对称双极柔性直流输电换流器功率转带控制方法与流程

本发明涉及柔性直流输电技术领域，属于采用对称双极接线的模块化多电平换流器控制技术，具体为对称双极换流器发生单极故障后，将故障极功率转带至非故障极的控制方法。

背景技术：

采用对称双极接线的柔性直流输电系统具有灵活的运行方式，极ⅰ、极ⅱ可整体运行，也可单独运行。正常工况下，系统采用双极带金属回线单端接地运行方式，两极不平衡电流通过金属回线返回。单极发生故障时，将故障极换流阀闭锁、停运，同时将故障极全部或部分功率转移至正常极。正常极和金属回线转为单极带金属回线运行方式，工作电流通过金属回线返回。此时，工程最多仍能输送50%的额定容量，降低了甩负荷对交流电网的冲击程度，提高了供电可靠性。

目前缺乏针对功率转带的研究内容，但功率转带的本质是功率快速变化的过程。著作《基于电压源换流器的高压直流输电技术》提出直流侧电容充放电可在2ms内完成；文献《对称双极柔性直流输电系统的运行特性研究》仿真换流阀运行特性时，在30ms内可实现从200mw至400mw的功率阶跃；文献《柔性直流输电系统的设计及运行特性实验》仿真的换流阀潮流反转过程可在40ms内完成且直流电压无波动；文献《厦门柔性直流输电工程功率突变现象及优化策略》分析了直流控制系统控制时间不同步导致无功功率突变现象的机理，并提出优化策略。以上研究内容均认为柔性直流输电系统可以快速实现有功功率变化、阶跃甚至反转，但根据国内已建成的柔性直流输电工程试验数据发现，有功功率指令变化较快时会引起直流母线电压波动，甚至导致直流过压保护动作而跳闸。为确保功率转带过程顺利完成，有必要提出功率转带控制方法并优化相关控制参数。

鉴于目前功率转带控制方法缺失的现状，本发明提出对称双极柔性直流输电换流器功率转带控制方法。该方法首先提出功率转带的可行性条件；然后根据故障极和非故障极功率值提出被转带功率量的计算过程；通过引入直流电缆等实际设备参数建立仿真模型，根据仿真结果提出功率转带速率参数的整定方法；最后提出功率转带控制流程。通过本发明提供的控制方法对换流器发生单极故障时的功率转带过程分析和相关控制参数整定具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种对称双极柔性直流输电换流器功率转带控制方法，使换流器发生单极故障将故障极功率快速转带至非故障极时有效减小直流母线电压波动。本发明一方面阐明功率转带的可行性条件并提供具体控制流程；另一方面提出了被转带功率量和功率转带速率参数的计算及整定方法。通过本发明为换流器发生单极故障时提供功率转带控制方法，为相关控制参数整定提供理论依据和技术支持。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种对称双极柔性直流输电换流器功率转带控制方法，包括如下步骤，

步骤s1：根据功率转带可行性条件判断对称双极柔性直流输电换流器是否可以进行功率转带；

步骤s2：根据故障极功率pa、非故障极功率pb、单极额定功率pn的数值计算被转带功率量δp；

步骤s3：闭锁故障极换流器、断开故障极金属回线开关，使系统转为单极带金属回线单端接地运行方式；

步骤s4：将非故障极功率按照功率转带速率定值升至pb+δp。

进一步的，所述步骤s1中，功率转带可行性条件为换流器采用双极带金属回线单端接地运行方式，且非故障极采用双极功率控制模式。

进一步的，所述步骤s2中，被转带功率量δp按如下方法计算：

被转带功率量应小于故障极原功率值：

非故障极原有功率加上转带的功率应小于单极额定功率：

被转带功率量应采取满足以上公式条件的最大数值，以降低甩负荷对交流系统的影响，因此，被转带功率量数值为：

（1）。

进一步的，所述步骤s4中，功率转带速率定值按以下步骤进行整定：

步骤s41：根据对称双极柔性直流输电换流器设备参数建立实时仿真模型；

步骤s42：模型中换流器设置为双极带金属回线单端接地运行方式、故障极为单极功率控制、非故障极为双极功率控制、故障极功率pa为额定功率、非故障极功率pb为零；

步骤s43：设置模型中非故障极功率pb从零升至pn的时间t1，使仿真模型中功率转带速率为pn/t1；

步骤s44：不同转带速率下，仿真计算得到直流电压超过1.15倍额定电压的保持时间t2；

步骤s45：t2大于等于20ms时，换流器直流过压保护ⅰ段动作，将t1增加δt，重复步骤s43、s44；t2小于20ms时，换流器直流过压保护ⅰ段不动作，进入步骤s46；

步骤s46：确定t1数值，功率转带速率定值整定结果是pn/t1。

进一步的，所述步骤s44中，直流电压超过1.15倍额定电压的保持时间t2按以下方法进行仿真计算：

输入至非故障极换流器任意一相上下桥臂的有功功率瞬时值可表示为：

（2）

其中us为交流电压有效值；is为交流电流有效值；φ为交流电压电流相位差；udc为直流电压；idc为直流电流；

在功率转带过程中，非故障极交流侧输入功率迅速提升，但由于直流电缆等效电抗的限流作用，直流电流上升速率较慢，换流阀交流侧输入功率大于直流侧输出功率，桥臂上电容电压升高，桥臂的有功功率在单位时间的能量变化量等于电容增加的能量：

（3）

式中c0为子模块电容，n为每桥臂子模块数量，udc为当前时刻直流电压，δudc为直流电压变化量；

由于柔性直流输电换流器一端采用功率控制方式、对端采用直流电压控制方式，可认为对端直流电压保持恒定，因此δudc就是直流电缆上的电压变化量，δudc减去直流电缆等效电阻r上的电压，即直流电缆等效电抗上的电压，进而计算得到直流电流单位时间内变化量：

（4）

其中l直流电缆的等效电抗；r为直流电缆的等效电阻；

下一时刻直流电压值和电流值为：

（5）

通过以上公式迭代求解得到不同功率转带速率下的直流电压波形，根据波形计算直流电压超过1.15倍额定电压的保持时间t2。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：经过实验验证，本发明提出的控制方法，可使换流器发生单极故障时的功率转带过程顺利完成，避免直流母线电压波动过大导致直流过压保护动作而跳闸，降低了对交流电网的冲击程度，提高了供电可靠性。

附图说明

图1为本发明功率转带控制流程图。

图2为对称双极柔性直流输电换流器主接线电路图。

图3为本发明功率转带速率整定方法流程图。

图4为本发明功率转带过程中直流电压波形。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明的一种对称双极柔性直流输电换流器功率转带控制方法，包括如下步骤，

步骤1：根据功率转带可行性条件判断对称双极柔性直流输电换流器是否可以进行功率转带；

步骤2：根据故障极功率pa、非故障极功率pb、单极额定功率pn的数值计算被转带功率量δp；

步骤3：闭锁故障极换流器、断开故障极金属回线开关，使系统转为单极带金属回线单端接地运行方式；

步骤4：将非故障极功率按照功率转带速率定值升至pb+δp。

在步骤1中，功率转带可行性条件为换流器采用双极带金属回线单端接地运行方式，且非故障极采用双极功率控制模式。

对称双极柔性直流输电换流器主接线电路如图2所示，换流器采用双极带金属回线单端接地运行方式时，若单极发生故障，控保系统可将故障极换流阀闭锁、断开该极nbs开关，使系统转为单极带金属回线单端接地运行。故障极功率快速转带至非故障极，可降低甩负荷对交流系统的影响，提高柔性直流输电换流器运行可靠性。

极ⅰ、极ii换流站的控制方式分为双极功率控制和单极功率控制两种模式，极ⅰ、极ii可灵活组合两种控制模式。以s1为送端换流站、s2为受端换流站、极ⅰ发生单极故障时为例，可采用的控制方式和功率转带可行性条件如表1所示。

1、双极均采用双极功率控制

有功功率在两极间平均分配，当极ⅰ发生单极故障时可将全部或部分功率转带至极ⅱ。

2、极ⅰ采用单极功率控制、极ⅱ采用双极功率控制

单极功率控制指令设定极ⅰ的有功功率值，双极功率控制指令设定双极总有功功率值，因此极ⅱ有功功率值等于总功率减去极ⅰ单极功率。当极ⅰ发生单极故障时可将全部或部分功率转带至极ⅱ。

3、极ⅰ采用双极功率控制、极ⅱ采用单极功率控制

当极ⅰ发生单极故障时，由于极ⅱ功率已由单极功率控制指令设定，不可将极ⅰ功率转带至极ⅱ，将发生甩负荷现象。

4、双极均采用单极功率控制

当极ⅰ发生单极故障时不可将功率转带至极ⅱ，发生甩负荷现象。

因此，功率转带的可行性条件是：换流站采用双极带金属回线单端接地运行方式，且非故障极采用双极功率控制模式；

在步骤2中，按如下方法对被转带功率量进行计算：

被转带功率量应小于故障极原功率值：

非故障极原有功率加上转带的功率应小于单极额定功率：

被转带功率量应采取满足以上公式条件的最大数值，以降低甩负荷对交流系统的影响，因此，被转带功率量数值为：

（1）。

在步骤4中，如图3所示，按如下步骤对功率转带速率定值进行整定：

步骤41：根据对称双极柔性直流输电换流器设备参数建立实时仿真模型；

步骤42：模型中换流器设置为双极带金属回线单端接地运行方式、故障极为单极功率控制、非故障极为双极功率控制、故障极功率pa为额定功率、非故障极功率pb为零；

步骤43：设置模型中非故障极功率pb从零升至pn的时间t1，使仿真模型中功率转带速率为pn/t1；

步骤44：不同转带速率下，仿真计算得到直流电压超过1.15倍额定电压的保持时间t2；

步骤45：t2大于等于20ms时，换流器直流过压保护ⅰ段动作，将t1增加δt，重复步骤43、44；t2小于20ms时，换流器直流过压保护ⅰ段不动作，进入步骤46；

步骤46：确定t1数值，功率转带速率定值整定结果是pn/t1。

在步骤44中，直流电压超过1.15倍额定电压的保持时间t2按以下方法进行仿真计算：

输入至非故障极换流器任意一相上下桥臂的有功功率瞬时值可表示为：

（2）

其中us为交流电压有效值；is为交流电流有效值；φ为交流电压电流相位差；udc为直流电压；idc为直流电流；

在功率转带过程中，非故障极交流侧输入功率迅速提升，但由于直流电缆等效电抗的限流作用，直流电流上升速率较慢，换流阀交流侧输入功率大于直流侧输出功率，桥臂上电容电压升高，桥臂的有功功率在单位时间的能量变化量等于电容增加的能量：

（3）

式中c0为子模块电容，n为每桥臂子模块数量，udc为当前时刻直流电压，δudc为直流电压变化量；

由于柔性直流输电换流器一端采用功率控制方式、对端采用直流电压控制方式，可认为对端直流电压保持恒定，因此δudc就是直流电缆上的电压变化量，δudc减去直流电缆等效电阻r上的电压，即直流电缆等效电抗上的电压，进而计算得到直流电流单位时间内变化量：

（4）

其中l直流电缆的等效电抗；r为直流电缆的等效电阻；

下一时刻直流电压值和电流值为：

（5）

通过以上公式迭代求解得到不同功率转带速率下的直流电压波形，如图4所示。根据图4波形可得到直流电压超过1.15倍额定电压的保持时间t2。

以上对本发明的目的、技术方案和优点进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。