考虑交直流耦合的直流输电系统送端交流过电压抑制方法

本发明涉及电力系统保护与控制，具体涉及考虑交直流耦合的直流输电系统送端交流过电压抑制方法。

背景技术：

1、基于电网换相型变换器的高压直流系统(line commuted converter based highvoltage direct current,lcc-hvdc)具有输电距离远、输送容量大等优点。随着新能源在能源结构中的占比不断提升，高比例新能源经lcc-hvdc送出方式大量应用。lcc-hvdc采用无自关断能力的晶闸管作为换流器件，在受端交流系统故障后逆变站易发生换相失败。换相失败导致lcc-hvdc整流站交流母线电压先降低后升高，可能产生交流暂态过电压。lcc-hvdc送端交流暂态过电压可能引起新能源机组因高电压脱网，甚至威胁送端电网稳定运行，对电网安全造成严重威胁。随着lcc-hvdc输电距离和新能源机组数量的不断增加，送端交流系统短路比不断减小，换相失败后整流站交流暂态过电压问题愈加严峻，对电网安全构成严重威胁。因此抑制整流站交流暂态过电压，对保障大电网安全具有重要意义。

2、国内外研究人员对lcc-hvdc送端交流暂态过电压进行了一定研究，对于lcc-hvdc送端交流暂态过电压的抑制主要有2类方法，一是在加装无功功率补偿设备，二是优化lcc-hvdc控制参数。通过优化lcc-hvdc控制系统来抑制暂态过电压是当前研究的热点。研究人员对低压限流控制、换相失败预防控制、定电流控制的参数进行优化，以期减小故障期间换流站与送受端系统交换无功功率，进而抑制过电压。在已有的暂态过电压计算中，大多数方法仅关注无功变化率对电压的影响，有研究指出在lcc-hvdc的实际运行中，有功功率的波动同样会影响暂态过电压的产生，在送端交流系统短路比较小时，有功功率的影响更为明显，整流站交流母线电压的计算需要考虑有功功率的变化。同时送端交流系统与整流站之间存在潮流约束。交流系统有功和无功功率的变化导致整流站交流母线电压的变化，而交流母线电压的变化使得输入整流站的有功和无功功率发生变化，进一步影响整流站交流母线电压。特别在送端交流系统短路比较小情况下，整流站有功功率的变化对交流母线电压的影响更大，加剧了交直流系统耦合。现有方法通过调节整流站消耗无功功率来抑制暂态过电压。由于lcc-hvdc有功和无功功率不解耦，整流站消耗无功功率的调整必然使得有功功率发生变化，有功功率的变化将导致整流站交流母线电压的变化，进一步影响有功和无功功率。忽视整流站侧交直流系统可能严重影响暂态过电压的控制准确性。

3、因此，如何兼顾控制指令值的定量计算和交直流耦合对整流站交流母线电压的影响，从而有效抑制送端交流过电压，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种考虑交直流耦合的直流输电系统送端交流过电压抑制方法，用以兼顾控制指令值的定量计算和交直流耦合对整流站交流母线电压的影响，从而有效抑制送端交流过电压。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、考虑交直流耦合的直流输电系统送端交流过电压抑制方法，包括以下步骤：

4、s1、当满足直流输电系统送端交流过电压抑制控制启动条件时，启动控制，采集当前时刻的整流站工作参数；所述整流站工作参数包括整流站交流母线电压、整流站直流电压、整流站触发角、整流站换相重叠角；

5、s2、根据当前时刻的整流站交流母线电压ulr(k)计算满足正常换相的整流站直流电流idr(k)；

6、s3、利用满足正常换相的整流站直流电流idr(k)，计算确定下一时刻的整流站交流母线电压预测值ulr(k+1)；

7、s4、判断所述下一时刻的整流站交流母线电压预测值ulr(k+1)是否大于预设的整流站交流母线电压阈值；若是，执行步骤s5；否则，执行步骤s6；

8、s5、对当前时刻的整流站交流母线电压ulr(k)进行反馈校正，并以反馈校正后的整流站交流母线电压作为新的当前时刻的整流站交流母线电压，返回s2；

9、s6、判断所述下一时刻的整流站交流母线电压预测值ulr(k+1)是否满足电压收敛判据，若不满足，则执行步骤s7；若满足，则执行步骤s8；

10、s7、将所述下一时刻的整流站交流母线电压预测值ulr(k+1)作为新的当前时刻的整流站交流母线电压，返回步骤s2；

11、s8、将满足正常换相的整流站直流电流idr(k)作为下一时刻的直流电流指令值，实施控制；

12、s9、检测实施控制后的整流站交流母线电压，并判断其是否小于等于k倍额定电压，其中k的取值范围是1～1.1；若是，则退出控制；否则，以实施控制后的整流站交流母线电压作为新的当前时刻的整流站交流母线电压，返回步骤s2。

13、作为优选方案，步骤s1中，所述直流输电系统送端交流过电压抑制控制启动条件为：检测到整流站直流电流降低。

14、作为优选方案，步骤s2中，利用当前时刻的整流站交流母线电压ulr(k)，按以下方式计算满足正常换相的整流站直流电流idr(k)：

15、

16、其中，αr(k)为当前时刻的整流站触发角；μr(k)为当前时刻的整流站换相重叠角；xs为整流站等值换相电抗；kr为整流站换流变压器的变比。

17、作为优选方案，步骤s3中，通过求解以下整流站交流母线电压动态方程计算下一时刻的整流站交流母线预测值ulr(k+1)：

18、

19、其中，αr(k)为当前时刻的整流站触发角；μr(k)为当前时刻的整流站换相重叠角；xs为整流站等值换相电抗；kr为整流站换流变压器的变比；n为整流站每极中6脉动换流器数；xr为送端交流系统等值电抗；bcr为交流滤波器等效电纳。

20、作为优选方案，步骤s5中，当前时刻的整流站交流母线电压按以下方法进行反馈校正：

21、ulr(k)*＝ulr(k)-δu；

22、其中，ulr(k)*表示反馈校正后的整流站交流母线电压；δu为电压反馈校正量。

23、作为优选方案，所述电压反馈校正量δu为下一时刻的整流站交流母线电压预测值ulr(k+1)与整流站交流母线电压阈值的偏差：

24、δu＝ulr(k+1)-ulrmax；

25、其中，ulrmax为整流站交流母线电压阈值。

26、作为优选方案，步骤s6中，电压收敛判据为：

27、|ulr(k+1)-ulr(k)|＜ε；

28、式中，ε为预设的电压收敛阈值。

29、作为优选方案，步骤s8中，将满足正常换相的整流站直流电流idr(k)作为下一时刻的直流电流指令值，实施控制，具体是指：根据直流电流指令值与实时值的偏差，利用pi控制器确定整流站触发角指令值，同时补偿触发角控制误差，对整流站进行触发控制。

30、作为优选方案，步骤s8中，下一时刻的触发角指令值αrord(k+1)按以下方式计算：

31、

32、其中，αpi(k+1)为pi控制器输出触发角；αer(k+1)为下一时刻的触发角控制误差；kap和tai分别为pi控制器的比例系数和积分常数，idr(k+1)表示下一时刻的整流站直流电流实际值。

33、作为优选方案，步骤s8中，触发角控制误差αer(k+1)按以下方式计算：

34、

35、其中，kr为整流站换流变压器的变比；n为整流站每极中6脉动换流器数；θoc为送端交流系统的电压相位角；θpll(k+1)为下一时刻整流站锁相环输出相位；udr(k+1)为下一时刻整流站直流电压；参数a、b、c分别为：

36、

37、其中，rr为送端交流系统等值电阻。

38、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

39、1、现有技术通过优化方法确定直流输电系统的控制指令值，主要通过控制整流站消耗无功功率来抑制送端交流过电压，而忽略了在送端交流系统短路比较小时交直流系统耦合对暂态过电压的影响；本发明考虑了交直流耦合对直流送端交流暂态过电压的影响，根据整流站交流母线电压、直流电流、功率之间的耦合关系确定整流站直流指令值，能够更准确的抑制整流站交流暂态过电压。

40、2、现有技术忽略了整流站有功功率对交流暂态过电压的影响；本发明量化了有功和无功功率共同影响下整流站交流母线电压与直流电流的关系，刻画了电压可行范围，可更为准确地抑制暂态过电压。

41、3、现有技术忽略了控制器控制性能对控制结果的影响；本发明考虑了控制误差对控制结果的影响，实现送端交流过电压的精准和有效控制。