抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法与流程

文档序号:14686077发布日期:2018-06-14 23:03

本发明属于电力系统柔性交直流输电技术领域,具体涉及一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法。



背景技术:

柔性交直流输电技术采用电压源型换流器,可以独立调节有功功率和无功功率,控制灵活方便;受端系统可以为无源网络,不需要外加换相电压;不需要交流侧提供无功功率且能够起到无功补偿的作用,动态补偿交流母线无功功率,稳定交流电压,因此是电力系统传输的发展方向之一。

基于模块化多电平技术(MMC)的电压源型换流器的发展,解决了基于两电平技术的均压问题和损耗大问题,同时降低了交流系统谐波,使电压源型换流器采用无变压器方式接入交流电网成为一种可能,也使换流站的总体投资及占地进一步减少成为可能。

当电压源型换流器采用如图1所示的无变压器方式接入交流电网时,当交流系统发生不对称故障时,换流器无法隔离交流系统产生的不平衡电压,对于如图2所示的半桥、类全桥和全桥MMC型电压源换流器均具有相似的故障响应特性。例如在不接地、高阻接地或经消弧线圈接地的系统发生单相接地故障时,交流电网电压中将出现零序电压,并引起各相电压出现不平衡,非故障相电压从相电压升高为线电压(相电压的倍),交流侧的不平衡电压经过换流器进入直流侧并引起直流电压出现波动,该电压波动经直流电缆或架空线路传导至其他换流站,最终将导致非故障站的交流电压也出现不平衡,从而影响非故障站交流系统的正常运行。

由于在有变压器接入方式下零序电压可以被变压器隔离在交流侧,不会传导至直流侧,因此目前的控制方法是对不平衡电压中的负序电压进行控制,对不平衡电压中的零序电压是不进行控制的。SongHong-Seok等人的“DualcurrentcontrolschemeforPWMconverterunderunbalanceinputvoltageconditions”(IEEETranscationonIndustialElectronics.1999,46(5):953-959)针对不对称故障,分别进行负序电压前馈和双序电流内环控制,但只能抑制负序电流。陈海荣博士论文“交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制与保护策略研究”对正负序不对称故障进行了详细的推导,在采用双序电流环的基础上,负序电流的参考值又分为抑制交流侧负序和抑制直流侧二倍频,但这两个目标不能同时实现。以上推导计算均只针对负序进行控制,而对于本站故障时零序电压传导到对站以及抑制非故障站不平衡电压并未进行分析研究。

周京华等人申请的“一种基于零序电压注入的三电平中点电位平衡控制方法”专利(申请号201010100682.5)针对三电平直流电容中性点电压波动,通过采集直流母线侧两电容电压计算中性点电压是否平衡,通过多载波PWM调制策略下的矢量控制时三相电流与中性点电流关系,选择零序电压正负注入到三相调制波,实现控制中性点电位平衡,其方法及策略只针对三电平拓扑及采用PWM调制控制算法引起的直流电容电压中性点不平衡问题,不能解决交流系统发生不对称故障时产生的不平衡电压传导到对站的问题。

对于无变压器接入方式下如何抑制含零序电压的不平衡电压在电压源型换流站之间的传播,目前尚未见到有效的解决方法,影响了采用无变压器接入方式柔性交直流输电系统的应用和推广。因此,有必要寻找一种无变压器方式下抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,通过检测换流站交流侧或者直流侧含零序电压的不平衡电压,产生合适的电压参考波,与交流实际电压相匹配,来抑制不平衡电压引起的直流电压波动及向非故障站交流系统的传播,保证柔性交直流输电系统和非故障站交流系统的安全稳定运行。



技术实现要素:

本发明的目的在于针对现有技术不足,提供一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,通过检测换流站交流侧或者直流侧含零序电压的不平衡电压,产生合适的电压参考波,与交流实际电压相匹配,来抑制不平衡电压引起的直流电压波动及向非故障站交流系统的传播,保证柔性交直流输电系统和非故障站交流系统的安全稳定运行。

为了达成上述目的,本发明采用的技术方案是:

提供一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,通过检测电压源型换流站交流侧或者直流侧含零序电压的不平衡电压,当检测到不平衡电压出现时,使换流器产生合适的电压参考波,与交流实际电压相匹配,来抑制不平衡电压引起的直流电压波动及向非故障站交流系统的传播。

上述的抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法中,与交流实际电压相匹配的电压参考波的生成方法为,外环功率控制和内环电流控制产生基于正负序控制的电压参考波Uref,零序电压检测控制产生零序电压参考值Uo_ref,电压参考波Uref减去零序电压参考值Uo_ref生成与交流实际电压相匹配的参考波Uref_new,换流站根据Uref_new进行控制。

上述的抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,其结合交流故障时的电压波形特征,为换流器配置一定数量的冗余备用子模块,同时故障期间子模块电容的工作电压保持不变,使交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的参考波,实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制。

上述的抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,其结合交流故障时的电压波形特征,不增加换流器的子模块个数,通过控制来增大故障期间子模块电容的工作电压,使交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的参考波,实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制。

上述的抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,其结合交流故障时的电压波形特征,综合运用为换流器配置一定数量的冗余备用子模块及通过控制来增大故障期间子模块电容的工作电压两种方法,使交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的参考波,实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制。

上述的抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法中采用的换流器子模块类型包括半桥MMC(模块化多电平)、类全桥MMC和全桥MMC型结构等。

本发明还提供一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的换流站子模块配置方法,其结合交流故障时的电压波形特征进行换流器需要配置的子模块数量的计算,并根据计算结果进行换流器子模块的配置。为保证交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的参考波,在直流电压保持不变的情况下最少需要配置的冗余备用全桥子模块个数为N个,其中N为不计冗余子模块的情况下正常运行时子模块的配置个数,M为正常运行时的调制比。

本发明还提供一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的换流站子模块电容工作电压控制方法,其结合交流故障时的电压波形特征进行故障期间子模块电容工作电压需要增大的值的计算,并根据计算结果进行故障期间子模块电容工作电压的控制。为保证交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的参考波,在不增加换流器的子模块个数和直流电压保持不变的情况下,故障发生期间子模块电容工作电压最少需要增大的值为并至少将个子模块配置为全桥子模块,,其余子模块可以为半桥、类全桥或全桥子模块,其中Uavg为正常运行时子模块电容工作电压,M为正常运行时的调制比,N为不计冗余子模块的情况下正常运行时子模块的配置个数。

本发明还提供一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的换流站子模块配置及电容工作电压控制方法,其结合交流故障时的电压波形特征进行换流器需要配置的冗余备用子模块数量和故障期间子模块电容工作电压需要增大的值的综合计算,并根据计算结果进行换流器子模块的配置和故障期间子模块电容工作电压的控制。

采用上述方案后,本发明的有益效果为:

(1)本发明提供的一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,可以抑制无变压器接入方式下交流故障发生站的不平衡电压引起的直流电压波动及向非故障站的传播,使本站故障对其他站的不利影响降至最低,保证柔性交直流输电系统和非故障站交流系统的安全稳定运行。

(2)有利于采用无变压器接入方式的柔性交直流输电系统的应用和推广。

附图说明

图1是电压源换流器采用无变压器方式连接,站1交流系统故障k1示意图。

图2是本发明中电压源型换流器的拓扑,其中子模块可以是半桥(HBSM),全桥(FBSM)或者类全桥(SFBSM)。

图3是本发明一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法中生成与交流实际电压相匹配的电压参考波的方法框图。

图4是不接地、高阻接地或经消弧线圈接地的交流系统发生单相接地故障的示意图,其中(a)是正常运行下的电压向量图,(b)是C相单相接地故障下的电压向量图,(c)是正常运行下的电压波形图,(d)是C相单相接地故障下的电压波形图。

具体实施方式

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。

本发明提供一种抑制交流不平衡电压在电压源型换流站之间传播的方法,通过检测换流站交流侧或者直流侧含零序电压的不平衡电压,当检测到不平衡电压出现时,使换流器产生合适的交流电压参考波,与交流实际电压相匹配,来抑制不平衡电压引起的直流电压波动及向非故障站交流系统的传播。

为了达成上述目的,本发明的解决方案是:

将换流器产生的交流电压参考波控制至与交流故障发生时的交流实际电压相匹配的水平,使含零序电压的交流不平衡电压基本不进入直流侧。与交流故障发生时的交流实际电压相匹配的交流电压参考波的生成方法如框图3所示,外环功率控制和内环电流控制产生基于正负序控制的电压参考波Uref,零序电压检测控制产生零序电压参考值Uo_ref,电压参考波Uref减去零序电压参考值Uo_ref生成与交流实际电压相匹配的参考波Uref_new,换流站根据Uref_new进行控制。

零序电压检测控制根据实测交流电压UacA、UacB、UacC和实测直流电压计算零序电压,将实测交流电压UacA、UacB、UacC相加除以3计算得到交流零序电压Uo_ac,将实测正负极直流电压Udp、Udn相加除以2计算得到直流零序电压Uo_dc;零序电压参考值既可以选择交流侧计算的交流零序电压Uo_ac,也可以选择直流侧计算的直流零序电压Uo_dc,也可以选择交、直流零序电压相加除以2。

为实现上述换流站能根据与交流实际电压相匹配的参考波Uref_new进行控制的目标,本发明提供了两种方法:

方法一:

结合交流故障时的电压波形特征,为换流器配置相应数量的冗余备用子模块,同时故障期间子模块电容的工作电压保持不变,使交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的电压参考波,实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制。

以下以不接地、高阻接地或经消弧线圈接地的交流系统发生C相单相接地故障为例对方法一进行说明。

正常运行时,电压源型换流器某相上、下桥臂输出的交流电压参考波Uref的变化范围可表示为:

M = U r e f _ m a x U d 2 ]]>

其中,Ud为柔性交直流输电系统的直流电压,Uac为交流相电压,M为正常运行时的调制比(正常情况下M≤1,额定调制比一般取为0.85),Uref_max为交流电压参考波Uref的峰值。

在不计冗余子模块的情况下,正常运行时子模块配置个数为:

N = U d U a v g ]]>

其中,Uavg为子模块电容工作电压(子模块电容平均运行电压)。

当交流系统发生如图4所示的C相单相接地故障时,故障相C相的交流电压UacC降为0,根数上述抑制不平衡电压方法的要求,其电压参考波的变化范围应被控制为:

对于非故障相A相、B相,其相电压均会升高至正常值的倍,因此其电压参考波变化范围应分别被控制为:

由以上两式可见,在直流电压保持不变的情况下,非故障相参考波输出可能为负值,由于只有全桥子模块才具有负电压输出能力,因此需要在正常运行子模块数量的基础上配置一定数量的冗余备用全桥子模块才能满足交流故障情况下参考波的控制要求。

对于上述单相故障情况,最少需要配置的冗余备用全桥子模块数量的计算公式如下:

Δ N = ( U d 2 + 3 * M * U d 2 U d 2 + U d 2 - 1 ) * N = 3 M - 1 2 N ]]>

当M=0.85时,ΔN=0.236N;当M=1时,ΔN=0.366N。

由上式可得,在上述单相故障情况下方法一中最少需要配置的冗余备用全桥子模块个数为个,其中N为不计冗余子模块的情况下正常运行时子模块的配置个数,M为正常运行时的调制比。

对于方法一,满足正常运行所需要的子模块类型可以为半桥、类全桥或全桥子模块,而需要配置的冗余备用子模块需为全桥子模块。

对于其他不对称故障情况,可以结合故障期间交流电压波形特征进行最少需要配置的冗余备用全桥子模块个数的计算。

根据上述计算结果进行换流器子模块的配置,可以实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制。

方法二:

结合交流故障时的电压波形特征,不增加换流器的子模块配置个数,通过控制来增大故障发生期间子模块电容的工作电压,使交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的参考波,实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制,以下仍以前述交流C相单相故障为例对方法二进行说明。

对于前述单相故障情况,在直流电压保持不变的情况下,故障发生期间子模块电容工作电压最少需要增大的值的计算:

ΔU a v g = ( U d 2 + 3 * M * U d 2 U d 2 + U d 2 - 1 ) * U a v g = 3 M - 1 2 U a v g ]]>

由上式可得,在前述单相故障情况下方法二中故障发生期间子模块电容工作电压最少需要增大的值为其中Uavg为正常运行时子模块电容工作电压(子模块电容平均运行电压),M为正常运行时的调制比。

对于方法二,换流器的子模块配置个数不增加,在直流电压保持不变的情况下,非故障相参考波输出可能为负值,由于只有全桥子模块才具有负电压输出能力,因此需要在子模块中配置一定比例的全桥子模块才能满足故障情况下参考波的控制要求。

对于前述单相故障情况,子模块中最少需要配置的全桥子模块数量为:

Δ N = 3 M - 1 2 U a v g ( 1 + 3 M - 1 2 ) * U a v g * N = 3 M - 1 3 M + 1 N ]]>

即至少应将正常运行所需子模块中的配置为全桥子模块,其余子模块可以为半桥、类全桥或全桥子模块。

对于其他不对称交流故障情况,可以结合故障期间交流电压波形特征进行子模块电容工作电压最少需要增大的值的计算。

根据上述计算结果进行故障期间子模块电容工作电压的控制,可以实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制。

在实际应用中,也可以根据需要综合运用方法一和方法二,使交流故障发生时换流器可以输出与交流实际电压相匹配的参考波,实现对含零序电压的交流不平衡电压的抑制。

需要说明的是,本发明适用于两个或以上电压源型换流站构成的柔性交直流输电系统,例如两端/多端柔性直流输电、直流配电网、统一潮流控制器(UPFC)等。

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。

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