[发明专利]兼顾有功平衡的混合双馈入直流连续换相失败控制方法

权利要求书

1.兼顾电网有功平衡的混合双馈入直流输电系统连续换相失败控制方法，其特征在于，首先建立LCC-HVDC逆变站关断角、LCC-HVDC直流电流和VSC-HVDC输出无功功率的关联模型；再结合直流输电系统运行约束条件，得到混合双馈入直流输电系统换相失败可控域；然后以故障前后混合双馈入直流输电系统有功传输变化量最小为目标，以换相失败可控域为约束，通过优化控制模型求解分别得到换相失败可控域中LCC-HVDC直流电流和VSC-HVDC无功功率的最优控制定值；当检测到受端电网故障造成换流站母线电压跌落时，快速将LCC-HVDC低压限流控制和VSC-HVDC逆变站无功功率控制的定值改为最优控制定值，即实现在抑制换相失败的同时最大程度地降低直流传输功率的变化；

具体步骤如下，

步骤1：建立LCC-HVDC逆变站关断角、LCC-HVDC直流电流和VSC-HVDC输出无功功率的关联模型；

在一定电压跌落和关断角条件γ^*下，LCC-HVDC直流电流I_dLf和VSC-HVDC逆变站输出无功功率Q_Vf应满足的关系函数Γ(I_dLf,Q_Vf,γ^*)为：

其中，

式中：I_dLf为LCC-HVDC直流电流；Q_Vf为VSC-HVDC逆变站输出无功功率；U_jf为母线j处故障期间线电压；k为换流变压器变比；γ^*为LCC-HVDC逆变站关断角控制目标值；β′为考虑换相失败预测控制的触发超前角；X_c为归算到换流变压器阀侧的等值换相电抗；N为逆变站每极中6脉动换流器数；B_c为站内交流滤波器和无功补偿电容的等效电纳；为直流系统逆变侧等效功率因数角；X_L为换流母线i与故障母线j间的等值电抗；

步骤2：建立受端电网故障下LCC-HVDC和VSC-HVDC系统控制量运行约束；

1)为了抑制换相失败，γ^*应大于等于临界关断角γ_lim并小于额定关断角γ_rated，即：

γ_lim≤γ^*≤γ_rated

2)LCC-HVDC直流电流极限

LCC-HVDC直流电流应大于等于最小直流电流限值I_dLmin并小于等于直流过负荷电流I_dLmax，即

I_dLmin≤I_dLf≤I_dLmax

3)VSC-HVDC逆变站无功极限

电网电压跌落条件下VSC-HVDC逆变站的最大无功极限Q_limV由下式计算得到：

式中，i_limV为VSC-HVDC控制器限流幅值；Q_L为LCC-HVDC与受端交流电网交换的无功功率；

步骤3：建立混合双馈入直流输电系统连续换相失败可控域；

根据步骤1得到的LCC-HVDC直流电流和VSC-HVDC输出无功功率的关系函数，并结合步骤2直流系统运行约束得到连续换相失败可控域，如下式所示，

以上建立的换相失败可控域Φ_H表示在交流电网电压跌落下通过LCC-HVDC直流电流与VSC-HVDC无功功率的协调控制能够实现抑制LCC-HVDC连续换相失败的可行范围；

步骤4：建立优化控制模型并求解实施控制；

以混合双馈入直流输电系统有功功率变化量最小为优化目标函数，以混合双馈入直流输电系统换相失败可控域为约束建立的优化控制模型如下：

式中：P_sn和P_sf分别为混合双馈入直流输电系统额定传输有功功率和故障稳态传输有功功率；U_if为换流母线处故障期间电压；U_imin和U_imax分别为换流母线的允许上限电压和允许下限电压；其中，故障稳态下传输有功功率P_sf为：

γ指LCC-HVDC逆变站关断角；对所述优化控制模型进行求解得到换相失败可控域中的最优控制运行点I_dLf,ref和Q_Vf,ref；当检测到受端电网故障造成换流站母线电压跌落时，快速将LCC-HVDC低压限流控制和VSC-HVDC逆变站无功功率控制的定值调整为I_dLf,ref和Q_Vf,ref，即实现在抑制换相失败的同时最大程度地降低直流传输功率的变化。

2.根据权利要求1所述的兼顾电网有功平衡的混合双馈入直流输电系统连续换相失败控制方法，其特征在于：步骤1中LCC-HVDC直流电流I_dLf和VSC-HVDC逆变站输出无功功率Q_Vf应满足的关系函数Γ(I_dLf,Q_Vf,γ^*)推导过程如下，

LCC-HVDC逆变站关断角γ表达式为：

式中，U_i为逆变站换流母线处的线电压；I_dL为LCC-HVDC直流电流；k为换流变压器变比；X_c为归算到换流变压器阀侧的等值换相电抗；β为逆变站触发超前角；

受端电网故障下混合双馈入直流输电系统向受端电网输出总有功功率P_sf和无功功率Q_sf，由于高压交流输电线路中电抗远大于电阻，因此忽略电阻，根据潮流计算得到换流母线i处电压为：

式中：U_jf为电网故障条件下母线j处电压；

考虑到交流系统无功功率对母线电压影响远大于有功功率，故忽略式(2)中有功功率对交流电压的影响；将式(2)代入式(1)，考虑交流电压跌落后逆变站换相失败预测模块会输出一定补偿角度以降低触发角，当逆变侧交流系统发生短路故障时，关断角γ、LCC-HVDC直流电流I_dLf和注入交流电网总无功功率Q_sf之间的关系式为：

式中，β′为考虑换相失败预测控制的触发超前角；

LCC-HVDC与受端交流电网交换的无功功率表示为：

式中，Q_cLf和Q_dLf分别为LCC-HVDC站内无功补偿量和逆变站无功消耗，N为逆变站每极中6脉动换流器数；B_c为站内交流滤波器和无功补偿电容的等效电纳；当Q_Lf为负时，表示LCC-HVDC从受端交流系统吸收无功功率；当Q_Lf为正时，表示LCC-HVDC向受端交流系统输出无功功率；

式(3)中的Q_sf包含VSC-HVDC输出功率Q_Vf和LCC-HVDC与受端交流电网交换无功功率Q_Lf两部分，结合式(4)并化简即得在一定电压跌落和关断角条件γ^*下，LCC-HVDC直流电流I_dLf和VSC-HVDC逆变站输出无功功率Q_Vf应满足的关系函数Γ(I_dLf,Q_Vf,γ^*)：

其中，