本發(fā)明涉及柔性直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)領(lǐng)域的控制器及控制方法，具體涉及一種用于電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行的柔性環(huán)網(wǎng)控制器及控制方法。

背景技術(shù)：

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，城市電網(wǎng)傳輸?shù)墓β恃杆僭鲩L，城市電網(wǎng)必須增建更高電壓等級(jí)的送電線路。在此過程中，我國電網(wǎng)有兩個(gè)典型特點(diǎn)：一是電網(wǎng)發(fā)展速度較快，短路電流超標(biāo)問題突出；二是存在大量電磁環(huán)網(wǎng)，送電能力受限。

電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級(jí)的線路通過線路兩端變壓器的電磁回路連接而成的并聯(lián)環(huán)路。其示意圖如圖1所示。線路L1運(yùn)行電壓U1大于線路L2運(yùn)行電壓U2，T1、T2是線路兩端的變壓器，線路L1、L2經(jīng)過變壓器T1、T2的磁回路聯(lián)系形成電磁環(huán)網(wǎng)。

在高一級(jí)電壓電網(wǎng)發(fā)展的初期，高低壓電磁環(huán)網(wǎng)所通過的潮流不大，它的存在可提高電網(wǎng)供電可靠性、靈活性。一般而言，只要不影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和不受短路容量限制，可以維持電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。但隨著高一級(jí)電壓電網(wǎng)的發(fā)展，傳輸負(fù)荷不斷增大，電磁環(huán)網(wǎng)成為電力系統(tǒng)嚴(yán)重的事故隱患，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來很多問題。

為了消除環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的常規(guī)辦法是將其解環(huán)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行。由于電網(wǎng)發(fā)展的復(fù)雜性和多樣性，已有電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后電網(wǎng)運(yùn)行方式將發(fā)生較大改變，電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)新的特點(diǎn)，解環(huán)前需要綜合考慮多種因素，比如：何時(shí)解環(huán)、在何處解環(huán)、如何分區(qū)等問題。針對(duì)以上問題必須進(jìn)行潮流、穩(wěn)定、短路等多方面的計(jì)算分析，同時(shí)還要考慮對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生的影響等問題，綜合利弊作出決策。常規(guī)的解環(huán)方法雖然可解決環(huán)網(wǎng)運(yùn)行帶來的短路電流超標(biāo)、穩(wěn)定性降低等問題，但是也會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。

柔性直流輸電技術(shù)主要應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)、城市供電、電網(wǎng)互聯(lián)、海上平臺(tái)供電等領(lǐng)域，在交流電網(wǎng)解環(huán)方面尚無應(yīng)用。而柔性直流輸電技術(shù)能夠靈活地控制有功無功傳輸，具有不會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)的短路電流水平產(chǎn)生影響、隔絕交流系統(tǒng)故障等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，柔性直流可以迅速隔離電網(wǎng)，避免事故影響擴(kuò)大，而且可以提高系統(tǒng)阻尼，抑制弱交流互聯(lián)可能帶來的低頻振蕩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種用于電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行的柔性環(huán)網(wǎng)控制器及控制方法，本發(fā)明在交直流故障下具有很好的響應(yīng)特性，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，占地和設(shè)備投資較小，兼顧了技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性要求。

本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種用于電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行的柔性環(huán)網(wǎng)控制器，其改進(jìn)之處在于，所述柔性環(huán)網(wǎng)控制器由兩個(gè)對(duì)稱單極模塊化多電平換流器背靠背連接，其中一側(cè)模塊化多電平換流器經(jīng)過聯(lián)接變壓器接入交流系統(tǒng)，另一側(cè)換流器直接接入交流系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，對(duì)于無變壓器側(cè)換流器，由三相六橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂由子模塊串聯(lián)構(gòu)成，設(shè)換流器橋臂子模塊數(shù)量為N，則其中有N/2個(gè)子模塊為全橋結(jié)構(gòu)，構(gòu)成全橋子模塊閥段；另外N/2個(gè)子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，構(gòu)成半橋子模塊閥段；所述半橋子模塊閥段和全橋子模塊閥段構(gòu)成混合子模塊橋臂。

進(jìn)一步地，對(duì)于有變壓器側(cè)換流器，由三相六橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂均由半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)橋臂半橋子模塊數(shù)量為N。

進(jìn)一步地，所述柔性環(huán)網(wǎng)控制器利用性環(huán)網(wǎng)控制器所連接的交流電力系統(tǒng)接地作為換流器運(yùn)行的參考地電位。

本發(fā)明提供一種用于電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行的柔性環(huán)網(wǎng)控制器的控制方法，其改進(jìn)之處在于，所述控制方法包括：無變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的控制方式和有變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的控制方式。

進(jìn)一步地，柔性環(huán)網(wǎng)控制器正常運(yùn)行情況下，設(shè)A、B、C相中的一相為i相，其上下橋臂的輸出電壓分別為：

式中，u_c為柔性環(huán)網(wǎng)控制器交流側(cè)輸出電壓，U_dc為柔性環(huán)網(wǎng)控制器直流側(cè)電壓，u_i1和u_i2分別為上下橋臂輸出電壓；

無變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的控制方式包括：無變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，非故障相電壓上升至額定電壓的1.4倍，為1.4U_cm，此時(shí)若橋臂子模塊均為半橋結(jié)構(gòu)，則橋臂輸出電壓u_i1和u_i2的峰值將超出直流電壓上限，谷值將出現(xiàn)負(fù)值，其輸出交流電壓畸變將引起電流畸變，此時(shí)暫時(shí)性的降低直流電壓為U_dc’/2，使u_i1＝U_dc’/2-U_cm和u_i2＝U_dc’/2+U_cm 下降到橋臂輸出能力范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)交流電壓的無畸變輸出；U_cm是指柔性環(huán)網(wǎng)控制器交流側(cè)輸出電壓的峰值；U_dc’表示直流電壓比U_dc小，是實(shí)現(xiàn)交流電壓無畸變輸出時(shí)的最大直流電壓。

進(jìn)一步地，有變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的控制方式包括：有變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，由于聯(lián)接變壓器具備隔離零序的作用，交流電流可控，通過柔性環(huán)網(wǎng)控制器的故障穿越控制策略實(shí)現(xiàn)換流器的持續(xù)運(yùn)行，所述故障穿越控制策略是指當(dāng)環(huán)網(wǎng)控制器所連接的交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過柔性環(huán)網(wǎng)控制器的控制系統(tǒng)的相應(yīng)控制策略的作用，使得柔性環(huán)網(wǎng)控制器能夠穿越故障從而持續(xù)運(yùn)行。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是：

1)采用一側(cè)通過聯(lián)接變壓器接入交流系統(tǒng)，另一側(cè)直接接入交流系統(tǒng)的方式，結(jié)構(gòu)緊湊，兼顧了柔性環(huán)網(wǎng)控制器的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性；

2)利用系統(tǒng)接地作為環(huán)網(wǎng)控制器的參考地電位，省去了專用接地裝置，避免了專用接地裝置難以實(shí)現(xiàn)的問題。

3)直流故障時(shí)，本發(fā)明所提環(huán)網(wǎng)控制器拓?fù)渚哂泄收锨宄芰?，無需交流斷路器參與，故障恢復(fù)快。

4)本發(fā)明采用背靠背柔性直流輸電技術(shù)即柔性環(huán)網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)城市電磁環(huán)網(wǎng)解列、潮流控制、無功功率調(diào)節(jié)、短路電流抑制等功能，在不增加電網(wǎng)短路電流水平、不降低電網(wǎng)穩(wěn)定性的同時(shí)，增加電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性、可靠性，實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)軟分區(qū)運(yùn)行。

附圖說明

圖1是電磁環(huán)網(wǎng)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的柔性環(huán)網(wǎng)控制器拓?fù)?單相示意圖)；

圖3是本發(fā)明提供的混合子模塊橋臂接線示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的換流器正常運(yùn)行時(shí)上下橋臂輸出電壓及交流輸出電壓波形圖；

圖5是本發(fā)明提供的半橋子模塊橋臂換流器在單相接地故障時(shí)的響應(yīng)波形圖；

圖6是本發(fā)明提供的混合子模塊橋臂換流器在單相接地故障時(shí)的響應(yīng)波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實(shí)施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨(dú)的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本發(fā)明的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個(gè)范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實(shí)上公開了超過一個(gè)的發(fā)明，不是要自動(dòng)地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。

本發(fā)明所提柔性環(huán)網(wǎng)控制器的拓?fù)淙鐖D2所示。其基本結(jié)構(gòu)為兩個(gè)對(duì)稱單極模塊化多電平換流器背靠背連接，其中一側(cè)換流器經(jīng)過聯(lián)接變壓器接入交流系統(tǒng)，另一側(cè)換流器直接接入交流系統(tǒng)。對(duì)于無變壓器側(cè)換流器，每個(gè)橋臂由若干子模塊串聯(lián)構(gòu)成，假設(shè)換流器橋臂子模塊數(shù)量為N，則其中有N/2個(gè)子模塊為全橋結(jié)構(gòu)，構(gòu)成全橋子模塊閥段；另外N/2個(gè)子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，構(gòu)成半橋子模塊閥段。半橋子模塊閥段和全橋子模塊閥段構(gòu)成混合子模塊橋臂。混合子模塊橋臂的接線示意圖見圖3。對(duì)于有變壓器側(cè)換流器，其每個(gè)橋臂均由半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成，假設(shè)每橋臂半橋子模塊數(shù)量為N。

正常運(yùn)行情況下，以A、B、C相中的某一相為例，如i相，其上下橋臂的輸出電壓分別為：

式中，u_c為柔性環(huán)網(wǎng)控制器交流側(cè)輸出電壓，U_dc為直流側(cè)電壓，u_i1和u_i2分別為上下橋臂輸出電壓。正常運(yùn)行情況下各電壓波形如圖4所示。

無變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，非故障相電壓上升至額定電壓的1.4倍，為1.4U_cm，此時(shí)若橋臂子模塊均為半橋結(jié)構(gòu)，則橋臂輸出電壓u_i1和u_i2的峰值將超出直流電壓上限，谷值將出現(xiàn)負(fù)值，其輸出交流電壓畸變進(jìn)而將引起電流畸變，如圖5所示。而本發(fā)明所提混合子模塊的橋臂結(jié)構(gòu)由于橋臂可輸出負(fù)電壓，能夠滿足單相接地故障下橋臂輸出電壓的要求，如圖6所示。同時(shí)，峰值超出上限如果不進(jìn)行特殊處理，則需要更多的子模塊完成電壓輸出，本發(fā)明提出的方式為：在故障工況下，暫時(shí)性的降低直流電壓為U_dc’/2，使u_i1＝U_dc’/2-U_cm和u_i2＝U_dc’/2+U_cm下降到橋臂輸出能力范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)交流電壓的無畸變輸出。這種控制方 式不僅能夠有效抑制零序分量，同時(shí)故障時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更大的無功輸出范圍。

有變壓器側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，由于聯(lián)接變壓器具備隔離零序的作用，交流電流可控，可通過控制器的故障穿越控制策略實(shí)現(xiàn)換流器的持續(xù)運(yùn)行。故障穿越控制策略是指當(dāng)環(huán)網(wǎng)控制器所連接的交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過柔性環(huán)網(wǎng)控制器的控制系統(tǒng)的相應(yīng)控制策略的作用，使得柔性環(huán)網(wǎng)控制器能夠穿越故障從而持續(xù)運(yùn)行。

直流單極接地故障時(shí)，無變壓器側(cè)橋臂混合結(jié)構(gòu)由于能夠輸出負(fù)電壓，其靈活性使其能夠馬上閉鎖直流故障，實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離。有變壓器側(cè)的聯(lián)接變壓器能夠隔離直流偏置電壓和偏磁電流，保證交流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本發(fā)明所提柔性環(huán)網(wǎng)控制器拓?fù)淇衫孟到y(tǒng)接地作為換流器運(yùn)行的參考地電位，省去了額外的接地裝置，節(jié)省了柔性環(huán)網(wǎng)控制器的占地。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。