CN114884112B - 混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法，即整流侧LCC以其自身直流端口电气量的变化判断受端交流故障发生，通过增大触发角快速降低整流侧直流电压，从而达到快速抑制过电流的效果；逆变侧采用定有功功率控制的MMC通过修正其外环有功功率指令值，尽可能地多输送有功功率，减少了受端***的盈余功率，抑制了MMC子模块电容过电压。本发明方法从控制层面提出了混合级联直流输电***受端电网故障下过电流和过电压的抑制措施，实现了故障穿越，并且具有良好的故障恢复过程；除此之外，本发明方法也能够降低避雷器吸能，为直流***安全稳定运行提供保障。

Description

混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法
技术领域
本发明属于电力***技术领域，具体涉及一种混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法。
背景技术
LCC-HVDC已经非常成熟，并具有投资成本低、实践经验丰富等优点，但是LCC-HVDC也具有逆变站容易发生换相失败，需要交流***提供充足的无功功率支持和无法向弱交流***送电等问题。相比之下，MMC-HVDC不仅没有换相失败和无功补偿问题，而且能够同时独立调节有功功率和无功功率；但是与LCC-HVDC相比，MMC-HVDC存在设备成本高、损耗大和过负载能力较弱的缺点。
为了实现LCC和MMC的优势互补，混合直流输电技术已经成为新的研究热点，是未来远距离、大容量输电的发展趋势。我国目前正在建设的白河滩-江苏混合级联直流输电工程，整流侧采用LCC，逆变侧高压阀组采用LCC，与之串联的低压阀组由三个半桥型MMC并联组成，LCC和三个MMC的受端交流***分散接入不同的负荷中心，组成了多端直流输电***。但是由于华东地区的负荷中心相对较近，它们的受端交流***不可避免地存在不同程度的电耦合，该工程实现了西部地区长距离、大容量的水电输送，从而缓解了东部地区电力短缺的压力。
当受端交流***发生了严重故障时，逆变侧LCC可能会发生换相失败，同时MMC的的功率传输也会受到阻塞，这会给***带来过电流和过电压的挑战；一旦逆变侧LCC发生了换相失败，它的直流电压下降到零，送受端之间显著的直流电压差将导致直流电流急剧升高。同时，由于整流侧LCC的控制响应速度较慢，受端将承受巨大的盈余功率，迫使MMC中的子模块过充电，从而导致子模块电容的过电压。此外，受端交流电压的下降会削弱MMC的功率输送能力，送受端之间的不平衡功率更大，加剧了过电压水平；受端交流***故障所引发的过电流和过电压，会影响设备的绝缘和使用寿命，甚至发生设备损坏、健全换流器闭锁等衍生故障。
针对混合级联直流输电***的受端交流故障穿越，现有研究多集中在利用耗能装置抑制过电压的方法上，例如文献[CHENG F,YAO L,XU J,et al.A comprehensive acfault ride-through strategy for hvdc link with serial-connected lcc-vschybrid inverter[J].CSEE Journal of Power and Energy Systems,2022,8(1):175–187.]中提出了一种基于直流斩波器抑制直流过电压的受端交流故障穿越措施；文献[刘泽洪，王绍武，种芝艺等.适用于混合级联特高压直流输电***的可控自恢复消能装置[J].中国电机工程学报，2021，41(02)：514-524.]提出了一种可控自恢复消能装置，该装置并联安装在MMC直流端口±400kV的直流母线上，用于受端交流故障下耗散***的暂态盈余功率。然而，上述辅助耗能装置都需要高昂的投资成本，并且长期大量的能量吸收会加速避雷器的老化。
因此，目前缺乏对于混合级联直流输电***受端交流***故障所引发的过电流抑制策略的研究，文献[NIU C,Yang M,XUE R,et al.Research on inverter side ac faultride-through strategy for hybrid cascaded multi-terminal hvdc system[C].2020IEEE 4th Conference on Energy Internet and Energy System Integration(EI2),2020：800–805.]提出了在站间通信正常的情况下，整流侧LCC接收到受端交流***故障信号后，定直流电流控制切换到响应速度更快的PI控制器，并通过调低电流指令值快速降低直流电流的控制策略。但是，站间通信的速度较慢，并且过低的电流指令值会使故障期间功率损失增多并延长故障恢复时间。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法，以克服目前混合级联直流输电***受端严重交流故障穿越能力不足的问题，实现过电流和过电压的抑制。
一种混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法，所述混合级联直流输电***整流侧采用LCC，逆变侧采用LCC-MMC混合级联结构即多个并联的MMC与LCC串联组成；当受端发生严重交流故障导致逆变侧LCC换相失败时，整流侧LCC以其自身直流端口电气量的变化判断受端交流故障发生，然后通过增大触发角快速减小整流侧直流电压和直流输送功率；同时逆变侧采用定有功功率控制的MMC通过修正其外环有功功率指令值，尽可能地多输送有功功率，从而抑制过电流和过电压，实现受端交流故障穿越。
进一步地，所述受端交流故障穿越控制方法的具体步骤如下：
(1)***稳态运行时，整流侧LCC采用定直流电流控制，逆变侧LCC采用定直流电压控制，逆变侧的多个MMC采用主从控制，即其中一个MMC采用定直流电压和定无功功率控制，其余MMC采用定有功功率和定无功功率控制；
(2)在整流侧判断***是否发生受端电网交流故障，若发生故障，则将***的直流线路保护装置退出，避免该装置误动作；
(3)将整流侧LCC的触发角指令值迅速增大至
Figure GDA0003912072140000031
以降低整流侧直流电压和直流输送功率；
(4)对于采用定有功功率和定无功功率控制的MMC，通过计算外环有功功率指令修正值，将该修正值附加到这些MMC原有功功率指令值上加以控制；
(5)当整流侧通过站间通信接收到受端电网交流故障切除信号后，投入直流线路保护装置，并将整流侧LCC的触发角指令值从
Figure GDA0003912072140000032
减小到稳态值，使得***能够平滑恢复至稳态。
进一步地，所述步骤(2)中当整流侧的直流电流大于1.1p.u.且整流侧的直流电压在0.5p.u.到0.9p.u.之间，则判定***发生受端电网交流故障。
进一步地，所述触发角指令值
Figure GDA0003912072140000033
的计算表达式如下：
Figure GDA0003912072140000034
其中：Ur为整流侧的交流电压幅值，Xr为整流侧LCC的换相电抗，U'dcr为整流侧LCC直流电压的理论值，I* dc为整流侧LCC的直流电流指令值。
优选地，所述整流侧LCC直流电压的理论值U'dcr设定为0.5p.u.。
进一步地，所述外环有功功率指令修正值的计算表达式如下：
Figure GDA0003912072140000041
其中：
Figure GDA0003912072140000042
为外环有功功率指令修正值，Udci,MMC为MMC的直流电压，Idci为逆变侧的直流电流，Ps,MMCi为逆变侧第i个MMC的瞬时输出有功功率，SN为MMC的额定容量，n为逆变侧MMC的数量。
进一步地，所述瞬时输出有功功率Ps,MMCi的计算表达式如下：
Figure GDA0003912072140000043
其中：Usm,MMCi为逆变侧第i个MMC的网侧相电压幅值，ivd,MMCi为逆变侧第i个MMC阀侧电流幅值的d轴分量。
本发明在送端LCC受端LCC-MMC的混合级联直流输电***在受端发生严重交流故障导致逆变侧LCC换相失败时，整流侧LCC以其自身直流端口电气量的变化判断受端交流故障发生，通过增大触发角快速降低整流侧直流电压，从而达到快速抑制过电流的效果，同时整流侧的直流输送功率也相应降低了。此外，本发明使逆变侧采用定有功功率控制的MMC通过修正其外环有功功率指令值，尽可能地多输送有功功率，减少了受端***的盈余功率，抑制了MMC子模块电容过电压，从而实现了LCC-MMC混合级联直流输电***受端交流故障的穿越。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.采用本发明方法，在送端LCC受端LCC-MMC的混合级联直流输电***受端交流故障发生后，送端无需依赖站间通信，响应速度更快。
2.本发明方法从控制层面提出了送端LCC受端LCC-MMC的混合级联直流输电***受端电网故障下过电流和过电压的抑制措施，实现了故障穿越，降低了避雷器吸能，为直流***安全稳定运行提供保障。
附图说明
图1为混合级联直流输电***的拓扑结构示意图。
图2为本发明***整流侧LCC的改进控制原理示意图。
图3为本发明***逆变侧MMC的外环有功功率修正控制原理示意图。
图4为实施例中MMC1受端交流***三相短路故障下各受端电网交流电压有效值的波形示意图。
图5为实施例中MMC1受端交流***三相短路故障下逆变侧LCC换流变压器阀侧电流的波形示意图。
图6为实施例中MMC1受端交流***三相短路故障下整流侧直流电流的波形示意图。
图7为实施例中MMC1受端交流***三相短路故障下整流侧直流电压的波形示意图。
图8为实施例中MMC1受端交流***三相短路故障下整流侧LCC触发角的波形示意图。
图9为实施例中MMC1受端交流***三相短路故障下MMC3有功功率的波形示意图。
图10为实施例中MMC1受端交流***三相短路故障下MMC1子模块电容电压的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法，包括如下步骤：
(1)稳态运行时，整流侧LCC采用定直流电流控制，逆变侧LCC采用定直流电压控制，逆变侧n个MMC采用主从控制，即MMC1采用定直流电压和定无功功率控制，其余的MMCx(x＝2,3,…,n)均采用定有功功率和定无功功率控制。
(2)当整流侧的直流电流大于1.1p.u.同时整流侧的直流电压在0.5p.u.到0.9p.u.之间时，判断为混合级联直流输电***发生了受端电网交流故障。
当受端电网严重交流故障导致逆变侧LCC发生换相失败时，其直流侧相当于短路(即直流电压为零)，逆变侧直流电压迅速下降，整流侧和逆变侧之间的直流电压差导致了直流电流的升高。在整流侧故障检测模块中，整流侧的直流电流大于1.1p.u.同时整流侧的直流电压在0.5p.u.到0.9p.u.之间，用于判断***发生了受端电网交流故障。此时，将直流线路保护退出，避免直流线路保护的误动作。
(3)整流侧LCC迅速增大触发角指令值至
Figure GDA0003912072140000061
从而降低整流侧直流电压和直流输送功率。
整流侧LCC的直流电压Udcr和直流输送功率Pdcr的表达式如下：
Figure GDA0003912072140000062
Pdcr＝UdcrIdc
其中：Ur为整流侧的交流电压幅值，αr为整流侧LCC的触发角，Xr为整流侧LCC的换相电抗，Idc为整流侧LCC的直流电流。
由上式可知，Udcr的大小取决于αr和Idc；与调节直流电流指令值相比，调节触发角指令值的响应速度更快，并且过低的电流指令值会使故障期间功率损失增多并延长故障恢复时间。因此，我们将直流电流指令值设为定值，通过增大触发角指令值降低整流侧直流电压。需要注意的是，理论上此时逆变侧LCC的直流电压降为0，整个逆变侧的直流电压降到了0.5p.u.，但是受端交流电压跌落越严重，MMC的输出功率受阻，送受端之间不平衡的功率越大，MMC子模块电容的过电压越严重，导致逆变侧直流电压越高，实际上整个逆变侧的直流电压会高于0.5p.u.。因此，为了保证受端能够把吸收的直流功率全部送出去，从而抑制子模块过电压，假设Udcr是常数并设置为理论值0.5p.u.，在这样的假设下，可以计算出
Figure GDA0003912072140000063
Figure GDA0003912072140000064
其中：Idc *为整流侧LCC的直流电流指令值，U'dcr为整流侧LCC直流电压的理论值。
(4)计算出逆变侧MMCx(x＝2,3,…,n)的外环有功功率指令值修正值
Figure GDA0003912072140000065
并将其附加到原有功功率指令值
Figure GDA0003912072140000071
上，以确保逆变侧输出更多的有功功率。
在正常运行时，
Figure GDA0003912072140000072
其可调节范围为
Figure GDA0003912072140000073
SN为MMC的额定容量；当受端电网发生交流故障后，MMCi(i＝1,2,…,n)的瞬时输出有功功率Ps,MMCi的表达式如下：
Figure GDA0003912072140000074
其中：Usm,MMCi为MMCi的网侧相电压幅值，ivd,MMCi为MMCi阀侧电流幅值的d轴分量。
因此，可以计算得到：
Figure GDA0003912072140000075
其中：Udci,MMC为MMC的直流电压，Idci为逆变侧的直流电流。
(5)当整流侧通过站间通信接收到受端电网交流故障切除信号后，投入直流线路保护，并将整流侧LCC触发角指令值从
Figure GDA0003912072140000076
线性减小到其稳态值，减缓直流电压的恢复速度，使得混合级联直流输电***能够平滑恢复至稳态。
当受端交流故障清除后，送端经过站间通信的延时后才能响应，虽然通信和减小触发角在一定程度上延长了恢复过程，但是提高了整个***的故障恢复性能，使其能够更加平滑地过渡到稳态。
如图1所示，本实施方式以某送端LCC受端LCC-MMC的混合级联直流输电***为例，即整流侧采用LCC，逆变侧高压阀组采用LCC，与之串联的低压阀组由三个半桥型MMC并联组成，逆变侧的LCC和三个MMC分别接入不同的受端交流***，并且相互之间存在电气耦合。当受端发生严重交流故障导致逆变侧LCC换相失败时，整流侧LCC以其自身直流端口电气量的变化判断受端交流故障发生，通过增大触发角快速减小整流侧直流电压和直流输送功率，同时逆变侧采用有功功率控制的MMC2和MMC3通过修正其外环有功功率指令值，尽可能地多输送有功功率，从而抑制过电流和过电压，实现受端交流故障穿越；具体控制过程如下：
(1)稳态运行时，整流侧LCC采用定直流电流控制，逆变侧LCC采用定直流电压控制，逆变侧三个MMC采用主从控制，即MMC1采用定直流电压和定无功功率控制，MMC2和MMC3均采用定有功功率和定无功功率控制。
(2)当整流侧的直流电流大于1.1p.u.同时整流侧的直流电压在0.5p.u.到0.9p.u.之间时，如图2所示，故障检测模块判断为混合级联直流输电***发生了受端电网交流故障，模式切换到1；此时，将直流线路保护退出，避免直流线路保护的误动作。
(3)整流侧LCC迅速增大触发角指令值至
Figure GDA0003912072140000081
如图2所示，从而降低整流侧直流电压和直流输送功率。
(4)根据图3计算出逆变侧MMC2和MMC3外环有功功率指令值修正值
Figure GDA0003912072140000082
后，将其附加到原有功功率指令值
Figure GDA0003912072140000083
上。
(5)当整流侧通过站间通信接收到受端电网交流故障切除信号后，投入直流线路保护，并将LCC的触发角指令值从
Figure GDA0003912072140000084
线性减小到其稳态值
Figure GDA0003912072140000085
如图2所示，使得混合级联直流输电***能够平滑恢复至稳态。
结合图1，采用本实施方式下的送端LCC受端LCC-MMC的混合级联直流输电***参数如表1所示：
表1
Figure GDA0003912072140000086
Figure GDA0003912072140000091
以下我们通过模拟受端MMC1交流电网发生三相金属性短路故障来验证本发明控制策略的效果。
假定在t＝1s时，受端MMC1交流电网发生三相金属性短路故障，由图4可以看出，受端LCC、MMC1、MMC2和MMC3各自的交流母线电压有效值跌落程度不同，这是由于它们的交流***存在不同程度的电耦合。由图5可见，逆变侧LCC发生了换相失败，它的直流电压降低到零，使得整流侧和逆变侧之间的直流电压差很大，混合级联直流输电***会产生过电流。此外，LCC的输出有功功率为0，三个MMC的有功功率输出也因其不同程度的交流电压降而受到不同程度的阻塞；送受端之间的不平衡功率使得受端MMC承受很大的盈余功率，迫使子模块电容电压充电，甚至产生了过电压。
采用本实施方式后，整流侧的直流电流直流电压的响应曲线分别由图6和图7所示，图8给出了整流侧LCC的触发角响应曲线。从上述图中可以看出受端MMC1交流电网发生三相金属性短路故障后，当故障检测模块检测到整流侧的直流电流大于1.1p.u.，同时整流侧的直流电压在0.5p.u.到0.9p.u.之间时(即t＝tFD)，整流侧LCC迅速增大触发角指令值至
Figure GDA0003912072140000092
此时，整流侧直流电流的峰值只有1.13p.u.，远低于不含所提发明控制情况下的1.31p.u.，相比于不采用本实施方式控制情况下整流侧直流电流高于1.1p.u.的时间有22ms，采用本实施方式控制情况下整流侧直流电流高于1.1p.u.的时间只有8ms。
如图9所示，MMC3通过外环有功功率指令值的修正使得它能够发出更多的有功功率，因此MMC上的盈余功率减少，由图10可见，子模块电容电压的峰值降低到了1.25p.u.，远低于不含所提发明控制情况下的1.61p.u.，有效地抑制了MMC子模块电容过电压，实现了送端LCC受端LCC-MMC的混合级联直流输电***受端交流故障的穿越。当整流侧LCC通过站间通信接收到受端电网交流故障切除信号后，其触发角指令值从
Figure GDA0003912072140000101
线性减小到其稳态值
Figure GDA0003912072140000102
如图8所示，使得混合级联直流输电***能够平滑恢复至稳态。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种混合级联直流输电***的受端交流故障穿越控制方法，所述混合级联直流输电***整流侧采用LCC，逆变侧采用LCC-MMC混合级联结构即多个并联的MMC与LCC串联组成；其特征在于：当受端发生严重交流故障导致逆变侧LCC换相失败时，整流侧LCC以其自身直流端口电气量的变化判断受端交流故障发生，然后通过增大触发角快速减小整流侧直流电压和直流输送功率；同时逆变侧采用定有功功率控制的MMC通过修正其外环有功功率指令值，尽可能地多输送有功功率，从而抑制过电流和过电压，实现受端交流故障穿越，具体步骤如下：
(1)***稳态运行时，整流侧LCC采用定直流电流控制，逆变侧LCC采用定直流电压控制，逆变侧的多个MMC采用主从控制，即其中一个MMC采用定直流电压和定无功功率控制，其余MMC采用定有功功率和定无功功率控制；
(2)在整流侧判断***是否发生受端电网交流故障，若发生故障，则将***的直流线路保护装置退出，避免该装置误动作；
(3)将整流侧LCC的触发角指令值迅速增大至
Figure FDA0003912072130000011
以降低整流侧直流电压和直流输送功率；
Figure FDA0003912072130000012
其中：Ur为整流侧的交流电压幅值，Xr为整流侧LCC的换相电抗，U'dcr为整流侧LCC直流电压的理论值，I* dc为整流侧LCC的直流电流指令值；
(4)对于采用定有功功率和定无功功率控制的MMC，通过以下公式计算外环有功功率指令修正值，将该修正值附加到这些MMC原有功功率指令值上加以控制；
Figure FDA0003912072130000013
Figure FDA0003912072130000021
其中：
Figure FDA0003912072130000022
为外环有功功率指令修正值，Udci,MMC为MMC的直流电压，Idci为逆变侧的直流电流，Ps,MMCi为逆变侧第i个MMC的瞬时输出有功功率，Usm,MMCi为逆变侧第i个MMC的网侧相电压幅值，ivd,MMCi为逆变侧第i个MMC阀侧电流幅值的d轴分量，SN为MMC的额定容量，n为逆变侧MMC的数量；
(5)当整流侧通过站间通信接收到受端电网交流故障切除信号后，投入直流线路保护装置，并将整流侧LCC的触发角指令值从
Figure FDA0003912072130000023
减小到稳态值，使得***能够平滑恢复至稳态。
2.根据权利要求1所述的受端交流故障穿越控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中当整流侧的直流电流大于1.1p.u.且整流侧的直流电压在0.5p.u.到0.9p.u.之间，则判定***发生受端电网交流故障。
3.根据权利要求1所述的受端交流故障穿越控制方法，其特征在于：所述整流侧LCC直流电压的理论值U'dcr设定为0.5p.u.。
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