一种混合多端直流输电系统非线性下垂控制方法与流程

本发明涉及输配电技术领域，特别是一种基于非线性下垂控制的直流输电系统功率协调控制方法。

背景技术：

基于电压源换流器的高压直流输电技术(voltagesourceconverter-hvdc，vsc-hvdc)可以实现有功、无功功率的独立控制，无需交流电网提供换相电压和无功功率，有利于实现新能源发电并网。基于电网换相换流器的高压直流输电技术(linecommutatedconverter-hvdc，lcc-hvdc)具有技术成熟度高、成本低、容量大等优点。综合考虑lcc和vsc换流技术的特点，结合lcc-hvdc和vsc-hvdc的优势，可形成同时含lcc和vsc换流站的混合多端直流输电系统。相对于传统双端直流输电技术，其含有多个换流站，此种结构更加经济、灵活、可靠，在新能源与常规能源发电汇集、多区域电力馈入等方面具有优势明显，我国已建成有10余条常规直流输电线路和数条柔性直流输电线路，为将来发展直流输电网络提供了技术保障。通过将常规直流和柔性直流各自的经济和技术优势互补，可用于将风电、光伏等新能源大规模、远距离输送至负荷中心。

相对于两端高压直流输电系统，多端直流输电系统控制方法更复杂，需要功率协调控制策略对系统功率进行合理分配，且需提高直流电压的稳定性。与主从控制相比，下垂控制有多个换流站参与功率和直流电压的调节，且不依赖通信系统，具有更高的可靠性。但是传统下垂控制斜率固定，直流电压容易越限，没有考虑各换流站的动态功率裕度，无法确保电网稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种混合多端直流输电系统非线性下垂控制方法，以充分利用各换流站的电流裕度，避免部分换流站满载运行，降低因功率变化而引起的直流电压静态偏差，提高直流输电系统的电压稳定性。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种混合多端直流输电系统非线性下垂控制方法，所述方法对混合多端直流输电系统中的多个lcc换流站进行非线性下垂控制，当传输功率变化导致直流输电系统的直流电压发生改变时，lcc换流站自动调节其传输功率，维持直流输电系统功率平衡，而且在由lcc多个换流站共同维持直流电压稳定的过程中，电流裕度较大的换流站承担较大的功率变化量，电流裕度较小的换流站承担较小的功率变化量，以避免部分换流站因满载而失去对功率变化的响应能力。

上述混合多端直流输电系统非线性下垂控制方法，所述换流站非线性下垂控制的具体处理步骤如下：

a.计算换流站直流电压最大允许变化量：

当i≤iref时，直流电压最大允许变化量为：

udcref－udcmin

当i>iref时，直流电压最大允许变化量为：

udcmax－udcref

其中，i为lcc换流站直流电流测量值；iref为lcc换流站参考运行点的直流电流；udcmax、udcmin分别为lcc换流站直流电压上限值和下限值；udcref为lcc换流站参考运行点的直流电压；

b.计算lcc换流站实际运行状态下电流裕度：

当i≤iref时，电流裕度为：

i－imin

当i>iref时，电流裕度为：

imax－i

其中，imax、imin分别为lcc换流站直流电流上限值和下限值；

c.计算lcc换流站非线性下垂控制参数μ、λ的值，其表达式如下：

d.检测lcc换流站直流电压值udc，当直流电流超过设定值时，通过低压限流环节对其进行限幅修正；

e.计算lcc换流站直流电压指令值udcr：

利用直流电压指令值udcr对lcc换流站进行控制。

上述混合多端直流输电系统非线性下垂控制方法，所述lcc换流站直流电压上限值udcmax的取值为1.05udcref，lcc换流站直流电压下限值udcmin的取值为0.95udcref。

上述混合多端直流输电系统非线性下垂控制方法，所述lcc换流站直流电流上限值imax取lcc换流站直流电流额定值，lcc换流站直流电流下限值imin取为0。

本发明对混合多端直流输电系统中的多个lcc换流站进行非线性下垂控制，使其共同维持直流电压的稳定。检测lcc换流站的电流裕度，当传输功率变化导致直流输电系统的直流电压发生改变时，根据非线性下垂控制特性，各换流站按照电流裕度的大小，合理分配各换流站承担的不平衡功率。并且由于非线性下垂控制的下垂系数不再是固定值、下垂系数大小更加合理，使得在协调分配各换流站的有功功率过程中各换流站直流电压的静态偏差更小。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为四端混合直流输电系统结构图；

图2为混合多端直流输电系统vsc换流站u-i特性图；

图3为非线性下垂控制特性图；

图4为送端传输功率变化换流站运行图；

图5为不同μ、λ值对非线性下垂控制特性的影响图；

图6为低压限流控制特性图；

图7为lcc换流站控制原理图；

图8为vsc换流站有功功率波形；

图9为非线性下垂控制lcc换流站电流波形；

图10为定斜率下垂控制lcc换流站电流波形；

图11为lcc侧直流母线电压波形；

图中和文中所用标号和符号分别为：vsc、电压源换流站，lcc、电网换相换流站，t1～t4、第一换流变压器～第四换流变压器，bv、vsc侧的直流母线，bl、lcc侧的直流母线，udcmax、lcc换流站直流电压上限值，udcmin、lcc换流站直流电压下限值，imax、lcc换流站直流电流上限值，imin、lcc换流站直流电流下限值，udc、lcc换流站直流电压，i、lcc换流站直流电流，udcr、lcc换流站直流电压指令值，udcrref、lcc换流站参考运行点的直流电压，iref、lcc换流站参考运行点的直流电流，iref_or、换流站参考运行点的直流电流的调度指令，iref_up、换流站参考运行点的直流电流上限值，β、lcc换流站逆变角，p、vsc换流站传输功率，k、下垂系数，μ和λ、非线性下垂控制参数。

具体实施方式

本发明考虑了各lcc换流站的电流裕度，由多个换流站共同维持直流电压的稳定，使电流裕度大的换流站承担较大的功率变化量，电流裕度小的换流站承担较小的功率变化量，避免出现部分换流站满载而失去对功率变化响应能力的情况。本发明可以协调分配各换流站有功功率，有效降低各换流站直流电压的静态偏差。

换流站采用的非线性下垂控制是直流电压下垂控制的一种方式，当换流站采用下垂控制时多个具备有功功率调节能力的换流站通过测量直流电压的变化，按照预先制定的下垂特性图来改变有功功率的指令值，实现不平衡功率的快速分配，使系统重新达到平衡。

本发明选取多个lcc换流站参与混合多端直流输电系统有功功率平衡，采取非线性下垂控制方法，当系统中换流站退出运行、换流站传输功率变化时，直流输电系统有功功率平衡被打破，直流线路上的直流电压也随之变化，lcc换流站根据非线性下垂特性曲线调节直流电流的大小，lcc换流站的传输的有功功率随之变化，维持了混合多端直流输电系统的功率平衡与直流电压的稳定。

参见图1，选取vsc1和vsc2采用定有功功率控制，可用于风电、光伏等新能源接入；选取lcc3和lcc4采用非线性下垂控制，平衡直流输电系统有功功率波动。当换流站的传输功率变化或换流站主动退出运行后，通过测量直流电压变化，调节lcc3和lcc4直流电流、传输功率，维持直流输电系统有功功率平衡和直流电压的稳定。

lcc换流站采用非线性下垂控制的具体步骤如下：

第一步：计算换流站直流电压最大允许变化量，表达式为：udcref－udcmin(i≤iref)，udcmax－udcref(i>iref)，其中udcmax、udcmin分别为lcc换流站直流电压上限值和下限值，udcref为lcc换流站参考运行点的直流电压。为保证换流站直流电压在合理的范围，规定直流电压的波动范围为±5％，所以udcmax取值为1.05udcref，udcmin取值为0.95udcref；

第二步：计算lcc换流站实际运行状态下电流裕度，其表达式为：i－imin(i≤iref)，imax－i(i>iref)，其中imax、imin分别为lcc换流站直流电流上限值和下限值，换流站直流电流上限取其额定值，直流电流下限值取为0，保证换流站直流电流值在合理区间，i为lcc换流站直流电流测量值；

第三步：在非线性下垂控制方法下，定义下垂系数为下垂系数计算公式：

其中，μ、λ为非线性下垂控制参数；

第四步：确定lcc换流站非线性下垂控制参数μ、λ的值，参见图5和下垂系数k的计算公式可知k随μ、λ的取值不同而变化。下垂系数k过大，当换流站传输的有功功率波动时，会引起直流电压的变化量较大，不利于换流站电压的稳定；下垂系数k过小，当换流站电压发生很小的波动时，会引起有功功率的变化量较大，不利于对换流站的有功功率控制。μ、λ的取值在[2,6]内较为合理，为了协调利用各换流站电流裕度，使电流裕度较大的换流站下垂系数相对较小，使电流裕度较小的换流站下垂系数相对较大，其表达式如下：

其中，iref为lcc换流站参考运行点的直流电流；

第五步：测量lcc换流站直流电压值udc，通过低压限流环节，当直流电流过大时对其进行限幅修正。参见图6，当测量到直流电压udc后，输入到低压限压模块，udc通过低压限压特性曲线，得到换流站直流电流限值，如iref大于限值，则将其降到限值，如iref小于限值，则维持不变；

第六步：计算直流电压指令值udcr，其表达式如下：

参见图7，得到直流电压指令值udcr后，输入到lcc换流站电压控制模块，通过调节逆变角β的大小控制换流站直流电压。

参见图2，混合多端直流输电系统中vsc换流站不直接控制其直流电压，可以采用有功功率控制或交流电压控制为所连接的风电场提供交流支撑。vsc换流站的直流电流和直流电压的关系式为p＝udci，其有功功率由调度指令给出或为所连接风电场发出有功功率。图2中从左至右为vsc换流站传输功率取不同值时，vsc换流站的u-i特性曲线，vsc换流站u-i曲线近似竖直，并随着传输功率p的增加向右移动。

参见图3，换流站vsc1和vsc2传输功率为p1、p2，换流站lcc3和lcc4参考运行点的直流电流值为iref3、iref4。基于非线性控制方法的lcc换流站直流电流在上限值imax和下限值imin之间，换流站的直流电压在上限值udcmax和下限值udcmin之间，保证了换流站运行于合理区间。当换流站的直流电压为udcref时，lcc换流站运行于参考运行点。各lcc换流站的参考运行点电流值不同时，其非线性下垂控制特性曲线也不相同，从而可使各换流站在采用非线性下垂控制方法时可几乎同时达到满载。

参见图4，当直流输电系统传输的功率发生变化时，非线性下垂控制方法可以维持直流输电系统的稳定。以送端换流站传输的有功功率升高为例，两个非线性下垂控制换流站初始状态下传输的总功率为pd＝udcref∑iref，在非线性下垂控制方法下两个换流站依据各自的u-i特性曲线调节换流站的电压，直到p′d＝u′dcref∑i′ref满足直流输电系统的功率平衡，u′dcref、i′ref分别为换流站新运行点的直流电压和直流电流。

参见图8，初始状态下，vsc1和vsc2的有功功率指令值分别为200mw和220mw，9s时vsc1的功率指令值由200mw变为300mw，vsc2的功率指令值由220mw变为380mw。

参见图9和图10，lcc3和lcc4的参考运行点直流电流分别为0.7ka和0.3ka，当9s时送端vsc换流站传输的功率增加后，lcc侧直流母线电压上升，lcc换流站电流值变大。在定斜率下垂控制策略下，由于下垂系数固定，两个换流站的直流电流均上升了0.3ka，lcc3直流电流达到上限值1ka，已满载运行并切换到定电流控制。在非线性下垂控制策略下，lcc3和lcc4的直流电流分别上升了0.14ka和0.44ka。可见在非线性下垂控制策略下，电流裕度大的lcc4的电流上升值更大，避免了lcc3的满载。

参见图11，在定斜率下垂控制策略下，lcc侧直流母线电压由400kv上升到405.8kv，在非线性下垂控制策略下，lcc侧直流母线电压由400kv上升到403kv，可见在非线性下垂控制策略下直流母线的电压变化量更小。