CN106229951B - 一种dc/dc自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法 - Google Patents
一种dc/dc自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及多电压等级直流电网领域，提供一种DC/DC自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法，该方法包括DC/DC自耦变压器中各个换流器的参数设计方法和故障穿越控制方法。本发明方法能够保证DC/DC自耦变压器在外部直流线路发生短路故障时保持不间断运行，包括故障未能及时清除情况下的长期不间断运行，为多电压等级直流电网在短路故障情况下提供支撑，并在外部故障清除后快速恢复正常运行，可有效提高多电压等级直流电网的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及多电压等级直流电网领域，具体涉及一种DC/DC自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法，适用于多电压等级直流电网中的DC/DC自耦变压器。
背景技术
直流架空线路结构简单、线路造价低、走廊利用率高、维护便利，适用于大容量远距离直流输电，随着可再生能源发电系统广泛接入电力系统，多电压等级直流电网将是电力系统的重要发展方向之一。DC/DC变换器作为跨接在两个不同电压等级的直流线路之间的高电压大功率传输设备已经得到全世界的高度重视。DC/DC自耦变压器是一类新型的高压大功率DC/DC变换器，将一侧直流线路的功率同时以直接传输和电磁耦合传输两种方式传输至另一侧不同电压等级的直流线路。与传统的面对面型DC/DC变换器相比，在传输相同功率的条件下，DC/DC自耦变压器的工程造价显著降低，且功率传输效率更高，具有良好的工程应用前景。
众所周知，架空线路不可避免地会发生各种短路故障，对于直流电网来说，直流线路的短路故障包括正极对地短路故障、负极对地短路故障和正负极之间的短路故障。DC/DC变换器应对直流线路短路故障的常规方法是：快速断开直流侧断路器以切断短路电流并隔离故障，同时DC/DC变换器进入闭锁状态；当外部故障清除后，重新闭合直流断路器并重新启动DC/DC变换器，进而恢复正常运行。因此，DC/DC变换器采用的常规应对直流线路短路故障方法，在故障期间对系统没有支撑作用，更不能在故障条件下长期运行，并且故障清除后恢复正常运行所需时间较长，对直流电网的运行可靠性有不利影响。DC/DC自耦变压器跨接在两个不同电压等级的直流线路之间，除了需要能够承受两侧直流线路各种短路故障所产生的冲击的能力之外，如果具有对于两侧直流线路短路故障的故障穿越能力(即在直流线路短路故障期间保持不间断运行并在短路故障切除后快速恢复正常运行的能力)，则对于提高多电压等级直流电网的运行可靠性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中的不足，提供一种DC/DC自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法，该方法能够保证DC/DC自耦变压器在外部直流线路发生短路故障时保持不间断运行，包括故障未能及时清除情况下的长期不间断运行，并在外部故障清除后快速恢复正常运行，以提高多电压等级直流电网的运行可靠性。
具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器，需要在外部直流线路发生短路故障的情况下实现不间断运行，包括故障未能及时清除情况下的长期不间断运行，因而其换流器的参数设计需要特殊考虑。同时，换流器之间需要考虑协调控制问题。又由于直流线路时间常数小，故障时故障电流上升速度快，为了实现故障期间对故障电流的可靠控制，换流器必须具备快速直流电流控制能力。本发明提供的技术方案将能有效解决上述问题。
首先应当指出，在外部直流线路发生短路故障时，DC/DC自耦变压器中各个换流器的直流侧电压可能高达正常运行电压的几倍，或低至正常运行电压的一半，甚至出现反向直流电压。为了实现故障穿越，DC/DC自耦变压器中的三个换流器应选用宽直流电压工作范围的电压源型换流器VSC，这是本发明技术方案可以实现的基本前提之一。其次，当外部直流线路发生短路故障时，DC/DC自耦变压器的两个直流端口可能会出现暂态过电压和暂态过电流。因此，各个换流器内部直流侧电容器需要与外部设备如避雷器、限流电抗器等配合，以抑制暂态过电压，并保证各个换流器能够耐受抑制后的暂态过电压；而DC/DC自耦变压器的两个直流端口的限流电抗器应满足抑制暂态过电流的要求。这是本发明技术方案可以实现的基本前提之二。上述两个前提为本领域技术人员所熟知，因而这里不作赘述。
本发明具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的具体结构包括跨接在高压侧直流正极和低压侧直流正极之间的换流器VSC1、跨接在低压侧直流正极和低压侧直流负极之间的换流器VSC2、跨接在低压侧直流负极和高压侧直流负极之间的换流器VSC3，换流器VSC1、VSC2和VSC3采用具有故障隔离能力的拓扑；具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器本地采用双层控制，其本地控制系统包括第一层的协调控制器和第二层的换流器VSC1底层控制器、换流器VSC2底层控制器以及换流器VSC3底层控制器，其中，协调控制器包含正常运行时根据远方控制中心功率指令值产生直流电流指令值的正常模式电流指令生成环节、外部直流线路故障类型识别环节和故障电流指令生成环节，正常模式电流指令生成环节接收远方控制指令并将功率指令转换为电流指令下达给换流器VSC1底层控制器和换流器VSC3底层控制器，而故障电流指令生成环节根据外部直流线路的故障类型给出相应的满足约束条件的高压侧直流电流值限制值idcLim1以及idcLim2。而各底层控制器根据相应的指令值采用本发明所述的方法控制相应的换流器。
本发明方法包括DC/DC自耦变压器中各个换流器的参数设计方法和故障穿越控制方法两个方面，下面分别予以阐明。
(1)具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的换流器参数设计方法
(1-1)确定各换流器直流侧电压范围
记具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器中跨接在高压侧直流正极和低压侧直流正极之间的换流器为VSC1、跨接在低压侧直流正极和低压侧直流负极之间的换流器为VSC2、跨接在低压侧直流负极和高压侧直流负极之间的换流器为VSC3；记具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的额定传输功率为PN、低压侧额定直流电压为E1N、高压侧额定直流电压为E2N、直流电压变比k＝E2N/E1N且k>1，在忽略损耗的条件下，低压侧额定直流电流为idc1N＝PN/E1N，高压侧额定直流电流为idc2N＝PN/E2N，各变量无下标N时，记为该变量的实际运行值，各换流器在额定运行工况下的直流电压由下式给出：
当外部直流线路发生短路故障时，各换流器直流侧稳态电压如下表所示：
| 项目 | VSC1 | VSC2 | VSC3 |
| 高压侧正极对地短路 | -E1/2 | E1 | (E1-E2)/2 |
| 高压侧负极对地短路 | (E1-E2)/2 | E1 | -E1/2 |
| 高压侧双极短路 | -E1/2 | E1 | -E1/2 |
| 低压侧正极对地短路 | E2/2 | E1/2 | (E1-E2)/2 |
| 低压侧负极对地短路 | (E1-E2)/2 | E1/2 | E2/2 |
| 低压侧双极短路 | E2/2 | 0 | E2/2 |
综合上述，为使DC/DC自耦变压器具备在外部直流线路短路故障情况下的故障穿越能力，换流器VSC1和换流器VSC3的直流侧工作电压范围必须涵盖区间[-E1/2,E2/2]，而换流器VSC2的直流侧工作电压范围必须涵盖区间[0,E1]。
(1-2)确定各换流器额定直流电流
考虑到直流电流受到外部输电线路的限制，具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的换流器直流侧额定电流取为正常运行工况下的最大电流，各换流器的额定直流电流由以下公式给出：
(1-3)确定各换流变压器的额定容量
换流变压器的额定容量选择除了应满足正常工况下的功率传输要求外，还需考虑单极(即正极或负极)对地短路故障情况下的可能传输的最大功率问题。由于单极对地短路故障情况下DC/DC自耦变压器可能传输的最大功率需要考虑输电线路和各个换流器可能传输的最大功率限制，同时还要综合考虑工程造价，所有换流变压器的额定容量按正常运行工况选取。按照上述选取原则，DC/DC自耦变压器对于外部直流线路单极短路故障穿越期间对直流电网具有较好的支撑作用，同时工程造价也被控制在合理范围内。各换流器的变压器额定容量按以下公式选择：
(2)具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的换流器协调控制方法
由于直流系统时间常数小，短路故障电流上升速度往往很快，有必要对端口电流进行快速控制。本发明通过对换流器VSC1和换流器VSC3同时采用具有端口电压前馈的直流电流控制方式，能够快速有效地控制直流线路电流。另一方面，直流线路在发生单极对地短路故障时，系统将产生接地故障电流，会加快系统接地点的腐蚀并可能使系统内中性点接地的变压器产生直流偏磁，故一般的直流输电系统不允许长期单极运行。本发明为了解决上述问题，通过设置换流器VSC1和换流器VSC3的两个直流电流指令值不仅在非故障期间保持一致而且在故障期间也保持一致，从而可以实时抑制接地电流。采用该控制模式后，可以保证系统在外部直流线路发生单极对地短路故障时，在故障期间仍然能够传输一定功率，并且不会出现明显接地电流。
具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器在正常运行时，换流器VSC2采用交流母线电压控制模式，即维持交流母线电压为设定值；换流器VSC1和换流器VSC3采用直流电流控制模式，即它们的直流侧电流维持在远方控制中心下达的功率指令对应的电流值PT/E2，其中，PT为具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器运行时由远方控制中心下达的传输功率指令值，E2为当时具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器运行的高压侧直流电压。
具备外部直流故障穿越能力的DC/DC自耦变压器在检测到各类外部直流线路短路故障时，将切换至故障穿越控制模式，具体控制方法如下：
(2-1)在检测到高压侧外部直流线路发生单极对地短路故障时，换流器VSC2工作模式不变，即采用在DC/DC自耦变压器跟踪远方给定功率指令条件下的维持交流母线电压为设定值的控制模式，而对换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值进行修正，记修正后的换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值为idcref_m1，则在最低换流器配置条件下，idcref_m1取远方功率指令值PT除以高压侧发生单极对地短路故障后的直流电压Vdc2所得到的值和满足协调控制器所确定的约束条件的高压侧直流电流值idcLim1的较小值，其中，idcLim1由下式确定：
(2-2)在检测到高压侧外部直流线路发生双极短路故障时，换流器VSC2工作状态不变，即采用在DC/DC自耦变压器跟踪远方给定功率指令条件下的维持交流母线电压为设定值的控制模式，而换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值同时设置为负值并在快速灭除故障点电弧后变为零或者直接为零。采用将换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值同时设置为负值并在快速灭除故障点电弧后变为零，还是采用将它们直接设置为零，要根据实际工程中的故障电流回路的时间常数和换流器控制参数确定，并以故障电流衰减更快为选择依据。
(2-3)在检测到低压侧外部直流线路发生单极对地短路故障时，VSC2进入低压运行状态，且继续采用维持交流母线电压稳定控制模式；而对换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令进行修正，记修正后的换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值为idcref_m2，在最低换流器配置条件下，idcref_m2取远方功率指令值PT除以高压侧当时运行的直流电压Vdc2所得到的值和满足协调控制器所确定的约束条件的高压侧直流电流值idcLim2的较小值，其中，idcLim2由下式确定：
(2-4)在检测到低压侧外部直流线路发生双极短路故障时，换流器VSC2进入零压运行状态，而换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令同时设置为负值并在快速灭除故障点电弧后变为零或者直接为零。采用将换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值同时设置为负值并在快速灭除故障点电弧后变为零，还是采用将它们直接设置为零，要根据实际工程中的故障电流回路的时间常数和换流器控制参数确定，并以故障电流衰减更快为选择依据。
(2-5)在外部故障清除后，各个换流器恢复正常工作指令运行。
采用本发明的DC/DC自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法，能够保证DC/DC自耦变压器在外部直流线路发生短路故障时保持不间断运行，包括故障未能及时清除情况下的长期不间断运行，为多电压等级直流电网在短路故障情况下提供支撑，并在外部故障清除后快速恢复正常运行，可有效提高多电压等级直流电网的运行可靠性。
附图说明
图1为对称单极接线的DC/DC自耦变压器的结构框图。
图2为双极接线的的DC/DC自耦变压器的结构框图。
图3为实现DC/DC自耦变压器对外部直流线路短路故障的穿越能力对VSC1和VSC3单个桥臂工作电压的要求说明图。
图4为实施例采用的换流器的控制系统原理框图。
图5为实施例采用的换流器的控制流程图。
图6、7为具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器在外部直流线路发生单极对地短路故障时能传输的最大功率与直流变比k的关系曲线。其中，图6为高压直流线路单极对地短路时能传输的最大功率与直流变比k的关系曲线，图7为低压直流线路单极对地短路时能传输的最大功率与直流变比k的关系曲线。
图8-11为在发生高压侧单极对地短路和双极短路故障时的外部响应特性相关仿真波形。其中，图8为高低压侧端口直流电压波形，图9为功率指令值及实际传输功率波形，图10为高压侧直流线路电流波形，图11为低压侧直流线路电流波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方法及其优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1、2为DC/DC自耦变压器的两种典型结构框图。由于单极对称接线方式相比于双极接线减少一个换流器，建设成本和配套设备投资相对较低，是柔性直流输电系统中最常见的方案，故下面以单极对称接线方式的DC/DC自耦变压器为例阐明本发明的具体实施方式。
一、各换流器参数设计
(1)各换流器直流侧电压范围的确定
记具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器中跨接在高压侧直流正极和低压侧直流正极之间的换流器为VSC1、跨接在低压侧直流正极和低压侧直流负极之间的换流器为VSC2、跨接在低压侧直流负极和高压侧直流负极之间的换流器为VSC3；记具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的额定传输功率为PN、低压侧额定直流电压为E1N、高压侧额定直流电压为E2N、直流电压变比k＝E2N/E1N且k>1，在忽略损耗的条件下，低压侧额定直流电流为idc1N＝PN/E1N，高压侧额定直流电流为idc2N＝PN/E2N，各变量无下标N时，记为该变量的实际运行值，各换流器在额定运行工况下的直流电压由下式给出:
当外部直流线路发生短路故障时，各换流器直流侧稳态电压如下表所示:
| 项目 | VSC1 | VSC2 | VSC3 |
| 高压侧正极对地短路 | -E1/2 | E1 | (E1-E2)/2 |
| 高压侧负极对地短路 | (E1-E2)/2 | E1 | -E1/2 |
| 高压侧双极短路 | -E1/2 | E1 | -E1/2 |
| 低压侧正极对地短路 | E2/2 | E1/2 | (E1-E2)/2 |
| 低压侧负极对地短路 | (E1-E2)/2 | E1/2 | E2/2 |
| 低压侧双极短路 | E2/2 | 0 | E2/2 |
为使DC/DC自耦变压器具备在外部直流线路短路故障情况下的故障穿越能力，换流器VSC1和换流器VSC3的直流侧工作电压范围必须涵盖区间[-E1/2,E2/2]，而VSC2的直流侧工作电压范围必须涵盖区间[0,E1]。
由于要求各换流器的输出直流电压范围较宽，故本实施例各换流器的采用模块化多电平变换器MMC，并采用具有负电压输出能力的MMC子模块，后文将以MMCi表示换流器VSCi(i＝1,2,3)。
对于MMC2而言，由于其在外部直流线路短路故障过程中无需承受过电压，故其参数设计可以采用常规的全桥MMC设计方法，这里不作赘述。对于MMC1和MMC3而言，在正常工况下的直流电压是(E2-E1)/2，而在故障期间直流电压能达到E2/2，为了简化设计并降低工程造价，可以采用下述设计方法：在忽略变压器漏抗压降影响的条件下，可认为无论在故障期间还是在非故障期间MMC1和MMC3输出的交流电压幅值基本维持不变，由于桥臂的输出电压由交流分量和直流分量叠加构成，可知为了实现故障穿越，只需增加一定数目的子模块以补充故障前后的直流电压差值即可，而对于MMC1和MMC3而言，该直流电压差值为E1/2，且分摊到每个桥臂，因而只需要在常规设计条件的基础上额外增加E1/4/Vc个子模块即可(其中Vc为MMC1和MMC3中单个子模块的额定电压)。以MMC1和MMC3的上桥臂为例，其输出电压的要求在正常运行工况和各种短路故障条件下的如图3所示，其中，交流分量表示桥臂需要输出的交流电压，其在故障前后基本维持不变，直流分量表示桥臂需要输出的直流电压，不同故障下其值相应变化，交直流分量合并后的上、下峰值即为桥臂所需的最高和最低输出电压。
(2)各换流器额定直流电流的确定
考虑到换流器直流电流受到外部直流输电线路的限制，具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的各换流器直流侧额定电流取为正常运行工况下的最大电流，各换流器的额定直流电流由下式给出：
(3)各换流变压器额定容量的确定
各换流变压器的额定容量选择除了应满足正常运行工况下的功率传输要求外，还需考虑单极(即正极或负极)对地短路故障情况下的可能传输的最大功率问题。由于单极对地短路故障情况下DC/DC自耦变压器可能传输的最大功率需要考虑输电线路和各个换流器可能传输的最大功率的限制，同时还要综合考虑工程造价，所有换流变压器的额定容量按正常运行工况选取。按照上述选取原则，DC/DC自耦变压器对于外部直流线路单极短路故障穿越期间对直流电网具有较好的支撑作用，同时工程造价也被控制在合理范围内。各换流器的变压器额定容量按以下公式选择：
二、换流器协调控制设计
一般而言，DC/DC自耦变压器可以通过配置直流侧断路器或采用具有故障电流隔离能力的换流器等方式实现外部故障隔离，在故障期间断开直流断路器并闭锁换流器。采用这种故障隔离模式的系统在外部故障清除时，需要重新闭合直流断路器并启动换流器才能恢复系统运行，系统恢复时间相对较长，且在任何故障下均需要中断功率传输。
具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器在发生外部线路短路故障时，由于换流器的工作电压范围足够宽，通过设计合理的协调运行控制策略可以保证换流器在故障期间无需闭锁，在故障清除后快速恢复系统正常运行，且能在单极接地故障情况下维持一定功率传输，对直流电网起到支撑作用。
由于直流系统时间常数小，故障电流上升速度往往较快，需要对端口电流进行快速控制，本发明通过对高压侧正、负极端口的换流器MMC1和MMC3同时采用具有端口电压前馈的直流电流控制，能够有效控制线路电流。另一方面，直流线路在发生单极接地故障时，系统将产生接地故障电流，会加快系统接地点的腐蚀并可能会影响系统内其他正常工作的变压器，故一般的直流输电系统不允许长期单极运行。本发明为了解决上述问题，设置高压侧正、负极端口的换流器MMC1和MMC3的直流电流指令值不仅在正常运行时两者一致，而且在故障期间均也保持两者一致，从而实时抑制接地电流，采用该控制模式后，可以保证系统在外部直流线路发生单极接地故障时，即使故障期间仍然可保持传输一定功率，并且不会产生明显的接地电流。
下面结合实施例进一步阐明本发明的换流器控制系统结构及其控制流程。
图4为实施例采用的换流器的控制系统原理框图，由图4知，换流器的控制系统采用双层控制模式，它由第一层的协调控制器和第二层的换流器MMC1底层控制器、换流器MMC2底层控制器以及换流器MMC3底层控制器组成。其中，协调控制器包含正常运行时根据远方控制中心功率指令值产生直流电流指令值的正常模式电流指令生成环节、外部直流线路故障类型识别环节和故障电流指令生成环节，其输入信号包括远方控制中心下达的功率指令值，高压直流正负极的电压和电流；MMC1底层控制器和MMC3底层控制器包含桥臂电压控制环节、直流电流控制环节、电压指令生成环节和子模块均压环节，其输入信号包括桥臂电压设定值和协调控制器给出的直流电流指令值；MMC2底层控制器包含桥臂电压控制环节、交流电压控制环节、电压指令生成环节和子模块均压环节，其输入信号包括桥臂电压设定值和交流母线电压设定值。
图5为实施例采用的换流器的控制流程图，正常情况下，正常模式电流指令生成环节接收远方控制指令并将功率指令转换为电流指令下达给换流器MMC1底层控制器和换流器MMC3底层控制器；在外部直流线路发生短路故障情况下，故障电流指令生成环节根据外部直流线路的故障类型给出相应的满足约束条件的高压侧直流电流值限制值idcLim1以及idcLim2。
正常运行时，MMC2采用定交流母线电压控制模式，即维持交流母线电压为设定值；MMC1和MMC3采用定直流电流控制模式，通过控制直流侧电流维持在远程下达的功率指令对应的电流值PT/E2，以跟随远程功率控制指令值，其中，PT为DC/DC自耦变压器运行时由远程控制中心下达的传输功率指令值，E2为当时高压直流端口的运行电压。
在高压侧直流线路发生单极接地故障期间，换流器MMC2的工作状态不发生变化，MMC1由于直流端口连接的线路之一对地短路，为了抑制故障时由DC/DC自耦变压器引入的接地电流，降低故障状态下的持续运行造成的影响，MMC1和MMC3的直流侧电流指令值设置为相同数值，即均为前文所述修正电流指令值idcref_m1。
在高压侧直流线路发生双极短路故障期间，MMC2工作状态维持不变，由于高压侧直流电压很低，线路上将无法继续输送功率，在系统检测到发生双极短路故障后，通过设置MMC1和MMC3的直流电流给定值的大小和方向，在直流电流控制器的作用下，可以抽取线路和电弧能量，加速故障电弧熄灭。
考虑到DC/DC自耦变压器是两个不同电压等级直流系统之间的设备，为了避免MMC2在故障期间出现不对称运行，一种可行的方式是对MMC2采取阀侧不接地的接线方式，以保证MMC2不出现不对称运行情况。因此，在低压侧直流线路发生单极接地故障期间，MMC2由于直流端口连接的线路之一对地短路，要求MMC2具备能够在低直流电压下运行的能力，这可以直接采用经典的MMC控制方法。而MMC1和MMC3则仍然工作于直流电流控制模式，其直流电流指令等于前文所述的修正值idcref_m2。
在低压侧直流线路发生双极短路故障期间，MMC2继续工作于交流电压控制模式，而MMC1和MMC3则用于限制直流故障电流。值得注意的是，由于MMC2采用交流侧电压控制模式且其直流侧电压很低，对外功率交换能力有限，当较长时间工作于低压侧直流线路双极短路故障状态时，需要借助MMC1和MMC3向交流母线注入功率，以维持MMC2桥臂电压稳定。
当协调控制器检测到外部直流线路短路故障被清除后，将正常运行电流指令下达给MMC1和MMC3的底层控制器，MMC1和MMC3的底层控制器在根据电流指令完成斜坡控制后，DC/DC自耦变压器恢复正常运行。值得注意的是，MMC2在各类外部直流线路短路故障期间均保持维持交流母线电压稳定模式，外部直流线路短路故障被清除后直接进入相同运行模式，无需控制模式切换。
由于受到换流变压器容量、桥臂电流最大值、直流电压变比等因素的限制，在外部直流线路发生单极对地短路故障期间，DC/DC自耦变压器所能传输的最大功率将小于等于额定功率的一半，下面对此进行进一步分析。
设MMC1和MMC3在外部直流线路发生单极对地短路故障期间跟随电流指令i2，以发生高压侧直流线路正极接地故障为例，则MMC1在故障时的直流侧功率可以表示为：
MMC3在故障期间的直流侧功率可以表示为：
在运行过程中MMC2需要平衡MMC1和MMC3在公共交流母线上产生的功率，即MMC2的功率可以表示为：
而换流器功率不应超过额定功率，换流器直流侧电流不应超出额定电流，可以得到运行电流i2在高压侧外部直流线路单极对地短路故障时约束条件为：
其中k为DC/DC自耦变压器的变比，idc2N为额定高压侧电流。该约束条件应作为换流器MMC1底层控制器和换流器MMC3底层控制器的指令电流的限幅环节，以防止换流器以及换流变压器的功率或电流越限，最终生成修正指令电流idcref_m1。
类似地，可以得到低压侧外部直流线路发生单极对地故障时的运行电流约束条件为：
上式应作为换流器MMC1底层控制器和换流器MMC3底层控制器的指令电流的限幅环节，以防止换流器以及换流变压器的功率或电流越限，最终生成修正指令电流idcref_m2。
在外部直流线路单极接地故障状态下，采用基本换流器配置的条件下，不同电压变比k的具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器能够传输的最大功率如图6、7所示。
在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，对具备外部直流故障隔离能力的DC/DC自耦变压器功能进行数字仿真验证，仿真条件为：
1)0～0.2s系统启动；
2)0.2～1s远方功率指令由0.0pu爬升至1.0pu，进入额定工作条件；
3)1.2s发生高压侧外部直流线路正极对地短路故障；
4)1.7s正极对地短路故障清除；
5)2.0s发生高压侧外部直流线路双极短路故障；
6)2.5s双极短路故障清除。
图8-11给出了具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器上述仿真过程的响应曲线，从图中知，结果正确。需要指出的是，在其它类型的外部直流线路短路故障情况下也得出了正确结果，限于篇幅，这里未给出相应的仿真曲线。
Claims (2)
1.一种DC/DC自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法，其特征在于该方法包括DC/DC自耦变压器中各个换流器的参数设计方法和故障穿越控制方法：
(1)具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的换流器参数设计方法
(1-1)确定各换流器直流侧电压范围
记具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器中跨接在高压侧直流正极和低压侧直流正极之间的换流器为VSC1、跨接在低压侧直流正极和低压侧直流负极之间的换流器为VSC2、跨接在低压侧直流负极和高压侧直流负极之间的换流器为VSC3；记具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的额定传输功率为PN、低压侧额定直流电压为E1N、高压侧额定直流电压为E2N、直流电压变比k＝E2N/E1N且k>1，在忽略损耗的条件下，低压侧额定直流电流为idc1N＝PN/E1N，高压侧额定直流电流为idc2N＝PN/E2N，各变量无下标N时，记为该变量的实际运行值，各换流器在额定运行工况下的直流电压由下式给出：
当外部直流线路发生短路故障时，各换流器直流侧稳态电压如下表所示：
为使DC/DC自耦变压器具备在外部直流线路短路故障情况下的故障穿越能力，换流器VSC1和换流器VSC3的直流侧工作电压范围必须涵盖区间[-E1/2,E2/2]，而换流器VSC2的直流侧工作电压范围必须涵盖区间[0,E1]；
(1-2)确定各换流器额定直流电流，由以下公式给出：
(1-3)确定各换流变压器的额定容量，由以下公式给出：
(2)具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器的换流器协调控制方法
具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器在正常运行时，换流器VSC2采用交流母线电压控制模式，即维持交流母线电压为设定值；换流器VSC1和换流器VSC3采用直流电流控制模式，即它们的直流侧电流维持在远方控制中心下达的功率指令对应的电流值PT/E2，其中，PT为具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器运行时由远方控制中心下达的传输功率指令值，E2为当时具备外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器运行的高压侧直流电压，具备外部直流故障穿越能力的DC/DC自耦变压器在检测到各类外部直流线路短路故障时，将切换至故障穿越控制模式，具体控制方法如下：
(2-1)在检测到高压侧外部直流线路发生单极对地短路故障时，换流器VSC2工作模式不变，即采用在DC/DC自耦变压器跟踪远方给定功率指令条件下的维持交流母线电压为设定值的控制模式，而对换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值进行修正，记修正后的换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值为idcref_m1，则在最低换流器配置条件下，idcref_m1取远方功率指令值PT除以高压侧发生单极对地短路故障后的直流电压Vdc2所得到的值和满足协调控制器所确定的约束条件的高压侧直流电流值idcLim1的较小值，其中，idcLim1由下式确定：
(2-2)在检测到高压侧外部直流线路发生双极短路故障时，换流器VSC2工作状态不变，即采用在DC/DC自耦变压器跟踪远方给定功率指令条件下的维持交流母线电压为设定值的控制模式，而换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值同时设置为负值并在快速灭除故障点电弧后变为零或者直接为零；
(2-3)在检测到低压侧外部直流线路发生单极对地短路故障时，换流器VSC2进入低压运行状态，且继续采用维持交流母线电压稳定控制模式，而对换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令进行修正，记修正后的换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令值为idcref_m2，在最低换流器配置条件下，idcref_m2取远方功率指令值PT除以高压侧当时运行的直流电压Vdc2所得到的值和满足协调控制器所确定的约束条件的高压侧直流电流值idcLim2的较小值，其中，idcLim2由下式确定：
(2-4)在检测到低压侧外部直流线路发生双极短路故障时，换流器VSC2进入零压运行状态，而换流器VSC1和换流器VSC3的直流电流指令同时设置为负值并在快速灭除故障点电弧后变为零或者直接为零；
(2-5)在外部故障清除后，各个换流器恢复正常工作指令运行。
2.根据权利要求1所述的一种DC/DC自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法，其特征是：具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器包括跨接在高压侧直流正极和低压侧直流正极之间的换流器为VSC1、跨接在低压侧直流正极和低压侧直流负极之间的换流器为VSC2、跨接在低压侧直流负极和高压侧直流负极之间的换流器为VSC3，且换流器VSC1、VSC2和VSC3采用具有故障隔离能力的拓扑；具备对外部直流线路短路故障穿越能力的DC/DC自耦变压器本地采用双层控制，其本地控制系统包括第一层的协调控制器和第二层的换流器VSC1底层控制器、换流器VSC2底层控制器以及换流器VSC3底层控制器，其中，协调控制器包含正常运行时根据远方控制中心功率指令值产生直流电流指令值的正常模式电流指令生成环节、外部直流线路故障类型识别环节和故障电流指令生成环节，正常模式电流指令生成环节接收远方控制指令并将功率指令转换为电流指令下达给换流器VSC1底层控制器和换流器VSC3底层控制器，而故障电流指令生成环节根据外部直流线路的故障类型给出相应的满足约束条件的高压侧直流电流值限制值idcLim1以及idcLim2。
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