CN110247417B - 一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法 - Google Patents

一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法，综合考虑柔直换流站提供短路电流的大小与其控制方式、运行工况和内外环控制器限幅器的影响，该控制方法在保证柔性直流换流站不闭锁的同时利用柔直换流器的快速响应特性，通过调整受端换流站的外环控制器无功轴电流参考值，控制换流站在交流***短路时输出的交流电流，降低受端换流站近区短路故障时向故障点提供的短路电流，进而降低交流***的短路电流水平，对柔性直流输电技术在我国工程中的应用有着重要的借鉴意义。

Description

一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法
技术领域
本发明属于电力***柔性输配电技术领域，具体涉及一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法。
背景技术
柔性直流输电是基于电压源型换流器技术的第三代直流输电技术，一般采用的换流元件是既可以控制导通又可以控制关断的双向可控电力电子器件，其典型代表是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。已有的柔性直流输电工程采用的电压源型换流器拓扑结构主要有3种，即两电平换流器、二极管钳位型三电平换流器和模块化多电平换流器(MMC)；采用子模块(SM)级联的模块化多电平换流器的每个桥臂由多个子模块和一个串联的电抗器构成，同相的上下两个桥臂构成一个相单元，克服了两电平和三电平换流器存在的动态均压和一致触发等问题。
基于MMC的两端柔性直流输电***，其基本结构主要包括两端交流***、换流站(包括换流变压器和换流器等)和直流输电线路等；换流站输出的有功功率主要和功角δ有关，通过控制δ即控制换流器输出电压与交流***电压的相角差，就能控制MMC从交流***获得有功功率的大小和方向。当δ＞0时，交流***向MMC注入有功功率；当δ＜0时，MMC将从另一端获得的有功功率注入交流***；无功功率的大小和传输方向主要受到Us-Uccosδ的影响，当Us-Uccosδ＞0时，换流器从交流***吸收无功功率；当Us-Uccosδ＜0时，换流器将无功功率送人交流***，相当于对交流***进行无功补偿。当两端两端柔性直流输电***将有功功率从交流***1通过直流输电线路输送到交流***2时，交流***1可以称为送端交流***，相应的换流站称为送端换流站；交流***2可以称为受端交流***，相应的换流站称为受端换流站。换流站内的换流器经过换流变压器和交流母线与交流***相连，其中的交流母线称为换流站交流侧的公共耦合节点(PCC)。
与传统直流输电技术相比，柔性直流输电有着可同时独立调节有功功率和无功功率、没有换相失败和没有无功补偿问题等优越性。考虑到现有投运的柔性直流输电工程传输功率小，其交流侧输出电流相对于***的短路电流微不足道，因而目前大多数学者认为柔性直流输电不提供短路电流。然而，随着柔性技术的发展，柔性直流输电工程的输电能力和电压等级逐渐提高；对于短路容量较大的交流***，柔直换流站提供的短路电流可能接近或超过断路器开断极限，从而导致短路故障难以清除。所以，柔性直流输电对交流***短路电流的影响已经不容忽略，而如何降低柔性直流换流站短路电流便成为一个值得研究的重要课题。
当柔直换流站近区交流***短路故障特别是PCC处故障时，对于降低换流站提供短路电流的措施一般有两种：一种是闭锁换流站，此时闭锁的换流站对于交流侧而言相当于开路不会提供短路电流，但是换流站闭锁后重启动的过程比较繁琐耗时；另一种是通过适当的控制措施在柔直换流站不闭锁的情况下限制短路电流，利用柔直换流站的控制响应速度快的特性实现的柔直换流站故障穿越。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法，该控制方法在柔性直流受端换流站控制***中增加了限制短路电流的附加控制器，实时监测受端换流站的交流侧公共耦合节点电压和受端换流站注入交流***的无功功率，附加控制器根据监测信息调整外环控制器的无功类电流输出参考值，从而减小换流站的输出交流电流，降低***短路电流水平，保证了柔直***在交流短路故障下可以安全运行。
一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法，具体为：首先，在受端换流站的控制单元中增加用于限制短路电流的附加控制器，并实时监测受端换流站交流侧的公共耦合节点电压Us以及受端换流站注入受端交流***的无功功率Qc；进而由附加控制器根据上述监测信息调整控制单元中外环控制器输出的无功类电流参考值，从而实现减小受端换流站输出电流的目的。
进一步地，所述两端柔性直流输电***中送端换流站采用定直流电压+定无功功率的控制方式，受端换流站采用定有功功率+定无功功率的控制方式或采用定有功功率+定交流电压的控制方式。
进一步地，所述受端换流站的控制单元包括外环控制器、内环控制器和附加控制器，外环控制器根据受端换流站的控制方式生成有功类电流参考值idref0和无功类电流参考值iqref0；当公共耦合节点电压Us低于电压阀值ushrt，附加控制器判定受端换流站交流侧发生短路故障，若同时无功功率Qc为正值时(以受端换流站注入受端交流***为正方向)，则说明故障点的短路电流大于受端交流***注入的短路电流，此时附加控制器通过调整无功类电流参考值iqref0以降低故障期间受端换流站注入到故障点的短路电流；内环控制器根据附加控制器调整后的无功类电流参考值iqref0 *、有功类电流参考值idref0以及受端换流站交流侧实际的输出电压和输出电流通过相应控制算法生成有功类电流参考值vdref和无功类电流参考值vqref，进而通过脉宽调制算法生成相应的PWM信号以对受端换流站中的功率开关器件进行控制。
进一步地，所述附加控制器包括两个比较器B1～B2、一个与门和一个两输入的可控开关；其中，比较器B1的同相输入端接公共耦合节点电压Us，比较器B1的反相输入端接电压阀值ushrt，比较器B2的同相输入端接无功功率Qc，比较器B2的反相输入端接0值，比较器B1的输出端与与门的第一输入端相连，比较器B2的输出端与与门的第二输入端相连，与门的输出端与可控开关的控制端相连，可控开关的两输入端分别接无功类电流参考值iqref0和0值，可控开关的输出端与内环控制器相连并向其输出无功类电流参考值iqref0 *。
进一步地，当公共耦合节点电压Us小于等于电压阀值ushrt时，比较器B1输出为1，否则输出为0；当无功功率Qc为正值即Qc≥0时，比较器B2输出为1，否则输出为0。
进一步地，当受端换流站交流侧发生短路故障且无功功率Qc为正值时，与门的输出为1，否则输出为0；当与门输出1作为可控开关的控制信号时，可控开关将0作为输出即iqref0 *＝0；当与门输出0作为可控开关的控制信号时，可控开关将无功类电流参考值iqref0作为输出即iqref0 *＝iqref0。
综合考虑柔直换流站提供短路电流的大小与其控制方式、运行工况和内外环控制器限幅器的影响，本发明控制方法在保证柔性直流换流站不闭锁的同时利用柔直换流器的快速响应特性，通过调整受端换流站的外环控制器无功轴电流参考值，控制换流站在交流***短路时输出的交流电流，降低受端换流站近区短路故障时向故障点提供的短路电流，进而降低交流***的短路电流水平，对柔性直流输电技术在我国工程中的应用有着重要的借鉴意义。
附图说明
图1为两端柔性直流输电***整体结构及控制示意图。
图2为附加控制器的结构示意图。
图3为附加控制器的控制逻辑示意图。
图4(a)为受端换流站采用定无功功率控制，短路故障下采用本发明控制方法前受端换流站的输出电流波形图。
图4(b)为受端换流站采用定无功功率控制，短路故障下采用本发明控制方法后受端换流站的输出电流波形图。
图5(a)为受端换流站采用定无功功率控制，短路故障下采用本发明控制方法前后故障点a相短路电流波形图。
图5(b)为受端换流站采用定无功功率控制，短路故障下采用本发明控制方法前后故障点b相短路电流波形图。
图5(c)为受端换流站采用定无功功率控制，短路故障下采用本发明控制方法前后故障点c相短路电流波形图。
图6(a)为受端换流站采用定交流电压控制，短路故障下采用本发明控制方法前受端换流站的输出电流波形图。
图6(b)为受端换流站采用定交流电压控制，短路故障下采用本发明控制方法后受端换流站的输出电流波形图。
图7(a)为受端换流站采用定交流电压控制，短路故障下采用本发明控制方法前后故障点a相短路电流波形图。
图7(b)为受端换流站采用定交流电压控制，短路故障下采用本发明控制方法前后故障点b相短路电流波形图。
图7(c)为受端换流站采用定交流电压控制，短路故障下采用本发明控制方法前后故障点c相短路电流波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明降低柔性直流换流站短路电流的控制方法在柔性直流受端换流站控制***中增加限制短路电流的附加控制器，实时监测受端换流站的交流侧公共耦合线电压和受端换流站注入交流***的无功功率；附加控制器根据监测信息调整外环控制器的无功类输出电流参考值，从而减小换流站的输出交流电流。
柔性直流换流器的控制***主要包括外环控制器、内环控制器、坐标变换环节、锁相环、调制环节等部分；柔性直流换流站正常工作时，首先外环控制器根据有功功率控制(定直流电压和定有功功率)和无功功率控制(定交流电压和定无功功率)的不同，分别输出有功类电流参考值idref0和无功类电流参考值iqref0，内环控制器根据交流侧的实际电流值和参考电流值，输出换流站交流侧电压的参考值vdref和vqref；最终，触发脉冲会根据电压参考值来控制上下桥臂子模块的工作状态，达到控制交流侧电压的幅值和相位的目的，从而实现对换流站功率或电压等电气量的控制。
本发明通过在柔性直流受端换流站原有控制***中增加限制短路电流的附加控制器，附加控制器实时监测受端换流站的交流侧公共耦合线电压和受端换流站注入交流***的无功功率。当PCC电压Us2降低至电压阀值ushrt时，认为受端换流站近区交流***发生短路故障；当受端换流站注入交流***的无功功率Qc2(以换流站注入交流***为正方向)为正值时，故障点的短路电流大于交流***注入的短路电流，此种工况下通过附加控制器降低故障期间受端换流站注入到故障点的短路电流。
当受端换流站仅向交流***注入有功功率时，PCC点故障后，换流站交流侧实际电流d轴分量id达到限幅，q轴分量iq为0，所以换流站输出电流与PCC点电压方向同相；受端交流***等值电势相角与PCC点电压方向基本同相，交流***等值电势到PCC点之间等值电抗远大于电阻，因此故障下交流***对PCC点的注入电流方向滞后PCC点电压90°。可见故障下的柔直换流站输出电流与交流***注入短路点的电流方向相差90°，此时柔直换流站对故障点短路电流的幅值影响可以忽略不计。
类似地，当受端换流站仅向交流***发出无功功率时，PCC点故障后，iq达到限幅，id为0，所以换流站输出电流滞后PCC点电压90°，故障下交流***对PCC点的注入电流方向也滞后PCC点电压90°。可见故障下的柔直换流站输出电流与交流***注入短路点的电流同相，此时柔直换流站的输出电流使故障点短路电流的幅值增大，且为交流***的注入电流与柔直换流站的输出电流的代数和。
由上述理论分析可知，受端换流站对短路电流的贡献主要来源于换流站注入交流***的无功功率，因而在受端换流站注入交流***的无功功率Qc2(以换流站注入交流***为正方向)为正值时，可以在柔直控制***中，设定受端换流站注入交流***的无功功率为0，则可以大幅减小短路故障下柔直换流站向交流***提供的短路电流，同时可以在短路故障期间，向受端***提供一定的有功功率支撑，减小故障对交流***的潮流冲击(不会像传统直流一样，发生换相失败，损失全部有功功率)。
图1为某两端柔性直流输电***的整体结构，其中AC1为送端交流***，换流站1为送端柔直换流站；AC2为受端交流***，换流站2为受端柔直换流站。上述柔直输电***的控制部分包括送端换流站控制***、受端换流站控制***，送端换流站控制***与受端换流站控制***结构类似，均包括外环控制器、内环控制器、坐标变换环节、锁相环PLL、调制环节等。正常运行时，换流站1控制直流电压(直流电压设定值为1p.u.)和注入交流***的无功功率(无功功率设定值为0.3p.u.)；换流站2采用两种控制方式：一种是控制注入交流***的有功功率(有功功率设定值为0.625p.u.)和无功功率(无功功率设定值为0.3p.u.)；另一种是控制注入交流***的有功功率(有功功率设定值为0.625p.u.)和交流侧母线电压(交流电压设定值为0.95p.u.)，本实例***参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002115891550000061
Figure BDA0002115891550000071
针对上述***，实现本发明降低柔直换流站短路电流的控制方法的具体过程如下：
(1)在柔性直流受端换流站控制***中增加限制短路电流的附加控制器。
在柔性直流受端换流站控制***中增加限制短路电流的附加控制器(即图1中的附加控制器)，附加控制器与内、外环控制器等***其他部分之间的信息交换如图2所示。附加控制器输入信号包括：①监测信息：受端换流站的交流侧公共耦合线电压Uc2和受端换流站注入交流***的无功功率Qc2；②外环控制器输出的q轴电流参考值iqref0；输出信号为附加控制器根据控制逻辑调整后的q轴电流参考值iqref，并将该值输出到内环控制器中。
(2)设定附加控制器的控制逻辑。
附加控制器采用如图3所示的控制逻辑，附加控制器将监测信息Uc2和Qc2转化为逻辑量A、B：当受端换流站PCC电压Uc2降低至电压阀值ushrt(本实例***中ushrt取0.3p.u.)时，逻辑量A＝1，反之则A＝0；当换流站注入交流***的无功功率Qc2为正值时，逻辑量B＝1，反之则B＝0。当换流站近区发生短路故障且注入交流***的无功功率Qc2为正值时，即逻辑量ctrl＝1(其中ctrl＝A×B)时，附加控制器将外环控制器q轴输出电流参考值iqref0调整为0作为无功类电流参考值输入到内环控制器中，即最终附加控制器的无功类输出参考值iqref满足：
Figure BDA0002115891550000081
(3)应用上述控制方法前后的效果对比。
在***中设定如下故障进行仿真：稳态运行至1s，受端换流站的PCC点发生三相短路故障，1.1s时故障消失。
在该故障下，当换流站2控制注入交流***的有功功率(有功功率设定值为0.625p.u.)和无功功率(无功功率设定值为0.3p.u.)时，采用本发明控制方法前后受端换流站注入交流***的输出电流分别为图4(a)和图4(b)，故障点的abc三相短路电流分别如图5(a)～图5(c)所示。当换流站2控制注入交流***的有功功率(有功功率设定值为0.625p.u.)和交流侧母线电压(交流电压设定值为0.95p.u.)时，采用本发明控制方法前后受端换流站注入交流***的输出电流分别为图6(a)和图6(b)，故障点的abc三相短路电流分别如图7(a)～图7(c)所示。
由图4(a)可见，采用本发明控制方法前，短路故障期间受端换流站的输出电流大幅增加，在故障期间电流幅值最大可达5kA左右；由图4(b)可见，采用本发明控制方法后，短路故障后受端换流站的输出交流电流降低，故障期间电流幅值基本维持在3kA左右。可见，当受端换流站无功类控制采用定无功功率控制时，本发明方法可以降低故障期间柔直换流站的输出电流。
由图5(a)～图5(c)可见，采用本发明控制方法后，故障期间故障点的abc三相短路电流均有所下降，降低的幅值最大可达4kA左右。可见，当受端换流站无功类控制采用定无功功率控制时，本发明控制方法可以有效降低故障期间交流***的短路电流水平。
由图6(a)可见，采用本发明控制方法前，短路故障期间受端换流站的输出电流大幅增加，在故障期间电流幅值接近6kA；由图6(b)可见，采用本发明控制方法后，短路故障后受端换流站的输出电流迅速降低，故障期间电流幅值基本维持在3kA左右。可见，当受端换流站无功类控制采用定交流电压控制时，本发明控制方法可以降低故障期间柔直换流站的输出电流。
由图7(a)～图7(c)可见，采用本发明控制方法后，故障期间故障点的abc三相短路电流均有所下降，降低的幅值基本维持在5kA左右。可见，当受端换流站无功类控制采用定交流电压控制时，本发明控制方法可以降低故障期间交流***的短路电流水平。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种降低两端柔性直流输电***换流站短路电流的控制方法，其特征在于：首先，在受端换流站的控制单元中增加用于限制短路电流的附加控制器，并实时监测受端换流站交流侧的公共耦合节点电压Us以及受端换流站注入受端交流***的无功功率Qc；进而由附加控制器根据Us和Qc调整控制单元中外环控制器输出的无功类电流参考值，从而实现减小受端换流站输出电流的目的；
所述两端柔性直流输电***中送端换流站采用定直流电压+定无功功率的控制方式，受端换流站采用定有功功率+定无功功率的控制方式或采用定有功功率+定交流电压的控制方式；
所述受端换流站的控制单元包括外环控制器、内环控制器和附加控制器，外环控制器根据受端换流站的控制方式生成有功类电流参考值idref0和无功类电流参考值iqref0；当公共耦合节点电压Us低于电压阈值ushrt，附加控制器判定受端换流站交流侧发生短路故障，若同时无功功率Qc为正值时，则说明故障点的短路电流大于受端交流***注入的短路电流，此时附加控制器通过调整无功类电流参考值iqref0以降低故障期间受端换流站注入到故障点的短路电流；内环控制器根据附加控制器调整后的无功类电流参考值iqref0 *、有功类电流参考值idref0以及受端换流站交流侧实际的输出电压和输出电流通过相应控制算法生成有功类电流参考值idref和无功类电流参考值iqref，进而通过脉宽调制算法生成相应的PWM信号以对受端换流站中的功率开关器件进行控制；
所述附加控制器包括两个比较器B1～B2、一个与门和一个两输入的可控开关；其中，比较器B1的同相输入端接公共耦合节点电压Us，比较器B1的反相输入端接电压阈值ushrt，比较器B2的同相输入端接无功功率Qc，比较器B2的反相输入端接0值，比较器B1的输出端与与门的第一输入端相连，比较器B2的输出端与与门的第二输入端相连，与门的输出端与可控开关的控制端相连，可控开关的两输入端分别接无功类电流参考值iqref0和0值，可控开关的输出端与内环控制器相连并向其输出无功类电流参考值iqref0 *；
当公共耦合节点电压Us小于等于电压阈值ushrt时，比较器B1输出为1，否则输出为0；当无功功率Qc为正值即Qc≥0时，比较器B2输出为1，否则输出为0；
当受端换流站交流侧发生短路故障且无功功率Qc为正值时，与门的输出为1，否则输出为0；当与门输出1作为可控开关的控制信号时，可控开关将0作为输出即iqref0 *＝0；当与门输出0作为可控开关的控制信号时，可控开关将无功类电流参考值iqref0作为输出即iqref0 *＝iqref0。
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