CN103618308A - 一种交流与柔性直流并联输电系统的交流线路潮流自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流与柔性直流输电过程中交流线路的潮流自动控制方法。本发明通过远方测量装置测量交流线路的有功潮流，由通讯系统传送至柔性直流输电换流站，通过增减柔性直流换流站传输的有功功率间接调节交流线路有功潮流。本发明的控制思路明晰、具体实现手段简单、控制结果准确，可适用于交流输电线路与柔性直流输电线路组成的交直流并列输电系统，减小交直流系统的输电损耗，在电网发生故障失去交流通道时，转移到直流通道的潮流很小，有助于实现换流站从交直流方式到纯直流方式的平滑切换，提高柔性直流输电系统运行效率和可靠性。

Description

一种交流与柔性直流并联输电系统的交流线路潮流自动控制方法

 

技术领域

    本发明涉及一种交直流并联柔性直流输电系统中交流线路的潮流自动控制方法，尤其是提出了一种通过远方测量装置测量交流输电通道的有功潮流，传送至柔性直流换流站用以控制直流线路传输的有功功率，最终将交流输电通道的有功潮流控制在设定阈值以下的控制方法，属于电力系统的电网稳定控制领域。

背景技术

    近年来，随着国民经济的不断发展，社会对电力的需求越来越大，对电网的安全可靠性要求也越来越高。风电作为新兴的绿色清洁能源，已具有与传统常规电源发电竞争的潜力，是目前非常具有开发利用价值和技术相当成熟的新能源和可再生能源。然而，风电的接入方式与远距离输送制约了风电的发展，尤其是大规模风电并网后，由于风电输出功率的随机性与波动性，导致了电力系统调度和电能质量都面临新的问题。柔性直流输电作为采用基于可控关断器件的IGBT和PWM的交直流输电技术，可以有效地实现有功功率和无功功率的潮流控制，具有较强的输电灵活性。

    在传统的柔性直流输电潮流控制中，换流站直接接收上级信号作为参考值，并发出相应的有功功率，而相对较为复杂的控制功能，如抑制低频振荡或紧急功率支援等，则通过有功功率附加信号的形式叠加到有功调度指令上，形成最终的换流站有功功率参考值。通常，功率附加控制环节的功率输出要远小于换流站容量，一般对于交流线路低频振荡和次同步振荡的频率，大约在零点几秒的到几秒的范围。

    本发明所述的方法适用于大规模风电场、新能源发电通过交流线路和柔性直流输电并列向交流大电网送电的系统，主要针对稳态运行工况，通过测量交流输电通道的有功潮流，并传输至柔性直流换流站，实时调节直流线路的功率，实现对交流线路潮流的连续控制。本发明专利提出将交流通道潮流控制到接近零的水平，其意义在于：（1）柔性直流换流站的输电损耗由两部分组成，柔直变流器的开关损耗和变流器及直流线路的通态损耗，其中开关损耗占据相当大的比例，而通态损耗随着传输功率的增加而增加，但是增加的比例较小。因此，在柔性直流输电系统运行的过程中，应该尽量减小并列交流通道的有功潮流，以减小整个输电系统的损耗。（2）交流通道故障后，电网转化成风电等新能源发电机组对大电网输电的模式，送电端的换流站需要切换至纯直流运行方式，按照固定的交流电压和交流频率控制，如果交流通道原有的有功潮流很大，则失去交流通道后这部分潮流需要转移到直流线路上，带来的冲击将不利于换流站实现平滑的控制模式切换，从这个角度看，将稳态运行时交流通道的有功潮流控制在接近零的水平，有助于直流换流站在系统故障条件下从定功率控制模式切换到定交流电压和频率的控制模式，从而提高整个输电系统的可靠性。

发明内容

    本发明的目的是提出一种交流与柔性直流并联输电系统中交流线路的潮流自动控制方法，通过直流输电系统的功率附加控制功能,自动调节交流线路的潮流,使其在稳态时传输有功功率为设定值，为风电场柔性多端直流输电的潮流控制提供新的解决手法。

本发明的技术方案是：本发明交流与柔性直流并联输电系统的交流线路潮流自动控制方法，包括以下步骤:

         1) 在交流通道与柔性直流通道构成的交直流并联输电系统中，在一个控制周期到来时，远端测量装置实时测量交流通道上的电压和电流，并以此计算得到实际的交流通道有功功率P _data； 

2）根据P_data与来自监控后台的使能信号EN_SCADA得到交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL，其实施步骤如下：

2-1）将P_data输入至低通滤波器，经低通滤波后得到滤波后的交流通道有功功率P_delay；低通滤波器的传递函数为                                               

，其中s为复频域算子，T₁为低通滤波器参数；

2-2）将P_delay送至滞环比较器，经滞环比较后，得到交流通道有功功率是否已在控制死区内的判断结果BPTH；置换比较的逻辑如下：（a）记滞环比较器的上限功率阈值为Hp_max，当P_delay>Hp_max时，BPTH=1；（b）记滞环比较器的下限功率阈值为Hp_min，P_delayy<Hp_min时，BPTH=0，Hp_max=5MW,Hp_min=0MW；

2-3）BPTH与来自监控后台的使能信号EN_SCADA通过逻辑与的运算后，得到交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL；

3）实测有功功率P _data与运行人员设定的有功功率调度指令P _set，生成有功功率调节差值P _err,P _err =P _data -P _set；

4)   将P_err作为第一通道的输入数据送至多路数据复选器1，多路数据复选器1的第二通道输入数据为固定值0；多路数据复选器1的控制信号为交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL，EN_PFCTRL来自于步骤2）的运算结果；多路数据复选器1的输出为有功功率实际误差P_err2，多路数据复选器1的运算逻辑如下: 

           ①当EN_PFCTRL=0时，P_err2=0；

           ②当EN_PFCTRL=1时，P_err2=P_err；

5)  将P_err2送至比例积分控制器，计算出初步控制量ΔP_ref1；比例积分的传递函数为：

，其中s为复频域算子，Kp和Ti分别为比例系数和积分时间常数，比例积分控制器的上限限幅值为A₁，下限限幅值为- A₁， A₁=2；

6）将ΔP_ref1作为第一通道的输入数据送至多路数据复选器，多路数据复选器2的第二通道输入数据为固定值0；多路数据复选器2的控制信号为来自监控后台的使能信号EN_SCADA；多路数据复选器的输出为直流通道有功功率的附加控制量ΔP_ref，多路数据复选器的运算逻辑如下: 

           ①当EN_SCADA =0时，ΔP_ref=0；

           ②当EN_SCADA =1时，ΔP_ref=ΔP_ref1；

7）将ΔP_ref与来自监控后台的直流通道有功功率设定值P_{ref_SCADA}相叠加生成直流通道有功功率初步控制量P_ref1；

8）P_ref1经过一个限幅器后得到直流通道有功功率实际控制量P_ref，限幅器的上限限幅值为A2，下限限幅值为-A2，限幅器的运算逻辑为：当P_ref1>A₂时，P_ref=A₂；当P_ref1<-A₂时，P_ref= -A₂；当-A₂<P_ref1< A₂时，P_ref=P_ref1， A₂=1；

9）将直流通道有功功率实际控制量P_ref送给直流换流站，由下一级装置控制器按照该指令产生直流通道功率，至此，交流潮流自动控制方法结束。

上述K _p =0.05，T _i =0.5秒。

上述A₁=2，A₂=1。

   本发明的交流与柔性直流并联输电系统中交流线路的潮流自动控制方法，通过直流输电系统的功率附加控制功能,自动调节交流线路的潮流,使其在稳态时传输有功功率为零或接近零的状态，为风电场柔性多端直流输电的潮流控制提供新的解决手法。

 附图说明

   图1是本发明交流潮流自动控制使能信号运算逻辑；

   图2是本发明交流潮流自动控制原理图； 

   图3是本发明交流与柔性直流并联输电系统运行方式示意图。

  具体实施方式：

   本发明提出的控制方法，包含以下内容:

    1、本发明有功控制器的设计

    本发明利用柔性多端输电线中，在交流线路实际监测点监测到的有功功率实际测量值P_data，与潮流控制中有功功率设定值P_set形成有功功率调节差值P_err，并通过比例积分控制器而得到的有功功率参考值的变化量，最后与来自于监控后台的有功功率参考值相叠加，使换流站注入到交流系统的有功功率到达其目标值。当有功功率差值很大时，为防止出现积分饱和现象，需要在比例积分控制器中加入相应的限幅环节，另外为保证有功功率的参考信号在换流器容量的允许范围内，在其输出也增加了限幅环节。

    为了防止控制器在交流线路有功潮流达到0功率附近时来回抖动，设置了控制死区，其实现方法如下：有功功率实际测量值P_data经过低通滤波后，通过滞环比较器生成交流通道有功功率是否已在控制死区内的判断结果BPTH，并同来自于监控后台的使能信号EN_SCADA，经过逻辑与门而最终决定交流潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL的布尔值，并以此来决定交流潮流自动控制的启动与退出。

    产生交流通道潮流自动控制使能信号的运算逻辑如图1所示，主要包括低通滤波器、滞环比较器和逻辑与门，各部分之间的联系在控制步骤2）中说明。交流通道潮流自动控制方法的原理框图如图2所示，主要包括多路数据复选器1、多路数据复选器2、比例积分控制器、限幅器，各部分之间的联系在控制步骤3）-步骤9）中说明。

     2、本发明的控制步骤

如图3所示，由远端测量装置实时测量交流通道的电压和电流，并以此计算得到交流通道的有功功率，将该有功功率通过快速通讯传送至柔性直流整流站，经过以比例积分控制器为主的反馈控制环节计算出直流通道的有功功率附加值，与来自后台监控的直流通道有功功率设定值相加得到柔性直流整流站的功率设定，最终通过直接调节柔性直流整流站有功功率间接控制交流通道的有功潮流。本发明所涉的交流与柔性直流并联输电系统的交流线路潮流自动控制方法包括以下步骤:

         1) 在交流通道与柔性直流通道构成的交直流并联输电系统中，在一个控制周期到来时，远端测量装置实时测量交流通道上的电压和电流，并以此计算得到实际的交流通道有功功率P _data； 

2）根据P_data与来自监控后台的使能信号EN_SCADA得到交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL，其实施步骤如下：

2-1）将P_data输入至低通滤波器，经低通滤波后得到滤波后的交流通道有功功率P_delay；低通滤波器的传递函数为

，其中s为复频域算子，T₁为低通滤波器参数；

2-2）将P_delay送至滞环比较器，经滞环比较后，得到交流通道有功功率是否已在控制死区内的判断结果BPTH；置换比较的逻辑如下：（a）记滞环比较器的上限功率阈值为Hp_max，当P_delay>Hp_max时，BPTH=1；（b）记滞环比较器的下限功率阈值为Hp_min，P_delayy<Hp_min时，BPTH=0，Hp_max=5MW,Hp_min=0MW；

2-3）BPTH与来自监控后台的使能信号EN_SCADA通过逻辑与的运算后，得到交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL；

3）实测有功功率P _data与运行人员设定的有功功率调度指令P _set，生成有功功率调节差值P _err,P _err =P _data -P _set；

4)   将P_err作为第一通道的输入数据送至多路数据复选器1，多路数据复选器1的第二通道输入数据为固定值0；多路数据复选器1的控制信号为交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL，EN_PFCTRL来自于步骤2）的运算结果；多路数据复选器1的输出为有功功率实际误差P_err2，多路数据复选器1的运算逻辑如下: 

           ①当EN_PFCTRL=0时，P_err2=0；

           ②当EN_PFCTRL=1时，P_err2=P_err；

5)   将P_err2送至比例积分控制器，计算出初步控制量ΔP_ref1；比例积分的传递函数为：

，其中s为复频域算子，Kp和Ti分别为比例系数和积分时间常数，比例积分控制器的上限限幅值为A₁，下限限幅值为- A₁， A₁=2；

6）将ΔP_ref1作为第一通道的输入数据送至多路数据复选器，多路数据复选器2的第二通道输入数据为固定值0；多路数据复选器2的控制信号为来自监控后台的使能信号EN_SCADA；多路数据复选器的输出为直流通道有功功率的附加控制量ΔP_ref，多路数据复选器的运算逻辑如下: 

           ①当EN_SCADA =0时，ΔP_ref=0；

           ②当EN_SCADA =1时，ΔP_ref=ΔP_ref1；

7）将ΔP_ref与来自监控后台的直流通道有功功率设定值P_{ref_SCADA}相叠加生成直流通道有功功率初步控制量P_ref1；

8）P_ref1经过一个限幅器后得到直流通道有功功率实际控制量P_ref，限幅器的上限限幅值为A2，下限限幅值为-A2，限幅器的运算逻辑为：当P_ref1>A₂时，P_ref=A₂；当P_ref1<-A₂时，P_ref= -A₂；当-A₂<P_ref1< A₂时，P_ref=P_ref1， A₂=1；

9）将直流通道有功功率实际控制量P_ref送给直流换流站，由下一级装置控制器按照该指令产生直流通道功率，至此，交流潮流自动控制方法结束。

Claims (4)

1.一种交流与柔性直流并联输电系统的交流线路潮流自动控制方法，  其特征在于包括以下步骤:

          1) 在交流通道与柔性直流通道构成的交直流并联输电系统中，在一个控制周期到来时，远端测量装置实时测量交流通道上的电压和电流，并以此计算得到实际的交流通道有功功率P _data； 

2）根据P_data与来自监控后台的使能信号EN_SCADA得到交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL，其实施步骤如下：

2-1）将P_data输入至低通滤波器，经低通滤波后得到滤波后的交流通道有功功率P_delay；低通滤波器的传递函数为                                               

，其中s为复频域算子，T₁为低通滤波器参数；

2-2）将P_delay送至滞环比较器，经滞环比较后，得到交流通道有功功率是否已在控制死区内的判断结果BPTH；置换比较的逻辑如下：（a）记滞环比较器的上限功率阈值为Hp_max，当P_delay>Hp_max时，BPTH=1；（b）记滞环比较器的下限功率阈值为Hp_min，P_delayy<Hp_min时，BPTH=0，Hp_max=5MW,Hp_min=0MW；

2-3）BPTH与来自监控后台的使能信号EN_SCADA通过逻辑与的运算后，得到交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL；

3）实测有功功率P _data与运行人员设定的有功功率调度指令P _set，生成有功功率调节差值P _err,P _err =P _data -P _set；

4)  将P_err作为第一通道的输入数据送至多路数据复选器1，多路数据复选器1的第二通道输入数据为固定值0；多路数据复选器1的控制信号为交流通道潮流自动控制使能信号EN_PFCTRL，EN_PFCTRL来自于步骤2）的运算结果；多路数据复选器1的输出为有功功率实际误差P_err2，多路数据复选器1的运算逻辑如下: 

           ①当EN_PFCTRL=0时，P_err2=0；

           ②当EN_PFCTRL=1时，P_err2=P_err；

5)  将P_err2送至比例积分控制器，计算出初步控制量ΔP_ref1；比例积分的传递函数为：

，其中s为复频域算子，Kp和Ti分别为比例系数和积分时间常数，比例积分控制器的上限限幅值为A₁，下限限幅值为- A₁， A₁=2；

6）将ΔP_ref1作为第一通道的输入数据送至多路数据复选器，多路数据复选器2的第二通道输入数据为固定值0；多路数据复选器2的控制信号为来自监控后台的使能信号EN_SCADA；多路数据复选器的输出为直流通道有功功率的附加控制量ΔP_ref，多路数据复选器的运算逻辑如下: 

           ①当EN_SCADA =0时，ΔP_ref=0；

           ②当EN_SCADA =1时，ΔP_ref=ΔP_ref1；

7）将ΔP_ref与来自监控后台的直流通道有功功率设定值P_{ref_SCADA}相叠加生成直流通道有功功率初步控制量P_ref1；

8）P_ref1经过一个限幅器后得到直流通道有功功率实际控制量P_ref，限幅器的上限限幅值为A2，下限限幅值为-A2，限幅器的运算逻辑为：当P_ref1>A₂时，P_ref=A₂；当P_ref1<-A₂时，P_ref= -A₂；当-A₂<P_ref1< A₂时，P_ref=P_ref1， A₂=1；

9）将直流通道有功功率实际控制量P_ref送给直流换流站，由下一级装置控制器按照该指令产生直流通道功率，至此，交流潮流自动控制方法结束。

2.根据权利要求1所述的使用隔离开关带电接入多端柔性直流输电系统的方法，其特征在于上述低通滤波器时间常数T ₁ 选取T ₁ =1秒。

3.根据权利要求1所述的使用隔离开关带电接入多端柔性直流输电系统的方法，其特征在于上述K _p =0.05，T _i =0.5秒。

4.根据权利要求1所述的使用隔离开关带电接入多端柔性直流输电系统的方法，其特征在于上述A₁=2，A₂=1。

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