一种主动支撑型直流输电系统及其受端交流故障定频控制切换方法与流程

本发明属于输电网，具体涉及一种主动支撑型直流输电系统及其受端交流故障定频控制切换方法。

背景技术：

1、随着新能源装机占比大幅提高，传统以同步电机为主导的电力系统正逐步向低惯量、弱电网转变，柔性直流输电技术在大规模清洁能源外送场景中得到广泛应用。在此背景下，主动支撑型直流输电系统作为一种典型的柔性直流输电架构，在新能源孤岛送出工程中具有重要的应用价值。

2、主动支撑型直流输电系统是一种基于电压源型换流器的高压直流输电系统，主要由送端柔直站、受端柔直站及直流直挂超容阀构成。送端柔直站连接新能源基地或送端交流电网，采用交流功率控制模式，负责将送端功率稳定注入主动支撑型直流输电系统；受端柔直站连接受端交流电网，采用直流电压控制与构网控制相融合的控制策略，其中，直流电压控制用于维持直流母线电压稳定，构网控制（虚拟同步控制）用于为受端电网提供频率和电压的主动支撑，使系统在受端电网强度较弱或发生扰动时仍能保持稳定运行；直流直挂超容阀直接挂接在直流母线侧，稳态下采用直流电流控制方式且电流指令设置为零。在正常运行工况下，送端功率经直流线路输送至受端，受端柔直站将直流功率逆变为交流功率馈入受端电网，实现功率平衡。。

3、然而，当主动支撑型直流输电系统的受端交流电网发生故障时，交流电压出现跌落，功率传输受限。由于送端功率持续注入而受端功率送出受阻，直流侧出现盈余功率持续给子模块电容充电，导致直流电压逐渐升高。若没有有效的控制策略介入，直流过压保护将会动作，导致系统闭锁停机。与此同时，受端柔直站在故障过程中直流电压控制器易发生饱和，而能够送出多少功率也未知，无法依靠直流电压控制器及柔直换流站输出功率来调整柔直换流站阀输出电压的频率和相位。稳态过程中直流直挂超容阀为直流电流控制且电流指令为零，同样无法自动消纳盈余功率。

4、针对柔性直流输电系统的交流故障穿越问题，目前已有一些研究方案。现有基于卸荷（动态制动电阻，dbr）的故障穿越方法大多以直流电压作为投切条件，未计及受端换流站交流母线电压和无功功率对直流电压安全的影响，可能因投切条件不合理或受端换流站无功功率过大引发卸荷非必要投入，对交直流系统造成额外冲击并增加能量损失。也有研究提出了通过送端换流站降压或升频控制来降低新能源注入直流系统的功率，配合耗能电阻实现故障穿越的方案；另有研究针对构网型柔直换流站在对端交流故障下的暂态特性进行了分析，提出了相应的故障穿越策略。

5、比如专利cn115224717a提出了一种送端交流故障穿越方案，当检测到送端发生交流故障后，送端柔性直流换流站的控制系统进入低穿越逻辑，将d轴和q轴控制器的积分环节清零，令d轴电压控制器的输入电压参考值等于故障前的交流电压参考值减去故障后的负序交流电压有效值，并对d轴和q轴电流参考值进行限幅，将直流电流控制器的输出保持为故障前的输出值。然而，该方案针对的是送端交流故障场景，其控制目标在于抑制送端过压和改善送端换流站与新能源机组的协调控制，与本专利所针对的受端交流故障场景存在本质差异，且该方案未涉及受端柔直站在直流电压控制器饱和情况下的频率和相位调节问题。

6、又比如专利cn113872243a提出了一种面向工频交流系统故障的穿越方案，当交交变频器的子模块电容电压平均值超过阈值后，将低频系统的频率从f1调整至f1+1，同时启动变低频电压幅值控制模式；风机系统检测到频率变化后，根据风机变流器直流电压情况启动风机功率控制模式或投入直流卸能电路。该方案通过升频方式向风机传递故障信号以实现协调控制，但其应用场景为风电低频送出系统，调整的是低频系统的频率，与本专利中受端柔直站将虚拟同步角频率切换为额定值以规避饱和控制器影响的技术手段完全不同。

7、又比如专利cn112421669a提出了一种基于故障严重程度分级的穿越方案，陆上受端换流站判断交流故障的严重程度：若为轻微故障，仅通过耗能电阻消耗直流侧过剩功率；若为严重故障，则向海上送端换流站发送控制指令，使其投入降压法或升频法以降低海上风电场注入直流系统的功率，同时配合耗能电阻消耗过剩功率。该方案虽涉及受端交流故障，但其核心思路是故障严重程度分级加海上送端换流站降压/升频控制加耗能电阻，依赖送端换流站动作和耗能电阻配合，而未涉及受端柔直站自身控制策略的主动切换。

8、因此现有技术多针对常规柔性直流系统或送端故障场景，并采用耗散盈余功率为设计思路，依赖耗能装置消耗过剩功率，这一方式存在投资成本高、能量浪费等问题。但对于主动支撑型直流输电系统受端交流故障，受端柔直站直流电压控制器易饱和导致频率和相位无法可靠调节，直流直挂超容阀稳态电流指令为零亦无法自动消纳盈余功率，目前尚缺乏专门针对该系统的受端交流故障穿越策略。因此，如何在维持受端功率输出的前提下，解决控制器饱和带来的频率相位调节问题，并利用超容阀实现盈余功率主动消纳而非被动耗散，是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种主动支撑型直流输电系统及其受端交流故障定频控制切换方法，用于解决现有技术中的问题。

2、为达到以上目的，本技术采取的技术方案是，提供了一种主动支撑型直流输电系统受端交流故障定频控制切换方法，所述方法包括：

3、实时监测受端柔直站的受端交流电压正序分量幅值；

4、在监测到所述受端交流电压正序分量幅值小于预设阈值的情况下，将所述受端柔直站的虚拟同步控制产生的角频率切换为额定角频率，以使所述受端柔直站运行于定频控制模式，其中，在所述定频控制模式下，所述受端柔直站通过调整阀输出电压幅值使功率输出能力跟随故障情况自动调整；以及，

5、将直流直挂超容阀由直流电流控制模式切换为耗能模式，其中，所述耗能模式下，当直流电压升高至超过第一阈值时，控制所述直流直挂超容阀以额定电流运行以吸收盈余功率；当所述直流电压降低至低于第二阈值时，控制所述直流直挂超容阀停止电流输出；当所述直流电压处于所述第一阈值与所述第二阈值之间时，维持所述直流直挂超容阀上一时刻的输出电流。

6、优选的，所述方法还包括：

7、在监测到所述受端交流电压正序分量幅值恢复至大于或等于第二预设阈值的情况下，将所述受端柔直站的角频率从所述额定角频率切回所述虚拟同步控制产生的角频率，并对直流电压控制器进行复位，其中，所述第二预设阈值大于所述预设阈值；以及，

8、将所述直流直挂超容阀从所述耗能模式，切回所述直流电流控制模式。

9、优选的，在所述耗能模式下，所述直流直挂超容阀通过如下公式来确定输出电流：

10、；

11、其中，udc为所述直流电压；udcref1为所述第一阈值；udcref2为所述第二阈值；idcorder（t）为所述直流直挂超容阀t时刻的输出电流；idcorder（t-δt）为所述直流直挂超容阀t时刻的上一时刻的输出电流；in为所述直流直挂超容阀的额定电流。

12、优选的，在监测到所述受端交流电压正序分量幅值小于预设阈值的情况下，所述方法包括根据所述受端交流电压正序分量幅值与预设滞环判断条件，确定故障标志，其中，所述预设滞环判断条件包括：当所述受端交流电压正序分量幅值小于第一电压阈值时，将所述故障标志置为有效状态；当所述受端交流电压正序分量幅值大于第二电压阈值时，将所述故障标志置为无效状态；当所述受端交流电压正序分量幅值大于或等于所述第一电压阈值，并且小于或等于所述第二电压阈值时，将所述故障标志置为上一时刻的状态，所述第二电压阈值大于所述第一电压阈值。

13、优选的，在监测到所述受端交流电压正序分量幅值小于预设阈值的情况下，通过如下公式来确定故障标志：

14、；

15、其中，flag（t）为t时刻的故障标志；flag（t-δt）为所述故障标志置为上一时刻的状态；usd为所述受端交流电压正序分量幅值；usdref1为所述第一电压阈值；usdref2为所述第二电压阈值；1表示有效状态的编码值；0表示无效状态的编码值。

16、优选的，所述方法还包括：在所述故障标志为有效状态的情况下，对直流电压环进行初始化。

17、优选的，所述对直流电压环进行初始化包括：对所述直流电压环的积分环节进行清零。

18、优选的，所述受端柔直站稳态下采用直流电压控制与构网控制相融合的控制策略，其中，所述构网控制通过虚拟同步控制实现，为受端交流电网提供频率和电压的主动支撑。

19、优选的，所述直流直挂超容阀稳态下采用直流电流控制模式且电流指令设置为零。

20、本技术实施例还提供一种主动支撑型直流输电系统，所述主动支撑型直流输电系统通过本技术实施例所提供的方法，进行受端交流故障定频控制切换。

21、采用本技术实施例所提供主动支撑型直流输电系统受端交流故障定频控制切换方法，其包括：实时监测受端柔直站的受端交流电压正序分量幅值；在监测到该受端交流电压正序分量幅值小于预设阈值的情况下，将该受端柔直站的虚拟同步控制产生的角频率切换为额定角频率，以使该受端柔直站运行于定频控制模式，其中，在该定频控制模式下，该受端柔直站通过调整阀输出电压幅值使功率输出能力跟随故障情况自动调整；以及，将直流直挂超容阀由直流电流控制模式切换为耗能模式，其中，该耗能模式下，当直流电压升高至超过第一阈值时，控制该直流直挂超容阀以额定电流运行以吸收盈余功率；当该直流电压降低至低于第二阈值时，控制该直流直挂超容阀停止电流输出；当该直流电压处于该第一阈值与该第二阈值之间时，维持该直流直挂超容阀上一时刻的输出电流。因此该方法通过将该受端柔直站的虚拟同步控制产生的角频率切换为额定角频率，以使该受端柔直站运行于定频控制模式，这样在故障期间维持了与交流电网的同步运行，避免了因虚拟同步控制响应滞后或控制器饱和导致的系统失稳。同时，直流直挂超容阀切换至耗能模式，依据直流电压与第一阈值、第二阈值的滞环比较结果，动态调节输出电流以吸收直流侧的盈余功率，有效抑制了直流电压的持续升高。从而在故障发生期间，直流电压被控制在合理范围内，频率保持稳定，验证了定频控制与耗能模式结合的策略能够防止过压保护动作，保障系统在受端交流故障期间持续运行，并在故障清除后快速恢复正常供电。