一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法及装置

技术领域

本申请涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法及装置。

背景技术

基于晶闸管换流器(LCC)的高压直流输电(HVDC)是成熟、经济且功率传输能力较强的解决方案。但是LCC接入受端电网时面临着换相失败和稳定性等问题的挑战。基于全控器件的模块化多电平变流器(MMC)具有自换相能力和功率解耦控制能力，接入受端电网时不存在换相失败问题，可以连接于弱电网甚至无源负荷。但是相比于LCC，MMC所能实现的容量相对较低，且成本较高。混合直流输电系统在送端和受端分别采用LCC和MMC，可以将LCC和MMC的互补优势结合起来，是远距离大容量直流输电系统的理想解决方案。

在混合直流输电系统中，受端交流电网发生故障的情况下的系统故障穿越方法仍是一个重要问题。在正常运行中，送端LCC控制线路直流电流，而受端MMC控制直流电压。一旦受端电网的交流电压由于故障而下降，MMC交流侧的所能输出的最大有功功率能力减小。在故障发生前系统传输功率较高的情况下，故障发生后直流侧输入功率大于交流侧最大输出功率能力，盈余功率流入MMC子模块电容，导致电容电压和直流线电压升高。这种过电压会对设备的安全产生不利影响，在严重情况下甚至会导致系统停运。因此，必须设计合理的故障穿越方法，保证混合直流输电系统在交流电网故障情况下顺利实现穿越，实现系统可靠运行。

在现有远距离大容量输电直流系统中，一类故障穿越解决方案是通过站间通信指示送端LCC减少功率注入。然而，LCC的控制响应速度比较慢，而且传输线路较长时站间通信的延迟时间也比较长，导致此期间子模块电容和直流线路已经发生较大的过电压。另一类解决方案是通过送端和受端站的协调控制实现故障穿越控制。该方法通过在送端站监测到直流线路过电压后减少功率输入来实现，不需要站间通信。然而，由于长距离传输线的电感相对较高，送端的电压信号会导致故障穿越动作的滞后。另一类解决方案是使用额外的卸荷电路来耗散过剩功率。如果考虑到最恶劣的情况，卸荷电路的功率耗散能力应设计为受端MMC的额定容量，从而大大增加了成本和占地要求。

传统的MMC主要使用半桥子模块来实现。然而，由于续流二极管带来的不控整流效应，半桥子模块MMC无法依靠自身阻断直流短路电流，也无法在宽范围内调节直流侧电压。因此，一些具有更高灵活性的改进MMC拓扑也得到关注和应用。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法。

本申请的第二个目的在于提出一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制装置。

本申请的第三个目的在于提出一种电子设备。

本申请的第四个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

本申请的第五个目的在于提出一种计算机程序产品。

为达上述目的，本申请第一方面实施例提出一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法，包括：

获取模块化多电平换流器子模块的电容电压测量值，根据所述模块化多电平换流器子模块的电容电压额定参考值与电容电压测量值，得到所述模块化多电平换流器子模块的电容电压偏差信号；

将所述电容电压偏差信号输入到设置好的有功电流比例积分控制器中，得到所述模块化多电平换流器的有功电流正常运行参考值；

采集受端交流电网的三相交流电压并作为交流电压有效值，根据所述交流电压有效值、所述有功电流正常运行参考值、所述有功电流比例积分控制器的饱和上限值以及设定的交流电压有效值降低阈值，得到自适应故障穿越控制标志变量；

根据所述自适应故障穿越控制标志变量对所述模块化多电平换流器的直流电压参考值、有功电流参考值以及无功电流参考值进行调控。

可选的，所述获取模块化多电平换流器子模块的电容电压测量值，根据所述模块化多电平换流器子模块的电容电压额定参考值与电容电压测量值，得到所述模块化多电平换流器子模块的电容电压偏差信号，包括：

ΔU

其中，ΔU

可选的，将所述电容电压偏差信号输入到设置好的有功电流比例积分控制器前，包括：

设定所述模块化多电平换流器电流的输出上限值为I

可选的，所述根据所述交流电压有效值、所述有功电流正常运行参考值、所述有功电流比例积分控制器的饱和上限值以及设定的交流电压有效值降低阈值，得到自适应故障穿越控制标志变量，包括：

将所述交流电压有效值U

若U

若U

其他情况下，保持F

可选的，所述根据所述自适应故障穿越控制标志变量，对所述模块化多电平换流器的直流电压参考值进行调控，包括：

设定所述模块化多电平换流器的直流电压额定参考值为U

将所述电容电压偏差信号ΔU

将所述模块化多电平换流器的直流电压额定参考值U

其中，若F

可选的，所述根据所述自适应故障穿越控制标志变量，对所述模块化多电平换流器的有功电流参考值进行调控，包括：

将所述有功电流正常运行参考值I

其中，若F

可选的，所述根据所述自适应故障穿越控制标志变量，对所述模块化多电平换流器的无功电流参考值进行调控，包括：

设定交流电压有效值的目标值为U

ΔU

其中，ΔU

根据设定好的所述模块化多电平换流器电流的输出上限值I

其中，I

将无功电流比例积分控制器的饱和上限值同样设置为I

设定所述模块化多电平换流器的无功电流正常运行参考值为I

其中，若F

可选的，还包括：

设定晶闸管换流器的直流电流输出目标值为I

ΔI

其中，ΔI

设定直流电流比例积分控制器的饱和上限值为α

为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制装置，包括：

电容电压偏差信号计算模块，用于获取模块化多电平换流器子模块的电容电压测量值，根据所述模块化多电平换流器子模块的电容电压额定参考值与电容电压测量值，得到所述模块化多电平换流器子模块的电容电压偏差信号；

有功电流正常运行参考值计算模块，用于将所述电容电压偏差信号输入到设置好的有功电流比例积分控制器中，得到所述模块化多电平换流器的有功电流正常运行参考值；

标志变量计算模块，关于采集受端交流电网的三相交流电压并作为交流电压有效值，根据所述交流电压有效值、所述有功电流正常运行参考值、所述有功电流比例积分控制器的饱和上限值以及设定的交流电压有效值降低阈值，得到自适应故障穿越控制标志变量；

逻辑调控模块，用于根据所述自适应故障穿越控制标志变量对所述模块化多电平换流器的直流电压参考值、有功电流参考值以及无功电流参考值进行调控。

为达上述目的，本申请第三方面实施例提出了一种电子设备，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；

所述存储器存储计算机执行指令；

所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以实现如上述第一方面中任一项所述的方法。

为达上述目的，本申请第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如上述第一方面中任一项所述的方法。

为达上述目的，本申请第五方面实施例提出了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一项所述的方法。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

通过在受端交流电网故障发生时立即自适应性地降低模块化多电平换流器的直流电压，可以首先快速实现受端模块化多电平换流器的局部有功功率平衡，并且可以有效地抑制子模块电容上的过电压；晶闸管换流器的输出功率能够随着直流线路电压的降低而自然降低，并且在发送端和接收端之间可以自然地实现功率平衡；与现有方法相比，采用本申请所提出的方法，无需任何额外的通信或协调控制环路，也不需要额外的卸荷电路，就可以实现受端交流电网故障的快速穿越，避免受端电网故障情况下系统因直流过压退出运行，在受端电网故障恢复后能够快速恢复功率传输，提高混合直流输电系统运行的可靠性和可用率。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请实施例示出的一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法的流程图；

图2是根据本申请实施例示出的一种混合直流输电系统的结构图；

图3是根据本申请实施例示出的一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法的示意图；

图4是根据本申请实施例示出的种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法中涉及晶闸管的示意图；

图5是根据本申请实施例示出的一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制装置的框图；

图6是一种电子设备的框图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法和装置。

首先，如图2所示，本申请所涉及的混合直流输电系统的结构如附图2所示。在送端采用晶闸管换流器，将送端交流电压转换为直流电压，通过直流线路输送到受端。在受端采用混合模块化多电平换流器，将直流电压转为交流电压，连接至受端交流电网。受端的混合模块化多电平换流器采用全桥子模块和半桥子模块混合的方式，其中全桥子模块的比例不低于50％。

图1是根据本申请实施例示出的一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法的流程图。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101，获取模块化多电平换流器子模块的电容电压测量值，根据模块化多电平换流器子模块的电容电压额定参考值与电容电压测量值，得到模块化多电平换流器子模块的电容电压偏差信号。

可以理解的是，受到所采用的半导体开关器件的通流能力和电流关断能力的限制，模块化多电平换流器所输出的电流能力是受到限制的。在进行控制调控前，根据所采用的半导体开关器件和所设计的模块化多电平换流器参数，设定模块化多电平换流器的电流输出上限值为I

并且，模块化多电平换流器交流输出电流包括有功电流分量和无功电流分量。根据所设计的混合直流输电系统的有功功率传输需求，设定模块化多电平换流器的有功电流输出上限值为I

其中，I

本申请实施例中，模块化多电平换流器的子模块电容电压的变化趋势表征了交直流侧的有功功率是否平衡。在系统正常运行模式下，所提方法是以将子模块电容电压维持在额定参考值为目标，控制模块化多电平换流器的交流侧输出有功电流和有功功率。

如图3所示，设定模块化多电平换流器子模块的电容电压额定参考值U

ΔU

步骤102，将电容电压偏差信号输入到设置好的有功电流比例积分控制器中，得到模块化多电平换流器的有功电流正常运行参考值。

本申请实施例中，如图3所示，将有功电流比例积分控制器的饱和上限值同样设置为I

可以理解的是，在系统正常运行模式下，可以通过所设定的控制目标得到模块化多电平换流器无功电流正常运行参考值I

步骤103，采集受端交流电网的三相交流电压并作为交流电压有效值，根据交流电压有效值、有功电流正常运行参考值、有功电流比例积分控制器的饱和上限值以及设定的交流电压有效值降低阈值，得到自适应故障穿越控制标志变量。

可以理解的是，在受端交流电网发生故障时，受端电网交流电压将下降，具体下降程度由故障的严重程度决定。

本申请实施例中，为了判断受端电网是否发生故障，以及根据故障发生的程度判断是否有必要进入故障穿越控制模式，采集受端交流电网三相交流电压计算得到受端电网交流电压有效值U

可以理解的是，受端电网电压下降后，由于模块化多电平换流器电流输出能力仍受到上限值的限制，模块化多电平换流器的交流侧最大可输出有功功率能力降低，具体降低程度由受端交流电网电压下降程度决定。而此时送端晶闸管换流器仍按照原运行方式将有功功率输送到模块化多电平换流器的直流侧。如果交流电网故障程度较轻或者故障前直流线路传输有功功率较小，直流侧输入的有功功率没有超过模块化多电平换流器交流侧最大可输出有功功率能力，系统仍可以以正常运行控制模式运行，不必进入故障穿越控制模式。如果交流电网故障程度较严重且故障前直流线路传输有功功率较大，使直流侧输入的有功功率超过模块化多电平换流器交流侧最大可输出有功功率能力，将导致受端模块化多电平换流器的直流侧流入功率和交流侧流出功率的不平衡问题，盈余的功率流入模块化多电平换流器的子模块电容中，导致子模块电容电压上升，此时需要进入故障穿越控制模式。

然而，实际上，如果直流侧输入的功率超过模块化多电平换流器交流侧最大可输出有功功率能力，模块化多电平换流器有功电流比例积分控制器的输出将达到其饱和上限值I

因此，本申请实施例中，通过判断受端交流电网电压下降程度，以及有功电流比例积分控制器的输出是否达到饱和上限值来判断是否需要进入故障穿越控制模式的，并为此提出自适应故障穿越控制标志变量F

并且，在本申请中F

本申请实施例中，如图3所示，设计了自适应故障穿越控制状态判断器，用于判断F

若交流电压有效值U

若U

其他情况下，保持F

步骤104，根据自适应故障穿越控制标志变量对模块化多电平换流器的直流电压参考值、有功电流参考值以及无功电流参考值进行调控。

可以理解的是，在不同的穿越控制模式下，直流电压参考值、有功电流参考值以及无功电流参考值的调控取值策略是不同的。

(1)直流电压参考值调控策略。

在故障穿越模式下，本申请的方法是以将子模块电容电压控制在参考值为目标，在子模块电容电压发生上升变化趋势时，快速降低模块化多电平换流器直流端口输入的有功功率，维持交直流侧功率平衡，具体包括以下步骤：

设定模块化多电平换流器的直流电压额定参考值为U

将电容电压偏差信号ΔU

将模块化多电平换流器的直流电压额定参考值U

如图3所示，在本申请实施例中，利用故障穿越控制标志变量F

此时，若F

若F

(2)有功电流参考值调控策略。

在故障穿越控制模式下，本申请的方法还同时利用模块化多电平换流器的无功功率输出能力支撑受端电网电压，尽量提高模块化多电平换流器的交流侧最大可输出有功功率能力，具体包括以下步骤：

将有功电流正常运行参考值I

此时，若F

若F

(3)无功电流参考值调控策略。

可以理解的是，无功电流参考值调控策略具体包括以下步骤：

设定交流电压有效值的目标值为U

ΔU

其中，ΔU

将无功电流比例积分控制器的饱和上限值同样设置为I

设定模块化多电平换流器的无功电流正常运行参考值为I

此处，若F

若F

并且，在本申请中，晶闸管换流器一直处于定电流控制模式，如图4所示，此时设定晶闸管换流器的直流电流输出目标值为I

ΔI

其中，ΔI

设定直流电流比例积分控制器的饱和上限值为α

由此，晶闸管换流器在正常运行模式下按照系统传输功率目标控制直流电流参考值。在故障穿越模式下，晶闸管换流器仍可以维持故障前的直流电流参考值，由于受端模块化多电平换流器的直流电压下降，送端晶闸管换流器无需采取额外的措施就可以使其输出到直流线路的有功功率也自然下降，实现混合直流输电系统有功功率的最终平衡。

可以理解的是，长距离直流线路和晶闸管换流器相对较慢的响应速度给混合高压直流系统中的受端交流电网故障穿越带来了巨大的挑战，然而，本申请提出的混合直流输电系统受端交流故障穿越控制方法，通过在受端交流电网故障发生时立即自适应性地降低模块化多电平换流器的直流电压，可以首先快速实现受端模块化多电平换流器的局部有功功率平衡，并且可以有效地抑制子模块电容上的过电压；晶闸管换流器的输出功率能够随着直流线路电压的降低而自然降低，并且在发送端和接收端之间可以自然地实现功率平衡；与现有方法相比，采用本申请所提出的方法，无需任何额外的通信或协调控制环路，也不需要额外的卸荷电路，就可以实现受端交流电网故障的快速穿越，避免受端电网故障情况下系统因直流过压退出运行，在受端电网故障恢复后能够快速恢复功率传输，提高混合直流输电系统运行的可靠性和可用率。

图5是根据本申请实施例示出的一种混合直流输电系统受端交流故障穿越控制装置10的框图，包括电容电压偏差信号计算模块100、有功电流正常运行参考值计算模块200、标志变量计算模块300和逻辑调控模块400。

电容电压偏差信号计算模块100，用于获取模块化多电平换流器子模块的电容电压测量值，根据模块化多电平换流器子模块的电容电压额定参考值与电容电压测量值，得到模块化多电平换流器子模块的电容电压偏差信号；

有功电流正常运行参考值计算模块200，用于将电容电压偏差信号输入到设置好的有功电流比例积分控制器中，得到模块化多电平换流器的有功电流正常运行参考值；

标志变量计算模块300，关于采集受端交流电网的三相交流电压并作为交流电压有效值，根据交流电压有效值、有功电流正常运行参考值、有功电流比例积分控制器的饱和上限值以及设定的交流电压有效值降低阈值，得到自适应故障穿越控制标志变量；

逻辑调控模块400，用于根据自适应故障穿越控制标志变量对模块化多电平换流器的直流电压参考值、有功电流参考值以及无功电流参考值进行调控。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

图6示出了可以用来实施本申请的实施例的示例电子设备700的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本申请的实现。

如图6所示，设备700包括计算单元701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的计算机程序或者从存储单元708加载到随机访问存储器(RAM)703中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 703中，还可存储设备700操作所需的各种程序和数据。计算单元701、ROM 702以及RAM 703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。

设备700中的多个部件连接至I/O接口705，包括：输入单元706，例如键盘、鼠标等；输出单元707，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元708，例如磁盘、光盘等；以及通信单元709，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元709允许设备700通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

计算单元701可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元701的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元701执行上文所描述的各个方法和处理，例如语音指令响应方法。例如，在一些实施例中，语音指令响应方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元708。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 702和/或通信单元709而被载入和/或安装到设备700上。当计算机程序加载到RAM 703并由计算单元701执行时，可以执行上文描述的语音指令响应方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元701可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行语音指令响应方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本申请的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本申请的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。

计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务("Virtual Private Server"，或简称"VPS")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本申请中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本申请的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。