基于MMMC的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法与流程

基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法
技术领域
1.本发明属于柔性低频输电及ac/ac变流技术领域，具体涉及一种模块化多电平矩阵式换流器(modular multi-level matric converter,mmmc)低频侧子换流器或低频线路单相故障后转为两相输电对称运行方法。


背景技术：

2.电压和频率是交流电能的两个最重要的参数。自从发明了变压器后，从发电、输电到用电，人们可以根据需要选取不同的电压等级，已达到提高效率、方便使用的目的。但频率却似乎是技术禁区，只能是50hz或60hz。其实，历史上曾出现过25hz、50/3hz、50hz、60hz、133hz的电网，例如，1896年美国的布法罗水电站向纽约送电就采用了25hz的方案。实际上，如果能在发电、输电、用电等环节采用不同的频率，则可能发挥巨大的效益。例如，若采用较低的频率进行远距离输电可以大幅度提高线路输送能力；若采用较高的频率来使用电能，则可以显著减少电气设备的体积和重量，节约能源和原材料。随着新型材料的出现及电力电子技术的发展，各种用途的大功率变频器正不断开发出来，为更加科学合理的生产、输送和使用电能开辟了新的途径。基于这样一种思路，王锡凡教授在多年研究的基础上于1994年首次针对远距离水电开发提出了分频输电/低频输电方式。其基本思想是水电机组转速很低，适合发出频率较低的电能；而输送低频电能时，其线路阻抗与频率成比例的下降，因此可大幅度提高线路输送容量。交流输电系统的输送功率极限可用下式估计：
3.p
max
＝u2/x
4.其中：
5.u——输电系统额定电压
6.x——输电系统的电抗
7.从上式中我们可以看出，输电线路的输送功率与输电系统的额定电压的平方成正比，与系统的电抗x成反比。因此，为了提高输送功率，可以提高电压，也可以降低电抗，降低输电系统频率显然能够成反比地提高系统的输送功率极限。
8.由于电力电子技术的发展，模块化多电平换流器已在我们的柔性输电领域广泛应用，基于mmmc的低频输电系统存在拓扑结构简单、可以向无源黑网供电、功率潮流完全柔性可调、无需额外的无功补偿设备等显著优势。目前我国正在浙江杭州筹划建设一条端对端的此类型的低频输电示范项目。对于mmmc传统的控制策略，如果其子换流器故障，则直接建议闭锁换流器，该策略会导致系统当前的输送功率全部丢失，对系统有功和无功功率都造成过大的冲击；其次，如果低频侧线路发生单相故障，传统的mmmc控制策略会导致系统非对称运行，引入输大的负序电压分量，其控制策略也十分复杂。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本发明提出了一种基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，可有效提高低频输电系统的动态性能及经济性能。
10.为达到上述目的，本发明所述提出了一种基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，包括两端交流工频系统，低频输电输电线路，线路断路器，两侧mmmc变流器。其输电系统的整体框图如图1所示。
11.根据本发明，一种基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，应用于端对端的两端柔性低频输电送出系统中。当发生低频侧子换流器故障后，由三相输电方式转为二相输电方式，即切换跳开该子换流器以及与之相连接的交流低频线路，控制系统转换控制方式为两相输电方式；当发生低频线路单相故障后，则将两侧与之相连的子换流器闭锁，从而进入对称的两相输电方式。
12.当低频侧某子换流器故障后，不再直接闭锁换流器，而是由原三相输电方式转为二相输电方式，也即切换跳开该子换流器以及与之相连接的交流低频输电线路，控制系统转换为两相输电控制方式。
13.当低频输电线路发生单相故障时，mmmc不再进入非对称运行方式，而是直接把两侧与之相连的子换流器闭锁，从而进入对称的两相输电方式。
14.两相输电方式采用两种形式，第一种形式为：低频两相仍采用交流电，电压相位相差180度；第二种方式为：两相采用直流电，电压方向相反，该方式与mmc型柔性直流输电一致。
15.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
16.本发明所述端对端低频输电系统当mmmc发生低频侧子换流器或单相线路故障时的应对处理问题。当发生低频侧单相线路故障时，传统的方法是建议采用非对称运行方式穿越，控制算法过于复杂；当发生低频侧子换流器故障时，直接闭锁方式会丢失当前全部功率，对系统造成过大的冲击。而本发明方法可以平滑过渡且不丢失太多的功率，最重要的是过渡后的两相输电方式仍为对称结构，控制算法简单，具有明显的经济价值和社会价值。
附图说明
17.图1为基于mmmc的三相端对端低频输电系统应用场景电气接线示意图；
18.图2为转换后的二相端对端低频输电系统示意图。
具体实施方式
19.名词解释
20.子换流器：由联接交流系统同一相的3个桥臂共同构成，mmmc共有6个子换流器，分别为子换流器a(au、av、aw)、子换流器b(bu、bv、bw)、子换流器c(cu、cv、cw)、子换流器u(au、bu、cu)、子换流器v(av、bv、cv)、子换流器w(aw、bw、cw)。与低频侧子换流器有3个，分别为子换流器a、子换流器b和子换流器c。
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
22.当低频侧某子换流器故障后，不再建议直接闭锁换流器，而是由原三相输电方式转为二相输电方式，也即切换跳开该子换流器以及与之相连接的交流低频输电线路，控制系统转换为两相输电控制方式。
23.根据本发明，当低频输电线路发生单相故障时，mmmc不再进入非对称运行方式，而是直接把两侧与之相连的子换流器闭锁，从而进入对称的两相输电方式。
24.本发明采用的两相输电方式可以采用两种形式，第一种形式为：低频两相仍采用交流电，两相相位相差180度；第二种方式为：两相采用直流电(相当于频率为0)，电流方向相反，该方式与mmc型柔性直流输电一致。
25.下面对低频侧子换流器故障和低频侧线路单相故障两种情形分别说明。
26.参见图1，本发明基于mmmc的端对端低频输电系统低频侧子换流器或低频线路单相故障后转两相输电方式，包括两端交流工频系统，低频输电线路，两侧mmmc变流器。
27.1)情形一：低频侧子换流器单相故障，如变电站1的子换流器a控制系统故障
28.第一步：由于子换流器a与低频侧的a相相连，当变电站控制保护系统检测到子换流器a故障后，闭锁该站的子换流器a，并同时通过站间通信通知变电站2；
29.第二步：变电站2收到信息后也对应闭锁该站的子换流器a；
30.第三步：跳开与子换流器连接的低频侧交流线路；
31.第四步：控制系统平滑切换至两相输电方式，功率约降到原来的2/3。若采用直流输电方式，则两相直流量参考值方向相反；若采用交流输电方式，两相电压的相位180度。
32.2)情形二：低频线路发生单相故障，如低频线路a相永久接地
33.第一步：由于子换流器a与低频侧的a相相连，当变电站线路保护系统检测到a相故障后，线路两侧保护会跳开以隔离该线路故障。同时变电站控制保护系统闭锁该站的子换流器a，并同时通过站间通信通知变电站2；
34.3)第二步：变电站2保护自己检测到故障或收到信息后也对应闭锁该站的子换流器a；
35.4)第三步：控制系统平滑切换至两相输电方式，功率约降到原来的2/3。若采用直流输电方式，则两相直流电压参考值方向相反；若采用交流输电方式，两相电压的相位180度。
36.本发明通过电力系统电磁暂态专业仿真工具pscad/emtdc来编写程序、调试及验证。本策略适合基于mmmc的端对端低频输电的应用场景，其控制策略简单易用，可以在mmmc发生低频侧子换流器或低频线路单相故障后切换成两相输电方式，两相输电有交流和直流两种选择，故障后的系统仍保持对称运行，具有极大的工程实用价值。

技术特征：
1.一种基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，其特征在于，应用于端对端的两端柔性低频输电送出系统中，当发生低频侧子换流器故障后，由三相输电方式转为二相输电方式，即切换跳开该子换流器以及与之相连接的交流低频线路，控制系统转换控制方式为两相输电方式；当发生低频线路单相故障后，则将两侧与之相连的子换流器闭锁，从而进入对称的两相输电方式。2.根据权利要求1所述的基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，其特征在于，当低频侧某子换流器故障后，不再直接闭锁换流器，而是由原三相输电方式转为二相输电方式，也即切换跳开该子换流器以及与之相连接的交流低频输电线路，控制系统转换为两相输电控制方式。3.根据权利要求1所述的基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，其特征在于，当低频输电线路发生单相故障时，mmmc不再进入非对称运行方式，而是直接将两侧与之相连的子换流器闭锁，从而进入对称的两相输电方式。4.根据权利要求1所述的基于mmmc的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，其特征在于，两相输电方式采用两种形式，第一种形式为：低频两相仍采用交流电，电压相位相差180度；第二种方式为：两相采用直流电，电压方向相反，该方式与mmc型柔性直流输电一致。

技术总结
本发明公开了一种基于MMMC的端对端低频输电系统故障后转两相输电方法，应用于柔性低频输电送出系统中。当发生低频侧子换流器故障后不再闭锁整个系统，而是由原三相输电方式转为二相输电方式，也即切换跳开该子换流器以及与之相连接的交流低频线路，控制系统转换控制方式为两相输电方式；当发生低频线路单相故障后，MMMC不再进入非对称运行方式，而是直接把两侧与之相连的子换流器闭锁，从而进入对称的两相输电方式。本发明涉及的两相输电方式有直流和交流两种不同的形式，两相电压的相位相反(相差180度)。本发明实现了基于MMMC的端对端低频输电系统低频侧子换流器或低频线路单相故障后的应对策略，故障后系统的对称性好，经济性效益显著。济性效益显著。济性效益显著。


技术研发人员：苏匀 李少华 姚东晓 刘沈全
受保护的技术使用者：西安端怡科技有限公司 中国西电电气股份有限公司
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8