CN111769583B - 一种改善级联型混合直流输电***稳定性的协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改善级联型混合直流输电***稳定性的协调控制方法，故障时根据线路传输功率、逆变侧LCC输出功率以及定直流电压MMC稳态输出功率，对多落点MMC中的有功功率指令值进行调控，避免定直流电压站由逆变改为整流，防止受端交流侧功率大范围转移现象出现。同时在故障清除后仍可缓解***恢复过程波动较大的问题，使***能够快速平稳地恢复至额定运行状态。本发明在交流、直流典型故障下均能实现***平稳过渡，提升直流受端***稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，具体为一种改善级联型混合直流输电***稳定性的协调控制方法。
背景技术
针对整流采用采用电网换相换流器LCC、逆变侧采用LCC与模块化多电平换流器MMC串联的受端多落点级联型混合直流输电***，因受限于功率器件的制造水平，通常需采用多个MMC并联以匹配LCC的输送容量，并且提高整个***的输送容量，***拓扑结构如图1所示。LCC和MMC并联组的存在使受端具备了分散接入交流电网的条件，可形成满足多负荷中心用电需求的多落点形式。同时由于MMC的控制十分灵活，各台MMC的控制方式有不同选择，具有多种控制方式组合。当各台MMC控制方式不同时，可能产生电流分配不平衡问题，严重时会导致功率反送现象，降低了受端交流***的稳定性。因此，针对可能出现的多种故障，研究混合级联型***的协调控制策略具有重要意义。
结合级联型混合直流输电***的伏安特性图2，针对***可能发生的常见交流接地故障和直流故障，进行以下理论分析：当整流侧发生交流接地故障时，整流侧LCC切换为定触发角控制，逆变侧LCC切换为定直流电流控制或低压限流控制，***运行点根据逆变侧电流值向左移动，整流侧和逆变侧的传输功率都减小；当逆变侧发生交流接地故障时，逆变侧LCC发生换相失败，其控制方式切换为定关断角控制，整流侧LCC切换为定直流电流控制或低压限流控制，***运行点根据整流侧电流值向左移动，***传输功率减小；当发生直流故障时，由于LCC的单相导电性，不存在故障电流，且线路直流电压为0，***功率传输中断。因此经分析可知在这几种常见故障下，线路功率的传输都会减小或者中断。下面以整流侧故障为例进行下一步分析。故障发生时，***运行点移动至点M。从图2可知PMMCB(即MMC并联组的功率)＝Pmmc1+Pmmc2+Pmmc3，PMMCB减小，若定有功MMC的功率指令值一直保持为稳态时的指令值不变(Pmmc2和Pmmc3不变)，MMCB(即MMC并联组)传输功率的减小只能由定直流电压MMC1吸收功率来平衡，因此MMC1由逆变改为整流，开始吸收有功功率，与其连接的交流***出现反向传输功率现象，受端交流***的稳定性大大降低。
措施1：混合级联型直流输电***受端接线和控制方式(徐政，王世佳，张哲任，徐雨哲，肖晃庆.LCC-MMC混合级联型直流输电***受端接线和控制方式[J].电力建设，2018，39(07)：115-122.)，但该措施仅研究了混合级联型直流输电***在不同受端接线和控制方式时的稳态和故障特性，并未针对故障响应特性提出协调控制策略。
措施2：混合级联型直流输电***的直流故障恢复控制策略(杨硕，郑安然，彭意，郭春义，赵成勇.混合级联型直流输电***直流故障特性及恢复控制策略[J].电力自动化设备，2019，39(09)：166-172+179.)。该措施提出了混合级联型直流输电***在直流故障期间及故障清除后的恢复控制策略，缓解了故障期间的过电流现象，但该控制策略仅针对于直流故障。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种改善受端多落点级联型混合直流输电***稳定性的协调控制策略，可避免定直流电压站由逆变改为整流，防止受端交流侧功率大范围转移现象出现，在交流、直流典型故障下均能实现***平稳过渡，提升直流受端***稳定性，同时在故障清除后仍可缓解***恢复过程波动较大的问题，使***能够快速平稳地恢复至额定运行状态。技术方案如下：
一种改善级联型混合直流输电***稳定性的协调控制方法，包括以下步骤：
S1：***正常运行时，Ctrl＝0，即定有功MMC的有功功率指令值为其给定传输值Pref；
S2：***判定发生故障后，经S ms故障检测时间，切换Ctrl＝1，即定有功MMC的有功功率指令值切换为实时计算出来的P′ref：
P′ref＝0.5×(Pdci-Plcc-Psmmc1)
式中，Psmmc1为定直流电压MMC1稳态运行时功率传输定值；Pdci为逆变侧总功率传输实时测量值；Plcc为***中逆变侧LCC的功率实时传输测量值；P′ref根据Pdci和Plcc进行变化，约束故障过程中Psmmc1的波动，使其接近稳态运行值；
将实时计算出的P′ref经过限幅环节以避免超出换流器容量，同时考虑到MMC功率调节极为快速，设置斜率限制器以提高***运行稳定性；
且故障清除后***恢复期间依然保持Ctrl＝1；
S3：待***平稳恢复至稳态运行后，切换Ctrl＝0，即定有功MMC的有功功率指令值切换为给定传输值Pref，***恢复至额定运行。
本发明的有益效果是：本发明在受端MMC采用不同控制方式组合时，可避免定直流电压站由逆变改为整流，防止受端交流侧功率大范围转移现象出现，在交流、直流典型故障下均能实现***平稳过渡，提升直流受端***稳定性，同时在故障清除后仍可缓解***恢复过程波动较大的问题，使***能够快速平稳地恢复至额定运行状态。本控制策略简单易行，有利于工程实践。
附图说明
图1为受端多落点级联型混合直流输电***拓扑结构。
图2为级联型混合直流输电***的伏安特性。
图3为定有功MMC协调控制策略图。
图4为整流侧短路故障下***响应特性；(a)无协调控制；(b)有协调控制。
图5为逆变侧短路故障下***响应特性；(a)无协调控制；(b)有协调控制。
图6为直流故障下***响应特性；(a)无协调控制；(b)有协调控制。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。***协调控制策略如图3所示：
根据逆变侧功率平衡式(忽略换流器损耗)：
Pdci＝Plcc+Pmmc1+Pmmc2+Pmmc3
可在故障时设置有功功率指令值为：
P′ref＝0.5×(Pdci-Plcc-Psmmc1)
其中，Psmmc1为定直流电压MMC1稳态运行时的功率传输值；P′ref相当于只根据Pdci和Plcc的变化进行调整，MMC并联组的功率变化由定有功MMC来承担，约束了故障过程中Psmmc1(即MMC1的功率)的波动，使其可以最大限度的接近稳态运行值，不会出现功率反送现象。因此在故障期间，该协调控制策略可避免定直流电压站由逆变改为整流，防止受端交流侧功率大范围转移现象出现，提升受端***稳定性，同时在故障清除后，有利于***快速平稳地恢复至稳态运行。
协调控制策略方案为：
1)***正常运行时，Ctrl＝0，定有功MMC的有功功率指令值为给定传输值Pref；
2)***判定发生故障后，经2ms故障检测时间，切换Ctrl＝1，定有功MMC的有功功率指令值切换为实时计算出来的P′ref，故障清除后***恢复期间依然保持Ctrl＝1；
3)待***平稳恢复至稳态运行后，切换Ctrl＝0。
实施例：搭建如图1所示级联型混合直流输电***为例进行验证，其主要参数如表1所示。
表1：级联型混合直流输电***主要参数
整流侧LCC为定直流电流控制，逆变侧LCC为定直流电压控制。MMC控制方式如表2所示，MMC1为定直流电压控制，MMC2和MMC3为定有功功率控制，它们的无功类控制都采用定无功功率控制，指令值设置为0。
表2：MMC控制方式
验证方案一：在整流侧交流母线设置单相接地故障，故障从4s开始，持续0.5s
未采取协调控制策略时，如下图4(a)所示，在4s时刻，整流侧发生故障，送端交流母线电压跌落，线路直流电压跌落，由于低压限流，直流电流也减小，线路传输有功功率跌落。逆变侧LCC传输功率减小，定直流电压MMC由于送端传输功率减小，两端功率不平衡，导致直流电压降低，产生波动。而定有功MMC功率指令值一直保持为额定值-620MW，其直流电流产生波动，功率缺额需由定直流电压MMC传输，因此MMC1由逆变状态切换至整流状态，从交流***吸收功率，出现反向传输功率现象，造成与MMC1连接的交流***AC2的母线电压波动较大，降低了受端交流***的稳定性。
如图4(b)所示为采取本文所提协调控制策略后的仿真结果。故障发生经2ms的故障检测时间，定有功MMC2和MMC3的功率指令值切换为P′ref，输出有功功率迅速减小，并根据***功率传输变化实时调整，大大约束了定直流电压MMC1的功率波动，使其输出有功功率接近于额定运行值。由仿真图可看到，MMC直流电压波动较小，并且有效的缓解了MMC并联组电流分配不平衡现象，抑制了MMC1直流电流的波动，不会出现功率反送现象。表3为***的交流电压和有功功率波动情况对比，可以看到无协调控制时MMC1功率波动ΔP为180.9％，而有协调控制时ΔP为32.3％，功率波动减小了151.6％。同时，与MMC1连接的交流***AC2的交流母线电压波动大大减小，电压波动值减小了19.2％，虽然MMC2和MMC3所连交流***的电压和功率有一定波动，但波动范围较小，所以受端交流***的稳定性得以提高。在故障清除后，***也可快速平稳地恢复至稳态运行。
表3：MMC1受端***的电压、功率波动情况对比
验证方案二：在逆变侧BUS-1交流母线设置单相接地故障，逆变侧LCC发生换相失败，故障从4s开始，持续0.5s。
未采取协调控制策略的仿真结果如图5(a)所示。由于逆变侧LCC换相失败，无法传输功率，定直流电压MMC1两端有功不平衡，直流电压上升，产生较大波动。而定有功MMC2和MMC3的功率指令值一直保持为额定值-620MW，其功率缺额需由MMC1输送，因此MMC1需反向传输功率，并且因直流电流不可控而产生反向较大冲击，不利于受端交流***的稳定。同时因没有较好的故障恢复策略，在故障清除后***产生了较大波动。
采取本发明协调控制策略后，仿真结果如图5(b)所示。故障发生后经2ms的故障检测时间，定有功MMC2和MMC3的功率指令值切换为P′ref，有功指令值迅速减小，并根据***功率传输变化实时调整。由仿真结果可知，MMC直流电压波动较小，有效的缓解了MMC并联组电流分配不平衡现象，抑制了MMC1直流电流的波动，并且避免了MMC1由逆变状态切换为整流状态，不会出现反送功率现象。同样地，从表4可知无协调控制时MMC1功率波动ΔP为199.1％，而有协调控制时ΔP为32.7％，功率波动减小了166.4％。同时，与MMC1连接的交流***AC2的交流母线电压波动较小，电压波动值减小了20.5％，提高了受端交流***的稳定性。在故障清除后，换流器指令协调配合，***可快速平稳地恢复至稳态运行。
表4：MMC1受端***的电压、功率波动情况对比
验证方案三：在4s时，设置架空线发生直流接地故障，故障持续0.5s，经2ms故障检测时间，整流侧LCC延迟触发角移相至150°，故障清除后经0.2s线路去游离过程，***开始故障恢复重启动。
如图6(a)所示为***直流故障暂态特性。由于本***的逆变侧是由LCC和半桥型MMC串联构成，可利用LCC的强制移相来清除直流故障，因此具有直流故障穿越能力。故障发生时，直流电压迅速降为0，功率传输中断，MMC直流电压降低至303kV，并持续到故障清除。MMC2和MMC3的功率指令值保持为额定值-620MW，其功率缺额只能由MMC1输送，因此MMC1需由逆变状态切换至整流状态，出现反向传输功率现象，造成与MMC1连接的交流***AC2的母线电压波动较大，降低了受端交流***的稳定性。
采取本发明协调控制策略后，***暂态特性如图6(b)所示。故障发生后经2ms的故障检测时间，定有功MMC2和MMC3的功率指令值切换为P′ref，有功指令值迅速减小，并根据***功率传输变化实时调整。由仿真结果可看到，MMC并联组直流电压波动较小，并迅速恢复至额定值，同时该协调控制策略有效的缓解了MMC电流分配不平衡现象，定直流电压MMC1不会出现反送功率现象。虽然在协调控制下MMC1的功率和受端交流***电压的波动仍然较大，但它们很快便恢复至额定值附近，减小对受端***的持续影响，MMC1不会长时间处于整流状态进行反送功率，提高了***的稳定性。在故障清除后，换流器指令协调配合，***可快速平稳地恢复至稳态运行。
经对比分析，可知本发明的协调控制策略在故障期间可有效的解决MMC并联组电流分配不平衡问题，避免定直流电压站由逆变改为整流，防止出现受端交流侧功率大范围转移现象，提升了受端***的稳定性。
Claims (1)
1.一种改善级联型混合直流输电***稳定性的协调控制方法，其特征在于，对于受端多落点级联型混合直流输电***拓扑结构，整流侧LCC为定直流电流控制，逆变侧LCC为定直流电压控制，MMC1为定直流电压控制，MMC2和MMC3为定有功功率控制，它们的无功类控制都采用定无功功率控制，指令值设置为0；控制方法包括以下步骤：
S1：***正常运行时，令Ctrl＝0，即定有功MMC的有功功率指令值为其给定传输值Pref；
S2：***判定发生故障后，经S ms故障检测时间，切换Ctrl＝1，即定有功MMC的有功功率指令值切换为实时计算出来的P′ref：
P′ref＝0.5×(Pdci-Plcc-Psmmc1)
式中，Psmmc1为定直流电压MMC1稳态运行时功率传输定值；Pdci为逆变侧总功率传输实时测量值；Plcc为***中逆变侧LCC的功率实时传输测量值；P′ref根据Pdci和Plcc进行变化，约束故障过程中Psmmc1的波动，使其接近稳态运行值；
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