一种混合级联特高压直流输电系统换相失败预测控制方法与流程

1.本发明涉及直流输电系统控制保护技术领域，具体涉及一种混合级联特高压直流输电系统换相失败预测控制方法。


背景技术：

2.特高压直流输电系统具有输电容量大、输电距离远、传输损耗低等优势，是我国“西电东送”、跨区能源配置的重要依托。特高压直流输电的基本原理是：在系统的送电端用换流器进行整流，将三相交流电转换为直流电，电能经过特高压直流输电线路传输，再在系统的受电端用换流器进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。
3.目前的直流输电技术主要分为两大类：一类是采用电网换相换流器(line commutated converter，lcc)的常规直流输电；另一类是采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流输电。此外，为了综合lcc和mmc的技术优势，国内已有工程同时采用了两种直流输电技术，从而构成混合直流输电系统。典型的混合直流输电系统拓扑结构是混合级联的型式，即在送端仍采用lcc，受端的高压端采用lcc，低压端采用三个mmc并联结构，高、低端各疏散50％的功率。此外，受端的lcc、三个mmc分散接入至不同的交流系统，实现功率传输。
4.对于采用lcc换流器的常规直流输电技术而言，在lcc换流器的整流过程和逆变过程中，如果预计关断的换流阀在反向电压作用时间内未能彻底关断，则换流阀在电压由负变正后会再次导通，称之为换相失败。换相失败是常规直流输电系统中最常见故障形式之一，容易引起直流系统降功率运行，甚至导致系统停运，威胁大电网的安全稳定。混合级联特高压直流输电系统的低压端采用mmc换流器，不存在换相失败问题，但其高压端仍采用lcc换流器，因此换相失败问题不容忽视。
5.现有的换相失败预测控制技术多针对常规特高压直流输电系统，未见专门考虑混合级联高压直流输电系统控制特性、运行特性的换相失败预测控制技术手段，混合级联高压直流输电系统的换相失败抑制效果也仍有待提高。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种混合级联特高压直流输电系统换相失败预测控制方法，该方法综合考虑系统逆变侧所连接的多个交流系统的电压情况，能够更为快速地检测到可能引发换相失败的故障工况，从而实现换相失败的提前预防，有利于保障特高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.一种混合级联特高压直流输电系统换相失败预测控制方法，包括
9.s1、获取混合级联特高压直流输电系统的电力数据；
10.s2、基于所述电力数据计算所述混合级联特高压直流输电系统的综合电压跌落幅度及综合零序分量；
11.s3、根据所述综合电压跌落幅度及综合零序分量判断是否需要提前触发换流器以实现对lcc的提前触发。
12.作为优化，所述电力数据包括所述混合级联特高压直流输电系统逆变侧mmcn所连接交流母线与lcc所连接交流母线的等值阻抗zn(n＝1，2，3)以及逆变侧lcc所连接交流母线的交流三相电压瞬时值ua、ub、uc、逆变侧mmcn所连接交流母线的交流三相电压瞬时值u
an
、u
bn
、u
cn
(n＝1，2，3)。
13.作为优化，s2中，计算所述混合级联特高压直流输电系统的综合电压跌落幅度具体为计算逆变侧lcc所连接交流母线的电压跌落幅度δu
lcc
和逆变侧mmcn所连接交流母线的电压跌落幅度δu
mmcn
，δu
lcc
的取值如下式：
[0014][0015]
其中，u
αβ_lcc_n
是u
αβ_lcc
在混合级联特高压直流输电系统正常运行工况下的值；
[0016]
δu
mmcn
的取值如下式：
[0017][0018]
其中，u
αβ_mmcn_n
是u
αβ_mmcn
在混合级联特高压直流输电系统正常运行工况下的值(n＝1，2，3)。
[0019]
作为优化，u
αβ_lcc
的实时计算如下式：
[0020][0021]
其中，ua、ub、uc分别为逆变侧lcc所连接交流母线的交流三相电压瞬时值。
[0022]
作为优化，u
αβ_mmcn
的实时计算如下式：
[0023][0024]
其中，u
an
、u
bn
、u
cn
为逆变侧mmcn所连接交流母线的交流三相电压瞬时值。
[0025]
作为优化，s2中，最终获得综合电压跌落幅度δu的具体公式为：
[0026][0027]
其中，z1、z2、z3分别为逆变侧mmcn所连接交流母线与lcc所连接交流母线的等值阻抗。
[0028]
作为优化，s2中，基于所述电力数据计算所述混合级联特高压直流输电系统的综合零序分量具体为计算逆变侧lcc所连接交流母线的电压零序分量u
0_lcc
，且u
0_lcc
为u'
0_lcc
在ams内的最大值，u'
0_lcc
的实时计算如下式：
[0029]
u'
0_lcc
＝ua+ub+uc；
[0030]
其中，ua、ub、uc分别为逆变侧lcc所连接交流母线的交流三相电压瞬时值；
[0031]
计算逆变侧mmcn所连接交流母线的电压零序分量u
0_mmcn
(n＝1，2，3)，u
0_mmcn
取u'
0_mmcn
在ams内的最大值，u'
0_mmcn
的实时计算如下式：
[0032]
u'
0_mmcn
＝u
an
+u
bn
+u
cn
(n＝1,2,3)；
[0033]
其中，u
an
、u
bn
、u
cn
为逆变侧mmcn所连接交流母线的交流三相电压瞬时值。
[0034]
作为优化，s2中，获得综合零序分量u0具体公式如下：
[0035][0036]
其中，z1、z2、z3分别为逆变侧mmcn所连接交流母线与lcc所连接交流母线的等值阻抗，un是逆变侧交流母线额定电压。
[0037]
作为优化，s3的具体步骤：
[0038]
s3.1、比较所述综合电压跌落幅度δu与电压跌落阈值δu
set
的大小，如果δu≥δu
set
，电压跌落提前触发逻辑输出f1＝1，如果δu《δu
set
，f1＝0；
[0039]
s3.2、比较所述综合零序分量u0与零序分量阈值u
0set
的大小，如果u0≥δu
set
，零序分量提前触发逻辑输出f2＝1，如果u0《δu
set
，f2＝0。
[0040]
s3.3、若f1＝1或者f2＝1，则设定提前触发总逻辑输出f＝1，跳转至s3.4，否则，跳转至s1；
[0041]
s3.4、根据所述综合电压跌落幅度δu和综合零序分量u0，计算逆变侧lcc的换流器提前触发量α
pre
，并将α
pre
输入至特高压直流输电的控制保护系统，实现对lcc的提前触发，α
pre
的计算如下式：
[0042]
α
pre
＝max[arccos(1-kδu),arccos(1-ku0)]
[0043]
其中，k是提前触发量计算比例系数。
[0044]
作为优化，所述电压跌落阈值δu
set
取0.15，所述零序分量阈值u
0set
取0.15，所述提前触发量计算比例系数k取0.075。
[0045]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0046]
一、本发明利用混合级联特高压直流输电系统逆变侧接入多个交流系统的特点，对于接入不同交流系统的多个站内交流母线电压进行同步监测，并依据各个交流系统与连接lcc的交流母线之间的电气距离，实现多位置故障严重程度的融合，能够更快速、准确地感知可能引发换相失败的区域内电网故障。
[0047]
二、本发明将连接mmc的交流母线电压跌落或畸变作为换相失败预测控制的启动条件之一，由于连接mmc的交流母线上不会配置交流滤波器，其电压变化相较于连接lcc的交流母线更为灵敏，因此，本发明给出的换相失败预测控制响应速度更快，换相失败抑制效果更好。
[0048]
三、本发明计算简单、物理意义明确，无需改变特高压直流输电系统的结构和硬件，只需基于系统现有的电气参数和控制参数，进行简单的加减、乘除等运算即可实现本发明内容。对硬件软件要求低，速度快，适于工程应用。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
[0050]
图1采用常规换相失败预测控制下的仿真实验结果图；
[0051]
图2采用本发明提供的换相失败预测控制下的仿真实验结果图。
具体实施方式
[0052]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0053]
在介绍具体实施例之前，需要说明的是，本技术中的各名称均是以发射天线来定义的，但是实际上，本技术作为接收天线，箭头为接收信号的传输方向，本技术中的接收天线的始端即发射天线的末端，接收天线的末端即发射天线的始端，因此，本技术中的高斯波束的传输方向是从某一段的末端到该段的始端。
[0054]
步骤1：计算参数获取
[0055]
根据实际电网运行参数，分别折算混合级联特高压直流输电系统逆变侧mmcn所连接交流母线与lcc所连接交流母线的等值阻抗zn(n＝1，2，3)。等值阻抗是特高压直流输电工程成套设计书中会给出，此为现有技术，这里就不再赘述了。
[0056]
步骤2：数据实时采集与处理
[0057]
混合级联特高压直流输电系统的控制保护装置实时采集：逆变侧lcc所连接交流母线的交流三相电压瞬时值ua、ub、uc；逆变侧mmcn所连接交流母线的交流三相电压瞬时值u
an
、u
bn
、u
cn
(n＝1，2，3)。
[0058]
步骤3：综合电压跌落幅度计算
[0059]
计算逆变侧lcc所连接交流母线的电压跌落幅度δu
lcc
，δu
lcc
的取值如下式：
[0060][0061]
其中，u
αβ_lcc_n
是u
αβ_lcc
在系统正常运行工况下的值，u
αβ_lcc
的实时计算如下式：
[0062][0063]
计算逆变侧mmcn所连接交流母线的电压跌落幅度δu
mmcn
(n＝1，2，3)，δu
mmcn
的取值如下式：
[0064][0065]
其中，u
αβ_mmcn_n
是u
αβ_mmcn
在系统正常运行工况下的值(n＝1，2，3)，u
αβ_mmcn
的实时计算如下式：
[0066][0067]
将以上计算得到的δu
lcc
和δu
mmcn
(n＝1，2，3)带入到下式，获得综合电压跌落幅度δu：
[0068][0069]
步骤4：综合零序分量计算
[0070]
计算逆变侧lcc所连接交流母线的电压零序分量u
0_lcc
，u
0_lcc
取u'
0_lcc
在20ms内的最大值，u'
0_lcc
的实时计算如下式：
[0071]
u'
0_lcc
＝ua+ub+uc[0072]
计算逆变侧mmcn所连接交流母线的电压零序分量u
0_mmcn
(n＝1，2，3)，u
0_mmcn
取u'
0_mmcn
在20ms内的最大值，u'
0_mmcn
的实时计算如下式：
[0073]
u'
0_mmcn
＝u
an
+u
bn
+u
cn
(n＝1,2,3)
[0074]
将以上计算得到的u
0_lcc
和u
0_mmcn
(n＝1，2，3)带入到下式，获得综合零序分量u0：
[0075][0076]
其中，un是逆变侧换流母线额定交流电压。
[0077]
步骤5：提前触发逻辑判断
[0078]
比较步骤3计算所得综合电压跌落幅度δu与电压跌落阈值δu
set
的大小，如果δu≥δu
set
，电压跌落提前触发逻辑输出f1＝1，如果δu《δu
set
，f1＝0。
[0079]
比较步骤4计算所得综合零序分量u0与零序分量阈值u
0set
的大小，如果u0≥δu
set
，零序分量提前触发逻辑输出f2＝1，如果u0《δu
set
，f2＝0。
[0080]
一旦f1＝1或者f2＝1成立，提前触发总逻辑输出f＝1。
[0081]
步骤6：提前触发换流器
[0082]
当步骤5所述的提前触发总逻辑输出f＝1成立，则根据步骤3、4计算得到的综合电压跌落幅度δu和综合零序分量u0，计算逆变侧lcc的换流器提前触发量α
pre
，并将α
pre
输入至特高压直流输电的控制保护系统，实现对lcc的提前触发。α
pre
的计算如下式：
[0083]
α
pre
＝max[arccos(1-kδu),arccos(1-ku0)]
[0084]
其中，k是提前触发量计算比例系数。
[0085]
本发明原理：
[0086]
假设混合级联特高压直流输电系统逆变侧连接lcc的交流母线三相电压瞬时值ua、ub、uc，通过下式变换可以将三相瞬时电压折算为一个幅值量，正常运行工况下u
αβ_lcc
固定不变，一旦交流系统发生对称性故障，u
αβ_lcc
将下跌，下跌的幅度与故障严重程度有关。
[0087][0088]
类似地，利用u
αβ_mmcn
(n＝1，2，3)可以表征mmcn(n＝1，2，3)所连接交流系统的对称性故障情况。
[0089]
进而可以基于u
αβ_lcc
、u
αβ_mmcn
(n＝1，2，3)的实测值与额定值之差，得到归一化的电压跌落幅度：
[0090]
[0091][0092]
在上述基础上，利用下式获得同时考虑lcc交流母线和mmc交流母线的综合电压跌落幅度δu：
[0093][0094]
由于mmc交流母线的电压响应更为灵敏，故对mmc交流母线单独计算，最终取mmc交流母线与lcc交流母线的最大值，从而加快故障初期δu的响应速度。在对三条mmc交流母线进行计算时，根据mmc交流母线与lcc交流母线之间的等值阻抗差异来进行系数分配，等值阻抗越小，说明其对lcc换相失败的影响越显著，系数占比越高。
[0095]
以上原理针对交流系统对称性故障，而针对非对称性故障，故障严重程度的表征方式由电压跌落幅度变为电压零序分量：
[0096]
u'
0_lcc
＝ua+ub+uc[0097]
u'
0_mmcn
＝u
an
+u
bn
+u
cn
(n＝1,2,3)
[0098]
lcc交流母线和mmc交流母线故障响应的综合方法与对称性故障类似，不再赘述。
[0099]
由于系统实际运行状态下，故障类型无法提前判定，因此对综合电压跌落幅度δu和综合零序分量u0的变化进行实时、同步监测。如果δu≥δu
set
，电压跌落提前触发逻辑输出f1＝1，反之f1＝0；如果u0≥δu
set
，零序分量提前触发逻辑输出f2＝1，反之f2＝0。一旦f1＝1或者f2＝1二者中任意一个条件成立，证明需要提前触发lcc换流器以保证充足的关断角，预防可能发生的换相失败现象。此时根据综合电压跌落幅度δu和综合零序分量u0，计算逆变侧lcc的换流器提前触发量α
pre
，并将α
pre
输入至特高压直流输电的控制保护系统，实现对lcc的提前触发。α
pre
的计算如下式，δu或u0的值越大，证明故障越严重，则提前触发量越大。
[0100]
α
pre
＝max[arccos(1-kδu),arccos(1-ku0)]
[0101]
仿真实验
[0102]
为验证所提等效方法的有效性，采用pscad/emtdc仿真平台下的混合级联特高压直流输电系统模型开展仿真实验。在混合级联特高压直流输电系统逆变侧mmc2所连接的交流母线上设置三相接地故障，故障电感0.2h，故障时刻1.706s。分别在采用常规换相失败预测控制、采用本发明提供的换相失败预测控制两种条件下进行故障模拟，通过对比逆变侧lcc关断角的响应情况对本发明有效性进行验证。
[0103]
仿真实验结果如图1、图2所示，由结果可知：在采用常规换相失败预测控制的条件下，逆变侧交流系统故障发生后，lcc关断角跌落至0
°
，即发生换相失败现象；而在采用本发明提供的换相失败预测控制的条件下，由于故障检测更为灵敏，可以实现更快的换流器提前触发效果，此时关断角仅跌落到10.5
°
，即换相失败现象得以避免。综上，本发明相比于常规换相失败预测控制，有助于获得更好的混合级联特高压直流输电系统换相失败抑制效果。
[0104]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。