一种具备无功自补偿与换相失败抵御能力的直流输电系统及控制方法与流程

本发明涉及高压直流输电，具体涉及一种具备无功自补偿与换相失败抵御能力的直流输电系统及控制方法。

背景技术：

1、目前，在高压直流输电领域中，基于电网换相换流器（lcc）的常规直流输电系统凭借技术成熟、容量大等优势得到广泛应用。然而，lcc采用的晶闸管为半控型器件，不具备主动关断能力，当受端交流系统发生故障导致电压跌落时，极易发生换相失败，造成直流功率中断，严重威胁电网的安全稳定运行。

2、此外，为了维持换相裕度，传统lcc受端常采用定关断角控制，但这导致直流电压易受交流系统电压及无功变化影响，难以实现有功功率与无功功率的解耦；若采用定直流电压控制以改善功率特性，又因无法保证足够关断角而进一步增加了换相失败的风险。

3、因此，急需一种能够同时抵御换相失败并实现有功无功解耦控制的直流输电技术方案。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术存在的受端交流电压跌落时易发生换相失败且有功无功强耦合的问题，本发明提供一种具备无功自补偿与换相失败抵御能力的直流输电系统及控制方法，能够实现提升系统运行稳定性及有功功率与无功功率的解耦控制。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种具备无功自补偿与换相失败抵御能力的直流输电系统，包括换流器、静止无功发生器和换流变压器；

3、所述换流器采用具备主动关断能力的换流器件，且所述换流器件的两端并联有静态均压电阻、动态均压支路及避雷器；

4、所述静止无功发生器并联于所述换流器的交流侧与所述换流变压器之间；

5、在受端交流系统电压跌落至预设条件时，所述换流器启动强迫换相模式，控制退出阀执行门极关断，强迫电流转移至所述避雷器，利用避雷器通流时产生的残压促使电流从所述缓冲电阻支路转移至新触发阀。

6、在稳态运行过程中，通过调节所述换流变压器的分接头位置改变换流器所需的无功功率，并配合静止无功发生器按设定值输出的无功功率，改变直流输电系统与受端交流系统之间的无功交换量，以实现有功功率与无功功率的解耦控制。

7、进一步地，该直流输系统中换流器件并联的动态均压支路是由电阻和电容串联构成的，所述避雷器与静态均压电阻并联后，再与动态均压支路并联，所述静态均压电阻并联于所述换流器件的两端；所述静态均压电阻、动态均压支路及避雷器用于执行：

8、当受端交流系统电压跌落导致所述换流器无法完成自然换相时，启动强迫换相模式，所述退出阀执行门极关断，强迫电流转移至所述避雷器，避雷器的残压促使电流转移至所述新触发阀。

9、进一步地，所述避雷器是金属氧化物电阻。

10、进一步地，所述静止无功发生器的控制模式包括无功自补偿模式和解耦控制模式；

11、在无功自补偿模式下，所述静止无功发生器为换流器和换流变压器提供稳态运行所需的无功功率，使直流输电系统与受端交流系统之间的无功交换量趋于零；

12、在解耦控制模式下，所述静止无功发生器按额定值输出无功功率，通过调节换流变压器的分接头位置改变换流器所需的无功功率，从而改变直流输电系统与受端交流系统之间的无功交换量。

13、进一步地，在解耦控制模式下，当换流变压器的变比增加时，换流器所需的无功功率减少，多余的无功功率流入受端交流系统；当换流变压器的变比减小时，换流器所需的无功功率增加，所述直流输电系统从受端交流系统吸收无功功率；在上述过程中，该直流输电系统的有功功率不随无功交换量的变化而变化。

14、进一步地，所述静止无功发生器还配置为执行谐波抑制控制；

15、所述静止无功发生器通过检测流入自身的电流和流出换流器的电流，提取特定次数的谐波分量，并生成补偿电压参考值，以抑制注入受端交流系统的谐波电流。

16、进一步地，所述提取特定次数的谐波分量并生成补偿电压参考值，包括：

17、将流入静止无功发生器的电流和流出所述换流器的电流通过同步旋转坐标变换；

18、将流入静止无功发生器的电流和流出所述换流器的电流通过同步旋转坐标变换，包括通过低通滤波器提取同步旋转坐标下的直流分量；

19、以流出所述换流器的电流在同步旋转坐标下的直流分量为参考值，与流入静止无功发生器的电流在同步旋转坐标下的直流分量做差后，通过比例积分控制器生成dq轴电压参考值；

20、通过dq反变换生成三相电压参考值，以驱动静止无功发生器输出相应的补偿电压。

21、更进一步地，所述换流器的控制策略包括低压限流环节、定直流电流控制和定直流电压控制；

22、在稳态运行时，所述换流器采用定直流电压控制；当整流侧的直流电压下降或逆变侧的直流电压上升时，切换至定直流电流控制；在故障期间，通过低压限流环节依据逆变侧直流电压动态降低整流侧直流电流指令。

23、本发明还提供了一种应用上述直流输电系统的控制方法，包括：

24、（1）响应于受端交流系统电压跌落至预设条件，控制换流器的退出阀执行门极关断，强迫电流转移至避雷器，利用避雷器通流产生的残压促使电流转移至所述新触发阀，以完成强迫换相；

25、（2）在稳态运行中，调节换流变压器的分接头位置以改变换流器所需的无功功率，并配合静止无功发生器按设定值输出的无功功率，改变直流输电系统与受端交流系统之间的无功交换量，以实现有功功率与无功功率的解耦控制。

26、进一步地，所述静止无功发生器的控制指令生成过程包括：

27、基于子模块电容电压参考值与子模块电容平均电压的偏差，通过比例积分调节生成有功电流参考指令，以对子模块电容进行充放电维持均压；

28、基于无功功率参考值与实际值的偏差，通过比例积分调节生成无功电流参考指令；所述实际值是换流站与交流系统之间的无功交换量；

29、将无功补偿的电压参考值以及谐波补偿电压参考值进行叠加，通过预设调制策略生成静止无功发生器的驱动信号。

30、有益效果：与现有技术相比，本发明提供的具备无功自补偿与换相失败抵御能力的直流输电系统及控制方法，通过采用具备主动关断能力的换流器件，每个换流器件两端并联有由静态均压电阻和rc元件构成的动态均压支路及避雷器,构建了强迫换相的物理基础。

31、当受端交流系统电压跌落至预设条件时，系统能够主动控制退出阀执行门极关断，迫使电流转移至避雷器支路，并利用该支路通流产生的残压作为附加换相电压源，促使电流顺利转移至新触发阀。这一机制突破了传统半控型器件依赖交流电网电压过零进行自然换相的限制，从物理层面上消除了因电压跌落导致换相失败的风险，显著提升了直流输电系统在弱交流电网环境下的运行稳定性。

32、另一方面，本发明通过静止无功发生器与换流变压器分接头的协同控制，实现了有功功率与无功功率的解耦。在稳态运行或无功调节过程中，静止无功发生器按设定值输出无功功率，此时通过调节换流变压器的分接头位置来改变换流器自身的无功需求。由于静止无功发生器的输出相对恒定，换流器无功需求的变化量即转化为系统与受端交流系统之间的无功交换量变化，而有功功率主要由直流电压和电流决定，不受分接头调节引起的无功潮流变化影响。

33、本发明的这种解耦控制策略使得系统能够在维持有功传输稳定的前提下，灵活调节对交流系统的无功支撑或吸收能力，解决了传统定直流电压控制下有功无功强耦合的技术难题。