CN111786396B - 基于储能型链式statcom的高压直流输电***换相失败抑制方法 - Google Patents

基于储能型链式statcom的高压直流输电***换相失败抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于储能型链式STATCOM的高压直流输电***换相失败抑制方法，输电***包括送端电网；所述送端电网通过直流输电线路与受端电网连接；储能型链式STATCOM并联接入受端电网的交流母线。本发明采用储能型链式STATCOM装置，将储能技术与无功补偿技术相结合，在受端交流电网故障时，不仅可对高压直流输电***的受端母线电压提供有效的支撑作用，降低HVDC***换相失败概率，提高交直流***运行的稳定性；还能够显著增强互联***阻尼，抑制功率振荡，促进故障后直流输电***功率恢复。

Description

基于储能型链式STATCOM的高压直流输电***换相失败抑制 方法
技术领域
本发明涉及直流输电***，特别是一种基于储能型链式STATCOM的高压直流输电***换相失败抑制方法。
背景技术
换相失败作为直流输电***(HVDC)最为典型的***故障，成为高压直流输电***发展面对的重大难题之一。直流落点近区受端交流***短路故障会引起高压直流逆变站母线电压跌落，若故障没有及时清除，可能导致直流输电***发生换相失败。此外，高压直流***一旦发生故障引发闭锁，将引起受端电网供电电源瞬时不足，对受端***的电力平衡和正常供电产生较大影响，容易导致受端交流***频率失稳。
目前，在高压交流输电***中，同步调相机(SC)、静止无功补偿器(SVC)以及先进静止无功发生器(STATCOM)是三种主要的动态无功补偿装置。SC虽然短时过载能力强，具有一定的惯性支撑作用，但它属于旋转机械，运行维护复杂，投资运维费用高，这限制了同步调相机在HVDC***中应用。SVC输出无功可调，损耗小、维护简单、可靠性高，在电网中获得了大量应用，但其存在动态响应速度相对较慢、输出无功受电网电压波动影响大、易产生大量的谐波污染等不足，导致SVC在HVDC***换相失败抑制领域应用较少。STATCOM响应速度快、运行范围宽、功能多样、装置体积小、易维护，能够快速有效地改善接入点的电压质量，是高压直流输电***中用于抑制换相失败的理想无功补偿装置，但是STATCOM无功补偿质量受直流侧电容值和电容电压影响大，无功输出容量受电网电压波动影响大。
近年来，随着储能电池性能的提高和成本的降低，由于其具有能量密度高、自放电小、污染少、循环寿命长的特点，已获得较为广泛的应用。电池储能逐渐与电力电子技术结合，应用于电网电能质量的改善和电网稳定性的提高，其中将储能技术与无功补偿技术结合的新型FACTS(柔***流输电***)装置——储能型STATCOM是电池储能的一个典型应用。
现有的链式STATCOM结构在应用于高压直流输电***时，存在过大的无功出力导致子模块电容电压二倍频波动严重、各级联单元电容均压控制策略复杂、仅补偿无功功率电网电压的支撑效果受到限制的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于储能型链式STATCOM的高压直流输电***换相失败抑制方法，降低HVDC***换相失败概率，提高交直流***运行的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于储能型链式STATCOM的高压直流输电***，包括送端电网；所述送端电网通过直流输电线路与受端电网连接；储能型链式STATCOM并联接入受端电网的交流母线。
本发明在高压直流输电***中使用储能型链式STATCOM，可以避免因存在过大的无功出力导致STATCOM子模块电容电压二倍频波动严重、各级联单元电容均压控制策略复杂、仅补偿无功功率电网电压的支撑效果受到限制的问题，在维持母线稳态电压、抑制电压暂降水平、阻尼功率振荡及抑制相位跃变方面更具有优势。
所述储能型链式STATCOM三相之间采用星型接法；每相均包括多个级联的子模块；所述子模块包括储能单元；所述储能单元依次与DC/DC变换器、直流电容器、H桥单相AC/DC变换器直流侧并联。所述储能型链式STATCOM每一相均依次通过电抗器、等效损耗电阻、交流变压器并联接入所述受端电网的交流母线。储能型链式STATCOM采用链式结构，可以避免大量蓄电池的集中串并联，并且储能单元通过DC/DC变换器进行电压电流闭环控制后，再与H桥单相AC/DC变换器直流侧并联，能有效提高蓄电池电压稳定性以及***的可靠性，易于向高压大功率扩展，从而应用到高压直流输电换相失败抑制领域。
本发明还提供了一种上述高压直流输电***的换相失败抑制方法，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，对储能型链式STATCOM输出的三相电流isx、交流变压器二次侧三相电压vsx进行采样；x＝a,b,c；
2)利用交流变压器二次侧三相电压vsx计算电网电压相位θ及电网电压角频率ω；
3)利用三相电流isx、交流变压器二次侧三相电压vsx、电网电压相位θ及电压角频率ω获取dq坐标系下的电流isy及电压vsy；y＝d,q；
4)将电网电压角频率ω经过一阶低通滤波环节后，与额定电网电压角频率ω*做差，再经过比例控制器调节得到d轴有功电流指令根据储能型链式STATCOM的控制模式，确定q轴无功电流指令/>
5)利用经一阶低通滤波处理后的dq坐标系下的电流isy及电压vsy、d轴有功电流指令及q轴无功电流指令/>计算得到dq坐标系下的输出调制电压vmy，并将所述输出调制电压vmy变换至abc坐标系下，得到abc坐标系下的输出调制电压vmx；
6)将abc坐标系下的输出调制电压vmx经过单极倍频CPS-SPWM(载波移相正弦波脉宽调制技术)调制，得到储能型链式STATCOM子模块中H桥单相AC/DC变换器驱动信号。
本发明将无功补偿与储能技术相结合，即在步骤4)与步骤5)中，既存在无功电流控制环，又存在基于频率偏差控制的有功电流控制环。在受端交流电网故障时，不仅可对高压直流输电***的受端母线电压提供有效的支撑作用，降低HVDC***换相失败概率，提高交直流***运行的稳定性；还能够显著增强互联***阻尼，抑制功率振荡，促进故障后直流输电***功率恢复。
步骤4)中，确定q轴无功电流指令的具体实现过程包括：若所述储能型链式STATCOM处于恒无功控制模式，将无功功率指令值Q*乘以系数/>得到q轴无功电流指令/>vsd为交流变压器二次侧d轴电压；若所述储能型链式STATCOM处于稳态调压控制模式，将交流变压器二次侧电压峰值vs经过一阶低通滤波环节后，与额定交流电压/>做差，再经过比例控制器调节得到q轴无功电流指令/>若所述储能型链式STATCOM处于暂态电压控制模式，将输电***中关断角信号γ经过一阶低通滤波环节后，与额定关断角指令γ*做差，经过比例控制器调节后附加到稳态调压控制模式的交流电压差值中，再经过比例控制器调节得到q轴无功电流指令/>
若所述储能型链式STATCOM处于闭锁控制模式，则闭锁所有储能型链式STATCOM子模块的功率器件驱动信号。在暂态电压控制模式下，通过附加关断角协调控制结构于所述储能型链式STATCOM交流电压外环中，可以在短时间内提供更多的无功补偿，更好地抑制换相失败。
为便于通过检测受端交流母线电压瞬时跌落幅值和跌落速率来判断受端故障水平，根据故障严重程度来切换相应的控制策略，所述储能型链式STATCOM的控制模式包括：稳态调压控制模式、稳态恒无功控制模式、暂态电压控制模式和闭锁控制模式；上述四种模式切换逻辑包括：
1)交流电压高于0.9p.u.且低于1.1p.u.，且输电***电压变化率不高于设定门槛值(本发明设定为2000)，若接收到恒无功控制指令信号，则判定所述储能型链式STATCOM稳态恒无功控制模式动作；p.u.为标幺值单位；
2)交流电压高于0.9p.u.且低于1.1p.u.，且输电***电压变化率不高于设定门槛值(本发明设定为2000)，若接收到稳态调压控制指令信号，则判定所述储能型链式STATCOM稳态调压模式动作；
3)交流电压下降低于0.9p.u.且大于0.4p.u.，或输电***电压变化率高于门槛值(本发明设定为2000)，判定所述储能型链式STATCOM暂态电压控制模式动作；
4)交流电压低于0.4p.u.，判定所述储能型链式STATCOM闭锁控制模式动作。
为进一步抑制换相失败，本发明的方法还包括DC/DC变换器控制部分；所述DC/DC变换器控制部分包括：
1)在每个采样周期的起始点，对储能型链式STATCOM子模块直流电容电压udc、储能单元输出电流Io进行采样；
2)将所述储能型链式STATCOM子模块额定直流电压值减去子模块直流电容电压测量值udc，差值经过比例积分控制器调节，生成电流指令值；优选地，所述值电流指令限制在最大充、放电电流±Ilimit之内；
3)将电流指令值Iref减去储能单元输出电流测量值Io后，经过比例积分控制器调节后，通过PWM调制得到所述储能型链式STATCOM子模块中DC/DC变换器驱动信号；
4)若储能单元的荷电状态SOC小于SOCmin，且此时电流为储能电池放电方向，发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置0，不再进行放电；若所述储能电池的荷电状态SOC小于SOCmax时，且此时电流为储能电池充电方向，则发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置0，不再进行充电；其中，SOCmin＝20％；SOCmax＝80％。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种储能型链式STATCOM的高压直流输电***的换相失败抑制***，包括AC/DC变换器控制模块；所述AC/DC变换器控制模块被编程或配置为用于执行本发明AC/DC变换器控制方法的步骤。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种储能型链式STATCOM的高压直流输电***的换相失败抑制***，包括DC/DC变换器控制模块；所述DC/DC变换器控制模块被编程或配置为用于执行以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，对储能型链式STATCOM子模块直流电容电压udc、储能单元输出电流Io进行采样；
2)将所述储能型链式STATCOM子模块额定直流电压值减去子模块直流电容电压测量值udc，差值经过比例积分控制器调节，生成电流指令值；优选地，所述值电流指令限制在最大充、放电电流±Ilimit之内；
3)将电流指令值Iref减去储能单元输出电流测量值Io后，经过比例积分控制器调节后，通过PWM调制得到所述储能型链式STATCOM子模块中DC/DC变换器驱动信号；
4)若储能单元的荷电状态SOC小于SOCmin，且此时电流为储能电池放电方向，发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置0，不再进行放电；若所述储能电池的荷电状态SOC小于SOCmax时，且此时电流为储能电池充电方向，则发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置0，不再进行充电；其中，SOCmin＝20％；SOCmax＝80％。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用储能型链式STATCOM装置，将储能技术与无功补偿技术相结合，在受端交流电网故障时，不仅可对高压直流输电***的受端母线电压提供有效的支撑作用，降低HVDC***换相失败概率，提高交直流***运行的稳定性；还能够显著增强互联***阻尼，抑制功率振荡，促进故障后直流输电***功率恢复。在暂态电压控制模式下，通过附加关断角协调控制结构于所述储能型链式STATCOM交流电压外环中，可以在短时间内提供更多的无功补偿，更好地抑制换相失败。
附图说明
图1为本发明一实施例含储能型链式STATCOM的高压直流输电***结构图；
图2为本发明一实施例储能型链式STATCOM的主电路结构图；
图3为本发明一实施例基于储能型链式STATCOM的高压直流输电换相失败抑制控制框图；
图4为本发明一实施例储能型链式STATCOM的功率协调控制模式切换逻辑图。
具体实施方式
参见附图1，本发明一实施例含储能型链式STATCOM的高压直流输电***结构图，储能型链式STATCOM经过连接电抗器和等效损耗电阻后，通过交流变压器升压并联接入高压直流输电***受端交流母线。
参见附图2，本发明一实施例储能型链式STATCOM的主电路结构图，储能型链式STATCOM装置包括储能单元、DC/DC变换器、直流电容器、H桥单相AC/DC变换器、连接电抗器、等效损耗电阻和交流变压器；储能单元依次与DC/DC变换器、直流电容器、H桥单相AC/DC变换器直流侧并联，构成储能型链式STATCOM子模块；储能型链式STATCOM子模块通过多模块级联构成级联型多电平逆变器；所述储能型链式STATCOM三相之间采用星型接法，经过连接电抗器和等效损耗电阻后，通过交流变压器升压并联接入交流母线。
参加附图3，本发明一实施例基于储能型链式STATCOM的高压直流输电换相失败抑制控制框图，AC/DC控制模块部分主要由锁相环模块、基于频率偏差的有功调节模块、恒无功控制模块、稳态调压模块、暂态电压控制模块和电流内环解耦控制模块组成，DC/DC控制模块部分主要由电压电流双闭环控制及储能单元SOC判断模块组成，具体的控制方法包括：
AC/DC控制部分：
1)在每个采样周期的起始点，对所述储能型链式STATCOM输出三相电流isx(x＝a,b,c)、交流变压器二次侧三相电压vsx(x＝a,b,c)进行采样；
2)将步骤1)中采样得到的交流变压器二次侧三相电压vsx(x＝a,b,c)送入PLL模块中，得到电网电压相位θ及电压角频率ω，PLL模块中abc/αβ模块转换公式为：
3)将步骤1)中采样得到的所述储能型链式STATCOM输出三相电流isx(x＝a,b,c)、交流变压器二次侧三相电压vsx(x＝a,b,c)，及步骤2)所得电网电压相位θ送入abc/dq变换模块，得到dq坐标系下的电流isy(y＝d,q)及电压vsy(y＝d,q)，其中abc/dq模块转换公式如下：
4)将步骤2)所得电网电压角频率ω经过一阶低通滤波环节后，与额定电网电压角频率ω*做差，再经过比例控制器调节得到d轴有功电流指令
5)若所述储能型链式STATCOM处于恒无功控制模式，将无功功率指令值Q*乘以系数得到q轴无功电流指令/>其中vsd为步骤3)中所得交流变压器二次侧d轴电压；
6)若所述储能型链式STATCOM处于稳态调压控制模式，将交流变压器二次侧电压峰值vs经过一阶低通滤波环节后，与额定交流电压做差，再经过比例控制器调节得到q轴无功电流指令/>其中vs计算公式为：
其中vsα、vsβ为步骤2)中将交流变压器二次侧三相电压vsx(x＝a,b,c)送入abc/αβ模块所得；
7)若所述储能型链式STATCOM处于暂态电压控制模式，将高压直流输电***中关断角信号γ经过一阶低通滤波环节后，与额定关断角指令γ*做差，经过比例控制器调节后附加到步骤6)稳态调压控制模式交流电压差值中，再经过比例控制器调节得到q轴无功电流指令
8)将步骤3)所得dq坐标系下的电流isy(y＝d,q)及电压vsy(y＝d,q)经过一阶低通滤波后，与步骤4)所得d轴有功电流指令及步骤5)或步骤6)或步骤7)所得q轴无功电流指令/>送入电流内环解耦控制模块，得到dq坐标系下的输出调制电压vmy(y＝d,q)，具体计算公式如下：
其中，L为连接电抗器电感值，ω为PLL输出角频率，kipd、kiid分别为d轴PI控制器比例、积分系数，kipq、kiiq分别为q轴PI控制器比例、积分系数；
9)将步骤8)得到的dq坐标系下的调制电压vmy(y＝d,q)送入dq/abc变换模块，得到abc坐标系下的输出调制电压vmx(x＝a,b,c)，其中dq/abc模块转换公式如下：
10)将步骤9)所得abc坐标系下的输出调制电压vmx(x＝a,b,c)经过单极倍频CPS-SPWM调制，得到所述储能型链式STATCOM子模块中H桥单相AC/DC变换器驱动信号。同一相中各AC/DC逆变桥模块的三角载波信号按级联顺序依次错开角度为π/N，其中N为链节数目；
11)若所述储能型链式STATCOM处于闭锁控制模式，则闭锁所有储能型链式STATCOM子模块的IGBT驱动信号。
DC/DC控制部分：
1)在每个采样周期的起始点，对所述储能型链式STATCOM子模块直流电容电压udc、储能单元输出电流Io进行采样；
2)将所述储能型链式STATCOM子模块额定直流电压值减去步骤12)中采样得到的子模块直流电容电压测量值udc后，经过比例积分控制器调节，生成电流指令值，该值被限制在最大充、放电电流±Ilimit之内；
3)将步骤2)生成的电流指令Iref减去储能单元输出电流测量值Io后，经过比例积分控制器调节后，通过PWM调制得到所述储能型链式STATCOM子模块中DC/DC变换器驱动信号；
4)若所述储能单元的荷电状态SOC小于SOCmin＝20％，且此时电流为储能电池放电方向，则发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置为0，不再进行放电；若所述储能电池的荷电状态SOC小于SOCmax＝80％时，且此时电流为储能电池充电方向，则发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置为0，不再进行充电。
参见图4，本发明一实施例储能型链式STATCOM的功率协调控制模式切换逻辑图，所述储能型链式STATCOM功率协调控制策略共分为四种控制模式：稳态调压控制模式、稳态恒无功控制模式、暂态电压控制模式和闭锁控制模式，通过检测受端交流母线电压瞬时跌落幅值和跌落速率来判断受端故障水平，根据故障严重程度来切换相应的控制策略，各模式切换逻辑如下：
1)交流电压高于0.9p.u.且低于1.1p.u.，且***电压变化率不高于设定门槛值(本发明设定为2000)，若接收到恒无功控制指令信号，则判定所述储能型链式STATCOM恒无功控制模式动作；p.u.为标幺值；
2)交流电压高于0.9p.u.且低于1.1p.u.，且***电压变化率不高于设定门槛值(本发明设定为2000)，若接收到稳态调压控制指令信号，则判定所述储能型链式STATCOM稳态调压模式动作；
3)交流电压下降低于0.9p.u.且大于0.4p.u.，或电压变化率高于门槛值(本发明设定为2000)，判定所述储能型链式STATCOM暂态电压控制模式动作；
4)交流电压低于0.4p.u.，判定所述储能型链式STATCOM闭锁控制模式动作。另外，也可通过人工干预手动闭锁所述储能型链式STATCOM。
其中，闭锁控制模式优先级高于暂态电压控制模式，暂态电压控制模式优先级高于稳态模式。

Claims (9)

1.一种高压直流输电***的换相失败抑制方法，高压直流输电***包括送端电网；所述送端电网通过直流输电线路与受端电网连接；储能型链式STATCOM并联接入受端电网的交流母线；其特征在于，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，对储能型链式STATCOM输出的三相电流isx、交流变压器二次侧三相电压vsx进行采样；x＝a,b,c；
2)利用交流变压器二次侧三相电压vsx计算电网电压相位θ及电网电压角频率ω；
3)利用三相电流isx、交流变压器二次侧三相电压vsx、电网电压相位θ及电压角频率ω获取dq坐标系下的电流isy及电压vsy；y＝d,q；
4)将电网电压角频率ω经过一阶低通滤波环节后，与额定电网电压角频率ω*做差，再经过比例控制器调节得到d轴有功电流指令根据储能型链式STATCOM的控制模式，确定q轴无功电流指令/>
5)利用经一阶低通滤波处理后的dq坐标系下的电流isy及电压vsy、d轴有功电流指令及q轴无功电流指令/>计算得到dq坐标系下的输出调制电压vmy，并将所述输出调制电压vmy变换至abc坐标系下，得到abc坐标系下的输出调制电压vmx；
6)将abc坐标系下的输出调制电压vmx经过单极倍频CPS-SPWM调制，得到储能型链式STATCOM子模块中H桥单相AC/DC变换器驱动信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，确定q轴无功电流指令的具体实现过程包括：若所述储能型链式STATCOM处于恒无功控制模式，将无功功率指令值Q*乘以系数/>得到q轴无功电流指令/>vsd为交流变压器二次侧d轴电压；若所述储能型链式STATCOM处于稳态调压控制模式，将交流变压器二次侧电压峰值vs经过一阶低通滤波环节后，与额定交流电压/>做差，再经过比例控制器调节得到q轴无功电流指令/>若所述储能型链式STATCOM处于暂态电压控制模式，将输电***中关断角信号γ经过一阶低通滤波环节后，与额定关断角指令γ*做差，
经过比例控制器调节后附加到稳态调压控制模式的交流电压差值中，再经过比例控制器调节得到q轴无功电流指令
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，若所述储能型链式STATCOM处于闭锁控制模式，则闭锁所有储能型链式STATCOM子模块的功率器件驱动信号。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述储能型链式STATCOM的控制模式包括：稳态调压控制模式、稳态恒无功控制模式、暂态电压控制模式和闭锁控制模式；上述四种模式切换逻辑包括：
1)交流电压高于0.9p.u.且低于1.1p.u.，且输电***电压变化率不高于设定门槛值，若接收到恒无功控制指令信号，则判定所述储能型链式STATCOM稳态恒无功控制模式动作；p.u.为标幺值单位；
2)交流电压高于0.9p.u.且低于1.1p.u.，且输电***电压变化率不高于设定门槛值，若接收到稳态调压控制指令信号，则判定所述储能型链式STATCOM稳态调压模式动作；
3)交流电压下降低于0.9p.u.且大于0.4p.u.，或输电***电压变化率高于门槛值，判定所述储能型链式STATCOM暂态电压控制模式动作；
4)交流电压低于0.4p.u.，判定所述储能型链式STATCOM闭锁控制模式动作。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括DC/DC变换器控制部分；所述DC/DC变换器控制部分包括：
1)在每个采样周期的起始点，对储能型链式STATCOM子模块直流电容电压udc、储能单元输出电流Io进行采样；
2)将所述储能型链式STATCOM子模块额定直流电压值减去子模块直流电容电压测量值udc，差值经过比例积分控制器调节，生成电流指令值；
3)将电流指令值Iref减去储能单元输出电流测量值Io后，经过比例积分控制器调节后，通过PWM调制得到所述储能型链式STATCOM子模块中DC/DC变换器驱动信号；
4)若储能单元的荷电状态SOC小于SOCmin，且此时电流为储能电池放电方向，发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置0，不再进行放电；若所述储能电池的荷电状态SOC小于SOCmax时，
且此时电流为储能电池充电方向，则发出DC/DC变换器闭锁信号，将Iref置0，不再进行充电；其中，SOCmin＝20％；SOCmax＝80％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流指令值限制在最大充、放电电流±Ilimit之内。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储能型链式STATCOM三相之间采用星型接法；每相均包括多个级联的子模块；所述子模块包括储能单元；所述储能单元依次与DC/DC变换器、直流电容器、H桥单相AC/DC变换器直流侧并联。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储能型链式STATCOM每一相均依次通过电抗器、等效损耗电阻、交流变压器并联接入所述受端电网的交流母线。
9.一种基于储能型链式STATCOM的高压直流输电***的换相失败抑制***，其特征在于，包括AC/DC变换器控制模块；所述AC/DC变换器控制模块被配置为用于执行权利要求1～8之一所述方法的步骤。
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