CN204333972U - 多端柔性直流输电设备 - Google Patents

Abstract

一种多端柔性直流输电设备，其中至少两个换流站为采用直流电压斜率控制的定直流电压站，其余换流站为采用定有功功率控制的定功率换流站。多端柔性直流输电设备设置有n个定直流电压站、m个定功率换流站和一个功率分配器，功率分配器设置有功率反馈计算器和n个与定直流电压站一一对应连接的直流电压控制器。功率反馈计算器设置有n个滤波器和一个加法器。每个直流电压控制器分别设置有分配器、第一比较器、比例积分器、第二比较器和直流电压斜率控制器。每个定直流电压站分别设置有电压控制器、外环电压控制器、内环电流控制器和反PARK变换器及换流阀。本实用新型能将***运行电压稳定到额定电压上。

Description

多端柔性直流输电设备

技术领域

本实用新型属于多端柔性直流输电***技术领域，尤其涉及多端柔性直流输电设备。

背景技术                       

多端柔性直流输电***是在同一直流网络中，含有两个以上VSC换流站的柔性直流输电***。其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电。作为一种灵活、快捷的输电方式，多端柔性直流输电技术在风电等新能源并网、构筑城市直流配电网等领域具有广阔的应用前景。

多端柔性直流输电设备稳定运行的重要前提是直流电压的稳定。目前，直流电压控制器有主从控制、直流电压偏差控制及直流电压斜率控制。其中，主从控制实现简单，但对换流站间通信要求较高，换流站间通信的准确性直接影响控制效果。电压偏差控制无需站间通信，但设计复杂，控制器参数的选取会对控制的效果造成影响。直流电压斜率控制方法无需站间通信，结构简单，根据各换流站不同的容量特性设定各自斜率不同的调差特性曲线，实现多个换流站共同作用、同时决定***运行状态，能够弥补只采用一个换流站作为主站进行直流电压控制的缺陷。

定直流电压斜率控制方法，可以采用电压-有功功率下降特性或采用电压-电流下降特性两种方法，斜率一般按容量进行整定，但定直流电压斜率控制有两个问题，第一个问题是由于定直流电压站采用了直流电压斜率控制，当实际功率偏离了下垂特性设计的额定功率，会导致直流电压偏移额定电压，第二个问题是设计多个定直流电压站之间功率分配时，现有技术中通常忽略掉线路电阻，导致多个定直流电压控制站之间的功率分配偏离设计的分配比例。

因此，针对现有技术不足，提供一种多端柔性直流输电设备中多个定直流电压站的功率分配方法以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本实用新型的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种多端柔性直流输电设备，既能将多端柔性直流输电设备的运行电压稳定到额定电压上，又能使多个定直流电压站的功率按照设定的比例分配，且不受线路电阻的影响。

本实用新型的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种多端柔性直流输电设备，含有三个以上柔性直流换流站或由三个以上柔性直流换流站构成的柔性直流输电***，其中至少两个换流站为采用直流电压斜率控制的定直流电压站，其余换流站为采用定有功功率控制的定功率换流站。

上述多端柔性直流输电设备设置有n个定直流电压站、m个定功率换流站和一个功率分配器，其中，n为大于等于2的自然数，m为大于等于1的自然数；

n个定直流电压站分别为第1定直流电压站、第2定直流电压站、……第i定直流电压站、……和第n定直流电压站，1≤i≤n；

m个定功率换流站分别为1定功率换流站、第2定功率换流站、……第y定功率换流站、……和第m定功率换流站，1≤i≤m；

所述功率分配器设置有功率反馈计算器和n个与定直流电压站一一对应连接的直流电压控制器，n个直流电压控制器分别为第1直流电压控制器、第2直流电压控制器、……第i直流电压控制器、……和第n直流电压控制器；

所述功率反馈计算器设置有n个滤波器和一个加法器，n个滤波器分别与n个定直流电压站一一对应连接，n个滤波器分别为第1滤波器、第2滤波器、……第i滤波器、……和第n滤波器；

第i定直流电压站的有功功率反馈值P_fi输入端与第i滤波器的输入端连接，第i滤波器输出第i定直流电压站有功功率反馈值P_fbki，第i滤波器的输出端与加法器的输入端连接，加法器求和计算获得定直流电压站的总有功功率P，加法器的输出端分别与每个直流电压控制器的输入端连接；

每个直流电压控制器分别设置有分配器、第一比较器、比例积分器、第二比较器和直流电压斜率控制器；

第i直流电压控制器设置有分配器i、第一比较器i、比例积分器i、第二比较器i和直流电压斜率控制器i；

第i直流电压控制器的分配器i的分配系数设置为k_i，n个直流电压控制器的分配器的分配系数满足式（2）：

；

加法器的输出端输出总有功功率P，加法器的输出端与分配器i的输入端连接，分配器i的输出端、第i定直流电压站的有功功率反馈值P_fbki输出端分别输入至第一比较器i，第一比较器i的输出端与比例积分器i的输入端连接，比例积分器i的输出端、分配器i的输出端分别与直流电压斜率控制器i的输入端连接；

每个定直流电压站分别设置有直流电压斜率控制单元、外环电压控制器、内环电流控制器和反PARK变换器及换流阀；

第i定直流电压站设置有直流电压斜率控制单元i、外环电压控制器i、内环电流控制器i和反PARK变换器i及换流阀i；

直流电压斜率控制单元i设置有电流低通滤波器i、电流转换器i、电流比较器i、斜率控制器i、电压微调比较器i和电压比较器i；

换流阀i输出的电流I_dci连接输入至电流低通滤波器i的输入端，有功功率指令值P_refi输出端和直流电压斜率控制器i的输出端分别输入至电流转换器i，电流转换器i的输出端、电流低通滤波器i的输出端分别与电流比较器i的输入端连接，电流比较器i的输出端与斜率控制器i的输出端连接，斜率控制器i的输出端、直流电压斜率控制器i的输出端分别与电压微调比较器i的输入端连接，电压微调比较器i的输出端、换流阀i输出的电压U_dci分别与电压比较器i的输入端连接，电压比较器i的输出端与外环电压控制器i的输入端连接，外环电压控制器i的输出端与内环电流控制器i的输入端连接，内环电流控制器i的输出端与反PARK变换器i的输入端连接，反PARK变换器i的输出端与换流阀i连接。

设第y定功率换流站的功率为P_y，m个定功率换流站的功率满足式（3）：

 ……式（3）。

优选的，上述多端柔性直流输电设备设置有2个定直流电压站和1个定功率换流站和功率分配器。

优选的，比例积分器1和比例积分器2按照式（4）的逻辑关系进行有功率指令值计算：

 ；

其中，k_p1和k_i1为第1定直流电压站的比例积分器1的积分参数，k_p2、k_i2为第2定直流电压站的比例积分器2的积分参数， P_ref1、P_ref2分别为第1定直流电压站、第2定直流电压站的有功功率指令值，s代表积分，代表比例积分器1的比例控制，代表比例积分器1的积分控制，代表比例积分器2的比例控制，代表比例积分器2的积分控制。

本实用新型的一种多端柔性直流输电设备含有三个以上柔性直流换流站或由三个以上柔性直流换流站构成的柔性直流输电***，其中至少两个换流站为采用直流电压斜率控制的定直流电压站，其余换流站为采用定有功功率控制的定功率换流站。本实用新型的多端柔性直流输电设备中多个定直流电压站的功率分配方法操作灵活，功率分配比例可根据各站运行状态给定，并可设定为各定直流电压站容量范围内任意值。本实用新型提供的多端柔性直流输电设备，既能将***运行电压稳定到额定电压上，又能使多个定直流电压站功率按照设定的比例分配，且控制效果不受线路电阻的影响。

附图说明

利用附图对本实用新型作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本实用新型的任何限制。

图1是本实用新型一种多端柔性直流输电设备的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1中一种多端柔性直流输电设备的功率分配器的结构示意图。

图3是本实用新型实施例1中一种多端柔性直流输电设备的第i定直流电压站的结构示意图。

图4是本实用新型一种多端柔性直流输电设备实施例2的结构示意图。

图5是本实用新型一种多端柔性直流输电设备实施例2的功率分配器的部分结构示意图。

图6是本实用新型一种多端柔性直流输电设备的定直流电压站的外特性曲线。

图7是本实用新型实施例2仿真的***参数设置表。

图8是本实用新型实施例2仿真1的直流线路在各个时间段内电阻值表。

图9是本发明实施例2仿真1的在不同线路电阻时定直流电压站的功率波形图 图9（a)是未采用本发明方法的功率波形图，图9（b)是采用本发明方法的功率波形图。

图10是本发明实施例2仿真2的功率阶跃时定直流电压站的仿真波形图; 图10（a)是未采用本发明方法时的功率阶跃仿真波形图，图10（b)未采用本发明方法的直流电压仿真波形图，图10（c)是采用本发明方法的直流电压仿真波形图。

具体实施方式

结合以下实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例1。

一种多端柔性直流输电设备，含有三个以上柔性直流换流站或由三个以上柔性直流换流站构成的柔性直流输电***，其中至少两个换流站为采用直流电压斜率控制的定直流电压站，其余换流站为采用定有功功率控制的定功率换流站。

如图1所示，本实施例的多端柔性直流输电设备设置有n个定直流电压站、m个定功率换流站和一个功率分配器，其中，n为大于等于2的自然数，m为大于等于1的自然数。

n个定直流电压站分别为第1定直流电压站、第2定直流电压站、……第i定直流电压站、……和第n定直流电压站，1≤i≤n。

m个定功率换流站分别为1定功率换流站、第2定功率换流站、……第y定功率换流站、……和第m定功率换流站，1≤i≤m。

如图2、图3所示，功率分配器设置有功率反馈计算器和n个与定直流电压站一一对应连接的直流电压控制器，n个直流电压控制器分别为第1直流电压控制器、第2直流电压控制器、……第i直流电压控制器、……和第n直流电压控制器。

功率反馈计算器设置有n个滤波器和一个加法器，n个滤波器分别与n个定直流电压站一一对应连接，n个滤波器分别为第1滤波器、第2滤波器、……第i滤波器、……和第n滤波器。

第i定直流电压站的有功功率反馈值P_fi输入端连接至第i滤波器的输入端，经第i滤波器过滤处理后作为第i定直流电压站有功功率反馈值P_fbki输入至加法器，加法器将每个直流电压站有功功率反馈值按照式（1）进行求和计算获得定直流电压站的总有功功率P，

…… 式（1）。

每个直流电压控制器分别设置有分配器、第一比较器、比例积分器、第二比较器和直流电压斜率控制器。

第i直流电压控制器设置有分配器i、第一比较器i、比例积分器i、第二比较器i和直流电压斜率控制器i。

第i直流电压控制器的分配器i的分配系数设置为k_i，n个直流电压控制器的分配器的分配系数满足式（2）：

 …… 式（2）。

加法器将总有功功率P输入至分配器i，分配器i的输出端、第i定直流电压站的有功功率反馈值P_fbki分别输入至第一比较器i，第一比较器i的输出端与比例积分器i的输入端连接，比例积分器i的输出端、分配器i的输出端分别与直流电压斜率控制器i的输入端连接。

分配器i将总有功功率P与系数k_i相乘作为第i定直流电压站的有功功率设定值，第i定直流电压站的有功功率设定值与有功功率反馈值P_fbki通过第一比较器i比较，比较后的结果再经比例积分器i调节后与第i定直流电压站的有功功率设定值叠加，由第二比较器i产生直流电压斜率控制的有功功率指令值P_refi，直流电压斜率控制器i根据有功功率指令值P_refi产生U_dcrefi。

每个定直流电压站分别设置有直流电压斜率控制单元、外环电压控制器、内环电流控制器和反PARK变换器及换流阀。

第i定直流电压站设置有电压控制器i、外环电压控制器i、内环电流控制器i和反PARK变换器i及换流阀i。

直流电压斜率控制单元i设置有电流低通滤波器i、电流转换器i、电流比较器i、斜率控制器i、电压微调比较器i和电压比较器i。

换流阀i输出的电流I_dci输入至电流低通滤波器i的输入端，有功功率指令值P_refi和直流电压斜率控制器i产生的U_dcrefi分别输入至电流转换器i，电流转换器i的输出端、电流低通滤波器i的输出端分别与电流比较器i的输入端连接，电流比较器i的输出端与斜率控制器i的输出端连接，斜率控制器i的输出端、直流电压斜率控制器i的输出端分别与电压微调比较器i的输入端连接，电压微调比较器i的输出端、换流阀i输出的电压U_dci分别与电压比较器i的输入端连接，电压比较器i的输出端与外环电压控制器i的输入端连接，外环电压控制器i的输出端与内环电流控制器i的输入端连接，内环电流控制器i的输出端与反PARK变换器i的输入端连接，反PARK变换器i的输出端与换流阀连接。

电流转换器i根据有功功率指令值P_refi和直流电压斜率控制器i产生的U_dcrefi获得直流电流参考值；换流阀i输出的电流I_dci作为反馈信号，经过电流低通滤波器i进行低通滤波后与直流电流参考值比较，斜率控制器i对比较的结果与下降斜率R_drpi进行相乘操作，相乘后的结果作为微调信号与直流电压参考值叠加获得修正后的直流电压参考值i，修正后的直流电压参考值i与直流电压比较送入外环电压控制器i，由外环电压控制器i处理后再输入至内环电流控制器i，内环控制器i的处理结果经反PARK变换器i输入至第i定直流电压站。

设第y定功率换流站的功率为P_y，m个定功率换流站的功率满足式（3）：

 ……式（3）。

本实用新型的一种多端柔性直流输电设备，定直流电压站取其直流电流为反馈信号，下降斜率可按换流站容量整定，功率分配比例可根据各站运行状态给定，并可设定为各定直流电压站容量范围内任意值。该多端柔性直流输电设备，既能将***运行电压稳定到额定电压上，又能使多个定直流电压站功率按照设定的比例分配，且控制效果不受线路电阻的影响。

实施例2。

本实施例以三端柔性直流输电***为例进行实用新型方法的详细阐述。该多端柔性直流输电设备设置有2个定直流电压站和1个定功率换流站和功率分配器，如图4、图5所示。

2个定直流电压站分别为第1定直流电压站、第2定直流站（为了便于描述，以下以T1代表第1定直流电压站，以T2代表第2定直流电压站，以T3代表定功率换流站）。

定直流电压站T1、T2以各自输出端的直流电流作为反馈信号，经过低通滤波后与直流电流参考值比较，再乘以下降斜率Rdrp，作为微调信号与直流电压参考值叠加，修正后的直流电压参考值与直流电压比较送入外环电压控制器。其外特性如图4所示，其中下降斜率Rdrp根据换流站容量整定，电流限幅Imax根据换流站容量设置。当***有功功率出现缺额时，采用直流电压斜率控制的定直流电压站会按斜率特性自动分配有功功率。

由于定直流电压站采用直流电压斜率控制，直流线路的稳态电压可能偏离额定电压。而且由于线路电阻的存在，实际功率分配与设定会有一定偏差。因此，需要进行二次调整，功率分配器的部分结构如图5所示，其中，P_fbk1、P_fbk2分别T1、T2站交流侧有功功率经滤波后的值；k₁、k₂分别为换流站T1、T2功率分配系数，满足k₁+k₂=1的关系。

k₁、k₂可由运维人员在集控中心设定，可设为换流站容量范围内的任意值；k_p1、k_i1、k_p2、k_i2分别为换流站T1、T2的功率分配控制的PI参数；P_ref1、P_ref2分别为换流站T1、T2有功功率指令值，分别发送给T1、T2的直流电压斜率控制器。

比例积分器1和比例积分器2按照式（4）的逻辑关系进行有功率指令值计算：

 ；

其中，k_p1和k_i1为第1定直流电压站的比例积分器1的积分参数，k_p2、k_i2为第2定直流电压站的比例积分器2的积分参数， P_ref1、P_ref2分别为第1定直流电压站、第2定直流电压站的有功功率指令值，s代表积分，代表比例积分器1的比例控制，代表比例积分器1的积分控制，代表比例积分器2的比例控制，代表比例积分器2的积分控制。

引入功率分配后，第1定直流电压站、第2定直流电压站实际有功功率参考值可根据各站状态设定功率分配比例，微调定直流电压站功率参考值，使得个定直流电压站的功率分配满足原始设定，并且使直流线路稳态电压回到额定电压上。

本实用新型在PSCAD/EMTDC平台上搭建了三端柔性直流输电***模型，该模型中的主回路参数和仿真案例仅为验证本专利所述方法的正确性，***参数设置如附图7的表1所示，仿真波形中Edc为直流电压波形，Pfbk1、Pfbk2分别为第1定直流电压站、第2定直流电压站发出有功功率波形。

进行仿真1：设T1、T2按2:1吸收T3发出100MW有功功率，直流线路在各个时间段内电阻值如图8的表2所示，下降斜率k2=2*k1，未采用本实用新型方法和采用本实用新型方法的仿真波形分别如图9中（a）、（b）所示。

    由图9可以看出，未采用本实用新型方法时，由于线路电阻值的变化，使得实际下降斜率与设定下降斜率不符，从而导致实际功率与设定功率分配比例不一致。采用本实用新型方法后，由于功率分配部分根据各定直流电压站实际有功功率不断修正直流电压斜率控制的有功功率参考值，使得各定直流电压站按照设定比例分配有功功率。

进行仿真2：忽略线路电阻的影响，T1、T2下降斜率按1:2设定，2-4s，T3发出100MW有功功率，4-6s，T3发出50MW有功功率，6-8s，T3发出150MW有功功率，未采用本实用新型方法和采用本实用新型方法时的直流电压仿真波形如图10（b）、（c）所示。

由图10（b）可以看出，由于采用直流电压斜率控制，当T3功率阶跃，***出现功率缺额时，实际功率偏离了下垂特性设计的额定功率，会导致直流电压偏移额定电压。采用本实用新型方法后，由于引入功率分配，不断修正直流电压斜率控制有功参考值，使得不同负载稳态时直流电压稳定在额定值附近。由于忽略线路电阻，未采用本实用新型方法时，功率分配可按下降斜率的比例进行分配，仿真波形如图10（a）所示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种多端柔性直流输电设备，其特征在于：含有三个以上柔性直流换流站或由三个以上柔性直流换流站构成的柔性直流输电***，其中至少两个换流站为采用直流电压斜率控制的定直流电压站，其余换流站为采用定有功功率控制的定功率换流站。

2.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电设备，其特征在于：

所述多端柔性直流输电设备设置有n个定直流电压站、m个定功率换流站和一个功率分配器，其中，n为大于等于2的自然数，m为大于等于1的自然数；

n个定直流电压站分别为第1定直流电压站、第2定直流电压站、……第i定直流电压站、……和第n定直流电压站，1≤i≤n；

m个定功率换流站分别为1定功率换流站、第2定功率换流站、……第y定功率换流站、……和第m定功率换流站，1≤i≤m；

所述功率分配器设置有功率反馈计算器和n个与定直流电压站一一对应连接的直流电压控制器，n个直流电压控制器分别为第1直流电压控制器、第2直流电压控制器、……第i直流电压控制器、……和第n直流电压控制器；

所述功率反馈计算器设置有n个滤波器和一个加法器，n个滤波器分别与n个定直流电压站一一对应连接，n个滤波器分别为第1滤波器、第2滤波器、……第i滤波器、……和第n滤波器；

第i定直流电压站的有功功率反馈值P_fi输入端与第i滤波器的输入端连接，第i滤波器输出第i定直流电压站有功功率反馈值P_fbki，第i滤波器的输出端与加法器的输入端连接，加法器求和计算获得定直流电压站的总有功功率P，加法器的输出端分别与每个直流电压控制器的输入端连接；

每个直流电压控制器分别设置有分配器、第一比较器、比例积分器、第二比较器和直流电压斜率控制器；

第i直流电压控制器设置有分配器i、第一比较器i、比例积分器i、第二比较器i和直流电压斜率控制器i；

第i直流电压控制器的分配器i的分配系数设置为k_i，n个直流电压控制器的分配器的分配系数满足式（2）：

；

加法器的输出端输出总有功功率P，加法器的输出端与分配器i的输入端连接，分配器i的输出端、第i定直流电压站的有功功率反馈值P_fbki输出端分别输入至第一比较器i，第一比较器i的输出端与比例积分器i的输入端连接，比例积分器i的输出端、分配器i的输出端分别与直流电压斜率控制器i的输入端连接；

每个定直流电压站分别设置有直流电压斜率控制单元、外环电压控制器、内环电流控制器和反PARK变换器及换流阀；

第i定直流电压站设置有直流电压斜率控制单元i、外环电压控制器i、内环电流控制器i和反PARK变换器i及换流阀i；

直流电压斜率控制单元i设置有电流低通滤波器i、电流转换器i、电流比较器i、斜率控制器i、电压微调比较器i和电压比较器i；

换流阀i输出的电流I_dci连接输入至电流低通滤波器i的输入端，有功功率指令值P_refi输出端和直流电压斜率控制器i的输出端分别输入至电流转换器i，电流转换器i的输出端、电流低通滤波器i的输出端分别与电流比较器i的输入端连接，电流比较器i的输出端与斜率控制器i的输出端连接，斜率控制器i的输出端、直流电压斜率控制器i的输出端分别与电压微调比较器i的输入端连接，电压微调比较器i的输出端、换流阀i输出的电压U_dci分别与电压比较器i的输入端连接，电压比较器i的输出端与外环电压控制器i的输入端连接，外环电压控制器i的输出端与内环电流控制器i的输入端连接，内环电流控制器i的输出端与反PARK变换器i的输入端连接，反PARK变换器i的输出端与换流阀i连接。

3.根据权利要求2所述的多端柔性直流输电设备，其特征在于：

第y定功率换流站的功率为P_y，m个定功率换流站的功率满足式（3）：

 ……式（3）。

4.根据权利要求3所述的多端柔性直流输电设备，其特征在于：所述多端柔性直流输电设备设置有2个定直流电压站和1个定功率换流站和功率分配器。

5.根据权利要求4所述的多端柔性直流输电设备，其特征在于：

比例积分器1和比例积分器2按照式（4）的逻辑关系进行有功率指令值计算：

 ；

其中，k_p1和k_i1为第1定直流电压站的比例积分器1的积分参数，k_p2、k_i2为第2定直流电压站的比例积分器2的积分参数， P_ref1、P_ref2分别为第1定直流电压站、第2定直流电压站的有功功率指令值，s代表积分，代表比例积分器1的比例控制，代表比例积分器1的积分控制，代表比例积分器2的比例控制，代表比例积分器2的积分控制。