CN113224736A - 一种限制柔性直流馈入短路电流的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种限制柔性直流馈入短路电流的控制方法，首先设置柔性直流换流站有功模式为定有功功率，无功模式为定无功功率；然后设定换流站的有功参考值为额定值1p.u.，；无功参考值为‑0.1p.u.；解锁柔性直流换流站，并分别将有功功率和无功功率提升至对应的参考值运行；当检测到交流***发生三相短路故障时，迅速改变无功功率限幅值为1.1p.u.；同时迅速增大无功功率参考值至限幅值；短路故障结束后，恢复无功限幅值为初始值，并将无功参考值调回‑0.1p.u.。本发明通过将柔性直流输电***工作在定无功功率控制模式，在不增加额外装置的前提下，限制柔性直流馈入交流***的短路电流；且经济有效，安全灵活，实施方式简单，同时保证了输电线路的有效传输功率。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域，具体为一种限制柔性直流馈入短路电流的控制方法。
背景技术
近年随着广域交流大电网形成，诸如稳定性降低、短路电流超标等技术问题渐渐涌现，导致其安全隐患争议不断。与此同时，大功率电力电子器件、高压换流等技术、设备发展迅速，其中柔性直流输电凭借可实现异步互联、故障隔离、有功无功快速可控和无换相失败等方面的优势不仅有效应对了当前交流输电面临的困境，并成为业界焦点。然而当今直流工程投运规模显著提升，柔性直流对交流***短路电流的影响程度也不断加深，其对交流***短路电流的贡献已不可忽视。
针对柔性直流对交流侧故障的影响和三相短路电流的计算，国内外学者开展了大量的研究。文献(含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究-孔祥平)从对含逆变型分布式电源的配电网故障分析理论和方法进行探讨和分析；文献(柔性直流输电***贡献交流短路电流的特性分析及计算方法-易扬)分析了柔性直流输电***贡献短路电流的特性和机理，提出了含柔性直流输电***的交直流混联***短路电流分析和计算的方法，但是并没有指出柔直提供的短路电流于出口电压相位相关；文献(MMC对交流***三相短路故障短路电流影响的机理研究-卜广全)分析得到柔性直流电网换流站近区发生三相短路故障后，换流站提供短路电流的特征，但对柔性直流馈入交流***故障电流影响因素分析得不够全面。实际上，现有研究结论仅初步明确了柔性直流所贡献故障电流由总限幅环节决定。
典型的柔性直流控制***如图1所示，其中外环功率控制器通过矢量控制将控制量解耦并转换成内环电流参考值，内环电流控制器通过调节MMC(modular multilevelconverter,MMC)上下桥臂的差模电压从而保证交流侧电流能快速追踪参考电流，并最终与参考电流一致，实现对换流站功率或电压等电气量的控制。
当换流器控制方式、有功或无功类参数的参考值以及柔直出口电压相位一定时，柔直对外提供的电流一定。因此相对于交流***而言，当发生三相短路故障后，柔直可视为大小可控的电流源。柔性直流对交流电网短路电流的影响在于发生短路故障后，柔直提供的短路电流将叠加至交流***短路电流。
以定有功功率控制/定无功功率控制模式为例，换流器控制环节与数学模型分别如图1与式(1)和式(2)所示。
***正常运行时，换流器输出电流为额定值，相当于幅值为1p.u.的电流源。当柔直出口(point of common coupling,PCC)处发生三相金属性接地短路故障后，其外送功率P受阻瞬间下降到0，但此时其有功参考值Pref不变，由式(1)与图1可知，有功电流将会持续上升并最终稳定在限幅值1.1p.u.，由于柔直出口电压与***交流短路电流相位相互垂直，即有功电流与短路电流相位相互垂直，柔直提供的有功电流无法馈入交流***短路电流。然而无功电流相位与短路电流相位相同，因此该情况下提供短路电流的是无功电流。即当定无功功率参考值设定不为0时，q轴无功电流在故障时将增加到其外环无功控制环节的限幅值。
在常见的交流和高压直流输电***中，一般采用如下几种措施对短路电流进行限制。
(1)采用性能更好的设备替换性能下降的电力设备。由于电网结构复杂，涉及的电力设备也很多。如果对设备进行更新换代，需要很高的花费，而且随着短路电流的快速增加，采用设备更新的办法只能解决目前存在的问题，不能做到一劳永逸。
(2)根据负荷和电网机构特点投入分布式电源。由于电源和负荷不是点对点的供应，可根据他们的分布，研究潮流的流动方向，在某些位置接入分布式电源，使得潮流的流动尽可能就近流动，避免远距离大容量的流动，从而实现输电线路的短路容量减小的目的。然而，这种方法更适合在新电网的构建中进行实施，现存的电网结构固化，如果再做改动，需要花费大量人力物力，实施起来会困难重重。
(3)电网分解与重构。把电网分成不同的层和不同的片区，分别进行管理，这样可以显著减小输电***的短路电流水平，可是它会使得电网骨架变得脆弱，日常运行的灵活性、安全性都会降低，但运行的难度会增加很多。
(4)接入高阻抗的变压器。这种通过增加线路的阻抗的方法，从而抑制短路电流的方法是最常用的，效果也十分明显，但是也有缺点，在电网正常运行的时候，线路两端会由于阻抗的增加从而增加线路电压差和产生功率损失的问题，使得输电线路有效传输的功率降低，整个电网的安全裕度也会降低。
(5)串联电抗器。在可能发生短路故障的位置到***之间安装n个阻抗恒定的设备，通过这种方法，可以有效减小短路后的电流冲击。但是存在和接入高阻抗变压器一样的缺点，这样也会使得功率损耗和电压差增加，使得功率传输效率减小。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够限制柔性直流馈入短路电流的控制方法，可在不增加额外装置的前提下，限制柔性直流馈入交流***的短路电流，且经济有效，安全灵活，实施方式简单，同时保证了输电线路的有效传输功率。技术方案如下：
一种限制柔性直流馈入短路电流的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：设置柔性直流换流站有功模式为定有功功率，无功模式为定无功功率；
步骤2：设定换流站的有功参考值为额定值1p.u.，即对外输送额定有功功率；无功参考值为-0.1p.u.，即对外吸收无功功率；其中，p.u.为标幺值；
步骤3：解锁柔性直流换流站，并分别将有功功率和无功功率提升至对应的参考值运行；
步骤4：当检测到交流***发生三相短路故障时，迅速改变换流站的无功功率限幅值为1.1p.u.；同时迅速增大换流站的无功功率参考值至限幅值，即将换流站的无功参考值从-0.1p.u.调至-1.1p.u.；
步骤5：短路故障结束后，恢复换流站的无功限幅值为初始值，并将换流站的无功参考值调回-0.1pu。
本发明的有益效果是：本发明能够在定无功功率模式且无功功率参考值不为0时，发生三相金属性接地短路故障后，通过将柔性直流输电***工作在定无功功率控制模式，在不增加额外装置的前提下，限制柔性直流馈入交流***的短路电流，使柔性直流馈入交流***的短路电流不论是暂态电流还是稳态电流，在吸收无功功率控制模式下均会减少；且经济有效，安全灵活，实施方式简单，同时保证了输电线路的有效传输功率。
附图说明
图1为基于矢量控制的柔性直流控制***。
图2为柔性直流输电***模型。
图3为无功参考值为-0.1p.u.时的短路电流标幺值仿真结果；(a)为无功参考值为-0.1p.u.时短路电流标幺值；(b)为(a)的局部放大图。
图4为无功参考值为0p.u.时的短路电流标幺值仿真结果；(a)为无功参考值为0p.u.时短路电流标幺值；(b)为(a)的局部放大图。
图5为无功参考值为+0.1p.u.时的短路电流标幺值仿真结果；(a)为无功参考值为+0.1p.u.时短路电流标幺值；(b)为(a)的局部放大图。
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。本发明可通过所提出控制方法限制柔性直流馈入交流***的短路电流，具体过程如下：
1)设置柔性直流换流站有功模式为定有功功率，无功模式为定无功功率。
2)设定换流站的有功参考值为额定值1p.u.(p.u.为标幺值)，即对外输送额定有功功率。
3)设定换流站的无功参考值为-0.1p.u.左右，即对外吸收少量无功功率。
4)解锁柔性直流换流站，并按照有功无功各自设定提升至前述参考值运行。
5)当检测到交流***发生三相短路故障时，换流站迅速改变无功功率限幅值为1.1p.u.。
6)在改变无功限幅值的同时，迅速增大无功功率参考值至限幅值，即无功参考值从-0.1p.u.增加到-1.1p.u.。
7)短路故障结束后，恢复无功限幅值为正常值，并减少无功参考值至-0.1p.u.。
下面以如图2所示的两端柔性直流为例进行计算并验证。
设定换流站的有功参考值为额定值1p.u.，t＝1.5s交流***发生三相短路故障电流如图2所示，在无功参考值分别为+0.1p.u.、0p.u.及-0.1p.u.的短路电流标幺值仿真结果分别如图3至图5所示。
通过图3(b)和图5(b)相比较可知，当换流站运行在吸收无功功率时(即无功参考值为-0.1p.u.)交流***的短路电流的暂态峰值和稳态标幺值分别为22.7p.u.和20.5p.u.，显著低于换流站运行在提供无功功率时(即无功参考值为+0.1p.u.)交流***的短路电流的暂态峰值(23.5p.u.)和稳态标幺值(21.4p.u.)。可见在所提策略下，柔性直流馈入交流***的短路电流不论是暂态电流还是稳态电流，在吸收无功功率控制模式下均得到了减少，证明所提策略有效。
Claims (1)
1.一种限制柔性直流馈入短路电流的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置柔性直流换流站有功模式为定有功功率，无功模式为定无功功率；
步骤2：设定换流站的有功参考值为额定值1p.u.，即对外输送额定有功功率；无功参考值为-0.1p.u.，即对外吸收无功功率；其中，p.u.为标幺值；
步骤3：解锁柔性直流换流站，并分别将有功功率和无功功率提升至对应的参考值运行；
步骤4：当检测到交流***发生三相短路故障时，迅速改变换流站的无功功率限幅值为1.1p.u.；同时迅速增大换流站的无功功率参考值至限幅值，即将换流站的无功参考值从-0.1p.u.调至-1.1p.u.；
步骤5：短路故障结束后，恢复换流站的无功限幅值为初始值，并将换流站的无功参考值调回-0.1p.u.。
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