一种交直流混联电网的孤岛检测法及参考电流极值求取法的制作方法

本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种交直流混联电网的孤岛检测法及参考电流极值求取法。

背景技术：

基于电压源换流器的高压直流输电(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrenttransmission，vsc-hvdc)技术由加拿大mcgill大学的boon-teckooi等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(pwm)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(vsc)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为igbt)和高频调制技术。通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。

孤岛现象是指当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统，如：光伏发电、风力发电、燃料电池发电等)未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛。针对上述孤岛情况，需对其进行快速、准确地检测并进行相应的控制切换，以实现稳定供电。现有的柔性直流输电系统孤岛检测技术存在以下缺陷：传统的柔性直流输电系统孤岛检测技术基于相位与频率检测，虽然频率和相位对于功率比较敏感，能够迅速反应出孤岛情况，但在负荷投切和交流系统故障时也会发生较大的波动。为了避免换流站在上述情况下出现误切换，通常对偏移相位和频率设置较大的阈值和持续时间阈值，但设置阈值较大可能会使系统恢复到稳态的过程变长，从而导致频率崩溃等情况发生，特别是在柔性直流输电系统向无源网络供电情况下，无源网络为极弱系统，因此在检测及切换过程中频率恶化情况会更严重。因此需要寻求一种方法，能在负荷扰动、故障暂态过程等干扰中不误判，而在孤岛情况产生时，能够快速响应，缩短联网控制切换到孤岛控制的过程，使其平滑无缝地过渡。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种交直流混联电网的孤岛检测法及参考电流极值求取法；其特点为采用柔直系统外环控制器输出的d轴参考电流为电气检测量，通过设置合理的pi参数及d轴参考电流阈值，能够在孤岛形成时对其进行快速的响应，同时由于d轴参考电流在交流故障等大干扰下和孤岛形成后的变化趋势相反，该方法能够有效克服大干扰下误判断的问题，与传统的基于频率与相位孤岛检测技术相比，具有更快的响应速度，更简洁的检测流程。

本发明所采用的技术方案为：

一种交直流混联电网的孤岛检测法，包括：

以考虑躲过故障干扰下idref极值的d轴参考电流阈值整定过程，通过换流站外环控制器设定的限幅值以确定最严重的三相交流故障下换流站输出有功功率最小值，通过斜坡输入模型最后确定idref极值。

进一步地，所述确定受端换流站出口三相交流故障下输出有功功率极值的方法：

换流站外环控制器分别设定dq轴参考电流限幅值，能在交流故障下限制换流站对故障点注入的故障电流。在三相交流故障下，换流站可视为一个电流源模型，通过dq轴参考电流限幅值可计算换流站注入故障点的故障电流。

进一步地，三相交流故障下，控制器失去稳态控制，根据控制器输出参考电流限幅值计算出换流站输出故障电流最小值，依据dq轴电流之间的关系可得到相应的功率因数

进一步地，在求出功率因数后，依据欧姆定律求得换流站出口母线处三相交流故障下残余的电压幅值。三相交流故障下电压、电流不存在负序分量，根据瞬时功率法可得到换流站输出有功功率最小值。

进一步地，故障消除后，对于换流站有功功率恢复过程，有功功率外环控制器输入为(pref-p)，对有功功率外环控制器传递函数进行分析，采用适当的数学模型对功率恢复期间其输入(pref-p)的输出响应进行分析。

进一步地，功率恢复期间换流站有功功率外环控制器输出d轴参考电流极值的确定方法具体为：

对功率恢复期间(pref-p)拟合为斜坡输入，对其进行拉普拉斯变换，变换后的(pref-p)与传递函数相乘，得到复频域的输出响应，再对其进行拉普拉斯反变换，即可得到时域的功率恢复期间对应的输出响应。

进一步地，根据时域的输出响应，对其进行数学分析，可求得功率恢复期间零状态的idref极值，再加上三相交流故障期间d轴参考电流限幅值并考虑可靠系数，即可求得d轴参考电流整定阈值。

综上所述，本发明的有益效果为：

1、本发明以d轴实时电流idref为判断系统是否处在孤岛状态的电气量依据，且减少了因交流系统发生故障误判交流线路处于孤岛状态的情况，具有快速且精准地检测交流线路是否处于孤岛状态的优点；

2、本发明在交流线路出现孤岛效应，亟需控制切换的工程中，能减小受端换流站出口母线处交流电压幅值的波动，具有缩短系统恢复时间的效果，能够实现平滑无缝地进行控制切换。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的实施例中搭建的12节点柔性直流并列运行系统的模型示意图；

图3为本发明的实施例中搭建的12节点柔性直流并列运行系统的模型的各参数及受端换流站控制器的参数示意图；

图4为本发明的实施例1中用于展示受端换流站输出有功功率的变化示意图；

图5为本发明的实施例1中用于展示受端换流站(pref-p)的变化示意图；

图6为本发明的实施例1中用于展示受端换流站d轴参考电流的辩护示意图；

图7为本发明的实施例2中用于展示采用本发明提出的孤岛检测方法时受端换流站出口母线处电压有效值变化示意图；

图8为本发明的实施例2中用于展示采用本发明提出的孤岛检测方法时受端孤岛系统频率变化示意图；

图9为本发明的实施例2中用于展示受端换流站d轴实时参考电流的变化示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1～9，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种交直流混联电网的孤岛检测法，孤岛形成后，idref迅速上升达到限幅值，但为了避免在交流系统故障或其他扰动发生时对其进行误判断，需要设定阈值以躲过系统大扰动下d轴参考电流最大值。

考虑最严重的换流器出口处母线三相交流短路故障，此时采用定有功功率控制的换流器无法再实现功率平衡，电流达到限幅值。以换流器吸收功率方向为正方向，此时idref＝isdrefmin，iqref＝isqrefmin，isdrefmin和isqrefmin分别为dq轴参考电流设定的最小值。

短路期间换流器贡献短路电流幅值的最小值为：

忽略接地电阻且对称故障下不含负序分量，从而求得故障下输出功率最小值。考虑故障结束时，换流器输出功率最小为pmin，经过一段时间后功率恢复到设定值。故障消除后(pref-p)逐渐上升，为了简化整定过程，将此功率恢复过程的控制器输出响应拟合为斜坡响应。设故障结束时为零时刻，可得：

kpr＝(pmin-pref)/tp(7)

式中，pref为受端换流器输出有功功率指令值，p为受端换流站输出有功功率实际值，pmin为受端换流站在其出口母线三相交流故障期间输出有功功率最小值，kpr为功率恢复期间(pref-p)曲线的近似斜率，近似处理为由功率恢复期间(pref-p)的平均斜率。在功率最小值计算时考虑最极端下，kpr近似为(pmin-pref)/tp，tr为功率恢复到设定值所需的时间，tp为功率恢复期间(pref-p)达到峰值所需的时间。

对在功率恢复期间的(pref-p)进行拉普拉斯变换，令p(t)＝(pref-p)，可得：

则功率恢复函数的响应为：

对其进行拉普拉斯反变换，定义i’dref(t)为p(s)h(s)的拉普拉斯反变换，可得：

功率恢复期间，i’dref(t)最大值在tr处取得，其值为i’dremax，则在功率恢复期间d轴参考电流的最大值为：

idrefmax＝isdrefmin+i’drefmax(11)

考虑可靠系数取kr，其d轴参考电流阈值的整定值isd：

isd＝kridrefmax(12)

在交流故障等大型干扰下，idref未超过阈值，能够避免大干扰下该检测方法对孤岛情况误判断的可能。孤岛形成后，idref迅速超过设定的阈值，以此为判据即可对孤岛进行快速准确的判断。

参照图2，在电力系统电磁暂态仿真软件pscad/emtdc中搭建12节点柔性直流并列运行系统的模型，本实施例1、2均基于该模型实现。结合图3、4，12节点柔性直流并列运行系统的模型中额定直流电压为±200kv；送端和受端交流系统额定电压等级均为230kv；对设定的孤岛系统送电的交流输电线路共2条，交流线路1、2的额定输送功率均为70mw；柔性直流输电线路的额定输送功率为120mw，以换流站吸收功率方向为正。换流站的控制策略：送端采用定直流电压和定无功功率控制，受端采用定有功功率和定交流电压幅值控制。

参照图3，根据上述模型的各参数及受端换流站控制器的参数，计算换流器贡献短路电流幅值的最小值imin为2.56ka，交流电压幅值最小值umin为2.62kv，短路期间功率因数为0.78。功率恢复到功率设定值p所需时间tr为0.024s，(pmin-pref)为112.15mw，计算得i’drefmax＝2.69ka，则idrefmax＝0.69ka。本系统中，设定可靠系数kr为1.2，则计算d轴参考电流整定值isd为0.828ka。

实施例1

本实施例用于检测本方法是否能避免因交流系统发生故障误判交流线路处于孤岛状态的情况。

在受端换流站出口母线处设置三相短路故障，0.6s时故障发生，持续50ms后消失。结合图4、5，短路期间换流站输出有功功率持续下降，在0.653s时达到最小值为-10.6mw，功率差值为109.4mw。此后，有功功率开始回升一直到设定值。结合图6，功率回升期间最大值为0.49ka，与整定值0.828ka相比较具有69％的裕度。

实施例2

本实施例用于检测本方法是否能快速检测交流线路是否处于孤岛状态。

参照图2，交流线路1在0.6s时切除，交流线路2在0.7s时切除形成受端孤岛系统，对该系统采用本发明提出的孤岛检测方法并在切换后采用定交流电压控制。

参照图7，图中曲线表示受端换流站出口母线处电压有效值u的变化情况。结合图8，图中曲线表示系统采用本发明提出的孤岛检测方法时，受端孤岛系统频率f的变化情况，结合图9，在0.6s交流线路1切除时，受端系统频率、电压均未发生波动，受端换流站d轴参考电流不变，换流站输出有功功率不变。0.7s切除交流线路2后，受端换流站d轴参考电流迅速上升，在6ms后达到整定阈值。切换过程系统频率无明显波动，受端换流站出口母线处交流电压幅值波动较小，并迅速恢复到电压额定值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。