一种多端柔性直流输电系统协调控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，直流输电系统包括主导换流站、风电场换流站、辅助换流站和有功功率控制换流站；主导换流站用于整个系统直流电压的控制；风电场换流站负责汇集风电场群的有功功率；辅助换流站用于辅助实现系统直流电压的控制；有功功率控制换流站用于向其交流侧电网传输恒定的有功功率；所述辅助换流站和有功功率控制换流站均引入基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的控制。本发明有益效果：用于任何运行工况下多端柔性直流输电系统各换流站间的直流电压控制与有功功率分配，保证多端柔性直流输电系统在各运行状态间的平滑过渡。
【专利说明】一种多端柔性直流输电系统协调控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电气领域，尤其涉及一种基于改进下降调节特性的多端柔性直流输电系统协调控制方法。
【背景技术】
[0002]在能源紧缺和环境污染日益严峻的形势下，世界各国在风能、太阳能等可再生能源发电方面的投入不断扩大，其中大规模近海风电场的开发已成为国际上风能利用的大趋势。由于海上风电场远离海岸，其所连接的岸陆电网也多较虚弱，风电并网对所连接电网的稳定性及电能质量等均有较大影响，当大规模地开发海上风电时，多端柔性直流输电成为了最佳选择，因此其相关研究受到了广泛的关注。直流电压控制策略是多端柔性直流输电技术的重要方面，其直接决定了装置运行的稳定性和可靠性。
[0003]为保证正常运行、非正常运行及故障工况下输电系统的直流电压控制和有功功率分配，急切需要开发一种多端柔性直流输电系统的协调控制策略。专利号为201310585802的中国专利:“一种多端柔性直流输电系统的控制系统及其控制方法”，公开了一种多端柔性直流输电系统的控制系统及其控制方法，该专利通过计算多端直流网络潮流并进行分析及制定控制保护策略实现控制方法。专利号为201210442336的中国专利:“一种多端柔性直流输电系统协调控制方法”，公开了一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，该专利给出了站间通讯有效和站间通讯失效情况下主导站因故障停运时从站切换为直流电压控制的协调控制方法。以上专利及现有技术存在的缺陷是:
[0004]1.201310585802中国专利仅给出了一种依据直流网络的最优潮流进行分析并制定控制保护策略从而实现控制的方法，无法保证多端柔性直流输电系统在所有运行工况下的直流电压控制，尤其是无法保证换流站停运等极端工况下的系统安全。
[0005]2.201210442336中国专利仅给出了一种站间通讯有效和站间通讯失效情况下主导站因故障停运时从站切换为直流电压控制的协调控制方法。该方法借助备用站的控制模式切换实现故障工况下的直流电压控制，其缺陷在于控制模式切换过程中的系统震荡较大，无法实现系统运行状态的平滑过渡；同时，该方法没有给出系统参数的详细计算和选择方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种基于改进下降调节特性的多端柔性直流输电系统协调控制方法，该方法对换流站基于本地控制器的高级控制策略进行设计，保证正常运行、非正常运行及故障工况下多端柔性直流输电系统的直流电压控制与有功功率平衡，并实现系统运行状态的平滑过渡。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，所述直流输电系统至少包括主导换流站、辅助换流站和有功功率控制换流站；所述主导换流站用于整个系统直流电压的控制；辅助换流站用于辅助实现系统直流电压的控制；有功功率控制换流站用于向其交流侧电网传输恒定的有功功率；
[0009]正常工况下，所述辅助换流站与主导换流站协调配合共同实现多端柔性直流输电系统的直流电压控制；有功功率控制换流站采用定有功功率控制和定无功功率控制；
[0010]主导换流站进入限流模式或停运时，辅助换流站采用基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的直流电压控制和定无功功率控制；
[0011]当主导换流站和辅助换流站无法维持直流输电系统功率平衡时，有功功率控制换流站引入基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的控制作为直流电压控制的备用控制。
[0012]所述辅助换流站基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的直流电压控制方式具体为:
[0013]当辅助换流站交直流交换功率P在[_ δ，δ]范围内波动时，引入死区控制；通过调节辅助换流站的直流电压死区值Udz的大小，可实现与主导换流站的协调控制，实现直流网络的最优潮流控制；其中，S取O?0.02p.u.；
[0014]设辅助换流站的直流电压参考值为Udcref,
[0015]当辅助换流站的直流电压值大于(Uttoef-Udz)且小于(Ud_f+Udz)时，辅助换流站向直流侧馈入的直流功率为O ;此时，辅助换流站的运行方式为静止同步补偿器模式；
[0016]当辅助换流站的直流电压小于(Udraef-Udz)或大于(Uttoef+Udz)时，辅助换流站进入基于直流电压-有功功率的斜率为kass的下降控制模式，实现直流电压的有差控制；
[0017]当直流电压大于辅助换流站正常运行时的最大直流电压限值Udcm或小于辅助换流站正常运行时的最小直流电压限值Udm时，辅助换流站进入限流模式，运行于非正常运行模式。
[0018]所述选取辅助换流站的直流电压参考值Udcref和辅助换流站的直流电压死区值Udz的依据为:
[0019](I)直流电压参考值Udcref应取主导换流站直流电压指令值；
[0020](2)死区电压Udz应保证能够避免在有功功率的过零点产生振荡。
[0021]所述辅助换流站进入基于直流电压的下降控制模式的斜率值kass的选取方法为:
[0022](I)保证直流输电系统各换流站在各工况下的直流电压值不越限，并留有一定的安全裕度；
[0023](2)保证稳态情况下辅助换流站的有功功率波动范围为0.5%?5%，即斜率值kass小于k%P，k%P为辅助换流站的输出为额定有功功率且有功功率值在0.5%?5%范围内波动时的控制特性曲线的斜率值；
[0024](3)在最大最小运行方式、主导换流站和辅助换流站的总换流容量足够的工况下，斜率值kass的选取应保证主导换流站不进入限流模式；
[0025](4)斜率值kass小于keqN}, keqM> keqN分别为最大、最小运行方式下主导换流站恰好先于辅助换流站进入限流模式时的辅助换流站控制特性曲线的斜率值。
[0026]所述有功功率控制换流站基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的直流电压控制具体为:
[0027]正常运行时，有功功率控制换流站传输恒定的有功功率值，其工作电压范围为1-U(Jcm) UtJcn]；
[0028]当直流系统的主导换流站和辅助换流站无法维持系统功率平衡时，所有换流站的直流电压超出正常运行范围；
[0029]当有功功率控制换流站直流电压大于有功功率控制换流站正常工况下最大直流电压限值Utkm或小于有功功率控制换流站正常工况下最小直流电压限值Udm时，有功功率控制换流站进入基于直流电压-有功功率的斜率为kap。的下降控制模式，介入直流系统的直流电压控制；
[0030]当直流电压大于下降控制模式下斜率特性段的最大直流电压限值Udca或小于下降控制模式下斜率特性段的最小直流电压限值udcN时，有功功率控制换流站进入限流模式，限制有功功率和有功电流值。
[0031]所述有功功率控制换流站正常工况的最大、最小直流电压Udcm、Udcn的选取取决于有功功率控制换流站在最大、最小运行方式下的直流电压值，并留有一定的裕度。
[0032]所述有功功率控制换流站下降控制的斜率kap。的选取方法为:
[0033](I)保证非正常工况下直流输电系统各换流站的直流电压不越限，并留有一定的安全裕度；
[0034](2)保证稳态情况下辅助换流站的有功功率波动范围为0.5%?5%，即斜率值kass小于k%P，k%P为辅助换流站的输出为额定有功功率且有功功率值在0.5%?5%范围内波动时的控制特性曲线的斜率值。
[0035]本发明完成了一种基于改进下降调节特性的多端柔性直流输电系统协调控制策略，基于改进直流电压-有功功率下降调节特性给出了辅助换流站的改进下降控制策略以及有功功率控制换流站的改进控制策略，分析了两换流站的工作模式，根据直流网络的潮流分布和最大最小运行方式给出了辅助换流站和有功功率控制换流站参数选择的依据。
[0036]本发明的有益效果:
[0037]1.本发明用于大规模风电并网情况下多端柔性直流输电系统的协调控制策略的设计，完善了多端柔性直流输电系统的控制体系，用于辅助换流站和有功功率控制换流站实现其基于改进下降调节特性的控制策略。
[0038]2.本发明用于任何运行工况下多端柔性直流输电系统各换流站间的直流电压控制与有功功率分配，保证多端柔性直流输电系统在各运行状态间的平滑过渡。
[0039]3.本发明对于基于改进直流电压-有功功率下降调节特性给出了辅助换流站的改进下降控制策略以及有功功率控制换流站的改进控制策略，分析了两换流站的工作模式，根据直流网络的潮流分布和最大最小运行方式给出了辅助换流站和有功功率控制换流站参数选择的依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为辅助换流站的改进直流电压-有功功率下降调节特性；
[0041]图2 (a)为有功功率控制换流站双向功率运行模式下的改进直流电压-有功功率下降调节特性；
[0042]图2 (b)为有功功率控制换流站单向功率运行模式下的改进直流电压-有功功率下降调节特性；[0043]图3为辅助换流站的斜率特性段斜率的安全范围参考图；
[0044]图4 (a)为有功功率控制换流站双向功率运行模式下斜率特性段斜率的安全范围参考图；
[0045]图4(b)为有功功率控制换流站单向功率运行模式下斜率特性段斜率的安全范围参考图；
[0046]图5为辅助换流站的控制系统原理图；
[0047]图6为APC换流站的控制系统原理图。
【具体实施方式】
[0048]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0049]一种基于改进下降调节特性的多端柔性直流输电系统协调控制方法，包括主导换流站、风电场换流站、辅助换流站和有功功率控制(APC)换流站等各换流站的控制策略；
[0050]各换流站采用基于本地控制器的高级控制策略；主导换流站负责直流电压的控制，采用定直流电压控制和定无功功率控制策略；风电场换流站负责汇集风电场群的有功功率，采用频率控制和交流电压控制；辅助换流站辅助实现直流电压控制，采用带下降特性的直流电压控制和定无功功率控制策略；有功功率控制换流站用于向其交流侧电网传输恒定的有功功率，采用定有功功率控制和定无功功率控制策略，并引入基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的控制策略作为直流电压控制的备用控制；
[0051 ] 各换流站的换流器采用内环电流解耦控制器；内环电流控制采用电流反馈和电网电压前馈，以提高电流控制器的跟踪相应特性；电流内环控制器采用PI调节器以消除电流跟踪的稳态误差；各换流站采用矢量控制和脉冲调制(PWM)技术，以实现有功与无功功率的快速独立控制。
[0052]首先对各参数说明如下:
[0053]Udcn为辅助换流站正常长时间运行时的最小直流电压限值，Udcffl为辅助换流站正常长时间运行时的最大直流电压限值，2Udz为辅助换流站的死区电压，Udcref为辅助换流站的直流电压参考值，PmaxS辅助换流站的最大有功功率限值，Pmin为辅助换流站的最小有功功率限值，kass为辅助换流站下降控制的斜率，Um为有功功率控制换流站非正常工况下双向功率运行模式的最小直流电压限值，UdcM为有功功率控制换流站非正常工况下双向功率运行模式的最大直流电压限值，Udcnl为有功功率控制换流站正常运行情况下双向功率运行模式的最小直流电压限值，Udcffll为有功功率控制换流站正常运行情况下双向功率运行模式的最大直流电压限值，Pref为有功功率控制换流站流入直流网络的交流侧有功功率参考值，Pmini为有功功率控制换流站双向功率运行模式下最小有功功率极限，Pmxi为有功功率控制换流站双向功率运行模式下最大有功功率极限，kapc为有功功率控制换流站双向功率运行模式下降控制的斜率，Udcm为有功功率控制换流站非正常工况下单向功率运行模式的最小直流电压限值，Udcm为有功功率控制换流站非正常工况下单向功率运行模式的最大直流电压限值，Udcn2为有功功率控制换流站正常运行情况下单向功率运行模式的最小直流电压限值，Udcffl2为有功功率控制换流站正常运行情况下单向功率运行模式的最大直流电压限值，Pmax2为有功功率控制换流站单向功率运行模式下最大有功功率极限，Pmin2为有功功率控制换流站单向功率运行模式下最小有功功率极限，kapcl为有功功率控制换流站单向功率运行模式下降控制的斜率。
[0054]如图1所示，为防止辅助换流站的有功功率越限，该辅助换流站的特性曲线中引入有功功率的最大限值Udcm和最小限值Udcn。该组限值Udcm和Udcn与矢量控制策略中的限流器共同作用，防止换流器因运行于过载状态而对设备造成损坏。
[0055]当辅助换流站交直流交换功率P在[_ δ，δ ] ( δ取O?0.02p.u.)范围内波动时，为防止有功功率值P发生振荡，同时为使直流潮流分布更加合理，控制器引入死区控制。通过调节直流电压死区值Udz的大小，可实现与主导换流站的协调控制，实现直流网络的最优潮流控制。
[0056]辅助换流站有三种控制模式:(I)静止同步补偿器模式:当直流电压大于(Udcref-Udz)且小于(Ud_f+Udz)时，辅助换流站向直流侧馈入的直流功率为0，此时，辅助换流站的运行方式与静止同步补偿器类似，主要为交流侧电网提供动态无功电压支撑；(2)下降控制模式(正常运行模式):当直流电压小于(Ud_f-Udz)或大于(Ud_f+Udz)时，换流站进入基于直流电压的斜率为kass的下降控制模式，实现直流电压的有差控制。以上两种运行模式均为辅助站的正常运行模式；(3)限流模式:当直流电压大于Udran或小于Udm时，辅助站进入限流模式，运行于非正常运行模式。基于矢量控制和脉冲调制技术，辅助控制站的控制系统原理图如图5所示。换流站直流侧电压经过一阶低通滤波环节，经由Utk-P特性曲线得到有功功率参考值PMf。
[0057]辅助换流站的参考电压Udcref和死区电压的Udz决定了下降控制器的启动，即辅助换流站斜率特性段的启动直流电压值为ud_f+udz，其选取依据为:
[0058](I)直流电压参考值Udcref应取主导站直流电压指令值；
[0059](2)死区电压Udz应保证能够避免在有功功率过零点产生的振荡。
[0060]确定了 Udcref、Udz之后，辅助换流站斜率特性段斜率kass与换流器有功功率限值PMX、PMIN决定了 udcm、udcn的大小，从而决定了下降控制模式下的功率输出大小和直流电压范围。
[0061 ] 斜率kass的选择方法如下:
[0062](I)按照保证直流输电系统各换流站在各工况下直流电压值不越限来选择，并留有一定的安全裕度，图3中阴影区域即为能够保证直流电压安全的kass范围；
[0063](2)保证稳态情况下辅助换流站的有功功率波动范围为0.5%?5%，即斜率值kass小于k%P，k%P为辅助换流站的输出为额定有功功率且有功功率值在0.5%?5%范围内波动时的控制特性曲线的斜率值；
[0064](3)在最大最小运行方式、主导站和辅助站的总换流容量足够的工况下，该参数选择应保证主导站不进入限流模式；特性曲线斜率值kass小于min {keqM, keqN}，keqM> keqN分别为最大、最小运行方式下主导站恰好先于辅助换流站进入限流模式时的辅助换流站控制器斜率值。
[0065]如图2所示，当电网侧电压长时间跌落、换流停运故障等大扰动发生时，主导换流站或辅助换流站的有功功率传输受到限制，导致直流系统无法继续维持其有功功率平衡，从而直流电压失去控制，最终换流站因保护动作退出运行。有功功率控制换流站设计为直流电压控制的备用站，引入斜率控制作为非正常工况下的控制策略。
[0066]有功功率控制换流站的改进直流电压-有功功率下降调节特性如图2所示，包括允许双向功率传输的运行模式和允许单向功率传输的运行模式两种。双向功率模式允许换流站在非正常运行工况下通过反向传输有功功率以抑制直流侧电压的进一步升高，其用于维持直流电压的用容量明显高于单向功率运行模式，但同时，功率翻转过程中的有功功率缺额对APC换流站交流侧系统的调峰能力提出了一定的要求，故该种控制模式适用于与具有足够热备用容量的中大型电力系统相连接的APC换流站。单向传输功率模式不允许有功潮流翻转，适用于与小型电力系统相连的APC换流站。
[0067]以双向功率运行模式为例:
[0068]有功功率控制换流站有三种控制模式:
[0069](I)定有功功率控制(正常运行模式):正常运行时，有功功率控制换流站传输恒定的有功功率值，其工作电压范围为[udc;ml，Udml]；
[0070](2)下降控制模式:当直流系统的主导站和辅助站无法维持系统功率平衡时，各换流站直流电压超出正常运行范围；当有功功率控制换流站直流电压大于Udcml或小于Udcnl时，有功功率控制换流站进入基于直流电压-有功功率的斜率为kap。的下降控制模式，介入直流系统的直流电压控制；
[0071](3)限流模式:当直流电压大于UdcM或小于UdcN时，有功功率控制换流站进入限流模式，限制有功功率和有功电流值。基于矢量控制和脉冲调制技术，APC换流站的控制系统原理图如图6所示。换流站直流侧电压经过一阶低通滤波环节，经由Utk-P特性曲线得到有功功率参考值的修正值Pdelta,将Pdelta与原有有功功率参考值Pref的和作为修正后的有功功率参考值。
[0072]有功功率控制换流站正常工况的最大最小直流电压UdMl、Udcnl决定了下降控制器的启动，该组值的选取主要取决于有功功率控制换流站在最大最小运行方式下的直流电压值，并应当留有一定的裕度。
[0073]当参数Udcml、Udcnl确定之后，有功功率控制换流站下降控制的斜率kap。与有功功率极限PMX1、PMIN1共同决定了 UdcM、UdcN的大小，从而决定了下降控制模式下的有功功率输出和直流电压运行范围。斜率kap。的选择方法如下:
[0074](I)保证非正常工况下直流输电系统各换流站的直流电压不越限来选择，并留有一定的安全裕度，如图4中阴影区域即为能够保证直流电压安全的kap。范围；
[0075](2)保证稳态情况下辅助换流站的有功功率波动范围为0.5%?5%，即斜率值kass小于k%P，k%P为辅助换流站的输出为额定有功功率且有功功率值在0.5%?5%范围内波动时的控制特性曲线的斜率值。
[0076]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，所述直流输电系统至少包括主导换流站、辅助换流站和有功功率控制换流站；所述主导换流站用于整个系统直流电压的控制；辅助换流站用于辅助实现系统直流电压的控制；有功功率控制换流站用于向其交流侧电网传输恒定的有功功率；其特征是， 正常工况下，所述辅助换流站与主导换流站协调配合共同实现多端柔性直流输电系统的直流电压控制；有功功率控制换流站采用定有功功率控制和定无功功率控制； 主导换流站进入限流模式或停运时，辅助换流站采用基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的直流电压控制和定无功功率控制； 当主导换流站和辅助换流站无法维持直流输电系统功率平衡时，有功功率控制换流站引入基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的控制作为直流电压控制的备用控制。
2.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，其特征是，所述辅助换流站基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的直流电压控制方式具体为: 当辅助换流站交直流交换功率P在[-1 δ]范围内波动时，引入死区控制；通过调节辅助换流站的直流电压死区值Udz的大小，可实现与主导换流站的协调控制，实现直流网络的最优潮流控制；其中，S取O~0.02p.u.； 设辅助换流站的直流电压参考值为Udcref, 当辅助换流站的直流电压值大于(Ud_f-Udz)且小于(Ud_f+Udz)时，辅助换流站向直流侧馈入的直流功率为 当辅助换流站的直流电压小于(Utof-Udz)或大于(Utof+Udz)时，辅助换流站进入基于直流电压-有功功率的斜率为kass的下降控制模式，实现直流电压的有差控制； 当直流电压大于辅助换流站正常运行时的最大直流电压限值Udran或小于辅助换流站正常运行时的最小直流电压限值Udm时，辅助换流站进入限流模式，运行于非正常运行模式。
3.如权利要求2所述的一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，其特征是，所述选取辅助换流站的直流电压参考值Udrarf和辅助换流站的直流电压死区值Udz的依据为: (1)直流电压参考值Uttorf应取主导换流站直流电压指令值； (2)死区电压Udz应保证能够避免在有功功率的过零点产生振荡。
4.如权利要求2所述的一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，其特征是，所述辅助换流站进入基于直流电压的下降控制模式的斜率值kass的选取方法为: (1)保证直流输电系统各换流站在各工况下的直流电压值不越限，并留有一定的安全裕度； (2)保证稳态情况下辅助换流站的有功功率波动范围为0.5%~5%，即斜率值kass小于k%P，k% P为辅助换流站的输出为额定有功功率且有功功率值在0.5%~5%范围内波动时的控制特性曲线的斜率值； (3)在最大最小运行方式、主导换流站和辅助换流站的总换流容量足够的工况下，斜率值kass的选取应保证主导换流站不进入限流模式； (4)斜率值kass小于η?η?Ι^Μ,keqN}, keqM> keqN分别为最大、最小运行方式下主导换流站恰好先于辅助换流站进入限流模式时的辅助换流站控制特性曲线的斜率值。
5.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，其特征是，所述有功功率控制换流站基于改进直流电压-有功功率下降调节特性的直流电压控制具体为:正常运行时，有功功率控制换流站传输恒定的有功功率值，其工作电压范围为1-U(Jcm) UtJcn]； 当直流系统的主导换流站和辅助换流站无法维持系统功率平衡时，所有换流站的直流电压超出正常运行范围； 当有功功率控制换流站直流电压大于有功功率控制换流站正常工况下最大直流电压限值U-或小于有功功率控制换流站正常工况下最小直流电压限值Udcn时，有功功率控制换流站进入基于直流电压-有功功率的斜率为kap。的下降控制模式，介入直流系统的直流电压控制； 当直流电压大于下降控制模式下斜率特性段的最大直流电压限值Um或小于下降控制模式下斜率特性段的最小直流电压限值UdcN时，有功功率控制换流站进入限流模式，限制有功功率和有功电流值。
6.如权利要求5所述的一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，其特征是，所述有功功率控制换流站正常工况的最大、最小直流电压Ud?、Udcn的选取取决于有功功率控制换流站在最大、最小运行方式下的直流电压值，并留有一定的裕度。
7.如权利要求5所述的一种多端柔性直流输电系统协调控制方法，其特征是，所述有功功率控制换流站下降控制的斜率kap。的选取方法为: (1)保证非正常工况下 直流输电系统各换流站的直流电压不越限，并留有一定的安全裕度； (2)保证稳态情况下辅助换流站的有功功率波动范围为0.5%~5%，即斜率值kass小于k%P，k% P为辅助换流站的输出为额定有功功率且有功功率值在0.5%~5%范围内波动时的控制特性曲线的斜率值。
【文档编号】H02J3/36GK104022522SQ201410253118
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】李可军, 荆平, 任敬国, 赵国亮, 孙立军, 田鑫, 蔡林海 申请人:山东大学, 国网智能电网研究院