CN109120005B - 一种多端柔性直流输电***功率协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种多端柔性直流输电***功率协调控制方法，所述方法从VSC‑MTDC***中选取额定容量较大的一个换流站作为主换流站并对其采用定直流电压控制，其余换流站分为两组并分别采用自适应下垂控制和定有功功率控制，当***中的不平衡功率在主换流站调节范围内时，由主换流站单独进行调节，当主换流站满载或退出运行时，由采用下垂控制的换流站对多余的不平衡功率进行调节并根据不平衡功率导致的直流侧电压的变化自动调节换流站输出的有功功率，使***功率重新达到平衡。本发明可避免出现电压越限现象，减小直流侧电压波动，充分利用换流站的有功功率容量。该方法可有效提高多端柔性直流输电***的控制品质，满足***在不同工况下的控制要求。

Description

一种多端柔性直流输电***功率协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流输电***中功率协调控制方法，属于输配电技术领域。
背景技术
基于电压源换流器的多端柔性直流(voltage source converter multi-terminal DC，VSC-MTDC)输电技术是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，具有可向无源网络供电、不会出现换相失败以及易于构成多端直流***等优点，以其较高的灵活性、经济性和可靠性，在新电源并网、大容量远距离电能输送以及新增城市直流配电网等领域有着广泛的应用前景。
多端柔性直流输电***是构建智能电网的重要组成部分，与传统方式相比，多端柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流***互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。
相比于两端高压直流输电，VSC-MTDC***控制策略更加复杂，控制方式也更灵活多变。电压下垂控制的优势在于进行功率调节时可以确保每个具备功率调节能力的换流站都能参与不平衡功率的调节，提高***的稳定性。主从控制的优势在于采用定直流电压控制的换流站可以平衡***中的功率变化，将直流电压维持在额定值附近，尤其适于在直流配电网中应用。电压裕度控制的优势在于可以根据直流电压的变化自动对换流站的控制模式进行切换。但目前的控制策略主要存在以下缺点：
(1)换流站采用传统的定斜率下垂控制时，直流电压容易发生越限，且多个换流站在功率协调控制过程中不能充分利用换流站的有功功率容量。
(2)主从控制的实现对通讯***有较高的要求，当通讯中断时会导致电压失稳甚至***解列。
(3)电压裕度控制在换流站控制模式的切换过程中容易发生功率振荡，且电压裕度的选取较为复杂，多个后备定直流电压换流站的优先级确定困难，当换流站较多时难以实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于自适应下垂控制的多端柔性直流输电***功率协调控制方法，以提高输电***的控制品质，满足实际***在不同工况下的控制要求。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种多端柔性直流输电***功率协调控制方法，所述方法从VSC-MTDC***中选取额定容量较大的一个换流站作为主换流站，并对其采用定直流电压控制，其余换流站分为两组并分别采用自适应下垂控制和定有功功率控制，当***中的不平衡功率在主换流站调节范围内时，由主换流站单独进行调节；当主换流站满载或退出运行时，由采用下垂控制的换流站对多余的不平衡功率进行调节，并根据不平衡功率导致的直流侧电压的变化自动调节换流站输出的有功功率，使***功率重新达到平衡。
上述多端柔性直流输电***功率协调控制方法，所述换流站自适应下垂控制的具体步骤如下：
a.检测换流站直流侧电压变化量ΔUdc，其表达式为：ΔUdc＝Ut-Ut-1，其中Ut为t时刻换流站直流侧电压；Ut-1为t-1时刻换流站直流侧电压；
b.计算换流站实际运行状态下可用功率变化量Pcan与允许电压变化量Ucan：
定义|Pcan|为换流站的功率裕度；换流站可用功率变化量Pcan的表达式为：
Figure GDA0001878439750000021
其中Pmax为换流站的额定功率；Pt-1为t-1时刻换流站的有功功率实际值；
换流站允许电压变化量Ucan的表达式为：
Figure GDA0001878439750000031
其中Udcmax、Udcmin分别为直流电压允许波动范围的上限和下限；
c.计算换流站有功功率指令值变化量ΔP：
Figure GDA0001878439750000032
d.根据t-1时刻换流站的有功功率实际值Pt-1与换流站有功功率指令值变化量ΔP确定当前时刻换流站的有功功率指令值Pt ref：
Pt ref＝Pt-1+ΔP
上述多端柔性直流输电***功率协调控制方法，为了防止换流站有功功率指令值频繁调整，在直流电压变化量ΔUdc上引入滞环控制，环宽为2Udm，若电压偏差在环宽以内，则将换流站有功功率指令值变化量ΔP设置为0，即换流站有功功率指令值Pt ref保持不变：
Figure GDA0001878439750000033
其中
Figure GDA0001878439750000034
为t-1时刻换流站有功功率指令值。
本发明优先采用定直流电压控制的换流站来调节不平衡功率，可以使直流电压维持在额定值附近，避免出现电压越限现象；采用自适应下垂控制的换流站不仅能减小直流侧电压波动，而且能充分利用换流站的有功功率容量。该方法可有效提高多端柔性直流输电***的控制品质，满足实际***在不同工况下的控制要求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为五端柔性直流输电***结构图；
图2为自适应下垂控制P-Udc特性曲线；
图3为自适应下垂控制K-ΔUdc特性曲线；
图4为自适应下垂控制ΔP-ΔUdc特性曲线。
附图或文中所用标号和符号清单为：1、交流电网A，2、交流电网B，3、交流电网C，4、交流电网D，5、交流电网E，6、换流站VSC1，7、换流站VSC2，8、换流站VSC3，9、换流站VSC4，10、换流站VSC5，11、直流母线B1，12、直流母线B2，13、直流输电线路L1，14、直流输电线路L2，VSC-MTDC、多端柔性直流，PWM、脉宽调制，ΔUdc、直流侧电压变化量，Ut、t时刻换流站直流侧电压，Ut-1、t-1时刻换流站直流侧电压，ΔP、换流站有功功率指令值变化量，Pt ref、t时刻换流站有功功率指令值，Pmax、换流站的额定功率，Udm、直流电压变化量上引入滞环的环宽，VSC、电压源型换流器，Pcan、换流站可用有功功率变化量，|Pcan|、换流站的功率裕度，
Figure GDA0001878439750000041
t-1时刻换流站有功功率指令值，Pt-1、t-1时刻换流站有功功率实际值，Ucan、换流站允许电压变化量，Udcmax、直流电压允许波动范围的上限，Udcmin、直流电压允许波动范围的下限，K、换流站进行功率调节的下垂系数。
具体实施方式
本发明能够优先令采用定直流电压控制的主换流站来承担***中的功率变化，可以使直流电压维持在额定值附近；当主换流站满载或退出运行时，采用自适应下垂控制的换流站检测到直流电压发生变化后，根据换流站的功率裕度将不平衡功率进行合理分配，使***重新达到平衡，同时将直流电压限制在允许范围内。
换流站采用的下垂控制又被称作直流电压斜率控制，是指多个具备有功功率调节能力的换流站通过检测直流电压的变化，按照预先制定的下垂系数来改变有功功率的指令值，实现不平衡功率的快速分配，使***重新达到平衡。
本发明假设VSC-MTDC***中共有n个换流站，选取额定容量较大的一个换流站作为主换流站，如选取VSC1作为主换流站，采用定直流电压控制，当***中的不平衡功率在主换流站调节范围内时，由主换流站单独进行调节。当主换流站满载或退出运行时，多余的不平衡功率由采用自适应下垂控制的换流站进行调节，如选取VSC2，VSC3，…，VSCm采用自适应下垂控制；此时***中的不平衡功率会导致直流侧电压发生变化，采用下垂控制的换流站根据变化后的直流电压自动调节换流站输出的有功功率，使***功率重新达到平衡。其余(n-m)个换流站采用定有功功率控制，可用于新能源接入和负载。
参见图1，五端柔性直流输电***包括：
1.交流电网A，是三相对称的***，与换流站VSC1相连接。
2.交流电网B，是三相对称的***，与换流站VSC2相连接。
3.交流电网C，是三相对称的***，与换流站VSC3相连接。
4.交流电网D，是三相对称的***，与换流站VSC4相连接。
5.交流电网E，是三相对称的***，与换流站VSC5相连接。
6.换流站VSC1，与交流电网A和直流母线B1相连接，用于进行电能的交直流变换。
7.换流站VSC2，与交流电网B和直流母线B1相连接，用于进行电能的交直流变换。
8.换流站VSC3，与交流电网C和直流母线B1相连接，用于进行电能的交直流变换。
9.换流站VSC4，与交流电网D和直流母线B2相连接，用于进行电能的交直流变换。
10.换流站VSC5，与交流电网E和直流母线B2相连接，用于进行电能的交直流变换。
11.直流母线B1，与换流站VSC1、VSC2、VSC3和直流输电线路L1、L2相连接，是直流输电中的枢纽。
12.直流母线B2，与换流站VSC4、VSC5和直流输电线路L1、L2相连接，是直流输电中的枢纽。
13.直流输电线路L1，与两端的直流母线B1、B2相连接，对两端的直流母线进行能量交换。
14.直流输电线路L2，与两端的直流母线B1、B2相连接，对两端的直流母线进行能量交换。
参见图1，选取VSC1作为主换流站，采用定直流电压控制；选取VSC2和VSC3采用自适应下垂控制，当VSC1满载或退出运行时，由VSC2和VSC3来承担***中的不平衡功率；选取VSC4和VSC5采用定有功功率控制，可用于新能源接入和负载。
换流站采用自适应下垂控制的具体步骤如下：
第一步：检测换流站直流侧电压变化量ΔUdc，其表达式为：ΔUdc＝Ut-Ut-1。Ut为t时刻换流站直流侧电压；Ut-1为t-1时刻换流站直流侧电压；
第二步：为了防止换流站有功功率指令值频繁调整，在直流电压变化量ΔUdc上引入滞环控制，环宽为2Udm。电压偏差在环宽以内，则换流站有功功率指令值变化量ΔP为0，即换流站有功功率指令值Pt ref保持不变：
Figure GDA0001878439750000061
Figure GDA0001878439750000062
为t-1时刻换流站有功功率指令值；
第三步：当|ΔUdc|>Udm时，采用自适应下垂控制的换流站需要承担***中的不平衡功率，计算换流站实际运行状态下可用功率变化量Pcan与允许电压变化量Ucan，以确定换流站有功功率指令值变化量ΔP；
定义|Pcan|为换流站的功率裕度；换流站可用功率变化量Pcan的表达式为：
Figure GDA0001878439750000063
Pmax为换流站的额定功率；换流站允许电压变化量Ucan的表达式为：
Figure GDA0001878439750000064
Udcmax、Udcmin分别为直流电压允许波动范围的上限和下限；
第四步：设定采用自适应下垂控制换流站的下垂系数K与换流站可用功率变化量Pcan成正比，目的是在直流电压变化量相同的情况下，可以使不平衡功率根据换流站的功率裕度进行合理分配；同时设定在直流电压达到允许的波动极限时，所有采用自适应下垂控制的换流站同时达到满载状态，目的是最大限度地利用换流站的有功容量，同时将直流电压限制在允许范围内。则下垂系数K应满足：
Figure GDA0001878439750000071
H为符合设定的一个常数；令下垂系数K根据上式中的两个端点线性变化，则其表达式为：
Figure GDA0001878439750000072
以ΔUdc为自变量对上式积分可得，换流站有功功率指令值变化量ΔP为：
Figure GDA0001878439750000073
C为积分常数；同时ΔP应满足：
Figure GDA0001878439750000074
综合以上各式可得：
Figure GDA0001878439750000075
Figure GDA0001878439750000076
第五步：根据t-1时刻换流站的有功功率实际值Pt-1与换流站的有功功率指令值变化量ΔP确定当前时刻换流站的有功功率指令值Pt ref：
Pt ref＝Pt-1+ΔP
第六步：综上，当前时刻换流站的有功功率指令值Pt ref：
Figure GDA0001878439750000077
自适应调节关系曲线如图2所示，假设初始状态下换流站运行于A点，当直流电压上升后，换流站运行状态由A点沿曲线1运行到B点，对应的下垂系数K根据换流站的实时可用功率变化量Pcan和允许电压变化量Ucan灵活调节；当直流电压下降后，换流站运行状态由B点沿曲线2运行到C点；当直流电压再次上升至Udcmax时，换流站运行状态由C点沿曲线3运行到D点，此时换流站达到满载，切换至定有功功率运行。在图2所示的三次功率调节中，均以A、B、C三点的实际运行状态为基准，制定功率调节关系曲线，同时根据变化后的直流电压来调节换流站有功功率的指令值；当直流电压达到允许的波动极限时，换流站达到满载，平滑切换至定有功功率运行。
在图2中，假设某一时刻换流站1的运行状态对应于A点，换流站2的运行状态对应于A*点，当直流电压升高时，换流站1的P-Udc关系曲线对应曲线1的A-D段，换流站2的P-Udc关系曲线对应曲线3的A*-D段，自适应下垂控制策略可以将***中的不平衡功率根据换流站的功率裕度进行合理分配，可以最大限度地利用换流站的有功功率容量，同时将直流电压限制在允许范围内。
图3、4中各有三条曲线，分别对应图2中在A、B、C三点进行的功率调节，其中图3对应的是K-ΔUdc的关系曲线，图4对应的是ΔP-ΔUdc的关系曲线。由图3、4可见，在功率调节中，随着|ΔUdc|的增大，|K|逐渐减小，当|ΔUdc|变化较小时，|K|较大，|ΔUdc|单位变化时对应较大的调节功率，有利于减小直流侧电压波动；当|ΔUdc|逐渐接近至|Ucan|时，|K|逐渐减小至0，|ΔUdc|单位变化时对应较小的调节功率，ΔP变化趋缓，此时所有采用自适应下垂控制的换流站都接近满载，降低了换流站间直流电压的误差对于功率调节的影响。
综上所述，自适应下垂控制策略将直流电压设定为***的全局变量，根据换流站的功率裕度将***中的不平衡功率进行合理分配；以换流站的实际运行状态为基准，制定功率调节关系曲线；自适应下垂控制策略可以根据实时可用功率变化量和允许电压变化量灵活调节下垂系数，有利于减小直流侧电压波动。此外，当直流电压达到允许的波动极限时，所有采用自适应下垂控制的换流站同时达到满载，降低了多个换流站间直流电压的误差对功率调节的影响，可以最大限度地利用换流站的有功功率容量，且有利于自适应下垂控制模式向定有功功率控制模式的平滑切换。

Claims (2)

1.一种多端柔性直流输电***功率协调控制方法，其特征是，所述方法从VSC-MTDC***中选取额定容量较大的一个换流站作为主换流站并对其采用定直流电压控制，其余换流站分为两组并分别采用自适应下垂控制和定有功功率控制，当***中的不平衡功率在主换流站调节范围内时，由主换流站单独进行调节，当主换流站满载或退出运行时，由采用下垂控制的换流站对多余的不平衡功率进行调节并根据不平衡功率导致的直流侧电压的变化自动调节换流站输出的有功功率，使***功率重新达到平衡；
所述换流站自适应下垂控制的具体步骤如下：
a.检测换流站直流侧电压变化量ΔUdc，其表达式为：ΔUdc＝Ut-Ut-1，其中Ut为t时刻换流站直流侧电压；Ut-1为t-1时刻换流站直流侧电压；
b.计算换流站实际运行状态下可用功率变化量Pcan与允许电压变化量Ucan：
换流站可用功率变化量Pcan的表达式为：
Figure FDA0003481279390000011
其中Pmax为换流站的额定功率；Pt-1为t-1时刻换流站的有功功率实际值；
换流站允许电压变化量Ucan的表达式为：
Figure FDA0003481279390000012
其中Udcmax、Udcmin分别为直流电压允许波动范围的上限和下限；
c.计算采用自适应下垂控制的换流站的下垂系数K和有功功率指令值变化量ΔP：
Figure FDA0003481279390000021
Figure FDA0003481279390000022
d.根据t-1时刻换流站的有功功率实际值Pt-1与换流站有功功率指令值变化量ΔP确定当前时刻换流站的有功功率指令值
Figure FDA0003481279390000023
Figure FDA0003481279390000024
2.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流输电***功率协调控制方法，其特征是，为了防止换流站有功功率指令值频繁调整，在直流电压变化量ΔUdc上引入滞环控制，环宽为2Udm，若电压偏差在环宽以内，则将换流站有功功率指令值变化量ΔP设置为0，即换流站有功功率指令值
Figure FDA0003481279390000025
保持不变：
Figure FDA0003481279390000026
其中
Figure FDA0003481279390000027
为t-1时刻换流站有功功率指令值。
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