CN111600325B - 一种混合级联直流输电***故障穿越方法及*** - Google Patents

一种混合级联直流输电***故障穿越方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种混合级联直流输电***故障穿越方法，所述故障穿越方法包括如下步骤：采集电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac；根据采集的交流电压计算直流***此时最大可以输送的功率并处理得到直流功率参考值PREF；将直流功率参考值PREF作为换流器控制信号输出至整流站；整流换流站根据接收到的控制信号控制直流输送功率跟随直流功率参考值PREF。本发明能够有效处理混合级联直流输电***中逆变侧电压源型换流器所连接的交流电网发生故障时所引起的直流过压问题，防止直流母线及子模块电容过电压，可靠的穿越交流故障，更好的保护设备安全。

Description

一种混合级联直流输电***故障穿越方法及***
技术领域
本发明属于直流输电领域，特别涉及一种混合级联直流输电***故障穿越方法及***。
背景技术
高压直流输电***可分为两种类型：基于晶闸管技术的常规直流输电***(LCC-HVDC)和基于全控型电力电子器件技术的柔性直流输电***(Flexible-HVDC)。其中，常规直流输电***(LCC-HVDC)成本低、损耗小、运行技术成熟，目前，世界上正在运行的直流输电***几乎都是LCC-HVDC***，但常规直流输电***(LCC-HVDC)存在逆变侧容易发生换相失败、对交流***的依赖性强、吸收大量无功、换流站占地面积大等缺点。而新一代的柔性直流输电***(Flexible-HVDC)则能够实现有功功率及无功功率解耦控制、可以向无源网络供电、结构紧凑占地面积小、不存在逆变侧换相失败问题等优点，但其存在成本高昂、损耗较大等缺陷。
因此结合常规直流输电和柔性直流输电的混合直流输电***将具有很好的工程应用前景。目前混合直流输电***的拓扑结构主要有如图1所示的对称单极接线的混合两端直流输电***和图2所示的对称双极接线的混合两端直流输电***。这两种***结合了常规直流输电损耗小、运行技术成熟以及柔性直流输电可以向无源网络供电、不会发生换相失败的优点。
但图1和图2中的混合直流输电***，当逆变侧电压源型换流器所连接的交流电网发生故障时，直流***的有功功率不能输出到交流侧，而处于整流状态的电流源型换流器仍然按照既定的功率参考值向直流***输送功率，此时直流侧电压将会由于能量不断的积累而快速增加，最终将危及直流设备安全。
现有技术中，基于晶闸管技术的常规直流输电***，在逆变侧所连接的交流电网发生故障时，逆变侧换流器将发生换相失败，此相当于直流侧发生短路故障，因而不会引起大的直流过压。基于全控型电力电子器件技术的柔性直流输电***，在逆变侧所连接的交流电网发生故障时，直流***的有功功率也不能输出到交流侧，此时直流侧电压也会由于能量不断的积累而快速增加，其一般通过DC chopper等直流耗能装置来保持直流侧的电压在可控范围内，不至于过高。但此种方法成本较高，对于混合直流输电***的适用性较差。
发明内容
本发明的目的是：提供一种混合级联直流输电***故障穿越方法及***，能够有效处理混合直流输电***中逆变侧电压源型换流器所连接的交流电网发生故障时所引起的直流过压问题，防止直流母线及子模块电容过电压，可靠的穿越交流故障，更好的保护设备安全。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种混合级联直流输电***故障穿越方法，所述混合级联直流输电***包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组混合级联换流器，所述混合级联换流器包括串联连接的电流源型换流器和电压源型换流器，所述电流源型换流器包括晶闸管换流器，所述电压源型换流器包括模块化多电平换流器；所述故障穿越方法包括如下步骤：
(1)采集电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac；
(2)根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1；根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2,所述第一直流功率参考值PREF1与所述第二直流功率参考值PREF2相加得到总直流功率参考值PREF；
(3)将总直流功率参考值PREF作为换流器控制信号输出至整流站；
(4)整流换流站根据接收到的控制信号控制直流输送功率跟随总直流功率参考值PREF。
优选的实施例中，步骤(2)中根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1的方法包括：根据所述交流电压uav计算直流***此时可以输送的最大交流功率Pacmax,将所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1。
优选的实施例中，步骤(2)中根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2的方法包括：根据所述交流电压uac计算直流***此时可以输送的最大直流功率Pdcmax，将所述最大直流功率Pdcmax进行计算处理得到第二直流功率参考值PREF2。
优选的实施例中，所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1具体方法是：根据交流有功功率与直流功率的折算关系对最大交流功率Pacmax进行折算得到直流功率折算值，将直流功率折算值作为第一直流功率参考值PREF1。
优选的实施例中，所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1具体方法是：根据交流有功功率与直流功率的折算关系对最大交流功率Pacmax进行折算得到直流功率折算值，将实测的交流功率值与交流功率指令值之间的偏差或实测的交流电流值与交流电流指令值之间的偏差送入调节器进行调节得到计算功率平衡量；将所述直流功率折算值与所述计算功率平衡量的和作为第一直流功率参考值PREF1。
优选的实施例中，所述调节器为比例积分调节器或比例调节器。
优选的实施例中，所述交流有功功率与直流功率的折算关系包括：直流侧功率传输到交流侧或者交流侧功率传输到直流侧所存在的功率损耗关系。
优选的实施例中，所述交流有功功率与直流功率的折算关系还包括：整流侧功率传输到逆变侧所存在的功率损耗关系。
优选的实施例中，所述最大直流功率Pdcmax进行计算处理得到第二直流功率参考值PREF2是指：根据所述交流电压uac进行换相失败预测，当预测换相失败发生时对最大直流功率Pdcmax进行限幅后得到第二直流功率参考值PREF2；否则不进行限幅，第二直流功率参考值PREF2的数值等于Pdcmax。
优选的实施例中，所述对最大直流功率Pdcmax进行限幅是指：以直流功率限制值Pdlim作为上限对最大直流功率Pdcmax进行限幅；所述直流功率限制值Pdlim由如下两种方案之一产生：
i)所述直流功率限制值Pdlim为预设置值，取值范围为0至电流源型换流器的最大可输送直流功率；
ii)所述直流功率限制值Pdlim为该换流器交流电压额定值与实际采集的交流电压uac的偏差经比例积分调节器调制产生。
优选的实施例中，当预测换相失败发生时，将所述最大直流功率Pdcmax限幅为0，即直流功率参考值PREF2为0。
本发明同时提出了一种混合级联直流输电***故障穿越***，所述混合级联直流输电***包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组混合级联换流器，所述混合级联换流器包括串联连接的电流源型换流器和电压源型换流器，所述电流源型换流器包括晶闸管换流器，所述电压源型换流器包括模块化多电平换流器；其特征在于，所述故障穿越***包括：
采集模块，用于采集电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac；
参考值计算模块，用于根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1；根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2,所述第一直流功率参考值PREF1与所述第二直流功率参考值PREF2相加得到总直流功率参考值PREF；
传输模块，用于将总直流功率参考值PREF作为换流器控制信号输出至整流站；
功率调整模块，用于控制整流换流站根据接收到的控制信号调节直流输送功率跟随总直流功率参考值PREF。
本发明的有益效果：
1)本发明能够有效处理混合级联直流输电***中逆变换流站端的交流故障，防止直流母线及子模块电容过电压，可靠的穿越交流故障，更好的保护设备安全。
2)本发明能够有效处理混合级联直流输电***中逆变换流站所连接的交流电网发生故障时所引起的直流过压问题，可以在故障期间有效的保持直流侧电压在可控范围内。
3)本发明结构简单，操作方便，可以在逆变换流站所连接的交流电网发生故障时，有效防止直流电压的升高，保持直流侧电压在可控范围内，从而有效的穿越交流故障。
附图说明
图1是对称单极接线的混合两端直流输电***示意图；
图2是对称双极接线的混合两端直流输电***示意图；
图3为本发明的混合级联直流输电***故障穿越方法示意图；
图4是整流站由两个晶闸管换流器串联，逆变站为3个模块化多电平换流器并联后通过直流输电线路与一个晶闸管换流器串联组成的混合级联多端直流输电***；
图5为本发明的混合级联直流输电***故障穿越***示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。其中，相同的组件使用相同的附图标记。
如图3所示为本发明的混合级联直流输电***故障穿越方法的一个具体实施例，应用于如图4所示的混合级联直流输电***，能够有效处理混合级联直流输电***中逆变侧电压源型换流器所连接的交流电网发生故障时所引起的直流过压问题，防止直流母线及子模块电容过电压，可靠的穿越交流故障，更好的保护设备安全。所述故障穿越方法包括：S1:交流电压的采集、S2:总直流功率参考值的计算、S3:总直流功率参考值的传送、S4：直流输送功率根据收到的指令进行调节。
在S1中，采集电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac。
在S2中，根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1；根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2,所述第一直流功率参考值PREF1与所述第二直流功率参考值PREF2相加得到总直流功率参考值PREF。
步骤S2中根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1的方法包括：根据所述交流电压uav计算直流***此时可以输送的最大交流功率Pacmax,将所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1。
一些实施例中，最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1具体方法是：根据交流有功功率与直流功率的折算关系对最大交流功率Pacmax进行折算得到直流功率折算值，将直流功率折算值作为第一直流功率参考值PREF1。
一些实施例中，最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1具体方法是：根据交流有功功率与直流功率的折算关系对最大交流功率Pacmax进行折算得到直流功率折算值，将实测的交流功率值与交流功率指令值之间的偏差或实测的交流电流值与交流电流指令值之间的偏差送入调节器进行调节得到计算功率平衡量；将所述直流功率折算值与所述计算功率平衡量的和作为第一直流功率参考值PREF1。其中，所述调节器为比例积分调节器或比例调节器。
一些实施例中，所述交流有功功率与直流功率的折算关系包括：直流侧功率传输到交流侧或者交流侧功率传输到直流侧所存在的功率损耗关系。
一些实施例中，所述交流有功功率与直流功率的折算关系还包括：整流侧功率传输到逆变侧所存在的功率损耗关系。
步骤S2中，根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2的方法包括：根据所述交流电压uac计算直流***此时可以输送的最大直流功率Pdcmax，将所述最大直流功率Pdcmax进行计算处理得到第二直流功率参考值PREF2。
一些实施例中，最大直流功率Pdcmax进行计算处理得到第二直流功率参考值PREF2是指：根据所述交流电压uac进行换相失败预测，当预测换相失败发生时对最大直流功率Pdcmax进行限幅后得到第二直流功率参考值PREF2；否则不进行限幅，第二直流功率参考值PREF2的数值等于Pdcmax。
一些实施例中，对最大直流功率Pdcmax进行限幅是指：以直流功率限制值Pdlim作为上限对最大直流功率Pdcmax进行限幅；所述直流功率限制值Pdlim由如下两种方案之一产生：
i)所述直流功率限制值Pdlim为预设置值，取值范围为0至电流源型换流器的最大可输送直流功率；
ii)所述直流功率限制值Pdlim为该换流器交流电压额定值与实际采集的交流电压uac的偏差经比例积分调节器调制产生。
一些实施例中，当预测换相失败发生时，将所述最大直流功率Pdcmax限幅为0，即直流功率参考值PREF2为0。
在S3中，将总直流功率参考值PREF作为换流器控制信号输出至整流站。
在S4中，整流换流站根据接收到的控制信号控制直流输送功率跟随总直流功率参考值PREF。
下面以附图4为例对本发明所述混合级联直流输电***故障穿越方法进行具体阐述。
如图4所示，混合级联直流输电***包括：整流换流站和逆变换流站，两者通过两条直流输电线路相连，其中：整流换流站用于将送端交流电网的三相交流电转换为直流电后通过直流输电线路传送给逆变换流站，送端交流电网进站的母线上可连接有无源滤波器，也可能没有,需根据***工程条件来确定,当送端由晶闸管换流器组成时，一般需要装设无源滤波器，有时还需要装设无功补偿电容器。图4中整流换流站由两组晶闸管换流器单元串联组成，其串联节点连接接地极，串联后的正负两端均通过平波电抗器与直流输电线路相连接；同时在直流线路与大地之间装设有直流滤波器。
晶闸管换流器单元采用十二脉动桥式电路；其中，每个桥臂均由若干个晶闸管串联构成，晶闸管换流器采用定直流功率控制策略控制。晶闸管换流器通过一台接线方式分别为Y0/Y/Δ的三绕组变压器与送端交流电网连接。变压器能够对送端交流***的三相交流电进行电压等级变换，以适应所需的直流电压等级，变压器副边接线方式的不同为十二脉动桥式晶闸管换流器的上下两个六脉动换流桥提供相角差为30°的三相交流电，以减少流入电网的谐波电流。
逆变换流站用于将直流电转换为三相交流电后输送给受端交流电网，其由四个换流站构成，包括站2，站3，站4和站5，站2与站3，站4，站5串联连接，站3，站4与站5并联连接。站2由两组晶闸管换流器组成，晶闸管换流器通过一台接线方式分别为Y0/Y/Δ的三绕组变压器与受端交流电网连接，晶闸管换流器采用定直流电压控制。站3，站4，站5每站均由两组电压源型换流器串联组成，其串联节点连接接地极，电压源型换流器通过一台接线方式为Y0/Δ的双绕组变压器与受端交流电网连接，其中站3的电压源型换流器采用定直流电压和定无功功率控制策略控制，站4的电压源型换流器采用定交流侧有功功率和定无功功率控制策略控制，站5的电压源型换流器采用定交流侧有功功率和定无功功率控制策略控制。其中，电压源型换流器采用模块化多电平换流器，定交流侧有功功率控制模式的换流器采用电流矢量控制，其有功电流参考值和无功电流参考值由给定的有功功率参考值和无功功率参考值经过比例积分控制器调制后得到。
当逆变换流站3所连交流***发生严重的交流故障，如三相短路故障时，若不采取适当的控制措施，则站3的电压源型换流器及站4和站5的电压源型换流器将承受严重过压，因此除了采用常规的控制策略之外，还需采取如下控制方法：
(1)采集站3电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和站2电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac；
(2)根据采集的交流电压uav并结合电压源型换流器可以运行的最大交流电流计算此时站3可以输送的最大交流有功功率Pacmax,其中，结合交流有功功率与直流功率的折算关系对站3可以输送的最大交流有功功率Pacmax进行计算而得到第一直流功率参考值PREF1，其中，直流功率与交流有功功率的折算关系是指依据直流侧功率传输到交流侧或者交流侧功率传输到直流侧以及整流侧功率传输到逆变侧所存在的直流输电线路，换流变压器，换流阀等的功率损耗关系，进行直流功率指令值与交流功率指令值的换算，一般这些损耗可以达到6.0％-8.5％。假设为6％，则PREF1＝Pacmax/0.94。
根据采集的交流电压uac并结合晶闸管换流器可以运行的最大直流电流计算站2的晶闸管换流器此时可以输送的最大直流功率Pdcmax，同时依据采集的交流电压uac进行换相失败预测后对可以输送的最大直流功率Pdcmax进行限制，让其小于等于直流功率限制值Pdlim，其中，Pdlim为预设置值，取值范围为0至电流源型换流器的最大可输送直流功率；当预测换相失败发生时，将所述最大可以输送的直流功率Pdcmax限幅为0，即直流功率参考值PREF2为0。处理后得到第二直流功率参考值PREF2,将第一直流功率参考值PREF1与第二直流功率参考值PREF2相加得到总直流功率参考值PREF。
(3)将总直流功率参考值PREF作为换流器控制信号通过站间通信输送至整流站；
(4)整流换流站的晶闸管换流器根据接收到的控制信号立即控制混合级联直流输电***将其送输送功率调整至总直流功率参考值PREF附近，从而避免逆变站由于直流功率过剩引起直流过电压。
如图5所示为本发明的一种混合级联直流输电***故障穿越***，所述混合级联直流输电***包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组混合级联换流器，所述混合级联换流器包括串联连接的电流源型换流器和电压源型换流器，所述电流源型换流器包括晶闸管换流器，所述电压源型换流器包括模块化多电平换流器。所述故障穿越***包括：采集模块、参考值计算模块、传输模块和功率调整模块。其中：
采集模块，用于采集电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac。
参考值计算模块，用于根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1；根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2,所述第一直流功率参考值PREF1与所述第二直流功率参考值PREF2相加得到总直流功率参考值PREF。
传输模块，用于将总直流功率参考值PREF作为换流器控制信号输出至整流站。
功率调整模块，用于控制整流换流站根据接收到的控制信号调节直流输送功率跟随总直流功率参考值PREF。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种混合级联直流输电***故障穿越方法，所述混合级联直流输电***包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组混合级联换流器，所述混合级联换流器包括串联连接的电流源型换流器和电压源型换流器，所述电流源型换流器包括晶闸管换流器，所述电压源型换流器包括模块化多电平换流器；其特征在于，所述故障穿越方法包括如下步骤：
(1)采集电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac；
(2)根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1，具体包括：根据所述交流电压uav计算直流***此时可以输送的最大交流功率Pacmax,将所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1；根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2,所述第一直流功率参考值PREF1与所述第二直流功率参考值PREF2相加得到总直流功率参考值PREF；
(3)将总直流功率参考值PREF作为换流器控制信号输出至整流站；
(4)整流换流站根据接收到的控制信号控制直流输送功率跟随总直流功率参考值PREF。
2.如权利要求1所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，步骤(2)中根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2的方法包括：根据所述交流电压uac计算直流***此时可以输送的最大直流功率Pdcmax，将所述最大直流功率Pdcmax进行计算处理得到第二直流功率参考值PREF2。
3.如权利要求1所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1具体方法是：根据交流有功功率与直流功率的折算关系对最大交流功率Pacmax进行折算得到直流功率折算值，将直流功率折算值作为第一直流功率参考值PREF1。
4.如权利要求1所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1具体方法是：根据交流有功功率与直流功率的折算关系对最大交流功率Pacmax进行折算得到直流功率折算值，将实测的交流功率值与交流功率指令值之间的偏差或实测的交流电流值与交流电流指令值之间的偏差送入调节器进行调节得到计算功率平衡量；
将所述直流功率折算值与所述计算功率平衡量的和作为第一直流功率参考值PREF1。
5.如权利要求4所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，所述调节器为比例积分调节器或比例调节器。
6.如权利要求3或4所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，所述交流有功功率与直流功率的折算关系包括：直流侧功率传输到交流侧或者交流侧功率传输到直流侧所存在的功率损耗关系。
7.如权利要求6所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，所述交流有功功率与直流功率的折算关系还包括：整流侧功率传输到逆变侧所存在的功率损耗关系。
8.如权利要求2所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，所述最大直流功率Pdcmax进行计算处理得到第二直流功率参考值PREF2是指：根据所述交流电压uac进行换相失败预测，当预测换相失败发生时对最大直流功率Pdcmax进行限幅后得到第二直流功率参考值PREF2；否则不进行限幅，第二直流功率参考值PREF2的数值等于Pdcmax。
9.如权利要求8所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，所述对最大直流功率Pdcmax进行限幅是指：以直流功率限制值Pdlim作为上限对最大直流功率Pdcmax进行限幅；所述直流功率限制值Pdlim由如下两种方案之一产生：
i)所述直流功率限制值Pdlim为预设置值，取值范围为0至电流源型换流器的最大可输送直流功率；
ii)所述直流功率限制值Pdlim为该换流器交流电压额定值与实际采集的交流电压uac的偏差经比例积分调节器调制产生。
10.如权利要求8所述的一种混合级联直流输电***故障穿越方法，其特征在于，当预测换相失败发生时，将所述最大直流功率Pdcmax限幅为0，即直流功率参考值PREF2为0。
11.一种混合级联直流输电***故障穿越***，所述混合级联直流输电***包括整流换流站和逆变换流站，所述整流换流站包括至少一组晶闸管换流器单元，所述逆变换流站包括至少一组混合级联换流器，所述混合级联换流器包括串联连接的电流源型换流器和电压源型换流器，所述电流源型换流器包括晶闸管换流器，所述电压源型换流器包括模块化多电平换流器；其特征在于，所述故障穿越***包括：
采集模块，用于采集电压源型换流器所连交流电网的交流电压uav和电流源型换流器所连交流电网的交流电压uac；
参考值计算模块，用于根据所述交流电压uav计算第一直流功率参考值PREF1，具体包括：根据所述交流电压uav计算直流***此时可以输送的最大交流功率Pacmax,将所述最大交流功率Pacmax进行计算处理得到第一直流功率参考值PREF1；根据所述交流电压uac计算得到第二直流功率参考值PREF2,所述第一直流功率参考值PREF1与所述第二直流功率参考值PREF2相加得到总直流功率参考值PREF；
传输模块，用于将总直流功率参考值PREF作为换流器控制信号输出至整流站；
功率调整模块，用于控制整流换流站根据接收到的控制信号调节直流输送功率跟随总直流功率参考值PREF。
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