一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法与流程

本发明涉及能源利用技术领域，特别是涉及一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法。

背景技术：

目前，我国当前经济社会发展既面临日趋强化的资源环境制约，也面临全球应对气候变化的挑战，正逐步建立绿色多元的能源供应体系。在众多可再生能源中，风能资源与太阳能资源是较为成熟的能源类型，但由于风能和太阳能都具有一定的随机性和间歇性，而常规发电机组的备用容量、爬坡能力、调峰能力有限，因此，电网接纳此类间歇性能源能力的研究成为了新能源并网发电规划的基础。

为解决此问题，第一方面，可采用风光互补的发电形式。由于风能和太阳能在时间和地域上天然具有很强的互补性，大型风光互补发电系统是可再生能源极有前途的一种高效利用形式。与单独大规模风力发电及光伏发电相比，风光互补发电系统能使功率输出较平稳，可增加电网对间歇性可再生能源的吸收接纳程度。

第二方面，可通过相应协调控制策略平抑受端电网冲击。基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)的柔性直流输电系统能够与无源电网直接相连，所需无功补偿和换流站占地面积都相对较小，可以实现有功和无功功率的解耦控制，在新能源并网领域具有显著的技术优势。

目前，对于第一方面的研究已较为充分，但对于第二方面，尚未有较为成熟的解决策略。事实上，随着柔性直流输电技术的普及，其已经成为新能源并网的重要组成形式。因此，如何充分、有效利用mmc中的半桥子模块内部电容，平抑受端电网收到的冲击，将成为提升风电、光伏等新能源并网消纳能力的重要技术路线。

但是，目前，现有策略中，模块化多电平换流器mmc中的半桥子模块的电容电压参考值为恒定值，并不与风电、光伏等新能源的出力情况相关联。在此种情况下，无法有效利用模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容来平抑新能源的出力波动，受端电网受到的冲击较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法，其对模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压参考值的取值方式进行了调整，使之与风电场提供的风能和光伏电站提供的太阳能等新能源的出力情况相关联，从而通过柔性直流输电系统自身电容电压的波动，平抑新能源出力变化对受端交流电网的扰动，从而提升受端交流电网对于新能源发电的并网消纳能力，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法，所述柔性直流输电系统包括风电场、光伏电站、送端换流站、受端换流站和受端交流电网，其中：

风电场，用于提供风能；

光伏电站，用于提供太阳能；

送端换流站，分别与风电场和光伏电站通过第一交流输电线路相导电连接，用于将风电场和光伏电站输送过来的三相交流电，转换为直流电，然后通过直流输电线路输送给受端换流站；

受端换流站，通过直流输电线路与送端换流站相连接，用于接收送端换流站输送过来的直流电，然后转换为三相交流电后，然后通过第二交流输电线路输送给受端交流电网；

所述送端换流站和受端换流站均采用模块化多电平换流器mmc；

该控制方法包括以下步骤：

第一步、采集风电场发出的有功功率pwind以及光伏电站发出的有功功率psolar，然后通过相加操作，获得风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal；

第二步、将风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal进行滤波，得到滤波后的风电场和光伏电站的总有功功率参考值pref；

第三步、将滤波后的风电场和光伏电站的总有功功率参考值pref，与风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal相减，若获得的差值的绝对值大于预先设定的功率差pdiff，则将差值通过比例和积分控制器，得到模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref；若获得的差值的绝对值小于预先设定的功率差pdiff，则模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref保持不变；

第四步：将模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref，与模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的初始电容电压参考值ucref相加，经过限幅器进行限幅后，得到修正后的模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压参考值ucref^*；

第五步：根据送端换流站和受端换流站中每桥臂的输出电压参考值uarmref，与修正后的模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压参考值ucref^*相除，得到送端换流站和受端换流站中每桥臂需要投入的半子模块个数，然后对应调整送端换流站和受端换流站中每个桥臂实际投入运行的半子模块个数。

其中，在第二步中，通过将风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal输入一阶惯性环节进行滤波。

其中，所述第一交流输电线路中安装有第一变压器t1，用于将风电场和光伏电站输送过来的三相交流电的电压进行变压。

其中，所述第二交流输电线路中安装有第二变压器t2，用于将受端换流站输送过来的三相交流电的电压进行变压。

其中，所述模块化多电平换流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由预设多个半桥子模块和一桥臂电抗器串联组成。

其中，每个半桥子模块包括两个绝缘栅双极型晶体管和一个电容c。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法，其对模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压参考值的取值方式进行了调整，使之与风电场提供的风能和光伏电站提供的太阳能等新能源的出力情况相关联，从而通过柔性直流输电系统自身电容电压的波动，平抑新能源出力变化对受端交流电网的扰动，从而提升受端交流电网对于新能源发电的并网消纳能力，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法中应用的柔性直流输电系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法中应用的柔性直流输电系统具有的送端换流站和受端换流站采用的模块化多电平换流器的结构示意图；

图3为本发明采用的块化多电平换流器中的每个桥臂具有的任意一个半桥子模块的电路结构示意图；

图4为本发明提供的一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法的控制流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图4，本发明提供了一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法，该控制方法应用于柔性直流输电系统中，所述柔性直流输电系统包括风电场、光伏电站、送端换流站、受端换流站和受端交流电网，其中：

风电场，用于提供风能；

光伏电站，用于提供太阳能；

送端换流站，分别与风电场和光伏电站通过第一交流输电线路相导电连接，用于将风电场和光伏电站输送过来的三相交流电，转换为直流电，然后通过直流输电线路输送给受端换流站；

受端换流站，通过直流输电线路与送端换流站相连接，用于接收送端换流站输送过来的直流电，然后转换为三相交流电后，然后通过第二交流输电线路输送给受端交流电网；

具体实现上，所述送端换流站和受端换流站均采用模块化多电平换流器mmc；

需要说明的是，在本发明中，送端电网电源仅由风电场及光伏电站组成，无传统火电机组，因此，送端换流站采用无源定交流电压控制，以维持送端孤网频率和电压稳定；所述受端交流电网，即大电网，也就是人们正常的用电电网，如小区用电电网。因此受端换流站采用有源网络下的定电压控制，外环控制器分别控制直流电压与无功功率。

在本发明中，本发明提供的平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法，该控制方法包括以下步骤：

第一步、采集风电场发出的有功功率pwind以及光伏电站发出的有功功率psolar，然后通过相加操作，获得风电场和光伏电站(即送端新能源电场)发出的总有功功率实际值preal；

具体实现上，可以通过风电场的输出电压和输出电流，以及光伏电站的输出电压和输出电流，直接计算获得风电场发出的有功功率pwind以及光伏电站发出的有功功率psolar。具体可以通过在送端换流站中安装的外环控制器来进行相应的计算。

此外，还可以直接通过电力调度部门直接获取风电场发出的有功功率pwind以及光伏电站发出的有功功率psolar，或者，通过加装广域监测系统(wideareameasurementsystem，wams)来对风电场发出的有功功率pwind以及光伏电站发出的有功功率psolar进行采集。

第二步、将风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal进行滤波，得到滤波后的风电场和光伏电站的总有功功率参考值pref；

具体实现上，在第二步中，通过将风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal输入一阶惯性环节(如)进行滤波。

需要说明的是，一阶惯性环节是工程中较为常见的滤波器，通常由一个储能元件(如电感或电容)和一个耗能元件(如电阻)的组合构成。当输入量发生突变时，输出量不能突变，只能按照指数规律逐渐变化，这就反映了该环节具有惯性。通常来讲，一个波动较为频繁的信号源通过此环节后，输出波形将变得更为平缓。因此，在本发明中，风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal通过该环节后，可以变得更为平滑，部分的毛刺信号可被剔除，从而获得期望获得的风电场和光伏电站的总有功功率参考值pref。

具体实现上，一节惯性环节应表示为这是经拉氏变换后的复频域的函数。拉氏变换是一个线性变换，可将一个参数为实数t的函数转换为一个参数为复数s的函数。一阶惯性环节中的s代表其为复变量。t为惯性时间常数，取值情况要根据具体控制器决定，t越大，代表滤波效果越强。

对于本发明，需要说明的是，对于一阶惯性环节其中的时间常数t的取值可根据实际情况进行调整，

第三步、将滤波后的风电场和光伏电站的总有功功率参考值pref，与风电场和光伏电站(即送端新能源电场)发出的总有功功率实际值preal相减，若获得的差值的绝对值大于预先设定的功率差pdiff，则将差值通过比例和积分控制器(即pi调节器)，得到模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref；若获得的差值的绝对值小于预先设定的功率差pdiff，则模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref保持不变；

需要说明的是，经过一节惯性环节后，可以得到期望获得的风电场和光伏电站的总有功功率参考值pref，若这个值pref与风电场和光伏电站发出的总有功功率实际值preal差别太大，说明实际功率波动较为明显，这时候，需要进行调控。但是，在控制系统中，不希望控制器动作的太频繁，这样会对系统稳定性产生影响，而且会增加控制器的计算压力，因此，本发明预先设置参考值(即总有功功率参考值pref，)和实际值(总有功功率实际值preal)达到一定差别后，再通过控制器进行调控。预先设定的功率差pdiff，即用于表示这样一个裕度，若差别小于这个裕度，在本发明中，则认为是可以接受的，可以不进行调控。

在本发明中，在第三步中，pi调节器作为工程中常用的一种线性控制器，它用于根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，从而对被控对象进行控制。在本发明中，pi调节器的作用为将新能源出力参考值(即总有功功率参考值pref)与实际值(即总有功功率实际值preal)之间的差值(即功率差pdiff)，转变为对应的模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref，使其形成对应关系(即pi调节器预先设置好功率差pdiff与半桥子模块的电容电压修正值δucref之间的一一对应关系)。

在第三步中，pi控制器具有的各校正环节的作用包括如下：

1.比例环节：即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

2.积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数，积分常数越大，积分作用越弱，反之越强。

最后得到的效果就是δucref，具体可以按一定比例跟踪输入量，若输入的新能源出力参考值(即总有功功率参考值pref)与实际值(即总有功功率实际值preal)的差值变大，则半桥子模块的电容电压修正值δucref也相应变大。

具体实现上，对于第三步，“有功功率参考值pref”和“总有功功率实际值preal”进行相减后，可以执行“死区环节”的处理步骤，具体为：若获得的差值的绝对值小于预先设定的功率差pdiff，则该环节输出值保持上一时刻输出值不变(初始状态下为0)，模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref保持上一时刻值不变(初始状态下为0)。如果差值绝对值大于预先设定的功率差pdiff，则该环节的输出值为输入值，电容电压修正值也会发生相应改变。一般情况下，预先设定的功率差pdiff优选为等于新能源额定出力(风电场和光伏电站的额定功率之和)的1％。

此外，在本发明中，pi控制器进行pi环节的处理操作。

第四步：将模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压修正值δucref，与模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的初始电容电压参考值ucref(即原电容电压参考值ucref)相加，经过限幅器进行限幅后(即进行限幅环节)，得到修正后的模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压参考值ucref^*；

需要说明的是，在第四步中，限幅器所执行的限幅环节，其限幅电压的上限ucref_max和下限ucref_min，可根据实际情况进行调整。

第五步：根据送端换流站和受端换流站中每桥臂的输出电压参考值uarmref，与修正后的模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压参考值ucref^*相除，得到送端换流站和受端换流站中每桥臂需要投入的半子模块个数n。也就是说，根据最近电平逼近调制策略，得到送端换流站和受端换流站中每个桥臂需要投入的半子模块个数n，然后对应调整送端换流站和受端换流站中每个桥臂实际投入运行的半子模块个数。

在本发明中，具体实现上，所述第一交流输电线路中安装有第一变压器t1，用于将风电场和光伏电站输送过来的三相交流电的电压进行变压，以和送端换流站的转换工作电压相对应匹配。

在本发明中，具体实现上，所述第二交流输电线路中安装有第二变压器t2，用于将受端换流站输送过来的三相交流电的电压进行变压，以和受端交流电网的工作电压(例如220v工作电压)相对应匹配。

在本发明中，具体实现上，所述送端换流站和受端换流站均采用模块化多电平换流器mmc。

具体实现上，所述模块化多电平换流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由预设多个半桥子模块和一桥臂电抗器串联组成。

具体实现上，每个半桥子模块包括两个绝缘栅双极型晶体管(igbt管)和一个电容c。

需要说明的是，在本发明中，所述模块化多电平换流器采用最近电平逼近调制策略，当送端换流站、受端换流站中具有的外环控制器，计算得出每桥臂的输出电压参考值uarmref后，与半桥子模块的电容电压参考值ucref相除，即可得出在送端换流站、受端换流站中，对应的每桥臂应投入的半桥子模块个数n。

对于本发明，需要说明的是，鉴于送端换流站和受端换流站采用的模块化多电平换流器mmc上预先安装的控制器，可以分为内环控制器和外环控制器，外环控制器的输入量为直流电压参考值、功率参考值等，输出量为内环电流参考值；内环控制器输入量为内环电流参考值，输出量为每桥臂的输出电压参考值。之后，一般采用最近电平逼近调制策略，即用每桥臂的输出电压参考值除以子模块电容电压参考值，来计算得出每桥臂需要投入的半桥子模块个数。

具体实现上，送端换流站和受端换流站中每桥臂的输出电压参考值uarmref，可以通过送端换流站和受端换流站上预先安装的内环控制器来直接读取相应的数值。

对于本发明，还需要说明的是，本发明根据最近电平逼近调制策略(为现有的电平调制策略，在此不展开表述)，用每桥臂的输出电压参考值uarmref，除以半桥子模块的电容电压参考值(即ucref^*)，计算得出每桥臂需要投入的半桥子模块个数。其中，半桥子模块的电容电压参考值是半桥子模块内部电容电压在稳态下的近似平均值，半桥子模块的电容电压实际值会在参考值附近波动。对于本发明，本发明通过改变半桥子模块的电容电压参考值，使得半桥子模块的电容电压实际值波动的范围更广，从而可以使得储存在半桥子模块电容中的能量可以吸收或释放，从而有效平抑功率的波动。

在本发明中，需要说明的是，送端换流站和受端换流站采用的模块化多电平换流器mmc上预先安装的控制器，分为内环控制器和外环控制器。其中，外环控制器的输入量为直流电压参考值、功率参考值等，输出量为内环电流参考值；内环控制器的输入量为内环电流参考值，输出量为每桥臂的输出电压参考值。具体实现上，控制器内部可以包含pi控制器等较多环节，由于此为现有技术，在此不展开表述。

基于以上技术方案可知，对于本发明，充分考虑到风力及光伏发电通过柔性直流输电系统送出，可通过相关协调控制策略，利用换流器子模块内部的电容，来平抑新能源出力波动，从而减小受端系统收到的冲击。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种平抑新能源出力波动的柔性直流输电系统协调控制方法，其对模块化多电平换流器mmc中半桥子模块的电容电压参考值的取值方式进行了调整，使之与风电场提供的风能和光伏电站提供的太阳能等新能源的出力情况相关联，从而通过柔性直流输电系统自身电容电压的波动，平抑新能源出力变化对受端交流电网的扰动，从而提升受端交流电网对于新能源发电的并网消纳能力，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。