一种提高电压稳定性的VSC‑HVDC功率控制方法与流程

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一种提高电压稳定性的VSC‑HVDC功率控制方法与制造工艺

本发明涉及电力系统分析和控制技术领域,特别是一种提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制方法。



背景技术:

传统VSC-HVDC是自20世纪90年代发展起来的一种高压直流输电技术,其具有可对交流电网进行动态无功补偿,为受端系统提供电压支撑的优点。因此,VSC-HVDC成为一种改善交流系统电压稳定性的较有潜力的方案。

然而,在直流混联系统中VSC-HVDC向交流系统输送的有功功率和无功功率大小均对电压稳定有影响。一般地说,在无功功率不变前提下,输送的有功功率越大,电压稳定性越好;在有功功率不变前提下,输送的无功功率越大,电压稳定性越好。而受容量限制,VSC-HVDC向交流系统输送的有功功率和无功功率是相互制约的,因此在电压下降过程中,目前VSC-HVDC有功功率和无功功率控制方式可分为以下三种:一是通过减小有功出力为代价获得较大无功输出;二是以减小无功出力为代价来获得较大的有功输出;三是有功功率和无功功率同比例减小。应该采用何种控制方式对提高系统电压稳定最有利,以及如何根据交直流电网自身参数来计算基于提高电压稳定性的VSC-HVDC功率最佳控制值,现有的技术未能完全揭示。本发明针对上述问题,提出了一种以提高电压稳定水平为目标的VSC-HVDC功率控制方法,即考虑VSC-HVDC容量限制等约束条件,建立了基于电压稳定的交直流混合系统VSC-HVDC有功功率、无功功率优化计算模型,通过求解拉格朗日函数,得到VSC-HVDC最佳有功输送容量、无功出力以及交直流混联系统最大供电负荷等,用于提高交直流混联系统电压稳定性。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制方法,以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的,本发明的技术方案是:一种提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制方法,其流程图如图1所示,包括如下步骤:

步骤S1:输入交流、直流电网参数数据,形成节点导纳矩阵;

步骤S2:计算交流系统戴维南等值模型参数;

步骤S3:计算VSC-HVDC有功和无功运行范围;

步骤S4:建立含VSC-HVDC的有功电压关系式;

步骤S5:计算基于提高电压稳定的VSC-HVDC最佳功率值;

步骤S6:进行VSC-HVDC功率控制。

进一步地,在所述步骤S1中,所述交流电网参数数据包括:输电线路的首端、末端节点编号,变压器变比、阻抗,串联电阻、电抗以及并联电导、电纳;所述直流网络参数包括:VSC-HVDC桥臂电抗器阻抗,换流变容量、阻抗,换流器调制比以及最大允许电流Ilim

进一步地,在所述步骤S2中,获取交流系统与VSC-HVDC等值电路,如图2所示,记VSC-HVDC换流站所接入交流母线为交流电网的第i个节点,其电压相量为换流器输出的基波电压相量为换流器与交流母线i之间的等值连接阻抗为Z1∠θ1=R1+jX1,且根据该第i节点确定的系统等值阻抗Z2∠θ2=R2+jX2,戴维南等值阻抗R2和X2可通过PSD-BPA计算软件获取交流系统。

进一步地,在所述步骤S3中,获取交流系统与VSC-HVDC系统等值电路,根据该交流系统与VSC-HVDC系统等值电路,计算直流侧功率:

其中:Pdc、Qdc分别为VSC-HVDC注入节点i的有功与无功功率,δik=δik=δ-δk为节点i与节点k的电压相角差;M为换流器调制比,Ud为换流器直流侧电压,μ是PWM直流电压利用率;

由上述两式可推得:

其中,VSC向交流系统输出无功时,Qdc为正;

VSC-HVDC运行时最大允许电流限制:

其中,Ilim为VSC-HVDC最大允许电流。

进一步地,在所述步骤S4中,基于潮流方程建立P与Pdc、Qdc、U的关系方程式。根据该交流系统与VSC-HVDC系统等值电路中的交流支路,计算交流侧功率:

其中,Pac、Qac分别为交流支路注入节点i的有功与无功功率,和分别为交流支路两端电压,δij=δij=δ;

则可得:

其中,

再根据Pac+Pdc=P,Qac+Qdc=Q,ZD=RD+jXD,经推导,可得P与Pdc、Qdc、U、RD、XD的关系方程式(交直流混联系统负荷功率计算公式):

式中:P、Q分别为交直流混联电网供电的负荷有功功率和无功功率;ZD、RD和XD为交直流混联电网供电负荷的等值阻抗、等值电阻和等值电抗。

通常情况下,负荷功率因数短时间内变化不大,可假定为常数,经推导,可得P与Pdc、Qdc、U的关系方程式:

进一步地,在所述步骤S5中,P为关于Pdc、Qdc、U、RD、XD的函数,即

记拉格朗日函数L(Pdc,Qdc,U,RD,XD)为:

式中,为约束条件;

对上式求偏导,可得方程组

求解上述6个方程可得6个未知数Pdc、Qdc、U、RD、XD和λ,代入方程P=f(Pdc,Qdc,U,RD,XD)可解得在约束条件下的最大负荷功率P,而Pdc、Qdc即为基于提高电压稳定水平的VSC-HVDC最佳功率设置。

进一步地,在所述步骤S6中,VSC-HVDC采用传统的功率外环、dq解耦电流内环控制方式;受端逆变侧采用定有功功率Pdc和定无功功率Qdc控制。

正常运行情况下,设VSC-HVDC按照系统需求,将有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref分别设定为Pref0和Qref0,即:

Pref=Pref0,Qref=Qref0

当交流系统处于电压失稳过程,即VSC-HVDC所接交流母线i的电压幅值U小于越限值Ulim且持续时间大于tlim(tlim按避开故障切除时间等进行设定),VSC-HVDC受端的控制系统切换进入提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制模式。

该模式下,首先根据步骤S1和步骤S2计算得到的网络等值参数,以及步骤S5的计算方法,计算得出此刻负荷功率下VSC-HVDC的最佳功率设置Pdc、Qdc

其次,为减小VSC-HVDC有功功率和无功功率的调节对系统的冲击,将VSC-HVDC有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref分别由原设定值Pref0和Qref0,通过步进方式过渡到其最佳功率设置Pdc、Qdc,使功率参考值最终设置为:

Pref=Pdc,Qref=Qdc

最后,分别经有功和无功功率外环PI控制器输出产生d、q轴电流参考值idref和iqref,并传入电流内环控制;经调制和触发后,VSC-HVDC输出功率将以步进方式逐渐过渡至Pdc、Qdc,即为提高电压稳定水平的VSC-HVDC最佳功率。

相较于现有技术,本发明具有以下有益效果:本发明提出的一种提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制方法,通过VSC-HVDC有功功率、无功出力优化为交直流混合系统的提高电压稳定性提供了一种可行的方法。为含VSC-HVDC的交直流混合系统电压稳定性改善和运行控制奠定基础。

附图说明

图1为本发明中一种提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制方法流程图。

图2为本发明中含VSC-HVDC交直流混联系统的等值电路。

图3为本发明中典型的PV曲线。

图4为本发明中基于提高电压稳定性的VSC-HVDC最佳功率控制过程流程图。

图5为本发明一实施例中含VSC-HVDC交直流混联系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图,对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制方法,如图1所示,包括以下步骤:

(1)输入交直流电网参数,形成节点导纳矩阵。其中交流电网参数数据包括:输电线路的首端、末端节点编号,变压器变比、阻抗,串联电阻、电抗以及并联电导、电纳;直流网络参数包括:VSC-HVDC桥臂电抗器阻抗,换流变容量、阻抗,换流器调制比以及最大允许电流Ilim

(2)计算交流系统戴维南等值模型参数。获取交流系统与VSC-HVDC等值电路,如图2所示,记VSC-HVDC换流站所接入交流母线为交流电网的第i个节点,其电压相量为换流器输出的基波电压相量为换流器与交流母线i之间的等值连接阻抗为Z1∠θ1=R1+jX1,且根据该第i节点确定的系统等值阻抗Z2∠θ2=R2+jX2,在本实施例中,戴维南等值阻抗R2和X2通过PSD-BPA计算软件获取交流系统。

(3)计算VSC-HVDC有功和无功运行范围

根据图2,可得直流侧功率方程式:

式中:Pdc、Qdc分别为VSC-HVDC注入节点i的有功与无功功率,δik=δik=δ-δk为节点i与节点k的电压相角差;M为换流器调制比,Ud为换流器直流侧电压,μ是PWM直流电压利用率;

由式(1)、(2)可推得

其中,VSC向交流系统输出无功时,Qdc为正。

同时,考虑VSC-HVDC运行时最大允许电流限制,即:

式中,Ilim为VSC-HVDC最大允许电流。

进一步的,一般情况下VSC-HVDC运行约束中,尤其电压下降过程中,式(4)约束将起到关键作用。

(4)建立含VSC-HVDC的有功(P)电压(U)关系式。

在为常数的情况下,含VSC-HVDC的有功(P)电压(U)关系式可以描述成以下形式:

P=f(Pdc,Qdc,U) (5)

式中:P为负荷有功功率。对图2的电路可通过功率方程式推演PV关系式,具体如下。

对图2中的交流支路,可列出交流侧功率方程式:

其中,Pac、Qac分别为交流支路注入节点i的有功与无功功率,和分别为交流支路两端电压,δij=δij=δ;。

根据式(6)和(7)可得:

其中,

本实施例中,考虑负荷功率因数短时间内变化不大,即假定为常数,并根据Pac+Pdc=P,Qac+Qdc=Q,经推导,可得P与Pdc、Qdc、U的关系方程式:

式中:P、Q分别为交直流混联电网供电的负荷有功功率和无功功率。

根据式(9),可得交直流混联电网典型的PV曲线,如图3所示。

(5)基于电压稳定的VSC-HVDC最佳功率值计算

P为关于Pdc、Qdc、U、RD、XD的函数,即

定义拉格朗日函数L(Pdc,Qdc,U,RD,XD)为

式中,为约束条件。

对式(11)求偏导,可得方程组

求解上述6个方程可得6个未知数Pdc、Qdc、U、RD、XD和λ,代入方程P=f(Pdc,Qdc,U,RD,XD)可解得在约束条件下的最大负荷功率P,而Pdc、Qdc即为基于提高电压稳定水平的VSC-HVDC最佳功率设置。

(6)功率控制实现

VSC-HVDC采用传统的功率外环、dq解耦电流内环控制方式;受端逆变侧采用定有功功率Pdc和定无功功率Qdc控制。正常情况下,设VSC-HVDC按照系统需求,将有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref分别设定为Pref0和Qref0,即:

Pref=Pref0,Qref=Qref0

如图4所示,当交流系统处于电压失稳过程,即VSC-HVDC所接交流母线i的电压幅值U小于越限值Ulim且持续时间大于tlim(tlim按避开故障切除时间等进行设定),VSC-HVDC受端的控制系统切换进入提高电压稳定性的VSC-HVDC功率控制模式。

该模式下,首先根据步骤(1)和步骤(2)计算得到的网络等值参数,以及步骤(5)中的计算方法,计算得出此刻负荷功率下VSC-HVDC的最佳功率设置Pdc、Qdc

其次,为减小VSC-HVDC有功功率和无功功率的调节对系统的冲击,将VSC-HVDC有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref分别由原设定值Pref0和Qref0通过步进方式过渡到其最佳功率设置Pdc、Qdc,使功率参考值最终设置为:

Pref=Pdc,Qref=Qdc

最后,分别经有功和无功功率外环PI控制器输出产生d、q轴电流参考值idref和iqref,并传入电流内环控制;经调制和触发后,VSC-HVDC输出功率将以步进方式逐渐过渡至Pdc、Qdc,即为提高电压稳定水平的VSC-HVDC最佳功率。基于提高电压稳定性的VSC-HVDC最佳功率控制过程如图4所示。

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

以图5所示的含VSC-HVDC的交直流混联输电系统为例进行说明,利用该发明所提供的方法对该系统的电压稳定性进行分析,具体包括以下步骤:

1.计算交直流系统等值电路参数

图5算例中,柔性直流输电系统主要参数见表1,其送端采用定直流电压Ud、定交流无功功率Q控制;受端采用定有功功率P、交流无功功率Q控制。受端最高负荷1998MW,功率因数最大运行方式受端交流电网等值阻抗R2=1.587Ω,X2=5.766Ω,交流系统等值电势Es=1.1pu(基准电压230kV)。

表1 VSC-HVDC系统主要参数

根据上述给定数据,将图5所示的含VSC-HVDC的交直流混联电网按照图2进行简化等值,等值电路各个参数见表2。表2中给出了参数有名值和标么值,为方便起见,以下计算均采用标么值进行。

表2电路参数计算结果

注:基准值分别为,UB=230kV,SB=100MVA,ZB=529Ω。

2.基于电压稳定的VSC-HVDC最佳功率值计算

将表1和表2中的参数(标幺值)分别代入下式

式中:

(标幺值)

对L(Pdc,Qdc,U)求偏导,可得方程组

解上述方程组,考虑Pdc、Qdc、U为大于0的实数解,可得一组有意义的实数解

方程组解Pdc用有名值表示为554.6MW,即为提高电压稳定性的VSC-HVDC最佳有功功率值。

将上述解代入f(Pdc,Qdc,U)中,可解得系统最大输送功率P为

Pmax=f(Pdc,Qdc,U)=44.420

Pmax用有名值表示为44420MW,即为交直流混联系统最大可输送功率。

3.功率控制

本实施例中,VSC-HVDC有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref初始值按系统需求分别设定为800MW和100Mvar;交流母线电压越限值设为0.9p.u.,持续时间越限值设为1s。当VSC-HVDC监测到所连交流母线电压幅值小于0.9p.u.且持续时间大于1s时,启动基于提高电压稳定性的功率控制,根据计算结果,其基于提高电压稳定性的最佳有功、无功功率值为554.6MW、518.0Mvar。VSC-HVDC自动将Pref、Qref通过步进方式过渡到其最佳有功、无功功率值554.6MW、518.0Mvar。经VSC-HVDC功率内外环控制后,VSC-HVDC输出有功功率也将以步进方式逐渐过渡至554.6MW、518.0Mvar,直至系统电压恢复。

以上是本发明的较佳实施例,凡依本发明技术方案所作的改变,所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时,均属于本发明的保护范围。

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