适应于多端直流系统故障恢复的协调启动控制方法和系统

本发明涉及多端直流系统启动控制技术领域，具体地，涉及一种适应于多端直流系统故障恢复的协调启动控制方法和系统。

背景技术：

不同于现有的传统直流输电工程，基于mmc的多端直流输电系统(multi-terminaldirectcurrent，mtdc)更适合现代电力系统发展新形势的需要。全球多个基于mmc的多端直流输电工程正在不断建设和运行中，mmc-mtdc直流系统也是当今直流输电领域的研究新热点。关于mmc系统的拓扑结构、调制技术、电容均压控制技术以及环流抑制技术还存在许多有待优化的问题。mmc-mtdc系统的启动控制、主从控制、停机控制、冗余控制以及保护控制等方面，还有许多关键问题有待解决。

在多端直流系统的启动过程中，有可能发生多种故障影响系统的启动，故障出现后经过短暂时间可以恢复的故障为暂时性故障，故障出现后经过短暂时间无法恢复的故障为永久性故障。多端直流系统在暂时故障后恢复启动过程一般较为缓慢或直接进入停机放电。若要重新实现启动，则已经损耗大量的能量和延长了启动时间，降低了系统的效率。

专利文献cn104578187b(申请号：cn201510006777.3)公开了一种多端柔性直流输系统级协调控制装置，包括数据采集模块、数据处理模块、控制功能处理模块、通信管理模块和冗余控制模块，数据采集模块负责过程数据采集、状态信号以及电压电流等模拟量采样数据，生成控制功能处理模块需要的输入数据；控制功能处理模块包括有功控制、无功控制、直流电压控制、vf控制等模块，最终生成换流站的电压、有功、无功和频率等参考值信号，通过通信管理模块送到换流站单元控制器，完成系统控制目标。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适应于多端直流系统故障恢复的协调启动控制方法和系统。

根据本发明提供的适应于多端直流系统故障恢复的协调启动控制方法，包括：

步骤1：选定多端直流系统的单端mmc1换流站进行单端预充电，达到预充电目标值的70％；

步骤2：对该单端mmc1换流站进行定直流电压和定无功功率的启动控制，完成mmc1换流站的启动和电容充电至目标值；

步骤3：在单端mmc1换流站启动时，将mmc从换流站并入直流母线；

步骤4：在定有功功率和定无功功率的控制下启动mmc从换流站，实现整个多端直流系统的预充电与启动；

步骤5：在启动过程中出现故障时，对故障类型做出判断，并对控制器进行调节，完成多端直流系统的恢复启动。

优选的，所述步骤3包括：

计算从换流站充电是否超过电压上下限，根据充电的要求以及不可控充电的能力，得到mmc从换流站的子模块电压可行区间上下限，根据可行区间的上限判断协调预充电的方式的可行性；

可行区间的上限包括：本地换流站对远端换流站不可控充电子模块电容的最大电压值、mmc1换流站启动完成后直流母线对从换流站的子模块可充电的最大电压值、mmc1换流站启动过程中从换流站子模块电容充电的最大电压值和从换流站启动完成后的子模块电容电压，对应公式和关系表示为：

式中，uph为交流系统相电压，udcref为直流侧母线电压指定值，uvalid为暂态过程直流侧电压有效值；n表示换流站数量。

优选的，暂态过程直流侧电压表示为：

udc(t)＝a1sin(b1x+c1)+d1+a2sin(b2x+c2)+d2+...+ansin(bnx+cn)+dn………(2)

式中，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2...an、bn、cn、dn为相关正弦函数的系数；

直流侧电压有效值表达式为：

在多端直流系统的单端mmc1换流站启动完成，各个mmc从换流站的子模块充电到uvalid/2n后，对mmc从换流站进行定有功功率和定无功功率的启动控制。

优选的，所述步骤5包括：

在短路故障恢复后，通过电压控制器实现对电压的重新控制，控制器输出量的表达式为：

outcontroller＝kp·δx+ki∫δxdt………(4)

式中，δx为实际值于参考值的插值，kp和ki为pi控制中的比例系数和积分系数；

mmc1换流站控制器变化如下式：

式中，δid1、δiq1为mmc1换流站d、q轴电流变化量，δudc、δq1为mmc1换流站的直流电压及无功功率变化量，δucd1、δucq1为控制器输出控制量的变化量，kp1、ki1、kp2、ki2、kp3、ki3、kp4、ki4为mmc1换流站控制器对应的比例和积分参数。

优选的，mmc从换流站控制器变化如下式：

式中，δid2、δiq2为mmc从换流站d、q轴电流变化量，δp2、δq2为mmc从换流站的有功功率及无功功率变化量，δucd2、δucq2为控制器输出控制量的变化量，kp1'、ki1'、kp2'、ki2'、kp3'、ki3'、kp4'、ki4'为mmc从换流站控制器对应的比例和积分参数。

根据本发明提供的适应于多端直流系统故障恢复的协调启动控制系统，包括：

模块m1：选定多端直流系统的单端mmc1换流站进行单端预充电，达到预充电目标值的70％；

模块m2：对该单端mmc1换流站进行定直流电压和定无功功率的启动控制，完成mmc1换流站的启动和电容充电至目标值；

模块m3：在单端mmc1换流站启动时，将mmc从换流站并入直流母线；

模块m4：在定有功功率和定无功功率的控制下启动mmc从换流站，实现整个多端直流系统的预充电与启动；

模块m5：在启动过程中出现故障时，对故障类型做出判断，并对控制器进行调节，完成多端直流系统的恢复启动。

优选的，所述模块m3包括：

计算从换流站充电是否超过电压上下限，根据充电的要求以及不可控充电的能力，得到mmc从换流站的子模块电压可行区间上下限，根据可行区间的上限判断协调预充电的方式的可行性；

可行区间的上限包括：本地换流站对远端换流站不可控充电子模块电容的最大电压值、mmc1换流站启动完成后直流母线对从换流站的子模块可充电的最大电压值、mmc1换流站启动过程中从换流站子模块电容充电的最大电压值和从换流站启动完成后的子模块电容电压，对应公式和关系表示为：

式中，uph为交流系统相电压，udcref为直流侧母线电压指定值，uvalid为暂态过程直流侧电压有效值；n表示换流站数量。

优选的，暂态过程直流侧电压表示为：

udc(t)＝a1sin(b1x+c1)+d1+a2sin(b2x+c2)+d2+...+ansin(bnx+cn)+dn………(2)

式中，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2...an、bn、cn、dn为相关正弦函数的系数；

直流侧电压有效值表达式为：

在多端直流系统的单端mmc1换流站启动完成，各个mmc从换流站的子模块充电到uvalid/2n后，对mmc从换流站进行定有功功率和定无功功率的启动控制。

优选的，所述模块m5包括：

在短路故障恢复后，通过电压控制器实现对电压的重新控制，控制器输出量的表达式为：

outcontroller＝kp·δx+ki∫δxdt………(4)

式中，δx为实际值于参考值的插值，kp和ki为pi控制中的比例系数和积分系数；

mmc1换流站控制器变化如下式：

式中，δid1、δiq1为mmc1换流站d、q轴电流变化量，δudc、δq1为mmc1换流站的直流电压及无功功率变化量，δucd1、δucq1为控制器输出控制量的变化量，kp1、ki1、kp2、ki2、kp3、ki3、kp4、ki4为mmc1换流站控制器对应的比例和积分参数。

优选的，mmc从换流站控制器变化如下式：

式中，δid2、δiq2为mmc从换流站d、q轴电流变化量，δp2、δq2为mmc从换流站的有功功率及无功功率变化量，δucd2、δucq2为控制器输出控制量的变化量，kp1'、ki1'、kp2'、ki2'、kp3'、ki3'、kp4'、ki4'为mmc从换流站控制器对应的比例和积分参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明实现了主换流站的启动、从换流站的同步预充电以及协调并入直流网络的协调启动控制，极大程度上减小了启动过程中的能量暂态冲击，并改变了原有故障后系统经停机后再启动的能量损失及时间延长。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明系统主从控制器原理图；

图2为本发明系统协调启动流程图；

图3为本发明系统故障恢复启动流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

如图1，根据本发明提供的适应于多端直流系统故障恢复的协调启动控制方法，包括：

步骤s1：选定多端直流系统的一个单端mmc1换流站，进行单端mmc系统独立不可控预充电，使其子模块达到预充电的目标值的70％；

步骤s2：mmc1换流站预充电完成后，对该单端mmc1换流站进行定直流电压和定无功功率的启动控制，完成mmc1换流站的启动和子模块电容充电至目标值；

步骤s3：在单端mmc1换流站开始启动的同时，将其他mmc换流站同时并入直流母线；

步骤s4：mmc从换流站在定有功功率和定无功功率的控制下进行启动，从而实现整个mmc-mtdc系统的预充电与启动；

步骤s5：当启动过程中出现故障时，对故障类型做出判断，并对控制器进行调节，完成mmc-mtdc的恢复启动。

具体地，如图2，多端直流系统协调预充电及启动控制方法包括如下步骤：

(1)在单端mmc1换流站开始启动的同时，将其他mmc换流站同时并入直流母线。mmc1换流站启动过程中会产生较大的电压波动，带来的能量冲击会给其他mmc从换流站充电，这个充电过程会超过交流系统对从换流站的不可控充电能力，提前实现预充电。这种协调预充电方式，从换流站需要计算充电是否超过电压上下限，根据子模块充电的要求以及不可控充电的能力，可得mmc从换流站的子模块电压可行区间上下限，由可行区间的上限判断协调预充电的方式的可行性，分为四种情况表示如下：

a、本地换流站对远端换流站不可控充电子模块电容的最大电压值；

b、mmc1换流站启动完成后直流母线对从换流站的子模块可充电的最大电压值；

c、mmc1换流站启动过程中从换流站子模块电容充电的最大电压值；

d、从换流站启动完成后的子模块电容电压。

四种情况对应公式表示为：

式中，uph为交流系统相电压，udcref为直流侧母线电压指定值，uvalid为暂态过程直流侧电压有效值，n表示换流站数量。

暂态过程直流侧电压表示为：

udc(t)＝a1sin(b1x+c1)+d1+a2sin(b2x+c2)+d2+...+ansin(bnx+cn)+dn………(2)

式中，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2...an、bn、cn、dn为相关正弦函数的系数；

直流侧电压有效值如下式：

(2)在多端直流系统的mmc1换流站启动完成，各个mmc从换流站的子模块充电到uvalid/2n后，对mmc从换流站进行定有功功率和定无功功率的启动控制。

具体地，如图3，mmc-mtdc故障恢复快速启动控制方法包括如下步骤：

各种故障对各个相关控制器的相关控制量影响不同，直流侧线路短路故障造成直流侧电压为0，定直流电压控制器会受到较大的冲击，在短路故障恢复后，再利用定直流电压控制器实现对直流侧电压的重新控制，故障后再启动对子模块电容电压有一定要求，子模块电容电压需要灵敏的保护装置立即动作，以保证子模块电容有一定的电压。根据情况需要对定直流电压控制器以及其他相关控制器进行调整或者清零，实现整个系统的故障后再启动。交流系统故障对系统控制器的无功控制量造成影响，直接影响定无功功率的参考值，实际反映q轴的控制量的变化，会使定无功功率控制器控制量出现越限的情况。

由于控制器中含有多个pi控制器，每个控制器都有不同的参数以及限值，对再启动提出较高要求。

outcontroller＝kp·δx+ki∫δxdt………(4)

式中，outcontroller为控制器输出量，δx为实际值于参考值的插值，kp和ki为pi控制中的比例系数和积分系数。

主换流站mmc1控制器变化如下式：

式中，δid1、δiq1为mmc1换流站d、q轴电流变化量，δudc、δq1为mmc1换流站的直流电压及无功功率变化量，δucd1、δucq1为控制器输出控制量的变化量，kp1、ki1、kp2、ki2、kp3、ki3、kp4、ki4为mmc1换流站控制器对应的比例和积分参数。

从换流站mmc控制器变化如下式：

式中，δid2、δiq2为mmc从换流站d、q轴电流变化量，δp2、δq2为mmc从换流站的有功功率及无功功率变化量，δucd2、δucq2为控制器输出控制量的变化量，kp1'、ki1'、kp2'、ki2'、kp3'、ki3'、kp4'、ki4'为mmc从换流站控制器对应的比例和积分参数。从换流站mmc3控制方式与mmc2相同。

由式(5)和(6)可知，系统故障对控制器的控制量影响很大，一个控制量会造成整个系统的控制量越限，实际系统运行中，经过不同控制器的作用内部的多个pi控制器在稳定运行后，控制器输出量会稳定在一个数值，并在限值范围内。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。