优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置和控制方法与流程

1.本发明涉及一种优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置、控制方法和可读介质，属于直流输电领域，特别涉及远海风电经柔性直流送出系统设计。


背景技术：

2.柔性直流输电是大容量、长距离远海风电并网的最优技术方案。为了解决远海风电柔性直流系统受端交流电网故障后的功率盈余问题，必须引入消纳功率灵活可控的直流耗能装置以实现故障穿越，其中集中式直流耗能装置由级联子模块与集中布置的电阻串联组成，因具有结构紧凑、控制简单、无需配置水冷系统、成本较低等优势而备受青睐。但是集中式直流耗能装置在投切过程中，通过所有功率器件的硬开通/关断来实现耗能模快的整投整切，功率冲击较大，控制效果不够理想，往往导致较大的直流电压波动幅度，且器件开通/关断瞬间容易在极间直流电压上产生较大的投切尖峰，该投切尖峰将在直流耗能装置使能期间频繁出现，大幅降低直流电压控制效果，使相关电气设备频繁承受冲击，可能严重影响系统运行安全。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的是提供了一种优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置、控制方法和可读介质，其通过外并电容支路有效解决了集中式直流耗能装置直流电压投切尖峰大的问题，通过采用分组布置结构以及分组控制策略有效降低了集中式直流耗能装置动作期间直流电压的稳态波动幅度，从而显著优化集中式直流耗能装置的直流电压控制效果。
4.为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置，集中式直流耗能装置接于直流正负极之间，其包括上下两个对称的组，上下两组均包括电阻和若干耗能模块，各个耗能模块串联，并与电阻串联，且上下两组分别与一电容并联，通过上下两组连接处接地。
5.进一步，耗能模块包括一p型场效应管和一与之反向并联的二极管。
6.进一步，电容在耗能模块投入瞬间，并联电容向耗能模块放电，抑制直流电压投入尖峰；在耗能模块切出瞬间，盈余功率为并联电容充电，从而抑制直流电压切出尖峰。
7.进一步，当两组耗能模快均投入时，耗能支路功率为pn，电容放电功率为p
n ‑△
p；当两组耗能模快均切出时，耗能支路功率为0，电容放电功率为
△
p；当一组耗能模块投入、另一组耗能模快切出时，耗能支路功率为1/2pn，若
△
p《1/2pn则此时电容放电功率为1/2p
n ‑△
p，若
△
p》1/2pn则此时电容充电功率为
△
p-1/2p
n ，若
△
p=1/2pn则此时电容无充放电功率。
8.进一步，分组集中式直流耗能装置的稳态直流电压波动最大值为：
其中，u为稳态直流电压，c是等效电容，t是单位载波周期。
9.本发明还公开了一种优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置的控制方法，使用上述任一项的分组集中式直流耗能装置，包括以下步骤：基于直流电压参考值，通过比例积分控制生成耗能模快投入的占空比a；在直流耗能装置使能期间，使上下组耗能模块的载波相位相差180
°
；将占空比a与上下组耗能模快的载波进行比较，生成耗能模块的导通或关断指令。
10.进一步，当占空比a大于载波时，导通对应组内所有子模块的耗能模块，耗能模快投入；当占空比a小于载波时，关断对应组内所有子模块的耗能模块，使耗能模快退出。
11.进一步，直流电压实际值越高，占空比a越大。
12.进一步，载波为三角载波，三角载波的上下限值分别为1和0，根据耗能模块的开关频次确定三角载波的频率。
13.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任一项的优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置的控制方法。
14.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明提供了一种优化直流电压控制效果的分组集中式直流耗能装置的拓扑结构、控制方法，其通过外并电容支路有效解决了集中式直流耗能装置直流电压投切尖峰大的问题，通过采用分组布置结构以及分组控制策略有效降低了集中式直流耗能装置动作期间直流电压的稳态波动幅度，显著优化了集中式直流耗能装置的直流电压控制效果，在远海风电经柔性直流送出领域具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。
附图说明
15.图1是本发明一实施例中优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置的结构示意图；图2是本发明一实施例中分组集中式直流耗能装置控制方法的示意图，图中，udc是直流实际运行电压；udcref是直流参考电压；a是耗能模快投入的占空比；f1是上组直流耗能装置的投切指令；f2是下组直流耗能装置的投切指令；图3是本发明一实施例中上组集中式直流耗能装置中载波与占空比的示意图；图4是本发明一实施例中下组集中式直流耗能装置中载波与占空比的示意图；图5是本发明一实施例中占空比a《1/2时上下组直流耗能装置的投切指令示意图；图6是本发明一实施例中占空比a=1/2时上下组直流耗能装置的投切指令示意图；图7是本发明一实施例中占空比a》1/2时上下组直流耗能装置的投切指令示意图；图8是本发明一实施例中当系统盈余功率为1100mw时发生受端交流系统故障的情况下，直流耗能装置动作期间的直流电压波形；图9是本发明一实施例中当系统盈余功率为550mw时发生受端交流系统故障的情况下，直流耗能装置动作期间的直流电压波形；图10是本发明一实施例中当系统盈余功率为100mw时发生受端交流系统故障的情况下，直流耗能装置动作期间的直流电压波形。
具体实施方式
16.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
17.针对现有技术中直流耗能装置中投切尖峰频繁出现，大幅降低直流电压控制效果，使相关电气设备频繁承受冲击的问题，本发明提出了一种优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置、控制方法和可读介质，其通过外并电容支路有效解决了集中式直流耗能装置直流电压投切尖峰大的问题，通过采用分组布置结构以及分组控制策略有效降低了集中式直流耗能装置动作期间直流电压的稳态波动幅度，显著优化了集中式直流耗能装置的直流电压控制效果。下面结合附图通过实施例对本发明方案进行详细阐述。
18.实施例一如图1所示，本实施例公开了一种优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置，集中式直流耗能装置接于直流正负极之间，其包括上下两个对称的组，即上组和下组，上下两组均包括电阻和若干耗能模块，图1中上组和下组中的耗能模块均为n个，表示为sm1、sm2、
…
smn，各个耗能模块串联，并与电阻串联，且上下两组分别与一电容并联，通过上下两组连接处接地。耗能模块包括一p型场效应管和一与之反向并联的二极管。
19.现有技术中集中式直流耗能装置不包括并联的电容，由于耗能支路两侧所连电抗器的电流不能突变，因此耗能支路电流也无法突变。在耗能电阻投入瞬间，耗能支路电流仍然为0，但耗能支路等效电阻已从变为r，因此其端间电压突降，使直流电压呈现一个向下的投入尖峰；在耗能电阻切出瞬间，耗能支路电流仍然为耗能电流，但耗能支路等效电阻已从r变为，因此其端间电压突增，使直流电压呈现一个向上的切出尖峰。
20.对于本实施例中含外并电容支路的集中式直流耗能装置，虽然两侧电感支路电流不能突变，但并联电容支路电流可通过电容充/放电而改变，从而可调节耗能支路瞬时电流。在耗能电阻投入瞬间，并联电容向耗能电阻放电，使耗能电阻支路电流不再维持为0，即使耗能支路等效电阻从变为r，其端间电压也不会突降，而是将在并联电容的稳压作用下瞬时维持不变，从而抑制直流电压投入尖峰；在耗能电阻切出瞬间，盈余功率为并联电容充电，使耗能电阻支路电流瞬变为0，即使耗能支路等效电阻从r变为，其端间电压也不会突增，而是将在并联电容的稳压作用下瞬时维持不变，从而抑制直流电压切出尖峰。
21.对于非分组集中式直流耗能装置，当耗能电阻投入时，耗能支路功率为pn，电容放电功率为p
n ‑△
p，其中
△
p表示系统盈余功率；当耗能电阻切出时，耗能支路功率为0，电容放电功率为
△
p。其稳态直流电压波动的最大值：其中，u为稳态直流电压，c是等效电容，t是单位载波周期。
22.对于本实施例中分组集中式直流耗能装置，当两组耗能模快均投入时，耗能支路功率为pn，电容放电功率为p
n ‑△
p；当两组耗能模快均切出时，耗能支路功率为0，电容放电功率为
△
p；当一组耗能模块投入、另一组耗能模快切出时，耗能支路功率为1/2pn，若
△
p《1/2pn则此时电容放电功率为1/2p
n ‑△
p，若
△
p》1/2pn则此时电容充电功率为
△
p-1/2p
n ，
若
△
p=1/2pn则此时电容无充放电功率。其稳态直流电压波动的最大值为：。
23.可见本实施例中分组集中式直流耗能装置的直流电压波动仅为非分组集中式直流耗能装置稳态直流电压波动最大值的1/4，可见直流电压波动大幅降低。
24.实施例二基于相同的发明构思，本实施例公开了一种优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置的控制方法，使用上述任一项的分组集中式直流耗能装置，如图2所示，包括以下步骤：s1基于直流电压参考值，通过比例积分控制生成耗能模快投入的占空比a；图3和图4分别为本实施例中上组和下组集中式直流耗能装置中载波与占空比的示意图。其中，占空比a的定义为单位周期内耗能电阻投入时间所占的比例。本实施例中载波为三角载波，直流电压实际值越高对应盈余功率越大，占空比a越大。
25.s2在直流耗能装置使能期间，使上下组耗能模块的载波相位相差180
°
，三角载波的上下限值分别为1和0，根据耗能模块的开关频次确定三角载波的频率。
26.s3将步骤s1中生成的占空比a与上下组耗能模快的三角载波进行比较，生成耗能模块的导通或关断指令。当占空比a大于载波时，导通对应组内所有子模块的耗能模块，耗能模快投入；当占空比a小于载波时，关断对应组内所有子模块的耗能模块，使耗能模快退出。
27.对于非分组集中式直流耗能装置，当耗能电阻投入时，耗能支路功率为pn，电容放电功率为p
n ‑△
p，其中
△
p表示系统盈余功率；当耗能电阻切出时，耗能支路功率为0，电容放电功率为
△
p。为保证直流电压稳定，单位载波周期t内耗能支路的平均功率应与系统盈余功率
△
p相等，因此单位周期t内耗能电阻的投入时间为
△
p/pn*t。因此单位载波周期t内，电容的放电能量和充电能量分别为：可见，单位载波周期t内，电容的放电能量和充电能量相等，从而可维持直流电压稳定，并可由此推算直流电压的最大波动范围。假设稳态直流电压波动范围为，系统等效电容为c，则有：因此，稳态直流电压波动的表达式如下：由于0≤
△
p≤pn，因此当
△
p =1/2 pn时，可得稳态直流电压波动的最大值：
对于分组集中式直流耗能装置，当两组耗能电阻均投入时，耗能支路功率为pn，电容放电功率为p
n ‑△
p；当两组耗能电阻均切出时，耗能支路功率为0，电容放电功率为
△
p；当一组耗能电阻投入、另一组耗能电阻切出时，耗能支路功率为1/2pn，若
△
p《1/2pn则此时电容放电功率为1/2p
n ‑△
p，若
△
p》1/2pn则此时电容充电功率为
△
p-1/2p
n ，若
△
p=1/2pn则此时电容无充放电功率。
28.结合本实施例中控制方法，进一步分析稳态直流电压波动。
29.上下两组直流耗能装置在单位周期[0,t]内的三角载波方程为：如图3所示，上组直流耗能装置的载波与占空比的两个相交时刻为：如图4所示，下组直流耗能装置的载波与占空比相交的时刻为：为保证直流电压稳定，可得占空比a=
△
p/pn。
[0030]
如图5所示，若0≤
△
p《1/2pn，则0≤a《1/2，此时有。
[0031]
在期间，均为一组耗能电阻投入、另一组耗能电阻切出，电容放电功率为1/2p
n ‑△
p。
[0032]
在期间，均为两组耗能电阻同时切出，电容放电功率为
△
p。
[0033]
进一步考虑到载波的循环性，可知单位载波周期内电容的连续充电/放电能量为：
由此可得：因此，稳态直流电压波动的表达式如下：当a=0.25时，。
[0034]
如图6所示，若
△
p=1/2pn，则a=1/2，此时，任一时刻均为一组耗能电阻投入、另一组耗能电阻切出，电容无充放电功率，因此稳态直流电压波动的理论值为0。
[0035]
如图7所示，若1/2pn《
△
p≤pn，则1/2《a≤1，此时有。
[0036]
在期间，均为一组耗能电阻投入、另一组耗能电阻切出，电容充电功率为
△
p-1/2pn；在期间，均为两组耗能电阻同时投入，电容放电功率为p
n ‑△
p。
[0037]
进一步考虑到载波的循环性，可知单位载波周期内电容的连续充电/放电能量为：可知单位载波周期内电容的连续充电/放电能量为：由此可得：因此，稳态直流电压波动的表达式如下：
当a=0.75时，。
[0038]
因此，分组集中式直流耗能装置的稳态直流电压波动最大值为：，仅为非分组集中式直流耗能装置稳态直流电压波动最大值的1/4，可见直流电压波动大幅降低。
[0039]
实施例三为了进一步验证本发明方案的有效性和可行性，通过一个具体的实施例对实施例一、二中装置和方法进行验证。
[0040]
在pscad软件中搭建额定直流电压
±
400kv、额定容量为1100mw的远海风电柔性直流送出系统模型，并配置实施例一中的分组集中式直流耗能装置，设置直流耗能装置的使能判据为直流电压超过1.1pu、退出判据为直流电压低于0.97pu、直流电压参考值为1.02pu，分别用于验证该分组集中式直流耗能装置的直流电压控制效果。
[0041]
图8、图9和图10分别为本实施例中当系统盈余功率为1100mw、550mv和100mv时发生受端交流系统故障的情况下，直流耗能装置动作期间的直流电压波形。如图8-10所示，在不同系统盈余功率下发生受端交流电网故障时，该直流耗能装置均能将直流电压迅速稳定于参考值附近，投切瞬间无直流电压投切尖峰，且直流电压稳态波动幅度较小，具有良好的直流电压控制效果。
[0042]
本实施例表明，实施例一中的分组集中式直流耗能装置，可以通过外并电容支路有效解决集中式直流耗能装置直流电压投切尖峰大的问题，并通过采用分组布置结构以及分组控制策略有效降低集中式直流耗能装置动作期间直流电压的稳态波动幅度，从而显著优化集中式直流耗能装置的直流电压控制效果，在远海风电经柔性直流送出领域具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。
[0043]
实施例三基于相同的发明构思，本实施例公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任一项的优化直流电压控制的分组集中式直流耗能装置的控制方法。
[0044]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0045]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0046]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0047]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0048]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。