负荷参与的混合直流输电系统送端交流故障穿越控制方法与流程

1.本发明涉及混合直流输电系统向无源网络供电技术领域，特别涉及一种负荷参与的混合 直流输电系统送端交流故障穿越控制方法。本发明是基于换流器工作原理及故障后无源网络 频率响应特性，提出的一种送端交流故障穿越控制策略。


背景技术：

2.基于电网换相型换流器的高压直流输电技术(line commutated converter-high voltagedirect current，lcc-hvdc)具有损耗低、造价低、可靠性高等优点，可实现大容量远距离 输电，但存在逆变侧换相失败及无法向弱电网供电等问题。近年来，基于模块化多电平换流 器的柔性直流输电技术(modular multilevel converter-high voltage direct current， mmc-hvdc)可以实现四象限运行且不存在换相失败问题，但其造价高，占地面积大。乌东 德多端混合直流工程兼顾了两种换流器的优势，对于解决电力资源分布极不均匀问题具有重 大的战略意义。因此，lcc-fhmmc混合直流输电系统成为国内外研究重点。
3.mmc常见子模块拓扑有半桥子模块、全桥子模块。将半桥子模块和全桥子模块结合组 成的混合型mmc(full half bridge modular multilevel converter,fhmmc)兼顾了两种子模块 的优点，具有直流故障自清除能力，可以实现逆变侧直流电压和交流电压的解耦，扩大了逆 变侧直流电压的调节范围。
4.混合直流输电系统向无源网络输电时，送端交流侧发生故障引起直流线路传输功率中断， 甚至导致换流站闭锁，危及电力系统稳定运行。有学者提出一种基于最大调制比的故障穿越 控制策略，在合理的范围内通过调节mmc调制比以维持直流电流稳定，该方法有效避免了 功率传输中断，但未考虑受端无源网络动态负荷响应特性。也有学者提出一种降低受端换流 站桥臂电压交、直流分量的故障穿越控制策略，该方法可保证电力系统电能质量也适用于不 同程度的送端交流侧故障，但未考虑受端无源网络动态负荷响应特性。现有研究虽实现了送 端交流故障穿越，但考虑受端无源网络动态负荷响应特性的较少。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种负荷参与的混合直流输电系统送端交流故障穿越控制方法， 解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过分析送端交流故障特性，提出一种基于负荷频 率响应特性的混合直流输电系统送端交流故障穿越控制策略。首先，利用全桥子模块扩大直 流电压调节范围，根据送端直流电压跌落程度，对受端直流电压快速调节，该控制能够在毫 秒级时间内迅速响应。其次，负荷利用频率变化来响应系统不平衡功率，其参与调节程度与 直流电压变化量相关联，以保证电力系统电能质量。
6.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
7.负荷参与的混合直流输电系统送端交流故障穿越控制方法，包括以下步骤：
8.步骤(1)混合直流输电系统的拓扑结构及混合型mmc子模块数学模型的建立；
9.步骤(2)送端交流故障特性分析；
10.步骤(3)送端交流故障穿越控制策略的设计。
11.步骤(1)所述的混合直流输电系统的拓扑结构及混合型mmc子模块数学模型的建立， 混合型mmc换流器采用子模块投入比例的计算方法。
12.步骤(2)所述的送端交流故障特性分析包括对直流控制系统响应特性和无源网络特性 两部分分析，该分析基于换流器工作原理及故障后无源网络频率响应特性。
13.步骤(3)所述的送端交流故障穿越控制策略的设计，利用全桥子模块工作特性实现对 mmc直流电压的灵活调节，可快速恢复直流功率传输的同时减小故障清除后的直流冲击电 流；同时使无源网络的频率跟随逆变侧直流电压变化，利用负荷自身频率调节特性主动消纳 系统不平衡功率，有效避免切负荷的同时实现故障穿越。
14.本发明的有益效果在于：负荷参与的混合直流输电系统送端交流故障穿越控制方法，本 发明能够有效。的实现送端交流故障穿越，同时使受端无源网络动态负荷利用频率变化来响 应系统不平衡功率，其参与调节程度与直流电压变化量相关联，以保证电力系统供电可靠性。 本方法与送端交流故障穿越的方法相比具有良好的经济性和实用性。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示 意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
16.图1为本发明的混合直流输电系统的拓扑结构；
17.图2为本发明的混合型mmc的拓扑结构；
18.图3为本发明的负荷的频率特性曲线；
19.图4为本发明的故障穿越控制系统框图。
具体实施方式
20.下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
21.参见图1至图4所示，本发明的负荷参与的混合直流输电系统送端交流故障穿越控制 方法，其基于换流器工作原理及故障后无源网络频率响应特性，提出一种送端交流故障穿越 控制策略。首先，利用全桥子模块工作特性实现对mmc直流电压的灵活调节，可快速恢复 直流功率传输的同时减小故障清除后的直流冲击电流。其次，使无源网络的频率跟随逆变侧 直流电压变化，利用负荷自身频率调节特性主动消纳系统不平衡功率，有效避免切负荷的同 时实现故障穿越。本发明在能够有效的实现送端交流故障穿越，同时使受端无源网络动态负 荷利用频率变化来响应系统不平衡功率，其参与调节程度与直流电压变化量相关联，以保证 电力系统供电可靠性。本方法与送端交流故障穿越的方法相比具有良好的经济性和实用性。
22.1、混合直流输电系统的拓扑结构及混合型mmc子模块数学模型的建立。
23.整流侧采用lcc，逆变侧采用fhmmc的混合直流输电系统利用mmc的四象限运行 能力，在向无源网络供电领域具有广阔的应用前景，其具体的拓扑结构如图1所示。图中， zs为送端交流系统的戴维南等值阻抗，t1、t2为换流变压器，受端无源网络由表征动态特性 的感应电动机(induction motors,im)和表征静态特性的其它负荷z
l
构成。
24.为保证混合直流输电系统可靠地向无源网络供电，逆变侧换流站fhmmc采用定频率 控制和定交流电压控制，以输出电压的相位参考及幅值参考，最终通过电压电流内外双环控 制实现交流电压闭环跟踪，以此来保证无源网络的稳定运行；由于逆变侧为无源网络，无法 采用定直流电压控制且逆变侧换流站仅有两个控制维度，因此整流侧换流器采用定直流电压 控制以维持系统的直流电压稳定，保证系统功率平衡。
25.混合型mmc稳态运行时，在a相回路中列写基尔霍夫电压方程如下：
[0026][0027]
其中，u
pa
和u
na
分别表示上、下桥臂电压。混合型mmc的拓扑结构如图2所示，l0为 桥臂等值电感，l
dc
为直流侧限流电感，u
dci
为逆变侧直流电压，uj(j＝a，b，c)表示三相交流 出口电压，i
pj
(j＝a，b，c)和i
nj
(j＝a，b，c)分别表示上桥臂和下桥臂电流。半桥子模块和全桥 子模块具体的拓扑结构如图中所示，u
sm
为单个子模块输出电压。
[0028]
系统稳态运行时的调制比m可以定义如下：
[0029][0030]
um为三相交流电压幅值，u
dci
为逆变侧直流电压，u
sm
为单个子模块输出电压。忽略桥 臂电抗器上产生的压降，混合型mmc上下桥臂输出电压需满足：
[0031][0032]
设每个桥臂由h个半桥子模块和f个全桥子模块串联构成，则每相桥臂输出电压的最 大值和最小值可以表示如下：
[0033][0034]
综合式(3)和(4)可知混合型mmc半桥子模块和全桥子模块的配置比例应满足如下关系：
[0035][0036]
um为三相交流电压幅值，u
dci
为逆变侧直流电压，u
sm
为单个子模块输出电压，调制比 m。本发明mmc每相桥臂半桥子模块和全桥子模块配置比例取1：1。
[0037]
2、送端交流故障特性分析
[0038]
(1)直流控制系统响应特性分析
[0039]
混合直流输电系统稳定运行时，整流侧lcc交流母线电压与直流出口电压满足如下关 系：
[0040][0041]
式中：u
dcr
为整流站直流出口电压，k表示每极中6脉动换流阀个数，在本发明中k取 2，u1为整流侧换流变压器阀侧空载线电压有效值，α表示整流器的触发角，xr为整流器单 相等值换相电抗，id为直流电流。由式(6)可知，送端发生交流故障后，交流电压跌落致使整 流站直流出口电压跌落，为维持直流电压不变，换流站主动降低触发角，当触发角降低至最 小允许值5
°
时，便失去对直流电压的调节能力。直流电压不断跌落，当低于受端直流电压时， 由于晶闸管器件具有单向导电性，直流电流将迅速衰减为零，即功率传输中断。功率传输中 断期间，无源网络负荷仍要吸收功率，为保证功率平衡，子模块电容需要不断放电，因此受 端直流电压也会随之降低。
[0042]
mmc子模块电容放电的过程中，由于送端直流电压的迅速跌落、直流电流逐渐减小、 mmc子模块电容放电时间常数较大，受端直流电压降低一段时间后才能满足功率恢复传输 的要求。起初送端直流电压跌落速度快，低于受端直流电压，直流电流衰减为零，直至逆变 侧直流电压低于整流侧的直流电压，此时直流电流逐渐增大，传输功率得以恢复。
[0043]
假设故障切除前，lcc和fhmmc两换流站均不发生闭锁；故障切除后，送端直流电 压立刻恢复至故障前电压水平，而受端换流站因电容长时间放电，电压无法快速恢复，其子 模块电容电压恢复需要一个充电过程，导致送端直流电压高于受端直流电压，造成直流电流 冲击，危及电力系统电气设备的稳定运行。
[0044]
(2)无源网络特性分析
[0045]
lcc-fhmmc混合直流输电系统向无源网络供电，本发明采用具有动态特性的感应电 动机和表征静态特性的其它负荷并联模拟受端无源网络。感应电动机所占比重较高，受端频 率稳定性主要受感应电动机影响。我国规定在额定电压下，系统频率偏差不得超过额定频率 的
±
1％。在此条件下，可确保负荷尽可能地发挥最大调节能力。
[0046]
当系统的频率发生变化时，负荷通过调节自身吸收功率以适应系统频率变化。忽略电压 波动对其影响，系统负荷吸收有功功率与频率的关系可表示为如下：
[0047]
p
l
＝f(f)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0048]
即
[0049][0050]
式中，p
l
为受端无源网络实际有功负荷；p
ln
为额定频率时整个受端无源网络的有功负 荷；aj(j＝0，1，2，
…
)是与系统额定频率的i次方成正比的负荷在p
ln
中的占比。式(8)的标 幺值表达式为：
[0051]
p
*l
＝a0 a1f
*
a2f
*2
a3f
*3

…ꢀꢀꢀ
(9)
[0052]
式中，p
l*
为受端无源网络实际有功负荷标幺值，f*为频率标幺值。该系统中忽略与频率 三次方呈正比关系的负荷，将上式对频率微分，可得到k
l
表达式如下：
[0053]kl
＝a1f
*
2a2f
*
3a3f
*2
ꢀꢀꢀ
(10)
[0054]
式中，k
l
为负荷的频率调节效应系数，取值范围为1～3。无源网络中两种负荷的频率调 节系数不同，意味着相同的频率变化下，它们所调节有功功率的能力不同。假设有两种不同 类别的负荷，其功频之间的关系满足下式：
[0055]
p
l1
＝f1(f)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0056]
p
l2
＝f2(f)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0057]
其中p
l1
、p
l2
为受端无源网络实际有功负荷，频率由额定频率下降到频率f1时，有功 负荷1和有功负荷2的功率变化如图3所示：
[0058]
从图3分析可知：δp1《δp2，说明负荷2比负荷1对系统的频率变化更为敏感，即k
l1
《k
l2
。
[0059]
综上可知，当系统频率变化时，负荷调节效应系数大的负荷对频率调节程度大。无源网 络中，感应电动机比其它负荷的k
l
大，当系统频率变化时，感应电动机对频率调节的效果 更为明显。为保证向受端无源网络可靠供电，对无源网络的负荷调频资源进行深入分析，其 包括以下两部分：
[0060]
1)转动惯量
[0061]
当电动机感应到系统频率变化后，其转速发生改变，感应电动机利用转子的转动惯量来 抑制转速变化，以转子动能来承担负荷变化，其响应时间很短，大概零点几秒
[22]
。当频率变 化δf时，转子动能变化量δwk满足下式：
[0062][0063][0064]
式中，h为感应电动机的惯性时间常数，pg为额定频率时电动机吸收的功率，δpk为频 率变化后转动惯量引起的功率变化量。
[0065]
2)负荷的频率调节效应
[0066]
负荷的频率调节效应包括两部分：一部分由感应电动机负荷调节效应来承担，感应电动 机吸收的有功功率和频率的一次方成正比，其负荷调节功率p
lm
表达式如下所示：
[0067][0068]
式中，p
lm
为频率变化后感应电动机所调节的有功功率，a
m1
是与系统额定频率成正比 的负荷在p
ln
中的占比。
[0069]
另一部分是其它负荷的调节效应，本系统中只有与频率二次方成正比的负荷，其它负荷 功率p
lo
表达式如下所示:
[0070][0071]
式中，p
lo
为频率变化后其它负荷所调节的有功功率，a
l2
是与系统额定频率的平方成正 比的负荷在p
ln
中的占比。
[0072]
综上，当系统频率发生变化时，感应电动机的负荷功率pm为下式所示：
[0073]
pm＝p
lm
pkꢀꢀꢀ
(17)
[0074]
其中，p
lm
为频率变化后感应电动机所调节的有功功率，pk为频率变化后转动惯量的功 率。
[0075]
受端无源电网的负荷功率p为下式所示：
[0076]
p＝p
lm
δpk p
lo
ꢀꢀꢀ
(18)
[0077]
其中，p
lm
为频率变化后感应电动机所调节的有功功率δpk为频率变化后转动惯量引起 的功率变化量，p
lo
为频率变化后其它负荷所调节的有功功率，即
[0078][0079]
其中，受端无源电网的负荷功率p，h为感应电动机的惯性时间常数，pg为额定频率时 电动机吸收的功率，a
mj
是与系统额定频率成正比的负荷在p
ln
中的占比，
[0080]
根据上述有功功率和频率之间的规律，在发生送端交流故障后，对受端频率进行相应的 调整，即可实现负荷主动参与受端换流站不平衡功率的调节。
[0081]
送端交流故障穿越控制策略的设计
[0082]
3、送端交流故障穿越控制策略
[0083]
混合直流输电系统送端发生交流故障，送端直流电压低于受端直流电压会导致直流电流 逐渐衰减至零。本发明受端采用混合型mmc，其全桥子模块可以输出正、负、零三种电平， 扩大了换流站直流电压调节范围，可以使受端换流站直流出口电压快速满足功率传输要求， 也可有效避免直流电流冲击。本发明每相桥臂半桥子模块和全桥子模块配置比例为1：1， 逆变侧直流电压的调节范围为-0.1～1(标幺值)。功率传输中断期间，受端无源网络仍要吸收 有功功率，但注入无源网络的功率远小于负荷吸收功率，导致换流站出现不平衡功率。为同 时实现直流系统和无源网络的故障穿越，需要依靠负荷主动参与调节换流站不平衡功率；为 使负荷尽可能发挥频率特性。以受端直流电压偏差量来决定负荷参与调节有功的程度，使负 荷具备感知故障程度能力，计算出相应的频率参考值。
[0084]
(1)负荷主动参与调节的故障穿越控制策略
[0085]
混合型mmc正常运行时，某相上桥臂输出电压可以表示如下：
[0086][0087]
其中，u
dcin
为逆变侧直流电压额定值，调制比m。为了尽快恢复直流功率传输，需要依 靠全桥子模块拓扑能够输出负电平的特点对逆变侧直流电压进行调整。此外，为了尽可能维 持直流系统的功率传输能力，逆变侧直流电压的调整值应该跟随整流侧直流电压的跌落值。 为使逆变侧直流电压的调整值与整流侧直流电压的跌落值相匹配，送端交流故障后，mmc 直流电压应该设置为：
[0088][0089]
式中，u
lm
为故障后送端交流母线电压幅值，k为换流变压器变比，r
line
为直流输电线路电 阻，触发角α取5
°
，id取稳态运行值，以此来计算逆变侧直流电压的调整值。故障后，整 流侧换流站检测到交流电压下降，根据公式(21)可计算出受端直流电压，再将信息发送至受 端，受端换流站控制系统根据全桥子模块可输出三种电平的特性，将受端直流电压快速跟随 到送端直流电压，恢复功率传输。
[0090]
功率传输中断期间，负荷仍要汲取有功功率，为了保证受端无源网络良好的电能质量， 使受端负荷主动参与不平衡功率调节，并以逆变侧直流电压变化量来决定负荷主动参与调节 有功功率的程度，将公式(22)代入到公式(21)得到受端直流电压与无源网络不
平衡功率之间 关系，如公式(23)所示：
[0091][0092][0093]
在求得无源网络中不平衡功率的基础上，根据公式(19)计算出fhmmc需设定的频率参 考值。采用降低频率参考值的方法主动降低无源网络负荷吸收的有功功率，可避免换流站闭 锁且负荷能持续运行不必切除，同时实现了直流输电系统和受端无源网络的故障穿越。
[0094]
(2)故障穿越控制系统设计
[0095]
综上所述，本发明针对lcc-fhmmc混合直流输电系统发生送端交流侧故障，设计了 交流故障穿越控制系统结构，如图4所示。发生交流故障后，送端换流器lcc通过检测跌 落后直流出口电压值来计算出调整后受端直流电压值，利用受端直流电压变化量计算出不平 衡功率，从而计算出相应的频率参考值，最后以通信方式将相应信息发送至受端，对受端换 流站控制系统进行相应的控制。负荷感应到频率变化后，利用负荷频率响应特性主动降低自 身吸收的有功功率。这种控制方式可有效地避免切负荷，同时也使受端直流电压快速跟随送 端直流电压，减小冲击电流。
[0096]
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。