CN114256864B - 高压直流输电***中svcc的定时间控制方法及装置 - Google Patents

高压直流输电***中svcc的定时间控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电***中SVCC的定时间控制方法及装置，通过故障检测模块判断***故障类型及电压跌落程度，然后仅需通过求解故障工况下SVCC电容充放电平衡方程即可获得SVCC变流链充放电时间，最后通过配合阀组换相进程确定SVCC变流链工作模态。相比SVCC传统控制方法，避免了复杂的信号检测和逻辑处理，提高了SVCC控制的稳定性，对SVCC的工程推广具有一定的指导意义。

Description

高压直流输电***中SVCC的定时间控制方法及装置
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，特别是一种高压直流输电***中SVCC的定时间控制方法及装置。
背景技术
电网换相换流器型高压直流输电(Line Commutated Converter based HighVoltage Direct Current，LCC-HVDC)由于具有传输容量大、传输距离远、功率调节灵活等优势。然而随着大容量直流输电工程数目的快速增长，交直流电网之间的耦合日益紧密，单一交流***故障可能经过多条输电线路传导而引发连锁故障。换相失败故障是LCC-HVDC***运行的常见故障，直流***发生换相失败后，若控保调节不当可能引发连续换相失败，甚至导致直流闭锁，功率传输中断，严重危害了交直流***的稳定运行。因此，亟需通过有效的抑制方法避免换相失败带来的危害。
串联电压换相换流器(Series Voltage Commutated Converter，SVCC)是一种应用于高压直流输电的新型换流拓扑，通过串入辅助换相电容，进而抬升阀组换相电压，提升***换相失败抵御能力。基于串联电压换相换流器的直流输电***主要包括：送端交流电网、送端换流变压器、整流阀、直流输电线路、逆变阀、受端换流变压器、受端交流电网，SVCC子模块，控制***；SVCC子模块为4个IGBT，4个反并联二极管，1个辅助换相电容组成的H桥结构，可实现正向导通，反向导通，旁路等多个模态输出；SVCC 子模块连接于逆变换流阀与受端换流变压器之间；控制***在整流站、逆变站均有配置。然而SVCC***运行时存在电容电压充放电不平衡的问题，限制了其推广。针对此问题，有文献提出了电流预测平衡控制，但在***发生故障后，***交流电压、直流电流波动较大，仅依靠电流预测控制难以保证辅助换相电容的平衡，且该方法在换相过程开始前需将辅助换相电容预放电至预测值再投入***，不利于抑制故障后首次换相失败。同时，该方案的控制器需要附加采集阀组电流，阀组换相电压，阀组同步信号等多个检测量用于判断换相过程的发生与结束时刻，检测过程中的电气量测量误差大及逻辑处理复杂等难题同样限制了SVCC的工程应用。
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，提供一种高压直流输电***中SVCC的定时间控制方法及装置，实现故障下SVCC的快速控制，保证辅助换相电容的平衡，且无需在换相过程开始前将辅助换相电容预放电至预测值再投入***。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高压直流输电***中SVCC的定时间控制方法，SVCC电容充电时间tcharge与电容放电时间tdischarge的关系式如下：
其中，uco(t)表示t时刻阀组退出相SVCC电容电压值，ucI(t)表示t时刻阀组接入相SVCC电容电压值，α为高压直流输电***逆变侧触发角，ω为电网***角频率。
本发明仅通过数学运算即可获得变流链(SVCC)的投切时间，处理过程简单，可以更快更稳定的保证SVCC***电容电压平衡，提高了HVDC***换相失败抵御能力。
SVCC电容充电时间tcharge的计算公式如下：tcharge＝arccos[cosα-2ωLId/(1-d％)ul]-α；Id为高压直流输电***传输的直流电流，L 为高压直流输电***等值换相电感，ul为换相阀组两相交流电压幅值分量差，d％为电压跌落深度。相比通过检测故障电流等其他方法，本发明可以更加稳定的投切辅助换相电容，且避免了检测干扰，确保辅助换相电容平衡，提高了SVCC的抗扰动能力。
电压跌落深度d％的确定过程包括：
给定电网电压幅值分量阈值udt，结合零序分量阈值u(0)T判断交流***故障类型FT：
当|u(0)|>u(0)T，判断电网***发生不平衡电压跌落，FT＝2；
当ud<udT时，判断电网***发生三相电压跌落故障，FT＝1；
当ud>udT时，判断电网***未发生电压跌落故障，FT＝0；
u(0)表示零序电压分量，u(0)＝ua+ub+uc；u(0)T表示零序分量阈值；
当FT＝1时，d％＝ud/un；un为额定三相交流电压幅值；
当FT＝2时，d％＝uxdfault/un；uxdfault＝min(uda，udb，udc)；udx为三相虚拟交流电压的幅值分量，ux为x相电压采样值，x＝a，b，c；三相虚拟交流电压表达式为：
通过αβ变换获取交流电压幅值，进而确定电压跌落深度d％的方法，因获取的交流电压幅值分量为直流量，可以快速准确获取交流电压幅值，进而判断***故障程度。
本发明还提供了一种高压直流输电***换相失败抑制方法，包括以下步骤：
若未检测出三相电压跌落故障，则控制SVCC工作于旁路状态；
若检测高压直流输电***已换相失败，则将SVCC切换至放电模式，SVCC电容电压值降为0，开通SVCC所有开关器件，旁路SVCC电容；
若检测出现电压跌落故障，且未发生换相失败，则根据电网***输出触发脉冲信号 PLUSE确定换相开始时刻，当SVCC所连接阀组退出导通，即PLUSE＝0时，则控制阀组连接相SVCC变流链工作于充电模式，持续时间tcharge后旁路SVCC；当SVCC所连接阀组触发导通，即PLUSE＝1时，则控制阀组连接相SVCC变流链工作于放电模式，持续时间tdischarge后旁路SVCC变流链；
其中，tcharge和tdischarge根据本发明的定时间控制方法计算得到。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序，以实现本发明定时间控制方法的步骤；或者，所述处理器执行所述计算机程序，以实现高压直流输电***换相失败抑制方法的步骤。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令；所述计算机程序/指令被处理器执行时实现定时间控制方法的步骤；或者所述计算机程序/指令被处理器执行时实现高压直流输电***换相失败抑制方法的步骤。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令；该计算机程序/指令被处理器执行时实现定时间控制方法的步骤；或者该计算机程序/指令被处理器执行时实现高压直流输电***换相失败抑制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的串联电压换相换流器定时间控制方法是一种测量量少，无复杂逻辑处理，可快速保证SVCC变流链充放电平衡的控制方法。在交流电网故障时，电压电流波动量波动巨大，传统的SVCC变流链平衡控制仅依靠电流预测控制不能很好地保证变流链电容的平衡，而本发明提出的SVCC仅需通过数学运算即可获得变流链投切时间，可以更快更稳定的保证SVCC***电容电压平衡，提高了HVDC***换相失败抵御能力，可避免SVCC控制器频繁检测换相过程带来的不稳定问题，实现故障下SVCC子模块的快速控制，并保证控制***的稳定。
附图说明
图1为本发明的基于串联电压换相换流器的直流输电***整体结构；
图2为为本发明的串联电压换相换流器阀组与变压器接线结构示意图；
图3为本发明的串联电压换相换流器工作模态图；
图4为本发明提供的交流***故障检测模块；
图5为本发明提供的串联电压换相换流器定时间控制方法框图；
图6(a)～图6(d)为本发明SVCC三相接地电感L＝0.8H故障的仿真图；
图6(a)***动态特性波形；图6(b)***关断角波形；图6(c)换相电容电压波形；图6(d)阀组电压波形；
图7(a)～图7(d)为本发明SVCC单相接地电感L＝0.6H故障的仿真图；
图7(a)***动态特性波形；图7(b)***关断角波形；图7(c)换相电容电压波形；图7(d)阀组电压波形；
具体实施方式
图1为本发明实施例串联电压换相换流器定时间控制方法整体设计框图。基于串联电压换相换流器的直流输电***包括逆变侧换流阀，逆变侧换流变压器，SVCC变流链模块及定时间控制器，其中定时间控制器通过采集阀组触发信号PLUSEY、PLUSED，并根据逆变侧交流电压ua，ub,uc，交流电网跌落程度d％及故障类型指令FT确定SVCC 模块工作于模态X。
图2为本发明实施例串联电压换相换流器阀组与变压器连接结构图，串联电压换相换流器阀组包括上下桥臂两个格雷兹整流桥，分别连接在Y/Y，Y/Δ变压器，出口三相交流母线。
图3为本发明SVCC模块的8种运行模态，其中黑线表示电流流过，灰色表示不流通电流。其中模态1～模态4为电流正向流过，模态5～模态8表示电流负向流过。
本发明实施例SVCC定时间控制方法由故障检测模块与定时间控制器两部分组成。
(1)故障检测模块
参见附图4，首先采样HVDC***受端电网三相交流电压ua，ub，uc，计算交流***零序电压分量u(0)，计算公式如式(1)：
u(0)＝ua+ub+uc； (1)
i)当|u(0)|<u(0)T时，判断三相交流侧电网电压平衡
当三相交流侧电网电压平衡时，计算电网电压基波幅值分量ud，首先将三相电网电压进行dq变换得uα，uβ计算过程如式(2)：
然后计算得到电网电压基波幅值分量ud，计算过程如式(3)：
将计算所得得交流电压幅值分量与交流电压阈值udt进行比较，判断是否发生故障；
当ud<udT时，则判断***发生三相电压跌落故障，故障类型标志位FT＝1；当ud>udT时，则判断***发生未发生电压跌落故障，故障类型标志位FT＝0。计算交流电网电压跌落程度d％，计算公式如下：
d％＝ud/un； (4)
ii)当|u(0)|>u(0)T时，判断三相交流侧电网电压不平衡
当***零序分量超过阈值u(0)T时，则判断***发生了不平衡故障，故障类型标志位FT＝2，需计算每相电压基波幅值分量，构造各相电压采样值ux(x＝a，b，c)的虚拟三相电压分量，虚拟电压表达式如式(4)：
计算三相虚拟交流电压的幅值分量udx，计算公式与三相电网平衡计算方式一致，将uxu，uxv，uxw带入式(2)，(3)即可。
判定故障电压幅值最小相为故障相，计算公式如下：
uxdfault＝min(uda，udb，udc)； (6)
计算交流电网电压跌落程度d％，计算公式如下：
d％＝uxdfault/un； (7)
(2)定时间控制方法
参见附图5，SVCC变流链定时间控制方法中控制器根据***故障类型FT，电压跌落深度d％，求解稳态下HVDC***换相时间，计算公式如(8)：
tμ＝arccos(cosα-2ωLId/ul)-α (8)
其中α为逆变侧触发角，ω为***角频率，L为高压直流输电***等值换相电感，ul为换相阀组两相交流电压幅值分量差，ul的计算公式见表1，由于发生单相故障时， Y/D变压器二次侧电压零序分量为0，利用对称分量法可计算得阀组换相电压，其中A 相电压跌落时，各阀组换相电压见表2。将换相时间tμ设定为SVCC变流链辅助换相电容充电时间tcharge。当确定SVCC变流链辅助换相电容充电时间tcharge后，为保证辅助换相电容电压充放电平衡，辅助换相电容放电时间tdischarge需满足式(9)：
其中uco(t)表示阀组退出相SVCC变流链电容电压值，阀组退出相表示即将退出导通阀组所在相；ucI(t)表示阀组接入相SVCC变流链电容电压值，阀组接入相表示即将导通的阀组所在相；式(9)中SVCC变流链电容电压uco(t)，ucI(t)的计算表达式如式(10)：
其中io(t)表示阀组退出相SVCC变流链电流值，iI(t)表示阀组接入相SVCC变流链电流值。uo(t)表示阀组退出相电压值，uI(t)表示阀组接入相电压值，uco(t)表示退出相电容电压值，ucI(t)表示投入相电容电压值，uco(0)表示退出相电容电压初始值。计算参见表1和表2。
通过求解式(9)，(10)即可获得SVCC变流链辅助换相电容放电时间tdischarge。
表1各相阀组换相电压
表2 A相电压跌落阀组换相电压
若***故障检测模块确定FT＝1或FT＝2时，根据***输出触发脉冲信号PLUSE确定换相开始时刻，然后参考计算所得充电时间tcharge，放电时间tdischarge确定变流链工作模态及辅助换相电容投入时间。例如当***输出触发信号PLUSE1，此时阀组VT5-VT1 换相过程开始，此时A相变流链电容需放电，C相变流链电容需充电，控制A相变流链工作于模态7，持续时间tdischarge后旁路，同时控制C相变流链工作于模态6，持续时间tcharge后旁路。
若检测出未三相电压跌落故障，即故障检测模块输出FT＝0，则控制SVCC变流链工作于旁路状态。若检测高压直流输电***已换相失败，则SVCC变流链切换至放电模式，紧急将辅助换相电容电压值降为0，后开通所有开关器件，紧急旁路电容。
通过PSCAD仿真验证本发明所提控制方法的有效性和先进性：
参见图6(a)～图6(d)，使用定时间控制方法的SVCC能够抵御三相接地电感 L＝0.8H的三相接地故障。在故障发生时HVDC***直流电流Id最大值仅为1.2p.u，三相交流电网电压并未剧烈变化，关断角γ为7.5°。而SVCC三相辅助换相电容电压保持稳定，在初始值15kV范围内波动1kV，满足SVCC变流链电容电压平衡要求。同时阀组电压均抵御额定值300kV运行，SVCC变流链的接入并未引起***过电压。通过仿真验证了SVCC定时间控制方法在三相接地故障时的有效性，SVCC临界接地电感 L＝0.75H，相比传统LCC-HVDC临界接地电感L＝1.5H有了较大提升。
参见图7(a)～图7(d)，使用定时间控制方法的SVCC能够抵御单相接地电感 L＝0.6H的单相接地故障。在故障发生时HVDC***直流电流Id最大值仅为1.18p.u，三相交流电网电压并未剧烈变化，关断角γ为8.1°。而SVCC三相辅助换相电容电压保持稳定，在初始值15kV范围内波动3kV，相比三相电压跌落时电压波动加剧(因不平衡故障各阀组换相电压变化较大)，但该范围波动同样满足SVCC变流链电容电压平衡要求。同时阀组电压均抵御额定值300kV运行，SVCC变流链的接入并未引起***过电压。

Claims (4)

1.一种高压直流输电***中SVCC的定时间控制方法，其特征在于，SVCC电容充电时间tcharge与电容放电时间tdischarge的关系式如下：
其中，uco(t)表示t时刻阀组退出相SVCC电容电压值，ucI(t)表示t时刻阀组接入相SVCC电容电压值，α为高压直流输电***逆变侧触发角，ω为电网***角频率；
SVCC电容充电时间tcharge的计算公式如下：tcharge＝arccos[cosα-2ωLId/(1-d％)ul]-α；Id为高压直流输电***传输的直流电流，L为高压直流输电***等值换相电感，ul为换相阀组两相交流电压幅值分量差，d％为电压跌落深度；
电压跌落深度d％的确定过程包括：
给定电网电压幅值分量阈值udt，结合零序分量阈值u(0)T判断交流***故障类型FT：
当|u(0)|>u(0)T，判断电网***发生不平衡电压跌落，FT＝2；
当ud<udT时，判断电网***发生三相电压跌落故障，FT＝1；
当ud>udT时，判断电网***未发生电压跌落故障，FT＝0；
u(0)表示零序电压分量，u(0)＝ua+ub+uc；u(0)T表示零序分量阈值；
当FT＝1时，d％＝ud/un；un为额定三相交流电压幅值；
当FT＝2时，d％＝uxdfault/un；uxdfault＝min(uda，udb，udc)；udx为三相虚拟交流电压的幅值分量，ux为x相电压采样值，x＝a，b，c；三相虚拟交流电压表达式为：
2.一种高压直流输电***换相失败抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
若未检测出三相电压跌落故障，则控制SVCC工作于旁路状态；
若检测高压直流输电***已换相失败，则将SVCC切换至放电模式，SVCC电容电压值降为0，开通SVCC所有开关器件，旁路SVCC电容；
若检测出现电压跌落故障，且未发生换相失败，则根据电网***输出触发脉冲信号PLUSE确定换相开始时刻，当SVCC所连接阀组退出导通，即PLUSE＝0时，则控制阀组连接相SVCC变流链工作于充电模式，持续时间tcharge后旁路SVCC；当SVCC所连接阀组触发导通，即PLUSE＝1时，则控制阀组连接相SVCC变流链工作于放电模式，持续时间tdischarge后旁路SVCC变流链；
其中，tcharge和tdischarge根据权利要求1所述的方法计算得到。
3.一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序，以实现权利要求1所述方法的步骤；或者，所述处理器执行所述计算机程序，以实现权利要求2所述方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令；其特征在于，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤；或者所述计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求2所述方法的步骤。
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