一种柔性直流输电系统故障穿越的方法及控制系统与流程

1.本发明属于柔性直流输配电领域，具体涉及一种柔性直流输电系统故障穿越的方法及控制系统。


背景技术：

2.柔性直流输配电系统采用电压源型换流器，可以独立、快速控制系统的有功功率和无功功率，从而提高系统的稳定性，抑制系统频率和电压的波动，提高交流系统的稳态性能。
3.随着柔性直流输电技术的发展，国内外建成并投入运行的柔性直流输电工程越来越多。截止至2020年7月，国内已投运的柔性直流输电工程有：南汇柔性直流输电工程、南澳三端柔性直流输电工程、舟山五端柔性直流输电工程、厦门双极柔性直流输电工程、鲁西背靠背柔直工程、渝鄂背靠背柔直工程、张北直流电网工程等，随之而来的柔性直流输电系统与交流电网、新能源系统等的低频、高频振荡等现场也越来越突出。国内外大学、科研机构、企业等均对该现象进行了详细的研究，采用阻抗稳定性分析方法研究柔性直流输电的小扰动稳定性。
4.柔直变流器在运行过程中因为电力电子设备的快速控制特性，易在系统谐波频率附近呈现感性或者容性负电阻，从而与系统其他阻抗设备相互作用，引起系统谐波电流发散。柔直系统振荡机理初步可分为以下两类：一是变流器呈现感性/容性阻抗与源端容性/感性设备形成振荡电路引起的振荡，二是变流器呈现负电阻对受端电网谐波起放大作用引起的振荡。
5.同时，为了实现柔性直流输电系统在交流系统发生故障时实现穿越，柔性直流输电系统多采用负序电流环控制来实现故障负序电流的抑制，而常用的延时1/4周期的正负序分解环节引入了柔直阻抗的周期性波动，从而使柔直系统在中高频阻抗特性上更容易相位超过90
°
，呈现感性负阻，进而引起柔直系统与交流系统或者新能源设备间的不稳定现象。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种柔性直流输电系统故障穿越的方法及控制系统，解决柔直控制中正负序分解环节引起的阻抗周期性波动，从而保证系统的可靠稳定运行。
7.一方面，本技术提供了一种柔性直流输电系统故障穿越的方法，柔性直流输电控制系统的内环电流控制包括全序控制环节和负序控制环节；
8.所述全序控制环节，将不经过延时1/4基频周期正负序分解处理的全序采样电流经dq变换后得到的全序采样电流d轴分量、全序采样电流q轴分量作为全序控制环节的输入，分别与全序d轴电流参考值和全序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加全序采样电流dq轴分量交叉解耦环节以及正序电压前馈环节，得到全序dq轴电压控制量，然后将全
序dq轴电压控制量转换为全序αβ电压控制量；
9.所述负序控制环节，在正常无故障运行时仅由负序电压前馈得到负序dq轴电压控制量；当出现交流侧故障时，投入负序电流控制，将负序电流控制叠加负序电压前馈，得到负序dq轴电压控制量；然后将负序dq轴电压控制量转换为负序αβ电压控制量；
10.将全序αβ电压控制量叠加负序αβ电压控制量得到最终的αβ电压参考值。
11.优选的，所述负序电流控制，将全序采样电流经过正负序分解及dq变换后得到的负序采样电流d轴分量、负序采样电流q轴分量作为负序电流控制的输入，分别与负序d轴电流参考值和负序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加负序采样电流dq轴分量交叉解耦环节，得到负序电流控制的输出。
12.优选的，所述柔性直流输电控制系统采用双闭环控制，所述双闭环控制包括内环电流控制和外环控制环节；所述外环控制环节包括定直流电压控制、定有功功率控制、定交流电压控制、定无功功率控制、定频率控制的一种或几种控制方法的组合。
13.优选的，所述全序控制环节中的正序电压前馈经一阶低通滤波、二阶低通滤波或非线性滤波器，一阶低通或二阶低通滤波器的截止频率fc≤200hz；所述负序控制环节中的负序电压前馈经一阶低通滤波或二阶低通滤波，滤波器的截止频率fc≤200hz。
14.优选的，交流侧故障的判断判据如下：
15.1)电压正序分量标幺化幅值u
mpos
≤k
pos
，其中k
pos
≤0.85p.u.；
16.2)电压负序分量标幺化幅值u
mneg
≥k
neg
，其中k
pos
≥0.1p.u.；
17.3)电压零序分量标幺化幅值u
m0
≥k0，其中k0≥0.1p.u.；
18.以上3个判据满足其中之一，则判定发生柔性直流输电系统的交流侧故障。
19.另一方面，本技术提供了一种柔性直流输电系统故障穿越的控制系统，所述控制系统采用双闭环控制，包括外环控制单元、内环控制单元、正负序分解单元、交流故障判断单元：
20.所述外环控制单元，用做柔性直流输电控制系统的外环控制，其输出为内环控制单元的参考值输入；
21.所述内环控制单元，用做柔性直流输电控制系统的内环控制，包括全序控制模块、负序控制模块；
22.所述正负序分解单元，用于将采样得到的电压、电流进行正负序分解，输出正序量、负序量、零序量；
23.所述的交流故障判断单元，根据交流系统的电压、电流状态，判断当前输电系统是否出现交流侧故障；
24.所述全序控制模块，将全序采样电流经dq变换以后直接作为全序控制模块的输入，分别与全序d轴电流参考值和全序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加全序采样电流dq轴分量交叉解耦环节以及正序电压前馈环节，得到全序dq轴电压控制量，然后转换为全序αβ电压控制量，作为全序控制模块的输出；
25.所述负序控制模块，接收交流故障判断单元的判定结果，当交流故障判断单元判断出交流故障时，投入负序电流控制，将负序电流控制叠加负序电压前馈，得到负序dq轴电压控制量，转换为负序αβ电压控制量，作为负序控制模块的输出；否则负序控制模块的输出只决定于负序电压前馈。
26.优选的，所述负序电流控制，将全序采样电流经过正负序分解及dq变换后得到的负序采样电流d轴分量、负序采样电流q轴分量作为负序电流控制的输入，分别与负序d轴电流参考值和负序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加负序采样电流dq轴分量交叉解耦环节，得到负序电流控制的输出。
27.优选的，所述外环控制单元包括定直流电压控制模块、定有功功率控制模块、定交流电压控制模块、定无功功率控制模块、定频率控制模块的一种或几种控制模块的组合。
28.优选的，所述全序控制模块中的正序电压前馈经一阶低通滤波或二阶低通滤波，滤波器的截止频率fc≤200hz；所述负序控制模块中的负序电压前馈经一阶低通滤波或二阶低通滤波，滤波器的截止频率fc≤200hz。
29.优选的，所述的交流故障判断单元，其判断判据如下：
30.1)电压正序分量标幺化幅值u
mpos
≤k
pos
，其中k
pos
≤0.85p.u.；
31.2)电压负序分量标幺化幅值u
mneg
≥k
neg
，其中k
pos
≥0.1p.u.；
32.3)电压零序分量标幺化幅值u
m0
≥k0，其中k0≥0.1p.u.；
33.3个判据满足其中之一，则判定发生柔性直流输电系统的交流侧故障。
34.采用上述方案后，本发明的有益效果为：
35.(1)本发明提供的一种柔性直流输电系统故障穿越的方法及装置，解决了柔性直流输电系统正常运行时的阻抗周期性波动情况，降低了柔直系统与交流系统、新能源设备等的谐振风险；
36.(2)本发明提供的一种柔性直流输电系统故障穿越的方法及装置，解决了交流系统故障时的故障判断及故障电流抑制，避免了柔直系统故障期间的闭锁停运。
附图说明
37.图1柔性直流输电系统内环控制框图。
具体实施方式
38.以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
39.本技术提供了一种柔性直流输电系统故障穿越的方法实施例，柔性直流输电控制系统的内环电流控制包括全序控制环节和负序控制环节。
40.所述全序控制环节，将不经过延时1/4基频周期正负序分解处理的全序采样电流经dq变换后得到的全序采样电流d轴分量、全序采样电流q轴分量作为全序控制环节的输入，分别与全序d轴电流参考值和全序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加全序采样电流dq轴分量交叉解耦环节以及正序电压前馈环节，得到全序dq轴电压控制量，然后将全序dq轴电压控制量转换为全序αβ电压控制量。
41.所述负序控制环节，在正常无故障运行时仅由负序电压前馈得到负序dq轴电压控制量；当出现交流侧故障时，投入负序电流控制，将负序电流控制叠加负序电压前馈，得到负序dq轴电压控制量；然后将负序dq轴电压控制量转换为负序αβ电压控制量。将全序αβ电压控制量叠加负序αβ电压控制量得到最终的αβ电压参考值。
42.优选的实施例中，所述负序电流控制，将全序采样电流经过正负序分解及dq变换后得到的负序采样电流d轴分量、负序采样电流q轴分量作为负序电流控制的输入，分别与
负序d轴电流参考值和负序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加负序采样电流dq轴分量交叉解耦环节，得到负序电流控制的输出。
43.优选的实施例中，所述柔性直流输电控制系统采用双闭环控制，所述双闭环控制包括内环电流控制和外环控制环节；所述外环控制环节包括定直流电压控制、定有功功率控制、定交流电压控制、定无功功率控制、定频率控制的一种或几种控制方法的组合。
44.优选的实施例中，所述全序控制环节中的正序电压前馈经一阶低通滤波、二阶低通滤波或非线性滤波器，一阶低通或二阶低通滤波器的截止频率fc≤200hz；所述负序控制环节中的负序电压前馈经一阶低通滤波或二阶低通滤波，滤波器的截止频率fc≤200hz。
45.优选的实施例中，交流侧故障的判断判据如下：
46.1)电压正序分量标幺化幅值u
mpos
≤k
pos
，其中k
pos
≤0.85p.u.；
47.2)电压负序分量标幺化幅值u
mneg
≥k
neg
，其中k
pos
≥0.1p.u.；
48.3)电压零序分量标幺化幅值u
m0
≥k0，其中k0≥0.1p.u.；
49.以上3个判据满足其中之一，则判定发生柔性直流输电系统的交流侧故障。
50.如图1所示的一种柔性直流输电系统故障穿越的方法实施例，采用双闭环控制，其中，内环电流控制，包括全序控制环节1、负序控制环节2。全序控制环节所需的全序采样电流不经过延时1/4基频周期正负序分解处理，全序d轴电流参考值i
dref_all
与全序d轴电流输入i
d_all
的差，全序q轴电流参考值i
qref_all
与全序q轴电流输入i
q_all
的差，分别经过pi控制后，叠加解耦环节，以及正序电压前馈环节3后得到全序dq轴电压控制量；然后将全序dq轴电压控制量转换为全序αβ电压控制量u
αβref_all
作为全序控制环节1的输出。
51.负序控制环节2正常无故障运行时仅由负序电压前馈得到负序dq轴电压控制量。当出现交流侧故障时，柔性直流输电控制系统的交流故障判断标志位置ac_fault＝1，此时，负序控制环节2投入负序电流控制环节5。负序电流控制环节5中，负序d轴电流参考值i
dref_neg
与负序d轴电流输入i
d_neg
的差，负序q轴电流参考值i
qref_neg
与负序q轴电流输入i
q_neg
的差，分别经过pi控制，并叠加解耦环节得到负序电流控制环节5的输出。负序电流控制环节5的输出同时叠加负序电压前馈环节4，得到负序dq轴电压控制量。负序dq轴电压控制量转换为负序αβ电压控制量u
αβref_neg
作为负序控制环节2的输出。最后，全序控制环节1的输出u
αβref_all
和负序控制环节2的输出u
αβref_neg
叠加，生成参考波u
αβref
。
52.本技术还提供了一种柔性直流输电系统故障穿越的控制系统实施例。所述控制系统采用双闭环控制，包括外环控制单元、内环控制单元、正负序分解单元、交流故障判断单元：
53.所述外环控制单元，用做柔性直流输电控制系统的外环控制，其输出为内环控制单元的参考值输入；
54.所述内环控制单元，用做柔性直流输电控制系统的内环控制，包括全序控制模块、负序控制模块；
55.所述正负序分解单元，用于将采样得到的电压、电流进行正负序分解，输出正序量、负序量、零序量；
56.所述的交流故障判断单元，根据交流系统的电压、电流状态，判断当前输电系统是否出现交流侧故障；
57.所述全序控制模块，将全序采样电流经dq变换以后直接作为全序控制模块的输
入，分别与全序d轴电流参考值和全序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加全序采样电流dq轴分量交叉解耦环节以及正序电压前馈环节，得到全序dq轴电压控制量，然后转换为全序αβ电压控制量，作为全序控制模块的输出；
58.所述负序控制模块，接收交流故障判断单元的判定结果，当交流故障判断单元判断出交流故障时，投入负序电流控制，将负序电流控制叠加负序电压前馈，得到负序dq轴电压控制量，转换为负序αβ电压控制量，作为负序控制模块的输出；否则负序控制模块的输出只决定于负序电压前馈。
59.优选的实施例中，所述负序电流控制，将全序采样电流经过正负序分解及dq变换后得到的负序采样电流d轴分量、负序采样电流q轴分量作为负序电流控制的输入，分别与负序d轴电流参考值和负序q轴电流参考值做差后经过pi控制，并叠加负序采样电流dq轴分量交叉解耦环节，得到负序电流控制的输出。
60.优选的实施例中，所述外环控制单元包括定直流电压控制模块、定有功功率控制模块、定交流电压控制模块、定无功功率控制模块、定频率控制模块的一种或几种控制模块的组合。
61.优选的实施例中，所述全序控制模块中的正序电压前馈经一阶低通滤波或二阶低通滤波，滤波器的截止频率fc≤200hz；所述负序控制模块中的负序电压前馈经一阶低通滤波或二阶低通滤波，滤波器的截止频率fc≤200hz。
62.优选的实施例中，所述的交流故障判断单元，其判断判据如下：
63.1)电压正序分量标幺化幅值u
mpos
≤k
pos
，其中k
pos
≤0.85p.u.；
64.2)电压负序分量标幺化幅值u
mneg
≥k
neg
，其中k
pos
≥0.1p.u.；
65.3)电压零序分量标幺化幅值u
m0
≥k0，其中k0≥0.1p.u.；
66.3个判据满足其中之一，则判定发生柔性直流输电系统的交流侧故障。
67.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。