CN110350571B - 一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法，该方法为：以电容值可变的等效电容对模块化多电平换流站上下桥臂进行数学建模获得数学模型，根据该数学模型，分析得出MMC换流站交直流侧实时功率值与MMC换流站直流侧电压值之间的解析关系，根据该解析关系推导出交流侧发生故障时换流站交直流侧功率之间的不平衡程度与直流侧电压跌落量之间的关系，再根据该关系，确定换流站功率调整实时目标值。本发明明显降低换流站交直流侧的功率不平衡程度，从而减轻已有的外环功率控制和内环电流控制的功率调节压力，间接提升了已有控制策略的控制效果，能够很好的提高直流电压的稳定性。

Description

一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法

技术领域

本发明属于基于MMC换流器的两端或者多端柔性直流输电系统技术领域，具体涉及一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法。

背景技术

我国的能源分布和负荷分布不匹配，能源富余区域与重负荷区域距离较远，为了实现能源的高效配置和充分利用，必须发展大容量远距离输电技术，同时直流异步互联还有避免大面积连锁故障发生、消除低频振荡问题、不会加重交流电网短路电流水等作用。模块化多电平柔性直流输电技术具有占地面积小、无换相失败问题、结构多变、方便扩展等诸多优良特性，因此在直流电能传输及区域交流电网互联方面具有非常广阔的应用前景。目前我国在上海、南澳、舟山以及厦门等地已开展和建设了一批柔性直流输电工程，美国建设的跨湾工程(Trans Bay Cable Project,TBC)以及法国—西班牙的电网互联工程(INELFE)也采用了柔性直流输电技术。

柔性直流输电系统稳定运行的关键在于直流电压的稳定性，目前针对柔性直流输电系统已经提出了诸多成熟的控制方法和策略，对于两端柔性直流输电系统一般采用定电压站和定功率站相配合的控制方法，对于多端柔性直流输电系统常采用主从控制、下垂控制等方法。这些控制方法在进行功率调整时都有一个可控裕度，当交流侧发生严重故障时，由于故障瞬间换流站交直流侧交换功率产生很大的不平衡，这种不平衡的程度会超过已有控制方法的功率调整可控裕度，出现调节能力不足，导致直流侧电压失稳，换流站退出运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法，该方法为：以电容值可变的等效电容对模块化多电平换流站上下桥臂进行数学建模获得数学模型，根据该数学模型，分析得出MMC换流站交直流侧实时功率值与MMC换流站直流侧电压值之间的解析关系，根据该解析关系推导出交流侧发生故障时换流站交直流侧功率之间的不平衡程度与直流侧电压跌落量之间的关系，再根据该关系，确定换流站功率调整实时目标值。

一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法，该方法的具体步骤如下：

将上桥臂与下桥臂分别用一个电容值可变的电容来进行等效，设a相的上桥臂等效电容

a相下桥臂的等效电容为

得到如下关系式：

式中N为上下桥臂投入的子模块数量之和，C为单个子模块的电容值，ω为系统角频率、t为时间；

将换流站上桥臂和下桥臂流过电流一个完整的变化周期划分为四个阶段，结合式(1)，得到换流站直流电压ΔU_dc的变化解析表达式，如下：

式中I为流过上桥臂和下桥臂的交流基波分量的幅值，i为流经上下桥臂的直流分量大小的三分之一，

为电压电流相角差；

根据式(2)可知，直流侧电压的波动主要是由直流侧和交流侧的注入电流即注入功率的不平衡程度决定的，基于此，在原有MMC换流站控制框架之前添加一个控制环节，该控制环节用于对原来输入换流站控制环节的功率控制目标值进行优化处理，从而减少换流器交直流侧的功率传输不平衡程度，抑制直流电压波动；

设桥臂子模块电容值C，投入子模块数为N，直流电压初始值为U₀，直流电压最大允许增加量为ΔU_max，考虑到子模块电容的电压均衡控制，近似认为投入子模块电压均匀分配，在时间t内桥臂电容存储能量的增量为：

为了保证直流电压变化量不超过ΔU_max，故障过程中的功率不平衡程度满足：

ΔE_C≤ΔE_{C max} (4)

设两端柔性直流输电系统中换流站1为定电压控制站，换流站2为功率调节站，当换流站1发生交流侧故障时，换流站2的输入功率P_in大幅下降，换流站2的输出功率P_out也跟着下降，P_out与P_in之间出现功率不平衡，导致换流站2直流侧电压跌落，设跌落量为ΔU_dc，直流电压初始值为U₀，根据式(3)，换流站2的电容能量减少量为：

根据能量守恒有：

将式(6)两边同时求导得：

当换流站1发生故障时，换流站1侧的功率支撑能力不足，所以换流站2的功率控制参考值应该跟着换流站1侧注入功率同步递减，从而减小换流站2的功率，这样才能保证直流侧电压不会因为功率无法平衡而出现失稳，直到电压恢复稳定后，直流侧电压变化率趋近于零，换流站2的功率控制指令值刚好与此时换流站1交流侧的注入功率相等，根据上述分析，当功率注入端出现交流侧故障时，换流站2的功率控制指令值为：

式中δ为电压稳定控制系数，保证故障情况下，功率调整过程中，换流站2侧控制功率指令值小于换流站1侧的功率支撑能力，这样电压才能稳定在设定指令值上。当柔性直流系统发生交流侧故障时，进入功率控制目标值处理环节，将稳定运行状态下的功率控制目标值P_ref修改为故障状态下的功率控制目标值P′_ref。

本发明首先用电容等效的方法对典型柔直换流站桥臂进行数学建模，进而分析直流侧电压与不同工况及故障情况下交直流侧功率不平衡情况之间的关系，然后提出了一种可以根据换流站实际运行工况自动调整功率控制指令值，降低交直流侧功率不平衡度的动态功率控制方法，该方法的应用可以在交流侧发生故障时，根据实际交换功率的不平衡程度，实时修正功率控制站的功率控制目标值，使得故障时换流站的功率调整量始终不超过所采用控制方法的可调裕度，这样就避免了故障时直流侧电压大幅跌落，出现失稳，使得柔性直流输电系统在交流侧故障时仍然能够保持一定的电能输送，当交流侧故障消失时，自动回复正常运行状态。该调整策略不需要站间通信，不改变原有换流站功率控制系统的内环和外环结构，只是在原有换流站控制系统之外附加一个功率控制环节，可以与现有的不同换流站功率控制策略配合使用，所以在两端和多端柔直系统中均可应用。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明过自动降低交流侧故障时换流站交直流侧的功率调整量，保证该调整量处于控制系统的功率可调裕度之内，从而保证发生交直流侧故障时，不出现直流电压失稳。

附图说明

图1为MMC典型拓扑结构图；

图2为基于MMC换流站的两端柔性直流输电系统结构示意图；

图3为柔性直流输电系统中功率定功率控制站交直流侧传输功率关系示意图；

图4典型的柔性直流输电有功功率控制系统流程示意图；

图5为在本发明所采用控制策略下的柔性直流输电系统有功功率控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-5所示，一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法，该方法为：以电容值可变的等效电容对模块化多电平换流站上下桥臂进行数学建模获得数学模型，根据该数学模型，分析得出MMC换流站交直流侧实时功率值与MMC换流站直流侧电压值之间的解析关系，根据该解析关系推导出交流侧发生故障时换流站交直流侧功率之间的不平衡程度与直流侧电压跌落量之间的关系，再根据该关系，确定换流站功率调整实时目标值。

构建MMC的基本控制框架，对于外环功率控制环节，如果是多端柔性直流输电系统，可以采用下垂控制或者主从控制，对于两端柔性直流输电系统，则可采用定功率控制，根据不同换流站的运行特性选取PI参数；而对于内环电流控制可以采用当下比较典型的带内部环流抑制的控制框架。本发明将在MMC基本控制框架之外附加一个控制环节，该环节主要处理MMC外环功率控制的输入量：功率控制目标值。该环节需要采集换流站当前运行功率、换流站子模块数、换流站子模块电容、换流站直流电压初始值、换流站直流电压变化率等状态信息，然后利用这些状态信息计算并输出一个功率控制目标值作为MMC功率外环控制环节的输入，本质上相当于在原有的MMC外环功率控制环节之外附加了一个增益系数随换流站实时运行工况动态变化的增益环节，相当于该增益环节与原来的外环功率控制环节一起形成新的外环功率控制环节。

一种抑制柔性直流输电直流电压波动的功率控制方法，具体步骤如下：

如图1为典型的MMC换流站拓扑结构图，考虑到虽然上下桥臂所有子模块的充放电电流在运行过程中是实时变化的，而且包含直流、一次、二次等各种分量，但是在同一时刻同一桥臂上的所有子模块电容的充放电电流是相等的，而且由于上下桥臂的投入子模块数量也是实时变化的，本发明将上桥臂与下桥臂分别用一个电容值可变的电容来进行等效。设a相的上桥臂等效电容

a相下桥臂的等效电容为

经过分析推导可得到如下关系式：

式中N为上下桥臂投入的子模块数量之和，C为单个子模块的电容值。

本发明将换流站上下桥臂流过电流一个完整的变化周期划分为四个阶段，集合式(1)，可以推导出换流站直流电压的变化解析表达式，如下：

式中I为流过上下桥臂的交流基波分量的幅值，i为流经上下桥臂的直流分量大小的三分之一。

根据式(2)可知，直流侧电压的波动主要是由直流侧和交流侧的注入电流即注入功率的不平衡程度决定的，本发明基于此，在原有MMC换流站控制框架之前添加一个控制环节，该环节主要作用是对原来输入换流站控制环节的功率控制目标值进行优化处理,从而减少换流器交直流侧的功率传输不平衡程度，抑制直流电压波动。

设桥臂子模块电容值C,投入子模块数为N，直流电压初始值为U₀，直流电压最大允许增加量为ΔU_max，考虑到子模块电容的电压均衡控制，近似认为投入子模块电压均匀分配。在时间t内桥臂电容存储能量的增量为：

为了保证直流电压变化量不超过ΔU_max，故障过程中的功率不平衡程度应满足：

ΔE_C≤ΔE_{C max} (4)

下面以两端柔性直流输电系统为例对本发明进行论述。图2为典型的两端柔性直流输电系统示意图，其中换流站1为定电压控制站，换流站2为功率调节站。图3为换流站2的交直流侧功率交换示意图。当换流站1发生交流侧故障时，P_in大幅下降，P_out也跟着下降，P_out与P_in之间出现功率不平衡，导致换流站2直流侧电压跌落，设跌落量为ΔU_dc，直流电压初始值为U₀。根据式(3)，换流站2的电容能量减少量为：

根据能量守恒有：

将式(6)两边同时求导得：

当换流站1发生故障时，换流站1侧的功率支撑能力不足，所以换流站2的功率控制参考值应该跟着换流站1侧注入功率同步递减，从而减小换流站2的功率，这样才能保证直流侧电压不会因为功率无法平衡而出现失稳,直到电压恢复稳定后，直流侧电压变化率趋近于零，换流站2的功率控制指令值刚好与此时换流站1交流侧的注入功率相等。根据上述分析，当功率注入端出现交流侧故障时，换流站2的功率控制指令值可设计为：

式中δ为电压稳定控制系数，保证故障情况下，功率调整过程中，换流站2侧控制功率指令值小于换流站1侧的功率支撑能力，这样电压才能稳定在设定指令值上。

图4为典型的柔性直流输电有功功率控制系统框图，图5为本发明提出的加入功率调整附加环节之后的有功功率控制系统框图，首先加入一个柔性直流输电故障识别环节，当柔性直流系统发生交流侧故障时，进入功率控制目标值处理环节，将稳定运行状态下的功率控制目标值P_ref修改为故障状态下的功率控制目标值P′_ref。图中有功功率外环控制环节和电流内环控制环节可以参照已有的典型控制系统构建。

与现有的提升MMC运行直流电压稳定性的控制方法相比，本发明并没有对已有的外环功率控制和内环电流控制作出原则上的修改，而是在已有的功率控制环节之前附加了一个根据换流站当前运行工况自适应调整的增益环节，该改动可以明显降低换流站交直流侧的功率不平衡程度，从而减轻已有的外环功率控制和内环电流控制的功率调节压力，间接提升了已有控制策略的控制效果，能够很好的提高直流电压的稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种提升柔性直流输电交流侧故障穿越能力的控制方法，其特征在于：该方法为：以电容值可变的等效电容对模块化多电平换流站上下桥臂进行数学建模获得数学模型，根据该数学模型，分析得出MMC换流站交直流侧实时功率值与MMC换流站直流侧电压值之间的解析关系，根据该解析关系推导出交流侧发生故障时换流站交直流侧功率之间的不平衡程度与直流侧电压跌落量之间的关系，再根据该关系，确定换流站功率调整实时目标值；该方法的具体步骤如下：

将上桥臂与下桥臂分别用一个电容值可变的电容来进行等效，设a相的上桥臂等效电容

a相下桥臂的等效电容为

得到如下式：

式中N为上下桥臂投入的子模块数量之和，C为单个子模块的电容值，ω为系统角频率、t为时间；

将换流站上桥臂和下桥臂流过电流一个完整的变化周期划分为四个阶段，结合式(1)，得到换流站直流电压ΔU_dc的变化解析表达式，如下：

式中I为流过上桥臂和下桥臂的交流基波分量的幅值，i为流经上下桥臂的直流分量大小的三分之一，

为电压电流相角差；

在原有MMC换流站控制框架之前添加一个控制环节，该控制环节用于对原来输入换流站控制环节的功率控制目标值进行优化处理；

设桥臂子模块电容值C，投入子模块数为N，直流电压初始值为U₀，直流电压最大允许增加量为ΔU_max，在时间t内桥臂电容存储能量的增量为：

故障过程中的功率不平衡程度满足：

ΔE_C≤ΔE_Cmax (4)

设两端柔性直流输电系统中换流站1为定电压控制站，换流站2为功率调节站,当换流站1发生交流侧故障时，换流站2的输入功率P_in大幅下降，换流站2的输出功率P_out也跟着下降，P_out与P_in之间出现功率不平衡，导致换流站2直流侧电压跌落，设跌落量为ΔU_dc，直流电压初始值为U₀，根据式(3)，换流站2的电容能量减少量为：

根据能量守恒有：

将式(6)两边同时求导得：

当换流站1发生故障时，换流站1侧的功率支撑能力不足，换流站2的功率控制参考值应该跟着换流站1侧注入功率同步递减，直到电压恢复稳定后，直流侧电压变化率趋近于零，换流站2的功率控制指令值刚好与此时换流站1交流侧的注入功率相等，当功率注入端出现交流侧故障时，换流站2的功率控制指令值为：

式中δ为电压稳定控制系数，保证故障情况下，功率调整过程中，换流站2侧控制功率指令值小于换流站1侧的功率支撑能力。

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