一种直流功率紧急控制装置及直流功率紧急支援方法
【专利摘要】本发明涉及一种直流功率紧急控制的装置及其控制方法，本装置将获取直流线路两端电网设备和控制装置的量测信号，并能实时而有效控制直流功率紧急支援过程；本发明中的控制方法将根据直流线路双侧同步相量数据，通过控制逻辑功能计算获取直流功率紧急支援指令，实现针对直流站对整个输电系统进行精准和快速的功率紧急支援功能；本发明能对交流电网短路引起的区域间有功失衡和同步发电机功角摇摆问题进行有效的抑制，尤其能在抑制大电网扰动后的暂态失稳问题时提供适量和适速的有功调节，提高复杂交直流输电系统运行稳定性。
【专利说明】一种直流功率紧急控制装置及直流功率紧急支援方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统的稳定控制领域，是一种针对直流功率紧急控制的装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着交直流互联电网的快速发展，越来越多的大功率直流输电集中落点到负荷中心，直流输电的庞大规模、快速控制响应能力对电网的动态特性、稳定风险和控制手段带来了一系列复杂的影响和深刻的变化。直流线路因故停运后，大量原来由直流线路输送的功率将转移到与之相并联的交流通道上，造成交流线路潮流过重及交流沿线电压降低，容易引发稳定问题；交流系统故障切除后，交流系统特别是直流换流母线的电压波动，影响了直流功率的传输，阻碍了交流系统电压、功角摆动的平息，不利于系统的稳定。在这种情况下，针对健全的直流线路运用妥善的策略对交流系统进行功率紧急支援，弥补送受端功率的不平衡，对系统的安全稳定运行有着重要的意义。
[0003]交直流大电网在严重交流故障或直流双极闭锁等故障下的暂态失稳仍然是限制电网输电能力的主要约束。目前，交流电网对于短路引起的区域间有功失衡和同步发电机功角摇摆问题一直缺少真正有效的抑制手段。抑制大电网扰动后的暂态失稳需要快速的大幅度的有功调节手段。而无论发电机PSS (电力系统稳定器)还是FACTs (柔性交流输电系统)受其有功潮流调节能力限制，均只能对小幅度的功率振荡提供阻尼，却难以对大规模电网的暂态稳定，尤其是第1-3个摇摆周期内功角失稳起到良好的抑制作用。直流输电方式的存在为改善大电网的暂态稳定性提供了全新的、更加有效的控制手段。直流输电系统有功功率幅度较大，调节速度较快。采用多回直流共同参与调节，可进一步提升系统调节功率的幅度和速度，使得直流输电系统的快速功率调制为改善大电网暂态稳定裕度提供了新的有效的控制手段。当严重交流故障或者单回直流双极闭锁等故障发生时，输电通道中的其它直流可以在快速辨识振荡模式的基础上，通过直流功率的快速、紧急调制，有效地控制发电机群摇摆过程中区域间的功率平衡关系，起到抑制功角摇摆，提高稳定极限的作用。
[0004]目前普遍采用的直流调制是在直流输电的控制系统中加入附加的直流调制器，根据就地交直流系统中提取反映系统异常的信号，来调制直流输电线路传输的功率，使之快速吸收或补偿其所连交流系统中的过剩或缺额功率，起到紧急支援、阻尼功率振荡和抑制频率波动等作用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是通过就地化的直流紧急控制装置实现一种直流线路功率输送策略，弥补送受端功率的不平衡，提高复杂交直流输电系统安全稳定运行的自保持能力。获取直流双侧功率状态及交流母线的运行状态，通过就地控制装置实时在线判别系统运行状态并根据系统暂态特性下发紧急调制信号至直流整流侧极控系统，提升或回降直流功率，快速缓解短时故障对系统的影响。本发明提供一种直流紧急控制装置，同时提供了一种基于该装置的紧急控制方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种直流功率的紧急控制装置，所述紧急控制装置包括整流侧控制主机和逆变侧控制从机，主机用于直流线路整流侧站端的信号采集和控制功能，从机用于直流线路逆变侧站端的信号采集功能，主从机之间采用电力专用数据通道进行实时通信；
[0007]所述主机包括信号采集及处理模块、控制器模块、输出接口模块、信号模块、人机接口模块；
[0008]所述从机包括信号采集及处理模块、输出接口模块、人机接口模块；
[0009]所述主机的信号采集及处理模块采集整流侧的量测数据，并进行整合形成数据断面，然后将数据断面发送至主机控制器模块，其中，所述整流侧的量测数据包括整流侧交流母线电压、整流侧直流极电压、整流侧直流极功率；
[0010]所述从机的信号采集及处理模块采集逆变侧的量测数据，并进行整合形成逆变侧的数据断面，然后将整合好的数据断面通过从机的输出接口模块发送至主机的控制器模块，其中，所述逆变侧的量测数据包括逆变侧交流母线电压、逆变侧直流极电压、逆变侧直流极功率；
[0011]所述主机的控制器模块基于主机以及从机的信号采集及处理模块上送的直流双侧站端数据判别电力系统运行状态，根据运行状态类型生成相应的控制命令并下发至输出接口模块，所述主机的输出接口模块将所述控制命令转换为模拟量的调制信号发送至直流系统，根据调制信号实时在线调制直流输出功率状态，所述主机的输出接口模块还将直流系统的直流输出功率状态反馈至控制器模块；
[0012]主机的控制器模块将获取的量测数据、控制命令以及所反馈的直流输出功率状态通过人机接口模块输出至人机界面进行实时显示。
[0013]本发明还进一步优选包括以下方案:
[0014]所述从机的输出接口模块将采集的数据断面由电力专用数据通道发送至主机控制器t旲块。
[0015]所述主机进一步包括信号模块，针对控制主机的异常状态，如同步异常、通讯异常和数据异常时，输出告警信号，用于反馈控制主机当前工作状态。
[0016]所述主机和从机还分别包括电源模块，提供主机以及从机的工作电源，所述电源模块还为主机的信号模块提供其自身状态的告警输出节点，通过输出节点继电器状态，判别装置电源的工作状态是否正常。
[0017]本申请还公开了一种基于前述直流紧急控制装置的直流功率紧急支援方法，所述方法包含相角差环节、微分控制环节、功率支援判断环节、直流功率转换环节，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0018]步骤1:设置在直流线路整流侧站端的主机和逆变侧站端的从机分别通过两端的同步相量测量装置，实时采集整流侧站端和逆变侧站端的量测数据，并且在对所述量测数据进行数据断面整合后上传至主机的控制器模块；其中，所述整流侧站端的量测数据包括整流侧交流母线电压、整流侧直流极电压、整流侧直流极功率，所述逆变侧的量测数据包括逆变侧交流母线电压、逆变侧直流极电压、逆变侧直流极功率；
[0019]步骤2:在所述主机的控制器模块中，通过整流侧站端的交流母线电压幅值信号判断整流侧分段母线的运行状态，即某一分段母线电压幅值低于切换阈值时，判为该分段母线工作异常，否则认为该分段母线工作正常，并读取正常工作的母线电压对应相角作为整流侧站端的有效计算相角，另一分段母线的对应相角作为冗余信号用于主机控制器模块整流侧输入信号的备份；通过上传的逆变侧交流母线电压幅值信号判断逆变侧分段母线的运行状态，当某一分段母线电压幅值低于切换阈值时，判为该分段母线工作异常，否则认为该分段母线工作正常，并读取正常工作的母线电压对应相角作为逆变侧站端的有效计算相角，剩余分段母线的对应相角作为冗余信号用于主机控制器模块逆变侧输入信号的备份；如果整流的所有分段母线或逆变侧的所有分段母线的电压幅值均低于设置的切换阈值时，闭锁主机的控制器模块输出信号；此处整流及逆变侧都优先读取第一段母线电压数据，同时通过整流及逆变侧直流极功率与交流电压信号判别直流线路当前运行状态，如果整流及逆变侧交流母线电压幅值或直流极功率低于设置的相应的闭锁阈值时，闭锁主机的控制器模块输出信号；
[0020]步骤3:在所述主机的控制器模块中，根据步骤2中获取的有效计算相角值代入相角差环节公式(I)中，计算整流及逆变两侧同一时段的相角差；
[0021]Λδη = δ In- δ 2η (I)
[0022]式中，δ In为系统第η时段整流侧电压相角；δ 2η为系统第η时段逆变侧电压相角；△ Sn为第η时段系统两侧对应母线相角差，当所述相角差大于设定的系统失稳阈值时，闭锁主机的控制器模块的输出信号。
[0023]步骤4:主机的控制器模块根据步骤3中获取本时段的相角差，代入微分控制环节公式(2)中，结合上一时段的相角差和转速差求解本时段两侧转速差；
[0024]Δ ωη = AX (Δ δ η-Δ δ ^1)-BX Δ(2)
[0025]式中，Λ Siri为第η-1时段系统两侧相角差，初始值为O ;Λ δη为第η时段系统两侧相角差；Δ COiri为系统两侧第η-1时段转速差,初始值为O ; Δ ωη为系统两侧第η时段转速差；Α，B为算法中间参数，与计算时间步长成反比，由实验给定各输电系统的Α、B参数值；
[0026]步骤5:所述主机的控制器模块根据步骤4中获取的转速差，代入功率支援判断环节公式(3)中，生成对应的控制命令功率的支援量幅值指令；
【权利要求】
1.一种直流功率紧急控制装置，其特征在于: 所述紧急控制装置获取直流线路两端电网设备的量测数据，根据所述量测数据有效控制直流功率的输送。
2.根据权利要求1所述的紧急控制装置，其特征在于: 所述紧急控制装置包括整流侧控制主机和逆变侧控制从机，主机用于直流线路整流侧站端的信号采集和控制功能，从机用于直流线路逆变侧站端的信号采集功能，主从机之间采用电力专用数据通道进行实时通信； 所述主机包括信号采集及处理模块、控制器模块、输出接口模块、信号模块、人机接口模块； 所述从机包括信号采集及处理模块、输出接口模块、人机接口模块； 所述主机的信号采集及处理模块采集整流侧的量测数据，并进行整合形成数据断面，然后将数据断面发送至主机控制器模块，其中，所述整流侧的量测数据包括整流侧交流母线电压、整流侧直流极电压、整流侧直流极功率； 所述从机的信号采集及处理模块采集逆变侧的量测数据，并进行整合形成逆变侧的数据断面，然后将整合好的数据断面通过从机的输出接口模块发送至主机的控制器模块，其中，所述逆变侧的量测数据包括逆变侧交流母线电压、逆变侧直流极电压、逆变侧直流极功率； 所述主机的控制器模块基于主机以及从机的信号采集及处理模块上送的直流双侧站端数据判别电力系统运行状态，根据运行状态类型生成相应的控制命令并下发至输出接口模块，所述主机的输出接口模块将所述控制命令转换为模拟量的调制信号发送至直流系统，根据调制信号实时在线调制直流输出功率状态，所述主机的输出接口模块还将直流系统的直流输出功率状态反馈至控制器模块； 主机的控制器模块将获取的量测数据、控制命令以及所反馈的直流输出功率状态通过人机接口模块输出至人机界面进行实时显示。
3.根据权利要求2所述的紧急控制装置，其特征在于: 所述从机的输出接口模块将采集的数据断面由电力专用数据通道发送至主机控制器模块。
4.根据权利要求2所述的紧急控制装置，其特征在于: 所述主机信号模块针对主机的异常状态，如同步异常、通讯异常和数据异常时，输出告警信号，用于反馈控制主机的当前工作状态。
5.根据权利要求4所述的紧急控制装置，其特征在于: 所述主机和从机还分别包括电源模块，提供主机以及从机的工作电源，所述电源模块还为主机的信号模块提供其自身状态的告警输出节点，通过输出节点继电器状态，判别装置电源的工作状态是否正常。
6.一种基于权利要求1-5任一项权利要求所述直流紧急控制装置的直流功率紧急支援方法，所述方法包含相角差环节、微分控制环节、功率支援判断环节、直流功率转换环节，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 步骤1:设置在直流线路整流侧站端的主机和逆变侧站端的从机分别通过两端的同步相量测量装置，实时采集整流侧站端和逆变侧站端的量测数据，并且在对所述量测数据进行数据断面整合后上传至主机的控制器模块；其中，所述整流侧站端的量测数据包括整流侧交流母线电压、整流侧直流极电压、整流侧直流极功率，所述逆变侧的量测数据包括逆变侧交流母线电压、逆变侧直流极电压、逆变侧直流极功率； 步骤2:在所述主机的控制器模块中，通过整流侧站端的交流母线电压幅值信号判断整流侧分段母线的运行状态，即某一分段母线电压幅值低于切换阈值时，判为该分段母线工作异常，否则认为该分段母线工作正常，并读取正常工作的母线电压对应相角作为整流侧站端的有效计算相角，剩余分段母线的对应相角作为冗余信号用于主机控制器模块整流侧输入信号的备份；通过上传的逆变侧交流母线电压幅值信号判断逆变侧分段母线的运行状态，当某一分段母线电压幅值低于切换阈值，判为该分段母线工作异常，否则认为该分段母线工作正常，并读取正常工作的母线电压对应相角作为逆变侧站端的有效计算相角，剩余分段母线的对应相角作为冗余信号用于主机控制器模块逆变侧输入信号的备份； 步骤3:在所述主机的控制器模块中，根据步骤2中获取的有效计算相角值代入相角差环节公式(I)中，计算整流及逆变两侧同一时段的相角差:
Δ δη = δ In- δ 2η(I) 式中，S In为系统第η时段整流侧电压相角；6 2?为系统第η时段逆变侧电压相角；Λ S η为第η时段系统两侧对应母线相角差；当所述相角差大于设定的系统失稳阈值时，闭锁主机的控制器模块的输出信号； 步骤4:主机的控制器模块根据步骤3中获取本时段的相角差，代入微分控制环节公式(2)中，结合上一时段的相角差和转速差求解本时段系统两侧转速差； Δωη = ΑΧ(Δ δη-Δ δ ^1)-BX Δ ω(2) 式中，Δ δ n_i为第η-1时段系统两侧相角差,初始值为O ; Δ δη为第η时段系统两侧相角差；Λ Coiri为系统两侧第η-1时段转速差，初始值为O ; Λ ωη为系统两侧第η时段转速差；Α, B为中间参数； 步骤5:所述主机的控制器模块根据步骤4中获取的转速差，代入功率支援判断环节公式(3)中，生成对应的控制命令功率的支援量幅值指令；
式中:Κρ为直流系统功率支援幅值；ΛΡη为直流系统第η时段功率支援量幅值指令；ε 1； ε 2是转速差正常变化的上下限值，其中ε i为转速差上限阈值参数，ε 2为转速差下限阈值参数； 步骤6:主机的控制器模块根据步骤5中获取的功率支援指令值代入直流功率转换环节公式(4)中，求取电流指令值，由主机的输出接口模块转换为模拟量信号，并发送给直流系统的执行装置，完成直流功率紧急控制功能；
式中，Un为第η时段直流极平均电压，即系统两侧直流极电压的平均值；APn为第η时段功率支援指令值；△ In为第η时段直流功率紧急支援电流指令值。
7.根据权利要求6所述的直流功率紧急支援方法，其特征在于: 在步骤(I)中，还进一步包括:整流侧及逆变侧站端都优先读取第一段母线电压数据，如果整流侧站端的所有分段母线或逆变侧站端的所有分段母线的电压幅值均低于设置的切换阈值时，闭锁主机的控制器模块输出信号； 通过整流及逆变侧直流极功率与交流电压信号判别直流线路当前运行状态，如果整流及逆变侧交流母线电压幅值或直流极功率超越设置的相应的闭锁阈值时，闭锁主机的控制器模块输出信号。
8.根据权利要求6所述的直流功率紧急支援方法，其特征在于: 在步骤(4)中，A、B与两时段之间的时间差成反比，由实验确定各输电系统的A、B参数值。
9.根据权利要求6所述的直流功率紧急支援方法，其特征在于: 在步骤(5)中，S1取值0.05，ε 2取值-0.05。
【文档编号】H02J3/36GK104135023SQ201410415279
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】涂亮, 李刚, 门锟, 熊春晖, 柳勇军, 吴爽, 杨诚, 刘学子 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司, 北京四方继保自动化股份有限公司