一种提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法与流程

本发明涉及一种交直流混合输电技术，具体涉及一种提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法。

背景技术：

基于晶闸管的电网换相高压直流输电系统具有输电容量大、线路造价低、非同步联网能力强，在远距离大容量输电及大区域联网等方面具有很大优势。直流输电系统大密度接入交流电网，使得交、直流系统间相互影响日益复杂，给电网的安全稳定运行带来巨大的挑战。大功率直流系统的换相失败故障比较常见，多由受端交流系统故障引发。换相失败期间直流功率大幅下降，直流送端电网的同步发电机加速，如换相失败持续时间短，直流功率能快速恢复，对系统的稳定运行影响不大，但连续换相失败对系统稳定性的影响比较严重，连续换相失败的反复冲击可能引起送端机组相对功角失稳和重要交流联络断面解列。

导致换相失败故障的原因有很多，但当晶闸管及其触发系统均正常工作时，发生换相失败的主要原因是当受端电网发生故障时引起的电网电压跌落或波动。目前直流输电工程应用和已公开的专利主要是通过对直流输电控制策略的优化来抑制换相失败，大部分为增大关断角或减小直流电流，可作为换相失败的辅助预防手段，但无法从根本上避免换相失败的发生。

近年来有人研究在直流输电系统逆变站附近安装大容量STATCOM以及大容量调相机来补偿逆变站的无功功率，在系统故障时提高逆变站的电压，从而减少逆变站发生换相失败的概率，但该方法仅适合受端电网故障较轻的工况，当电网电压跌落较严重时，补偿电压跌落所需要的无功容量非常大，现有无功补偿装置不能应对。

因此，有必要研究一种在故障时提高系统电压效能力较强的结构及控制方法，解决现有无功补偿装置不能应对电网严重故障时的电压跌落的问题。统一潮流控制器，又称UPFC(Unified Power Flow Controller),是目前为止通用性最好的潮流控制装置，其具有并联补偿、串联补偿和移相等不同的控制功能，除了稳态时可优化电网潮流外，暂态时可以通过其快速的电压补偿能力，提高其接入母线电压。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法,可以在系统故障时快速有效的提高直流输电系统逆变站的交流电压，从而减小直流输电换相失败的机率。本发明控制方法基于的结构相比现在的抑制直流输电换相失败的结构具有较好的经济性，该控制方法则具有更好的抑制效果和控制灵活性。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法，其特征在于：

上述提高直流输电系统逆变站暂态电压的结构包括：直流输电系统、统一潮流控制器和交流输电系统；所述直流输电系统逆变站的交流侧和所述统一潮流控制器均接入上述交流输电系统；所述统一潮流控制器布置在所述直流输电系统逆变站的附近；

上述统一潮流控制器包括并联侧和串联侧两部分；所述统一潮流控制器的串联侧包括串联变压器和串联换流器，并联侧包括并联变压器和并联换流器；所述统一潮流控制器的串联变压器一侧绕组与所述串联换流器的交流侧连接，另一侧绕组分相串入所述交流系统的三相交流线路；所述统一潮流控制器的并联变压器一侧绕组与所述并联换流器的交流侧连接，另一侧绕组接入所述交流输电系统的交流母线。

上述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法：

1)、上述统一潮流控制器的串联侧运行在注入电压控制模式，实时检测所述直流输电系统逆变站的交流电压，设定一个串联侧注入电压控制的参考值Uc_ref,设定一个功率控制运行模式时的上述交流电压最低值Ubus_Lim；

2)、在检测到所述直流输电系统逆变站的交流电压低于上述交流电压最低值Ubus_Lim后，迅速控制上述统一潮流控制器的串联侧注入一个与上述直流输电系统逆变站交流母线方向相同的电压，提高统一潮流控制器接入母线的电压，维持直流输电系统逆变站的交流电压在上述交流电压最低值Ubus_Lim；之后进入步骤3；

3)、当检测到直流输电系统逆变站的交流电压大于上述交流电压最低值Ubus_Lim时，统一潮流控制器的串联侧自动恢复至控制注入电压Uc_ref。

上述统一潮流控制器串联侧注入的电压达到串联变压器的额定电压值后，仍不能维持所述直流输电系统逆变站的交流电压在所述设定的交流电压最低值Ubus_Lim，则所述统一潮流控制器保持串联侧注入的电压保持为串联变压器的额定电压值。

上述统一潮流控制器布置在所述直流输电系统的逆变站交流场，所述统一潮流控制器控制的串联侧控制线路与所述直流输电系统逆变站的换流变压器接入同一交流母线。

上述统一潮流控制器布置在所述直流输电系统的逆变站附近的交流站，则所述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法中所述设定的交流电压最低值Ubus_Lim为统一潮流控制器串联变压器分相串入的三相交流线路所连接的交流母线电压的最低值。

上述统一潮流控制器并联变压器接入的交流母线为所述串联变压器分相串入的三相交流线路所连接的交流母线，或所述交流输电系统的其它交流母线。

上述统一潮流控制器并联变压器接入的交流母线为所述串联变压器分相串入的三相交流线路所连接的交流母线，则设定另一个所述交流母线电压运行的最低值Ubus_low，所述交流母线电压运行的最低值Ubus_low大于Ubus_Lim。

相应的，所述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法为两级协调控制的方法；

所述两级协调控制方法的第一级控制为：

1)当检测到所述交流母线的电压低于上述交流电压最低值Ubus_low后，所述统一潮流控制器的并联侧迅速控制增加注入所述交流母线提供的无功功率，从而维持交流母线电压，减小直流输电系统发生换相失败的机率。之后进入步骤2

2)当检测到所述交流母线的电压不能维持于上述交流电压最低值低于Ubus_low后，所述统一潮流控制器的并联侧注入系统的无功保持输出为其最大能力；之后进入第二级控制；

所述两级协调控制方法的第二级控制为：

1)、上述统一潮流控制器的串联侧运行在注入电压控制模式，实时检测所述直流输电系统逆变站的交流电压，设定一个串联侧注入电压控制的参考值Uc_ref,设定一个功率控制运行模式时的上述交流电压最低值Ubus_Lim；

2)、在检测到所述直流输电系统逆变站的交流电压低于上述交流电压最低值Ubus_Lim后，迅速控制上述统一潮流控制器的串联侧注入一个与上述直流输电系统逆变站交流母线方向相同的电压，提高统一潮流控制器接入母线的电压，维持直流输电系统逆变站的交流电压在上述交流电压最低值Ubus_Lim；之后进入步骤3；

3)、当检测到直流输电系统逆变站的交流电压大于上述交流电压最低值Ubus_Lim时，统一潮流控制器的串联侧自动恢复至控制注入电压Uc_ref。

上述方法可以理解为：在提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法的实施步骤之前还增加前置协调控制步骤，所述前置协调控制步骤对应于两级协调控制方法的第一级控制。前述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法步骤1)至3)为二级控制。

上述的统一潮流控制器并联侧发生故障时，其串联侧换流器可单独运行，相应的提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法为：

1)、上述统一潮流控制器的串联侧运行在线路功率控制模式，实时检测所述直流输电系统逆变站的交流电压，并设定一个功率控制运行模式时的上述交流电压最低值Ubus_Lim；

2)、在检测到所述直流输电系统逆变站的交流电压低于上述交流电压最低值Ubus_Lim后，将统一潮流控制器的串联侧控制模式从线路功率控制模式切换为定阻抗控制模式；之后进入步骤3；

3)、控制上述统一潮流控制器的串联侧等效注入一个电抗，等效提高统一潮流控制器注入线路的电气距离，从而提高统一潮流控制器接入母线的电压，维持直流输电系统逆变站的交流电压在上述交流电压最低值Ubus_Lim，减小直流输电系统发生换相失败的机率；之后进入步骤4；

4)、当检测到直流输电系统逆变站的交流电压大于上述交流电压最低值Ubus_Lim时，将统一潮流控制器的串联侧控制模式从注入电压控制模式切换为线路功率控制模式。

如上述统一潮流控制器串联侧控制的线路为双回线路，所述双回线路上均需要通过配置一套串联侧换流器和串联侧变压器，所述双回线路在功率控制运行模式的交流电压最低值Ubus_Lim相同。

采用上述方案后，本发明可以提高直流输电系统逆变站的暂态过电压，降低直流输电系统逆变站发生换相失败的机率，提高直流输电系统以及整个交流系统的稳定性。相比其它的抑制换相失败的措施，本发明的抑制效果和经济性、灵活性更好。

附图说明

图1是直流输电系统、交流输电系统和统一潮流控制器连接的结构图；

图中，1为直流输电系统的整流站，2为直流输电系统的逆变站，3为统一潮流控制器的并联侧，4为统一潮流控制器的串联侧；

图2是统一潮流控制器并联变压器接入的交流母线为交流输电系统的其它交流母线示意图；

图3是统一潮流控制器并联侧发生故障的示意图；

图4是本发明提出的减小直流输电换相失败机率的主控制流程图；

图5是本发明减小直流输电换相失败机率的两极控制的第一级控制流程图；

图6是本发明在统一潮流控制器并联侧退出运行时的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明提出一种提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法，所述方法应用在如图1所示的结构中，包括：直流输电系统、统一潮流控制器和交流输电系统；所述直流输电系统逆变站2的交流侧和所述统一潮流控制器均接入上述交流输电系统；所述统一潮流控制器布置在所述直流输电系统逆变站的附近；

前述统一潮流控制器包括并联侧3和串联侧4两部分；所述统一潮流控制器的串联侧4包括串联变压器和串联换流器，并联侧3包括并联变压器和并联换流器；所述统一潮流控制器的串联变压器一侧绕组与所述串联换流器的交流侧连接，另一侧绕组分相串入所述交流系统的三相交流线路；所述统一潮流控制器的并联变压器一侧绕组与所述并联换流器的交流侧连接，另一侧绕组接入所述交流输电系统的交流母线。

前述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法如下，流程图如附图4所示：

1)上述统一潮流控制器的串联侧4运行在注入电压控制模式，实时检测所述直流输电系统逆变站的交流电压，设定一个串联侧注入电压控制的参考值Uc_ref,设定一个功率控制运行模式时的上述交流电压最低值Ubus_Lim；

2)在检测到所述直流输电系统逆变站的交流电压低于上述交流电压最低值Ubus_Lim后，迅速控制上述统一潮流控制器的串联侧4注入一个与上述直流输电系统逆变站交流母线方向相同的电压，提高统一潮流控制器接入母线的电压，维持直流输电系统逆变站的交流电压在上述交流电压最低值Ubus_Lim；之后进入步骤3；

3)当检测到直流输电系统逆变站的交流电压大于上述交流电压最低值Ubus_Lim时，统一潮流控制器的串联侧4自动恢复至控制注入电压Uc_ref。

上述统一潮流控制器的串联侧4自动恢复至控制注入电压Uc_ref的方法如下：在正常运行的注入电压指令值Uc_ref的基础上，叠加一个注入电压调制的分量，该调制分量的方案与上述直流输电系统逆变站交流母线电压的方向相同。该调制分量由一个PI控制器构成，输入为实测在交流母线电压与Ubus_Lim的差值，输出所需要的注入电压调制分量，在交流母线电压低于Ubus_Lim时将PI控制器的输出开放，采用上述PI控制器后，直流输电系统逆变站交流母线电压越低，所述的PI控制器输出的调制分量会越大，直至交流母线电压维持至Ubus_Lim；当检测到直流输电系统逆变站的交流电压大于上述交流电压最低值Ubus_Lim时，调制分量的输出自动变为零，则串联侧4自动恢复至控制注入电压Uc_ref。

前述统一潮流控制器串联侧注入的电压达到串联变压器的额定电压值后，仍不能维持所述直流输电系统逆变站2的交流电压在所述设定的交流电压最低值Ubus_Lim，则所述统一潮流控制器串联侧4注入的电压保持为串联变压器的额定电压值。

前述统一潮流控制器布置在所述直流输电系统的逆变站2的交流场，所述统一潮流控制器控制的串联侧4控制线路与所述直流输电系统逆变站2的换流变压器接入同一交流母线。

如果前述统一潮流控制器布置在所述直流输电系统的逆变站2附近的交流站，则所述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法中所述设定的交流电压最低值Ubus_Lim为统一潮流控制器串联变压器分相串入的三相交流线路所连接的交流母线电压的最低值。

前述统一潮流控制器并联变压器接入的交流母线为所述串联变压器分相串入的三相交流线路所连接的交流母线，或所述交流输电系统的其它交流母线。如附图2所示，一潮流控制器并联变压器接入的交流母线为所述交流输电系统的其它交流母线。

如前述统一潮流控制器并联变压器接入的交流母线为所述串联变压器分相串入的三相交流线路所连接的交流母线，则设定另一个所述交流母线电压运行的最低值Ubus_low，所述交流母线电压运行的最低值Ubus_low大于Ubus_Lim；相应的，所述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法为两级协调控制的方法；

所述两级协调控制方法的第一级控制如下，流程图如附图5：

A)当检测到所述交流母线的电压低于上述交流电压最低值Ubus_low后，所述统一潮流控制器的并联侧迅速控制增加注入所述交流母线提供的无功功率，从而维持交流母线电压，减小直流输电系统发生换相失败的机率。之后进入步骤B；

B)当检测到所述交流母线的电压仍不能维持于上述交流电压最低值即低于Ubus_low后，所述统一潮流控制器的并联侧注入系统的无功保持输出为其最大能力；之后进入第二级控制；

所述两级协调控制方法的第二级控制为前述提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法步骤1)～3)，流程图如附图4。

上述方法可以理解为：在提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法的实施步骤之前还增加前置协调控制步骤，所述前置协调控制步骤对应于两级协调控制方法的第一级控制。

通过附图4和附图5的两级控制协调，在直流系统大功率运行或者直流系统远端发生故障、系统电压跌落较小时，通过第一级统一潮流控制器并联侧换流器的控制使直流输电系统逆变站交流母线电压不低于Ubus_low；如故障发生在近端、系统电压跌落较大，通过第一级的控制无法将逆变站交流母线电压维持在Ubus_low，当系统电压跌落至Ubus_Lim时，第二级控制动作，控制使直流输电系统逆变站交流母线电压在Ubus_Lim；故障消失后，系统电压上升，此时第二级控制仍会起作用将系统逆变站交流母线电压在Ubus_Lim，但此时统一潮流控制器串联侧4注入系统电压的方向与之前相反，通过将统一潮流控制器串联侧4注入系统电压与交流母线电压或者线路端电压进行比较，可以判断出系统电压是否恢复正常：如统一潮流控制器串联侧4注入系统电压与线路端电压方向相反，可以判断出此时统一潮流控制器串联侧4工作在使交流母线电压降低的状态，则可判断系统恢复正常，统一潮流控制器串联侧4可以从注入电压控制模式切换为功率控制模式，恢复正常运行。

前述的统一潮流控制器并联侧发生故障时，其串联侧换流器可单独运行，结构图如附图3，相应的提高直流输电系统逆变站暂态电压的控制方法如下，其流程图如附图6：

1)上述统一潮流控制器的串联侧运行在线路功率控制模式，实时检测所述直流输电系统逆变站的交流电压，并设定一个功率控制运行模式时的上述交流电压最低值Ubus_Lim；

2)在检测到所述直流输电系统逆变站的交流电压低于上述交流电压最低值Ubus_Lim后，将统一潮流控制器的串联侧控制模式从线路功率控制模式切换为定阻抗控制模式；之后进入步骤3；

3)控制上述统一潮流控制器的串联侧等效注入一个电抗，等效提高统一潮流控制器注入线路的电气距离，从而提高统一潮流控制器接入母线的电压，维持直流输电系统逆变站的交流电压在上述交流电压最低值Ubus_Lim，减小直流输电系统发生换相失败的机率；之后进入步骤4；

4)当检测到直流输电系统逆变站的交流电压大于上述交流电压最低值Ubus_Lim时，将统一潮流控制器的串联侧控制模式从注入电压控制模式切换为线路功率控制模式。

如前述统一潮流控制器串联侧控制的线路为双回线路，所述双回线路上均需要配置至少一套串联侧换流器和串联侧变压器。上述双回线路在功率控制运行模式的交流电压最低值Ubus_Lim相同。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的专利要求保护范围之内。