一种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法
【专利摘要】本发明提供一种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法。在整流站LCC采用定直流电流控制，一个逆变站MMC选用定直流电压的控制，其余逆变站MMC选用定直流电流控制的基本控制策略上，为整流站LCC配置最高直压控制；为选用定直流电流控制的各逆变站MMC配置低压限流控制。本发明的有益效果是：对于混合直流输电系统任意一端换流站的交流侧故障，整流站和各逆变站各自采取相应的动作(分散控制)来协调各站间的功率分配，并控制直流电压电流稳定，无直压过压、低压过调制风险。本发明处理交流故障无需快速站间通信，控制器结构简单、参数整定方便，方便用于工程实践。
【专利说明】
一种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于电网换相换流器LCC和模块化多电平电压源换流器MMC的混 合直流输电系统，属于高压输电技术领域。
【背景技术】
[0002] 基于电网换相换流器(LCC:Line Commutated Converter)的传统直流输电技术具 有技术成熟、成本低、过负荷能量强等优点，但也存在换相失败、谐波含量大、需无功补偿等 问题;基于模块化多电平电压源换流器(MMC:Modular Multi-level Converter)的柔性直 流输电技术，能够独立调节有功无功功率，具有优越的可控性和灵活性，是解决受端电网薄 弱、无源电网受电的有效途径，然而柔性直流技术成本高、损耗大、控制复杂。多端直流输电 系统是指在同一直流网架下，含有两个以上换流站的直流输电系统。其显著的特点是能够 实现多电源供电多落点受电，作为一种更灵活、快捷的输电方式，在新能源并网、构筑城市 直流配电网等领域具有广阔的应用前景。
[0003] -种混合多端直流输电系统拓扑结构，其包括一个12脉动整流站LCC和两个及以 上逆变站MMC，因柔性直流具有响应速度快，控制精度高等优势，通常选用一个逆变站MMC定 直流电压控制，12脉动整流站LCC和其余逆变站MMC选用定直流电流控制。对于上述混合多 端直流输电系统的控制策略，其控制系统存在如下技术问题：当12脉动整流站LCC的交流系 统发生故障，且整流站LCC的整流能力小于所有逆变站MMC传输功率和时，直流电压会持续 下降，过低的直流电压会导致柔性直流系统过调制，控制效果变差，向交流系统输送谐波； 当选用定直流电压逆变站MMC的交流系统发生故障，且逆变站MMC1的输送功率能力被严重 限制时，直流电压将会持续上升，造成柔性直流存在模块电容过压击穿的风险。
[0004] 因此本发明提出了一种混合多端直流输电系统在交流侧故障的控制方法，混合直 流系统中任意换流站侧的交流系统出现暂时性交流故障时，混合多端直流输电系统采用本 发明的技术方案既没有过压击穿危险，也不会因为直流电压过低而过调制甚至崩溃，能够 平稳完成故障穿越，并能够在故障后迅速恢复到故障前状态。本方法采用就地控制手段，无 需快速通讯，能够有效保障控制的可靠性并且造价低。
【发明内容】
[0005] 本申请的目的是提供一种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，以便 使混合多端直流输电系统能够平稳完成交流故障穿越，确保多端混合直流系统无直压过 压、低压过调制风险。
[0006] 本发明具体采用以下技术方案：
[0007] -种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，所述混合多端直流输电系 统包括多端换流站，即一个整流站LCC和至少两个逆变站MMC，所述整流站LCC用于将交流侧 电能整流为直流电能并将其传送到直流传输线，所述逆变站MMC用于将所述的直流线路的 电能逆变为交流电能并注入各自对应的交流电网；其特征在于：
[0008] 在整流站LCC采用定直流电流控制，一个逆变站MMC选用定直流电压控制，其余逆 变站MMC选用定直流电流控制的基本控制策略上，为整流站LCC配置最高直压控制，设置最 高直压控制的直流电压参考值，为选用定直流电流控制的各逆变站MMC配置低压限流控制， 设置低压限流控制参数。
[0009] 本发明的交流侧故障穿越控制方法包括以下步骤：
[0010] 步骤1:在整流站LCC采用定直流电流控制，一个逆变站丽C选用定直流电压控制， 其余逆变站MMC选用定直流电流控制的基本控制策略上，为整流站LCC配置最高直压控制， 为选用定直流电流控制的各逆变站MMC配置低压限流控制；
[0011]步骤2:设置整流站LCC最高直压控制的直流电压参考值；
[0012] 步骤3:设置定直流电流控制的逆变站MMC的低压限流控制参数:直流电压在正常 运行范围时，直流电流参考值保持不变，直流电压低于预设的正常运行范围且高于最低直 流电压时，直流电流参考值与直流电压呈线性关系，直流电压等于或低于最低直流电压时， 直流电流参考值为〇;
[0013] 步骤4:混合多端直流输电系统正常运行，整流站LCC发生交流侧故障，进入步骤5; 选用定直流电压控制的逆变站MMC发生交流侧故障，进入步骤6;选用定直流电流控制的逆 变站MMC发生交流侧故障，进入步骤7:
[0014] 步骤5:在整流侧交流故障时，混合多端直流输电系统通过整流站LCC定直流电流 控制减小整流站LCC的触发角、选用定直流电压控制逆变站MMC的定直流电压控制减小选用 定直流电压控制逆变站MMC的逆变功率，以及选用定直流电流控制的逆变站MMC将根据低压 限流控制参数减小定直流电流控制的直流电流参考值，稳定直流电压，然后进入步骤8;
[0015] 步骤6:在选用定直流电压控制的逆变站MMC发生轻微交流故障时，混合多端直流 输电系统通过定直流电压控制逆变站MMC的定直流电压控制以及整流站LCC的最高直压控 制增大整流站LCC定直流电流控制的触发角最小限幅来稳定直流电压，然后进入步骤8;
[0016] 步骤7:在其余选用定直流电流控制的逆变站MMC交流侧发生交流故障时，混合多 端直流输电系统通过选用定直流电流控制的逆变站MMC的定直流电流控制以及选用定直流 电压控制的逆变站MMC的定直流电压控制来稳定直流电压，然后进入步骤8;
[0017] 步骤8:当整流侧或逆变侧交流故障被清除后，各换流站将恢复原正常运行控制策 略，即整流站LCC采用定直流电流控制、一个逆变站MMC采用定直流电压控制，其余逆变站 MMC采用定直流电流控制，混合多端直流输电系统正常稳定运行。
[0018] 本发明优选包括以下方案
[0019] 在步骤5中，包括以下具体内容：
[0020] (1)混合多端直流输电系统首先通过整流站LCC定直流电流控制、选用定直流电压 控制逆变站MMC的定直流电压控制，减小整流站LCC的触发角以及减小选用定直流电压控制 逆变站MMC的逆变功率，维持混合多端直流输电系统的直流电压在预设参考值，否则进入 (2)；
[0021] (2)混合多端直流输电系统的直流电压低于正常运行直流电压范围时，选用定直 流电流控制的逆变站MMC将根据低压限流控制参数减小定直流电流控制的直流电流参考 值，减小直流电流，维持直流电压在预设的最低值。
[0022]在步骤6中，包括以下具体内容：
[0023] (1)混合多端直流输电系统首先通过定直流电压控制逆变站MMC通过定直流电压 控制，维持混合多端直流输电系统的直流电压在预设参考值，否则进入(2);
[0024] (2)当混合多端直流输电系统的直流电压高于正常运行直流电压范围时，整流站 LCC的最高直压控制将增大整流站LCC定直流电流控制的触发角最小限幅，维持直流电压在 预设的最高值。
[0025] 本发明具有以下有益的技术效果：
[0026] 在任意换流站侧的交流系统出现暂时性交流故障时，混合多端直流输电系统采用 本发明的技术方案既没有过压击穿危险，也不会因为直流电压过低而过调制甚至崩溃，能 够平稳完成故障穿越，并能够在故障后迅速恢复到故障前状态。本方法采用就地控制手段， 无需快速通讯，能够有效保障控制的可靠性并且造价低。
【附图说明】
[0027] 图1是基于LCC和MMC的混合多端直流系统拓扑图；
[0028] 图2是本发明公开的混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法流程图；图3 是整流站LCC的控制框图；
[0029] 图4是选用定直流电流控制的逆变站MMC的控制框图；
[0030] 图5是整流站LCC外特性曲线图；
[0031] 图6是逆变站MMC1外特性曲线图；
[0032] 图7是逆变站MMC2外特性曲线图；
[0033] 图8是整流站LCC交流侧故障时外特性曲线图；
[0034] 图9是逆变站MMC1交流侧故障时外特性曲线图；
[0035]图10是逆变站MMC2交流侧故障时外特性曲线图。
【具体实施方式】：
[0036] 下面结合说明书附图和具体实施例对本申请的技术方案做进一步详细介绍。
[0037] 本发明公开了一种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，所述混合多 端直流输电系统如附图1所示，包括多端换流站，即一个整流站LCC和至少两个逆变站MMC， 所述整流站LCC用于将交流侧电能整流为直流电能并将其传送到直流传输线，所述逆变站 MMC用于将所述的直流线路的电能逆变为交流电能并注入各自对应的交流电网。
[0038] 在整流站LCC采用定直流电流控制，一个逆变站MMC选用定直流电压控制，其余逆 变站MMC选用定直流电流控制的基本控制策略上，为整流站LCC配置最高直压控制，设置最 高直压控制的直流电压参考值，当整流站LCC配置的最高直压控制在直流电压高于预设的 正常运行电压范围时，增大整流站LCC定直流电流控制的触发角最小限幅，维持直流电压在 预设的最高值。
[0039] 为选用定直流电流控制的各逆变站MMC配置低压限流控制，设置低压限流控制参 数:确定定直流电流控制的逆变站MMC直流电流目标值与直流电压的对应关系;定直流电流 控制的逆变站MMC的低压限流控制在直流电压低于预设的正常运行电压范围时，减小选用 定直流电流控制的逆变站MMC的直流电流参考值，维持直流电压在预设的最低值。
[0040] 整流站LCC实时根据直流电压判断是否增大整流站LCC定直流电流控制的触发角 最小限幅，定直流电流控制的逆变站MMC实时根据直流电压判断是否减小直流电流参考值。 [0041 ]为详细介绍本申请混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法的技术方案， 本申请以图1所示拓扑结构为实施例，其中，换流站LCC是整流站，L1、L12是直流线路平波电 抗器，T1、T12是其换流变压器，UF是交流侧滤波器，AC1是本站所接入的交流系统;MMC1、 MMC2是逆变站，L2、L3是桥臂电抗器，Τ2、Τ3是换流变压器，AC2、AC3是其接入的交流系统。
[0042] 本申请的技术方案控制流程如附图2所示，包括以下步骤：
[0043] 步骤1:在整流站LCC采用定直流电流控制，一个逆变站MMC选用定直流电压控制， 其余逆变站MMC选用定直流电流控制的基本控制策略上，为整流站LCC配置最高直压控制， 为选用定直流电流控制的各逆变站MMC配置低压限流控制。整流站LCC最高直压控制的输入 为最高直压参考值(Vdc^rrf)以及当前直流电压(Vd。），最高直压控制的输出为整流站LCC定直 流电流控制的触发角最小限幅(a min)。同时为保证换流阀中串联晶闸管导通的同时性，最高 直压控制的输出（触发角最小限幅α_)不能低于最小触发角(a__ rrf)。整流站LCC的控制框 图见图3。图3中Ιι+Μ表示整流站LCC定直流电流控制的直流电流参考，Id。表示整流站LCC直 流电流，α表示触发角。定直流电流控制的逆变站MMC的低压限流控制，输入为原始直流电流 指令（Idc^ref)以及当前直流电压（Vd。），输出为定电流控制输入的最终直流电流指令 (Id^f*)。定直流电流控制的逆变站MMC的控制框图见图4。图4中Id。表示定直流电流控制的 逆变站MMC的直流电流，Idrrf表示定直流电流控制的输出到内环的D轴电流参考。按上述控 制方式设定的各换流站的外特性依次如图5、图6及图7所示。图中，纵轴Udc表示直流电压， 横轴Idc表示直流电流，Udc_nor表示正常运行时的标准直流电压，Udc_min表示正常运行时 的最低直流电压，I_LCC_max表示整流站LCC的直流电流最大值，I_Ml_max表示定直流电压 的逆变站MMC的直流电流最大值，I_M2_max表示定直流电流的逆变站匪C的直流电流最大 值。
[0044] 步骤2:设计整流站LCC最高直压控制的直流电压参考值，需考虑混合多端直流输 电系统的直流耐压及绝缘能力。最高直压控制的直流电压参考值通常取值预设正常运行时 的直流电压上限。例如，选取最高直压控制的直流电压参考值为1.05倍的额定直流电压。
[0045] 步骤3:设计定直流电流逆变站MMC的低压限流控制参数。根据混合直流输电系统 的数学模型与运行特性，逆变站MMC定直流电流控制的直流电流目标值应与直流电压呈线 性关系。考虑一定裕度的电压波动，及混合直流输电系统的最低直流电压限制后，确定定直 流电流控制的逆变站MMC直流电流目标值与直流电压的对应关系，即逆变站MMC的低压限流 控制参数设置。
[0046] 举例说明：假设现有混合多端直流输电系统，其正常运行时直流电压波动范围为 0.95p.u.至1.05p.u.，根据设计要求，保证逆变站MMC不过调制的最低直流电压为0.7p.u.。 则设计低压限流控制为：
[0047]
[0048] 上式中K为低压限流控制参数。
[0049] 步骤4:混合多端直流输电系统正常运行，整流站LCC发生交流侧故障，进入步骤5; 选用定直流电压控制的逆变站MMC发生交流侧故障，进入步骤6;选用定直流电流控制的逆 变站MMC发生交流侧故障，进入步骤7:
[0050] 步骤5:在整流站LCC交流故障时，
[00511 (1)混合多端直流输电系统首先通过整流站LCC定直流电流控制、选用定直流电压 控制逆变站MMC的定直流电压控制，减小整流站LCC的触发角以及减小选用定直流电压控制 逆变站MMC的逆变功率，确保混合多端直流输电系统的直流电压维持恒定。整流站LCC的触 发角将减小，但受交流电压及最小触发角限制，整流站LCC的直流电压和直流电流都会有所 下降。如图8所示，LCC稳定运行点将由A点向G点移动;选用定直流电压控制逆变站匪C的定 直流电压控制将减小逆变功率确保逆变站MMC的直流电压维持恒定，定直流电压控制的逆 变站MMC直流电流也会减小。如图9所示，定直流电压控制的逆变站MMC稳定运行点将由C点 向D点移动。否则进入(2)
[0052] (2)在混合多端直流输电系统的直流电压低于正常运行直流电压范围时，定直流 电压控制的逆变站MMC失去对直流电压的控制能力，如图9所示，定直流电压控制的逆变站 MMC稳定运行点将由D点向Do点移动。选用定直流电流控制的逆变站MMC将根据低压限流控 制参数减小定直流电流控制的直流电流参考值，通过减小直流电流将直流电压维持在预设 的最低值。定直流电流控制的逆变站MMC的直流电流会下降，如图10所示，定直流电流控制 的逆变站MMC的稳定运行点将由E点向F点移动。然后进入步骤8。
[0053] 步骤6:当选用定直流电压控制的逆变站MMC发生交流故障时，
[0054] (1)首先通过选用定直流电压控制的逆变站MMC的定直流电压控制，维持直流电压 恒定，各站稳定运行点将保持不变;否则进入(2)
[0055] (2)当混合多端直流输电系统的直流电压高于正常运行直流电压范围时，定直流 电压控制的逆变站MMC受其交流电压低影响，直流电流将减小，如图9所示，定直流电压控制 的逆变站匪C的稳定运行点将由C点向Η点移动。整流站LCC的最高直压控制将增大整流站 LCC定直流电流控制的触发角最小限幅，使直流电压维持在预设的最高值。受直流电压升高 影响，整流站LCC的直流电流将减小，如图8所示，LCC稳定运行点由Α向Μ。定直流电流控制的 逆变站MMC能够保持本站直流电流不变，但本站直流电压将会随其他站上升，如图10所示， 定直流电流控制的逆变站MMC稳定运行点由E向I移动。移动然后进入步骤8。
[0056] 步骤7:当其余选用定直流电流控制的逆变站MMC交流侧发生交流故障时，则选用 定直流电流控制的逆变站MMC将通过定直流电流控制，选用定直流电压控制的逆变站MMC通 过定直流电压控制，确保混合多端直流输电系统的直流电压维持恒定。定直流电流控制的 逆变站MMC受其交流电压低影响，直流电流将会下降，如图10所示，稳定运行点由E向K移动。 定直流电压控制的逆变站MMC通过定直流电压控制，增大逆变功率，直流电流将增大，如图9 所示，稳定运行点将稳定运行点由C点向J点移动。然后进入步骤8。
[0057] 步骤8:当整流站或逆变站交流故障被清除后，各换流站将恢复原正常运行控制， 即混合多端直流输电系统将在整流站LCC采用定直流电流控制、一个逆变站MMC采用定直流 电压控制，其余逆变站MMC采用定直流电流控制，混合多端直流输电系统在整流站和逆变站 控制的共同作用下恢复到标准运行状态。
[0058] 以上是本发明对实施例的详细说明，尽管是针对上述特定的实施例，应当明白在 不脱离上述权利要求限定的本公开范围内可以进行各种改变和修改。
【主权项】
1. 一种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，所述混合多端直流输电系统 包括多端换流站，即一个整流站LCC和至少两个逆变站MMC，所述整流站LCC用于将交流侧电 能整流为直流电能并将其传送到直流传输线，所述逆变站MMC用于将所述的直流线路的电 能逆变为交流电能并注入各自对应的交流电网；其特征在于： 在整流站LCC采用定直流电流控制，一个逆变站MMC选用定直流电压控制，其余逆变站 MMC选用定直流电流控制的基本控制策略上，为整流站LCC配置最高直压控制，设置最高直 压控制的直流电压参考值，为选用定直流电流控制的各逆变站MMC配置低压限流控制，设置 低压限流控制参数。2. 根据权利要求1所述的混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，其特征在 于： 设置最高直压控制的直流电压参考值，整流站LCC配置的最高直压控制在直流电压高 于预设的正常运行电压范围时，增大整流站LCC定直流电流控制的触发角最小限幅，维持直 流电压在预设的最高值。3. 根据权利要求1所述的混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，其特征在 于： 确定定直流电流控制的逆变站MMC直流电流目标值与直流电压的对应关系，即设置逆 变站MMC的低压限流控制参数;定直流电流控制的逆变站MMC的低压限流控制在直流电压低 于预设的正常运行电压范围时，减小选用定直流电流控制的逆变站MMC的直流电流参考值， 维持直流电压在预设的最低值。4. 根据权利要求1所述的混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，其特征是： 整流站LCC实时根据直流电压判断是否增大整流站LCC定直流电流控制的触发角最小 限幅，定直流电流控制的逆变站MMC实时根据直流电压判断是否减小直流电流参考值。5. -种混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，所述混合多端直流输电系统 包括多端换流站，即一个整流站LCC和至少两个逆变站MMC，所述整流站LCC用于将交流侧电 能整流为直流电能并将其传送到直流传输线，所述逆变站MMC用于将所述的直流线路的电 能逆变为交流电能并注入各自对应的交流电网；其特征在于，所述交流侧故障穿越控制方 法包括以下步骤： 步骤1:在整流站LCC采用定直流电流控制，一个逆变站MMC选用定直流电压控制，其余 逆变站MMC选用定直流电流控制的基本控制策略上，为整流站LCC配置最高直压控制，为选 用定直流电流控制的各逆变站MMC配置低压限流控制； 步骤2:设置整流站LCC最高直压控制的直流电压参考值； 步骤3:设置定直流电流控制的逆变站MMC的低压限流控制参数:直流电压在正常运行 范围时，直流电流参考值保持不变，直流电压低于预设的正常运行范围且高于最低直流电 压时，直流电流参考值与直流电压呈线性关系，直流电压等于或低于最低直流电压时，直流 电流参考值为〇; 步骤4:混合多端直流输电系统正常运行，整流站LCC发生交流侧故障，进入步骤5;选用 定直流电压控制的逆变站MMC发生交流侧故障，进入步骤6;选用定直流电流控制的逆变站 MMC发生交流侧故障，进入步骤7: 步骤5:在整流侧交流故障时，混合多端直流输电系统通过整流站LCC定直流电流控制 减小整流站LCC的触发角、选用定直流电压控制逆变站MMC的定直流电压控制减小选用定直 流电压控制逆变站MMC的逆变功率，以及选用定直流电流控制的逆变站MMC将根据低压限流 控制参数减小定直流电流控制的直流电流参考值，稳定直流电压，然后进入步骤8; 步骤6:在选用定直流电压控制的逆变站MMC发生轻微交流故障时，混合多端直流输电 系统通过定直流电压控制逆变站MMC的定直流电压控制以及整流站LCC的最高直压控制增 大整流站LCC定直流电流控制的触发角最小限幅来稳定直流电压，然后进入步骤8; 步骤7:在其余选用定直流电流控制的逆变站MMC交流侧发生交流故障时，混合多端直 流输电系统通过选用定直流电流控制的逆变站MMC的定直流电流控制以及选用定直流电压 控制的逆变站MMC的定直流电压控制来稳定直流电压，然后进入步骤8; 步骤8:当整流侧或逆变侧交流故障被清除后，各换流站将恢复原正常运行控制策略， 即整流站LCC采用定直流电流控制、一个逆变站MMC采用定直流电压控制，其余逆变站MMC采 用定直流电流控制，混合多端直流输电系统正常稳定运行。6. 根据权利要求5所述的混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，其特征在 于： 在步骤5中，包括以下具体内容： (1) 混合多端直流输电系统首先通过整流站LCC定直流电流控制、选用定直流电压控制 逆变站MMC的定直流电压控制，减小整流站LCC的触发角以及减小选用定直流电压控制逆变 站MMC的逆变功率，维持混合多端直流输电系统的直流电压在预设参考值;否则进入(2); (2) 混合多端直流输电系统的直流电压低于正常运行直流电压范围时，选用定直流电 流控制的逆变站MMC将根据低压限流控制参数减小定直流电流控制的直流电流参考值，减 小直流电流，维持直流电压在预设的最低值。7. 根据权利要求5所述的混合多端直流输电系统交流侧故障穿越控制方法，其特征在 于： 在步骤6中，包括以下具体内容： (1) 混合多端直流输电系统首先通过定直流电压控制逆变站MMC通过定直流电压控制， 维持混合多端直流输电系统的直流电压在预设参考值;否则进入(2); (2) 混合多端直流输电系统的直流电压高于正常运行直流电压范围时，整流站LCC的最 高直压控制将增大整流站LCC定直流电流控制的触发角最小限幅，维持直流电压在预设的 最高值。
【文档编号】H02J3/36GK105896585SQ201610273958
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】洪潮, 熊卿, 刘斌, 孙刚, 时伯年, 梅红明, 刘志超
【申请人】南方电网科学研究院有限责任公司, 北京四方继保自动化股份有限公司