流控制器根据所述电流参考值生成调制波，控制柔性直流输电系统。
[0031]
本发明实施例还提供一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制装置，包括：
[0032]
无功功率附加控制模块，用于当接收到常规直流输电系统的故障信号时，将基于故障时的熄弧角的偏差量的无功功率附加控制环节附加到柔性直流输电系统的外环控制器上；
[0033]
数据获取模块，用于获取常规直流输电系统的相关电气测量值，并根据所述电气测量值计算临界换相电压和电流限制斜率；
[0034]
参考电流限幅模块，用于根据所述临界换相电压与受端电压的大小关系和电流限制斜率，调整外环输出的q轴参考电流的上下幅值，并引入电流斜率控制器对外环输出的q轴参考电流的上下幅值进行控制，以对所述外环控制器输出的参考电流进行限幅，得到参考电流限幅值；其中，所述电流斜率控制器的斜率等于所述电流限制斜率；
[0035]
控制模块，用于基于所述无功功率附加控制环节和所述参考电流限幅值，控制外环控制器输出给内环电流控制器的最终电流参考值，以使得所述内环电流控制器根据所述最终电流参考值生成调制波，控制柔性直流输电系统。
[0036]
与现有技术相比，本发明提供的抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法及装置，包括当接收到常规直流输电系统的故障信号时，将基于故障时的熄弧角的偏差量的无功功率附加控制环节附加到柔性直流输电系统的外环控制器上，获取常规直流输电系统的相关电气测量值；根据所述电气测量值计算临界换相电压和电流限制斜率；根据所述临界换相电压与受端电压的大小关系和电流限制斜率，调整外环输出的q轴参考电流的上下幅值，并引入电流斜率控制器对外环输出的q轴参考电流的上下幅值进行控制，以对所述外环控制器输出的参考电流进行态功率限幅，得到参考电流限幅值；其中，所述电流斜率控制器的斜率等于所述电流限制斜率，基于所述无功功率附加控制环节和所述参考电流限幅值，控制外环控制器输出给内环电流控制器的最终电流参考值，以使得所述内环电流控制器根据所述最终电流参考值生成调制波，控制柔性直流输电系统。本发明能够将熄弧角裕度不足时的熄弧角偏差附加到柔性直流输电系统的无功外环，加快故障期间柔性直流输电系统的响应速度；通过柔性直流输电系统的动态功率限幅调节，充分发挥柔性直流输电系统快速调节无功功率的能力，减小混合多馈入直流输电系统故障恢复过程对受端交流系统的无功冲击，抑制连续换相失败的发生，同时保证直流系统输送最大的有功功率。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例提供的混合直流输电系统的系统结构图；
[0038]
图2是本发明实施例提供的传统的柔性直流输电矢量电流控制系统示意图；
[0039]
图3是本发明实施例提供的传统的柔性直流输电矢量电流控制器电流轨迹示意图；
[0040]
图4是本发明实施例提供的抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法的流程示意图；
[0041]
图5是本发明实施例提供的基于逆变侧熄弧角偏差的无功附加控制示意图；
[0042]
图6是本发明实施例提供的动态功率限幅调节框图；
[0043]
图7是本发明实施例提供的参考电流限制控制框图；
[0044]
图8是本发明实施例提供的抑制直流输电系统连续换相失败的控制装置的结构框图；
[0045]
图9为本发明实施例提供的故障恢复过程逆变侧的响应波形图。
具体实施方式
[0046]
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作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。
[0047]
参见图1，图1是本发明实施例提供的混合直流输电系统的系统结构图，可以看作是由实际复杂电力系统抽象得到的简化模型。
[0048]
图2为传统的柔性直流输电矢量电流控制系统示意图，它由内部电流控制环和外部功率控制环构成。根据传统的柔性直流输电矢量电流控制策略可得电流轨迹示意图如图3所示。当受端电网电压严重降低且双环控制器的d轴调节速度快于q轴时，则功率外环的输出和迅速到达e'点，随着pi控制器调节q轴的输出也达到极限值即从e'点运动到f'点，经限幅环节后和的运动轨迹对应为从稳态运行点i0运动到e点再到f点；同理当双环控制器的q轴调节速度快于d轴时，和的运动轨迹对应为从稳态运行点i0运动到g点再到f点，f点i
dlim
＝i
qlim
。不同的pi控制参数决定了输出电流的运动轨迹，功率外环pi控制器的输出限幅决定柔性直流输电的稳态运行点，通过调节pi控制器的输出限幅值来改变其暂态稳定运行点。
[0049]
由此可见，传统的柔性直流输电矢量电流控制策略故障下的暂态稳定运行点只能根据静态设定的运行点运行。为此，本发明实施例提供了一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法，其包括基于熄弧角偏差的柔性直流无功附加控制和动态功率限幅调节策略两部分，其中基于熄弧角偏差的柔性直流无功附加控制是对柔性直流输电系统矢量电流控制的无功功率外环控制输入值进行改进，以增快柔性直流输电系统在常规直流系统换相裕度不足时的无功功率响应速度，动态功率限幅调节环节用于对外环控制器输出的参考电流的幅值大小进行调整。
[0050]
具体的，参见图4，图4是本发明实施例提供的一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法的流程示意图。本发明实施例提供的一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法，包括步骤s11到步骤s14：
[0051]
步骤s11，当接收到常规直流输电系统的故障信号时，将基于故障时的熄弧角的偏差量的无功功率附加控制环节附加到柔性直流输电系统的外环控制器上；
[0052]
可以理解的是，上述步骤s11即是基于熄弧角偏差的柔性直流无功附加控制。
[0053]
步骤s12，获取常规直流输电系统的相关电气测量值，并根据所述电气测量值计算临界换相电压和电流限制斜率；
[0054]
步骤s13，根据所述临界换相电压与受端电压的大小关系和电流限制斜率，调整外环输出的q轴参考电流的上下幅值，并引入电流斜率控制器对外环输出的q轴参考电流的上
下幅值进行控制，以对所述外环控制器输出的参考电流进行限幅，得到参考电流限幅值；其中，所述电流斜率控制器的斜率等于所述电流限制斜率。
[0055]
在本发明实施例中，将上述步骤s13即是本发明实施例提出的动态功率限幅调节策略。
[0056]
步骤s14，基于所述无功功率附加控制环节和所述参考电流限幅值，控制外环控制器输出给内环电流控制器的最终电流参考值，以使得所述内环电流控制器根据所述最终电流参考值生成调制波，控制柔性直流输电系统。
[0057]
需要说明的是，上述步骤s11到步骤s14不应该理解为对本发明实施例执行顺序的限定。
[0058]
本发明实施例提供的抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法能够将熄弧角裕度不足时的熄弧角偏差附加到柔性直流输电系统的无功外环，加快故障期间柔性直流输电系统的响应速度，并通过柔性直流输电系统的动态功率限幅调节，充分发挥柔性直流输电系统快速调节无功功率的能力，减小混合多馈入直流输电系统故障恢复过程对受端交流系统的无功冲击，抑制连续换相失败的发生，同时保证直流系统输送最大的有功功率。
[0059]
在一种可选的实施方式中，所述步骤s11中的所述“将基于故障时的熄弧角的偏差量的无功功率附加控制环节附加到柔性直流输电系统的外环控制器上”，具体包括：
[0060]
计算故障时常规直流输电系统的熄弧角测量值γm与熄弧角参考值γ
ref
的差值，根据所述差值计算电压偏差补偿量δv
ac
，并将所述电压偏差补偿量δv
ac
附加到柔性直流输电系统的外环控制器的输入值上。
[0061]
在另一些实施方式中，当常规直流输电系统未发生故障时，则不进行熄弧角偏差的无功附加控制。
[0062]
为了便于理解，参见图5，图5示出了本发明实施例提供的基于逆变侧熄弧角偏差的无功附加控制示意图。可以理解的是，当常规直流输电系统发生故障时，本发明实施例根据熄弧角偏差计算电压偏差补偿量作为无功功率附加值，并将其叠加到外环控制器的参考值上，能增快柔性直流输电系统在常规直流系统换相裕度不足时的无功功率响应速度。
[0063]
在一种可选的实施方式中，所述常规直流输电系统的相关电气测量值包括常规直流受端换流阀熄弧角测量值γm和常规直流输电系统的直流电流id；
[0064]
则，所述步骤s12“获取常规直流输电系统的相关电气测量值，并根据所述电气测量值计算临界换相电压和电流限制斜率”，具体包括：
[0065]
根据所述直流电流id，计算临界换相电压u
lim
；
[0066]
计算所述换流阀熄弧角测量值γm与预设熄弧角参考值的偏差，将所述偏差输入到p控制器，得到电流限制斜率k1。
[0067]
优选的，所述根据所述直流电流，计算临界换相电压，具体为：
[0068]
根据如下公式计算临界换相电压u
lim
：
[0069][0070]
其中，u
lim
为临界换相电压，k为逆变侧变压器变比，id为直流电流，xr为逆变侧等效换相阻抗，γ
min
为晶闸管固有的极限熄弧角，βn为逆变侧的额定越前触发角。
[0071]
在一种可选的实施方式中，所述步骤s13中的“根据所述临界换相电压与受端电压的大小关系和电流限制斜率，调整外环输出的q轴参考电流的上下幅值”，具体包括：
[0072]
当所述临界换相电压u
lim
小于所述受端电压且所述电流限制斜率k1大于0时，调整外环输出的q轴参考电流的下限值为q轴参考电流限幅值i
qlim1
；否则，所述q轴参考电流的下限值为预设q轴参考电流下限值i
qlimmin
；
[0073]
当所述电流限制斜率小于0时，所述q轴参考电流的上限值为所述q轴参考电流限幅值i
qlim1
；否则，所述q轴参考电流的上限值为预设q轴参考电流上限值i
qlimmax
。
[0074]
在一些实施方式中，若常规直流输电系统未发生故障，则采用静态设定的i
qlimmin
和i
qlimmax
作为外环输出的无功电流参考幅值的上下限幅值i
qlimmin1
和i
qlimmax1
。
[0075]
可以理解的是，上述过程实质是对d轴参考电流的的上下限幅值调整的过程，基于上述过程，即可确定d轴参考电流的的上下限幅值，并将其与d轴参考电流的的上下限幅值输入到电流斜率控制器中，进一步对无功电流参考值的上下限幅值进行控制，得到对q轴参考电流进行动态功率限幅后的结果。
[0076]
在具体实施时，对d轴参考电流的动态功率限幅过程可参见如图6提供的动态功率限幅调节框图。根据图6的框图，可知步骤s13中动态功率限幅环节包括：
[0077]
(1)上下限幅选择：当电流限制斜率k1为正且受端交流电压大于临界换相电压u
lim
时，则改变的下限值选择为i
qlim1
；否则为静态设定的无功限幅值i
qlimmin
；相反当斜率为负时，则改变的上限值选择为i
qlim1
否则为静态设定的无功限幅值i
qlimmax
。
[0078]
(2)斜率限制：考虑到柔性直流输电系统的调节速度较快，加入电流斜率限制器限制无功的变化速率，提高系统的稳定性。
[0079]
(3)使能控制：使能控制信号为故障判别模块的输出信号，当判别出故障发生，其输出信号置为1，并维持至系统故障恢复到稳态值附近。
[0080]
在本发明实施例中，基于如图6所示的动态功率限幅环节对限幅得到限幅后的q轴参考电流，并进一步根据q轴参考电流对d轴参考电流进行限幅(该实现过程为现有的技术，因此不再展开说明，具体可参见图7)，即可输出参考电流限幅值。
[0081]
优选的，所述q轴参考电流限幅值通过以下步骤获得：
[0082]
获取常规直流受端换流站从交流系统吸收的无功功率，根据所述无功功率和如下公式计算q轴参考电流限幅值：
[0083][0084]
其中，i
qlim1
为q轴参考电流限幅值；q
lcc
为常规直流输电系统从受端交流系统吸收的无功功率，sb为系统容量的基准值，u
sd
、u
sq
分别为受端交流电压的d轴分量、q轴分量，id为柔性直流输出电流的d轴分量。
[0085]
在一种可选的实施方式中，所述方法还包括：
[0086]
当检测到常规直流输电系统未发生故障时，获取柔性直流输电系统外环控制器输出的参考电流；
[0087]
根据预设参考电流幅值对所述参考电流进行限幅，得到限幅后的参考电流，并根据所述限幅后的参考电流，控制外环控制器输出给内环电流控制器的电流参考值，以使得所述内环电流控制器根据所述电流参考值生成调制波，控制柔性直流输电系统。
[0088]
参见图8，图8是本发明实施例提供的抑制直流输电系统连续换相失败的控制装置的结构框图。本发明实施例提供的抑制直流输电系统连续换相失败的控制装置10，其用于执行上述实施例提供的抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法的全部步骤和流程，包括：
[0089]
无功功率附加控制模块11，用于当接收到常规直流输电系统的故障信号时，将基于故障时的熄弧角的偏差量的无功功率附加控制环节附加到柔性直流输电系统的外环控制器上；
[0090]
数据获取模块12，用于获取常规直流输电系统的相关电气测量值，并根据所述电气测量值计算临界换相电压和电流限制斜率；
[0091]
参考电流限幅模块13，用于根据所述临界换相电压与受端电压的大小关系和电流限制斜率，调整外环输出的q轴参考电流的上下幅值，并引入电流斜率控制器对外环输出的q轴参考电流的上下幅值进行控制，以对所述外环控制器输出的参考电流进行限幅，得到参考电流限幅值；其中，所述电流斜率控制器的斜率等于所述电流限制斜率；
[0092]
控制模块14用于基于所述无功功率附加控制环节和所述参考电流限幅值，控制外环控制器输出给内环电流控制器的最终电流参考值，以使得所述内环电流控制器根据所述最终电流参考值生成调制波，控制柔性直流输电系统。
[0093]
需要说明的是，本发明实施例提供的一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制装置用于执行上述实施例的一种抑制直流输电系统连续换相失败的控制方法的所有流程步骤，两者的工作原理和有益效果一一对应，这里不再作过多的赘述。
[0094]
以上是本发明方法的实施例，本发明还包括实施例对应的应用例如下：
[0095]
在电力系统电磁暂态仿真软件pscad/emtdc中搭建如图1所示的混合双馈入直流输电系统。逆变侧额定触发角αn选取142
°
，极限熄弧角γ
min
选取7
°
，线路阻抗z
12
＝3.6 j8.3(ω)。其他具体参数见表1-2。
[0096]
表1常规直流系统参数
[0097]
参数整流侧逆变侧交流系统电压等级330kv220.00kv直流系统电压等级 500kv 500kv交流系统等值阻抗47.655∠84
°
ω8.833∠75
°
ω无功补偿容量626mvar626mvar变压器容量603.7mva591.8mva变压器漏抗0.18p.u.0.18p.u.变压器变比345/213.5kv209.2/230kv
[0098]
表2柔性直流系统参数
[0099]
vsc-hvdc系统参数整流侧逆变侧交流系统电压等级220kv220kv直流系统电压等级
±
320kv
±
320kv变压器额定容量1000mva1000mva变压器漏抗0.15p.u.0.15p.u.变压器变比230kv/370kv370kv/230kv桥臂子模块数200200子模块电容值10mf10mf桥臂电抗值29mh29mh
[0100]
设置3组不同的方案，进行对比分析，案例设置如下：
[0101]
方案1：lcc-hvdc与vsc-hvdc均采用传统的控制方法；方案2：lcc-hvdc采用限制型低压限流控制方法，vsc-hvdc采用传统控制方法；方案3：lcc-hvdc采用传统的控制方法，vsc-hvdc采用本发明提出的协调控制方法。
[0102]
三种方案均对混合双馈入系统仿真模型施加如下故障：系统稳定后，于5.0s时在受端换流站母线处施加三相接地故障，接地阻抗为6.2 j6.2ω，故障持续时间0.1s，仿真从4.9s运行至5.9s。
[0103]
图9为三种方案仿真波形对比图。由图可知，方案1在受端交流系统故障后发生了两次换相失败，导致直流系统输送功率恢复较慢，且功率波动较大，故障切除后常规直流有功恢复至90％用时197.9ms；方案2和3均能抑制连续换相失败的发生，故障切除后常规直流有功恢复至90％用时分别为79.95ms和63.65ms。从受端电压和直流电流的波形图可以看出，方案2通过减小故障恢复期间的直流电流来增大常规直流的换相裕度，常规直流传输的功率恢复速率会较慢；方案3充分利用了柔性直流输电系统的容量裕度增发无功功率来提供无功电压支撑，提高了换相裕度进而抑制了连续换相失败的发生。
[0104]
进一步的，对比不同故障严重程度下本发明提出的方法对连续换相失败的抑制效果。仿真对比上述三种控制方案故障时发生换相失败的次数以及常规直流有功恢复至90％用时。其中故障严重程度采用故障期间受端换流母线电压跌落程度来表示。故障期间受端换流母线电压跌落在0.35p.u.到0.95p.u.之间，以0.05p.u.为间隔进行不同故障严重程度的仿真，三相接地故障时刻设置在5s，故障持续时间为0.1s，记录不同方案下的换相失败发生次数以及常规直流有功恢复至90％用时，其结果如表3所示。
[0105]
表3在不同电压跌落水平下不同控制方案直流系统的恢复特性数据统计
[0106][0107]
由表3可知，方案2和3均能有效地抑制不同故障严重程度下的连续换相失败，方案2是以降低常规直流的传输有功为代价，方案3的优势在于可以充分利用柔性直流容量裕度，发挥其无功电压支撑的能力，其故障期间常规直流输送功率的恢复速率会快于方案2，能够充分发挥柔性直流输电系统的无功电压调节能力，改善直流输电系统的恢复特性，并且在此基础上较大限度地提升直流输电系统有功功率的传输能力。
[0108]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。