考虑交流侧运行状态的MMC-MTDC下垂控制方法与流程

本发明涉及一种考虑交流侧运行状态的直流输电系统功率协调控制方法，属输配电技术领域。

背景技术：

与传统交流输电相比，高压直流输电在远距离供电、频率不同系统互联、长海底电缆传输等方面具有明显优势。多端直流输电(multi-terminaldc，mtdc)与两端高压直流输电相比可以实现多个电源供电、多个落点受电以及更灵活、更经济高效的潮流控制。模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，mmc)具有结构灵活、拓展方便、能实现高电压、大功率能量转换、易形成多端系统、可以向无源电网供电等优点。因而mmc-mtdc输电系统将成为未来多端直流输电系统发展的重要方向。

多端直流输电系统的控制目标是实现直流侧功率合理分配和直流母线电压稳定。目前提出的各种协调控制策略主要考虑的是利用直流侧相关信息来实现直流侧内部各换流站间的功率协调分配，而对交流系统运行状态参与直流侧功率的协调分配考虑较少。在实际电网中，分配给每个互联电网的不平衡功率不仅要考虑换流站功率裕度，还应考虑交流侧电网的运行状态，比如交流系统的频率和负载率变化，有些电网旋转备用容量较小，即使其所连接换流站功率裕度大，在直流电网出现不平衡功率后，也不能分摊较多的不平衡功率，否则交流电网将出现过大的频率波动。同样道理，如果未考虑交流系统的负载率，容易导致个别交流系统满载从而失去对整个系统调节能力。

目前高压直流输电的控制方式主要有以下三类：主从控制、直流电压裕度控制和电压下垂控制。但目前的控制策略主要存在以下缺点：

(1)主从控制对通讯系统要求较高，系统稳定性在通讯中断时会面临很大威胁，因此这严重制约了该控制方式的发展。

(2)电压裕度控制在换流站控制方式的切换过程中容易产生功率振荡，电压裕度的选择比较复杂，几个直流电压换流站的优先级在换流站规模较大时难以相互配合。

(3)换流站采用传统的定斜率下垂控制时，不能根据交流侧运行状态灵活调节下垂系数，容易导致交流系统满载以及频率超出允许的范围，从而降低互联系统的稳定性。

综上所述，现有高压直流输电的控制方式均不理想，有必要加以改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种考虑交流侧运行状态的mmc-mtdc下垂控制方法，以防止交流系统满载以及频率超出允许的范围，提高互联系统的稳定性。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种考虑交流侧运行状态的mmc-mtdc下垂控制方法，所述方法针对多端柔性直流输电系统，采用改进的下垂控制策略对系统中的电压源换流站进行控制，电压下垂系数根据交流系统频率和负载率的变化进行实时调节，具体表达式为：

其中

式中：ki为换流站i的电压下垂系数；ki0为换流站i根据其额定容量所整定的初始电压下垂系数；δfthre为频率阈值；η为交流系统负载率；η'为交流系统负载率设定值；f为交流系统频率测量值；f0为交流系统频率初始值；δf'为交流系统频率波动设定值。

上述考虑交流侧运行状态的mmc-mtdc下垂控制方法，所述交流系统频率波动设定值δf'设置为0.2hz；交流系统负载率设定值η'设置为0.85；频率阈值δfthre设置为0.02hz。

本发明根据交流系统频率和交流系统负载率的变化情况来调节电压源换流站的控制模式，使系统始终在合适的工况下运行，不仅可减少线路直流电压偏差，还可防止交流系统过载或者频率超出允许的范围，从而提高了互联系统的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为三端柔性直流输电系统结构图；

图2为传统下垂控制和改进下垂控制udc-pdc特性曲线对比图；

图3为直流侧出现较小不平衡功率后直流电压仿真波形；

图4为直流侧出现较大不平衡功率后交流侧输出功率仿真波形；

附图或文中所用符号为：hvdc为高压直流输电，mmc-mtdc为多端柔性直流输电，ki为换流站i的电压下垂系数，δfthre为频率阈值，δf'为交流系统频率波动设定值，η为交流系统负载率，η'为交流系统负载率设定值，pdc为直流侧有功功率实测值，f为频率实测值，f0为频率初始值，udc为直流电压实际值，p为交流系统发出的有功功率实测值，pn为交流系统额定有功功率值，ki⁰为换流站i根据其额定容量所整定的初始电压下垂系数。

具体实施方式

本发明提供一种考虑交流侧运行状态的mmc-mtdc下垂控制方法，以提高电压质量和互联系统的稳定性。

本发明针对多端柔性直流输电系统中的电压源换流站，采用改进的下垂控制策略进行控制，电压下垂系数的表达式为：

其中

式中：ki⁰为换流站i根据其额定容量所整定的初始电压下垂系数；δfthre为频率阈值；η为交流系统负载率；η'为交流系统负载率设定值；f为交流系统频率测量值；f0为交流系统频率初始值；δf'为交流系统频率波动设定值。

考虑到交流系统长期稳定运行的频率波动范围不超过[-0.2，0.2]hz，本发明中δf'设置为0.2hz；交流系统负载率设定值η'设置为0.85；为了防止稳态时交流频率的微小波动导致相应换流站斜率系数值的频繁变化，在改进下垂控制中对频率变化设置了频率阈值，本发明设置的频率阈值大小为0.02hz，仅当频率低于下限49.98hz或超过上限50.02hz时下垂系数才会发生变化。

根据交流系统不同运行状态，采用此改进下垂控制策略后，换流站会出现如下3种控制模式:

(1)控制模式1：各交流侧系统均稳定运行，直流网络中无功率扰动或者功率波动较小，交流侧频率波动小于频率阈值，换流站按照固定斜率正常运行。

(2)控制模式2：当直流侧出现较小的不平衡功率，如某一交流系统发生较小事故时，其他交流系统参与直流侧不平衡功率调节时，自身频率波动超过频率阈值，但是这些交流系统负载率以及频率变化量都没有超出各自的设定值时，各换流站的下垂系数在初始电压下垂系数基础上减小，此时电压下垂曲线斜率变小，电压刚性好，系统运行在侧重于稳定直流电压的状态，在进行功率调节过程中系统运行直流电压与参考运行电压更加接近。

(3)控制模式3：当直流侧出现较大的不平衡功率，如某一交流系统发生较大事故或某一换流站退出运行时，其他交流系统参与直流侧不平衡功率调节时，自身频率波动超过频率阈值，交流系统负载率与频率变化量至少有一个超出各自的设定值时，各换流站的下垂系数在初始电压下垂系数基础上增加，下垂曲线斜率变大，换流站分摊的功率减小，系统运行在侧重于功率分配的状态，防止其所连接的交流系统分配的功率过多，从而有效避免交流系统过载或者频率超出允许的范围。

下面结合实施例对本方法进行详细说明，参见图1，三端柔性直流输电系统包括：

交流系统1，与换流站2相连；

换流站2，与交流系统1和母线3相连，该换流站运行于整流状态，用于把交流系统1的交流电转换成直流电，输送到直流母线3；

直流母线3，与换流站2、换流站9和直流输电线路4相连，该母线用于汇聚换流站2和换流站9输送的电能，再经过直流输电线路4传输出去；

直流输电线路4，与母线3和母线5相连，该直流输电线路用于高压直流输电；

交流系统7，与换流站6相连。母线5，与直流输电线路4、换流站6相连，该母线用于汇聚直流输电线路4的电能，再经过换流站6给交流系统7供电；

换流站6，与母线5和交流系统7相连，该换流站运行于逆变状态，用于把直流母线5的直流电转换成交流电，传输给交流系统7；

交流系统8，与换流站9相连；

换流站9，与交流系统8和母线3相连，该换流站运行于整流状态，用于把交流系统8的交流电转换成直流电，输送到直流母线3；

本发明换流站2采用定有功功率控制，换流站6、换流站9均采用下垂控制，考虑交流侧运行状态的mmc-mtdc改进下垂控制策略具体步骤如下：

第一步：检测交流系统的频率变化量δf和交流系统负载率η，其表达式为：δf＝|f-f0|，η＝p/pn。其中f为交流系统频率测量值；f0为交流系统频初始值；p为交流系统发出的有功功率实测值；pn为交流系统额定有功功率值。

第二步：根据频率变化量的阈值δfthre大小判断换流站的控制模式。δfthre≤0.02hz时换流站按照固定下垂系数正常运行；当δfthre＞0.02hz时换流站切换到改进下垂系数k′i运行。

第三步：分别计算交流侧频率变化量δf与频率波动设定值δf'以及交流系统负载率η与负载率设定值η'的比值。其中δf'设定为0.2hz，η'设定为0.85。

第四步：根据两个量的大小判断换流站在改进下垂控制下的控制模式。当时，改进下垂系数根据交流侧频率变化和负载率变化而减小，其表达式为：此时电压下垂曲线斜率变小，电压刚性好，系统运行在侧重于稳定直流电压的状态；当或时，自适应下垂系数根据交流侧频率变化和负载率变化而增大，其表达式为：此时下垂曲线斜率变大，换流站分配的功率减小，系统运行在侧重于功率分配的状态，防止其所连接的交流系统分配的功率过多，从而有效避免交流系统过载或者频率超出允许的范围。

本发明提出的改进下垂控制策略能够根据交流系统频率变化和交流系统负载率变化调节直流侧换流站的工作状态是侧重于稳定直流电压还是侧重于功率分配，通过调节系统运行在合适的工况，减少了直流侧电压偏差，防止交流系统满载以及频率超出允许的范围，提高互联系统运行稳定性。

参见图2，传统下垂控制中下垂系数为定值，当直流系统出现功率缺额时，各换流站分担的功率是固定值，这样容易导致调频能力弱的交流系统频率出现较大的波动或者交流系统负载率过高，影响系统稳定。

本发明提出的改进下垂控制策略中，其电压下垂系数表达式为：

其中

改进下垂控制中电压下垂系数不是定值，而是根据交流系统负载率以及交流系统频率变化量进行自动调节。

图2中，实线表示传统下垂控制策略，因为下垂系数为定值，在图中表示为一条倾斜直线。虚线表示改进下垂控制策略，在ab段，此时改进下垂系数根据交流侧频率变化和负载率变化而减小，其表达式为：此时电压下垂曲线斜率变小，电压刚性好，系统运行在侧重于稳定直流电压的状态；在cd和ef段，此时改进下垂系数根据交流侧频率变化和负载率变化而增大，其表达式为：此时下垂曲线斜率变大，换流站分摊的功率减小，系统运行在侧重于功率分配的状态，从而有效避免其所连接的交流系统分配过多的功率，防止交流系统过载或者频率超出允许的范围。

图3为直流侧出现较小不平衡功率后直流电压仿真波形

由图3可以看出，在直流侧出现不平衡功率，各换流站进行功率调节后，采用改进下垂控制的换流站电压变化量明显小于采用传统下垂控制的电压变化量，这是因为当直流侧出现较小的不平衡功率，其他交流系统参与直流侧不平衡功率调节时，自身频率波动超过频率阈值，但是交流系统负载率与交流侧频率变化量都没有超出各自的设定值时，各换流站的下垂系数在初始电压下垂系数基础上减小，此时电压下垂曲线斜率变小，电压刚性好，系统运行在侧重于稳定直流电压的状态，在进行功率调节过程中系统运行直流电压与参考运行电压更加接近。

图4为直流侧出现较大不平衡功率后交流侧输出功率仿真波形

由图4可以看出，在直流侧出现较大不平衡功率后，采用改进下垂控制的换流站所连接的交流系统输出的有功功率增加量明显低于采用传统下垂控制的换流站所连接的交流系统输出的有功功率增加量，避免了交流系统满载，这是因为当直流侧出现较大不平衡功率后，频率波动超过频率阈值，交流系统负载率与交流侧频率变化量至少有一个超出各自的设定值，此时各换流站的下垂系数在初始电压下垂系数基础上增加，下垂曲线斜率变大，换流站分摊的功率减小，系统运行在侧重于功率分配的状态，能够有效避免换流站分配过多的功率，防止交流系统过载或者频率超出允许的范围。