CN103715716B - 基于vsc-hvdc的交直流并联系统无缝切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于VSC-HVDC的交直流并联系统无缝切换控制方法，该方法通过控制VSC-HVDC风电场侧换流站的同步旋转角θ^*来调节交流线路所连接的电网电压矢量U_s相对于风电场PCC点电压矢量U_w的移相角度δ，以实现对交流输电线路所传输有功功率控制的目的，其余的有功功率则全部被VSC-HVDC输电系统吸收。本发明通过控制风电场PCC点电压的相位始终超前于交流电网电压的相位，可以保证交流输电线路的潮流不会发生反转现象；交流线路退出运行不需要检测任何外部信号，VSC-HVDC风电场侧换流站的控制方式也不需要改变，在交直流并联运行转为VSC-HVDC单独接入风电运行时，自动吸收所有风电功率。

Description

基于VSC-HVDC的交直流并联系统无缝切换控制方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，具体地说，涉及一种基于VSC-HVDC的交直流并联系统无缝切换控制方法。

背景技术

随着环境保护和能源需求的日益突出，风力发电已经成为最具有商业化发展的新兴产业，有可能成为未来最重要的替代能源。海上风力发电以其自身的特点将成为未来风电发展的重点。但随着风电场容量和输电距离的不断增加，风电场交流并网对电网稳定和电能质量的影响也越来越严重，其中以并网风电场引起的系统电压稳定性和电压波动问题最为典型，已成为风电场接入弱电网的限制性因素。与之相比，风电场通过VSC-HVDC并网，并网系统的电网电压稳定性、电能质量以及风电场的穿透功率都得到显著提高。目前，国内外已有数个采用VSC-HVDC海上风电场并网的工程，如瑞典的Gotland工程、丹麦的Tjareborg工程、德国的NordE.ON1工程和中国南汇工程。此外，国内正在实施的广东省南澳工程也是采用VSC-HVDC风电场并网的工程，该工程预计2013年底可投入运行。近年来，基于VSC-HVDC的风电场并网系统已成为国内外学者的研究热点。

基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术出现在20世纪末，是一种以电压源换流器、全控型电力电子器件（如IGBT、IGCT等）和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可灵活独立地控制有功功率和无功功率、可直接连接短路容量较小的弱电网甚至无源网络、能够起到STATCOM的作用、具有黑启动能力以及易于构成并联连接的多端直流输电系统等优点，因此非常适用于大规模风电场并网。此外，当风电场经VSC-HVDC并网时，由于VSC-HVDC的隔离作用，发生在交流电网侧的扰动不会影响到风电场侧，从而提高了风电场对交流电网故障的穿越能力。

对于现有交流并网的风电场来说，VSC-HVDC输电线路建成以后，基于VSC-HVDC的交直流并联运行是最常用的运行方式，因此需要考虑由交直流并联运行转入VSC-HVDC单独接入风电运行以及由VSC-HVDC单独接入风电转入交直流并联运行的工况，包括计划内的转换和计划外的转换（交流系统故障）。目前对基于VSC-HVDC的交直流并联系统的研究主要集中在静态状态估计、VSC-HVDC的有功和无功独立解耦控制能力抑制电压波动和阻尼功率振荡以及可用输电能力的计算等方面。然而，交直流并联运行和VSC-HVDC单独接入风电运行这两种工作模式之间的无缝切换，在国内外的相关文献中研究甚少。传统的方法是通过对风电场侧换流站控制方式的切换来实现交直流并联运行与VSC-HVDC单独接入风电运行之间的切换。换流站控制方式的切换依据是基于微网中的孤岛检测方法，即通过检测风电场侧并网点处电压的幅值、频率和相位等信号的变化，当其值超过稳态情况下所设定的阈值时，则视为并网方式发生变化并以此作为控制方式切换的依据。但是，该方法的缺点是：1）风机定子电压的幅值、频率或者相位在并网方式改变瞬间往往变化不够明显，导致换流站控制方式不能及时切换，从而造成交直流并联系统切换失败；2）换流站控制方式切换瞬间往往会产生较大冲击。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于VSC-HVDC的交直流并联系统无缝切换的控制方法，该方法通过控制风电场PCC点电压的相位始终超前于交流电网电压的相位，可以保证交流输电线路的潮流不会发生反转现象。基于这种控制方法，无论交流线路是计划内还是计划外退出运行，都不需要检测任何外部信号，VSC-HVDC风电场侧换流站的控制方式也不需要改变，在交直流并联运行转为VSC-HVDC单独接入风电运行时，自动吸收所有风电功率。

为实现上述目的，本发明提供采用以下技术方案：

一种基于VSC-HVDC的交直流并联系统无缝切换的控制方法，本发明通过控制VSC-HVDC风电场侧换流站的同步旋转角θ^*来调节交流线路所连接的电网电压矢量U_s相对于风电场PCC点电压矢量U_w的移相角度δ，以实现对交流输电线路所传输有功功率控制的目的，其余的有功功率则全部被VSC-HVDC输电系统吸收。

本发明上述方法包括如下步骤：

步骤1：信号采集单元采集风电场PCC点三相电压u_a,u_b,u_c、三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc、直流侧电压以及VSC-HVDC风电场侧换流站交流侧三相输出电流i_a,i_b,i_c；

步骤2：通过三相PLL锁相环锁相得到三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc的相位θ₀；

步骤3：由交流线路所要输送的有功功率指令值计算得到移相角度δ；

步骤4：三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc的相位θ₀与移相角度δ相加得到风电场PCC点电压u_a,u_b,u_c的同步旋转角度θ^*；

步骤5：Clarke坐标变换单元将三相静止坐标系下的三相电压u_a,u_b,u_c和三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下的电压U_α,U_β和电流I_α,I_β，Park坐标变换单元再将两相静止坐标系下的电压U_α,U_β和电流I_α,I_β变换到两相同步旋转坐标系下的电流电压U_d,U_q和电流I_d,I_q；

步骤6：将d轴电压给定值U_d ^*与两相同步旋转坐标系下的电压U_d输入到d轴电压控制器中，d轴电压控制器产生d轴电流的给定值I_d ^*，将q轴电压给定值U_q ^*与两相同步旋转坐标系下的电压U_q输入到q轴电压控制器中，q轴电压控制器产生q轴电流的给定值I_q ^*；

步骤7：将d轴电流给定值I_d ^*与两相同步旋转坐标系下的电流I_d输入到d轴电流控制器中，d轴电流控制器的输出与解耦项相加产生d轴控制电压U_dref，将q轴电流给定值I_q ^*与两相同步旋转坐标系下的电流I_q输入到q轴电流控制器中，q轴电流控制器的输出与解耦项相加产生q轴控制电压U_qref；

步骤8：将两相同步旋转坐标系下的控制电压U_dref和U_qref输入到SPWM调制单元中，SPWM调制单元输出六路控制脉冲，将其分别作用于三相功率开关管，从而实现对VSC-HVDC风电场侧换流站的控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过控制风电场PCC点电压的相位始终超前于交流电网电压的相位，可以保证交流输电线路的潮流不会发生反转现象；无论交流线路是计划内还是计划外退出运行，都不需要检测任何外部信号，VSC-HVDC风电场侧换流站的控制方式也不需要改变；在交直流并联运行转为VSC-HVDC单独接入风电运行时，自动吸收所有风电功率；在直流系统与交流系统之间相互切换过程中不存在任何冲击现象；由于控制交流输电线路的有功功率恒定，能够提高交流系统所带负荷的供电质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于VSC-HVDC的交直流并联系统结构示意图；

图2为VSC-HVDC风电场侧换流器控制系统框图；

图3为交直流并联运行无缝切换控制策略示意图；

图4为VSC-HVDC单独接入风电转入交直流并联运行时的有功功率仿真波形；

图5为交直流并联运行转入VSC-HVDC单独接入风电运行时的有功功率仿真波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：本实施例中交流电网电压为110kV/50Hz，直流电压为±160kV，风电场PCC点电压为110kV/50Hz，VSC-HVDC输电系统电网侧换流站容量为200MVA，VSC-HVDC输电系统风电场侧换流站容量为100MVA，风电场额定功率为81MW，直流电缆长度为26km。

请参阅图1，本实施例中，基于VSC-HVDC的交直流并联系统是由交流输电系统和直流输电系统并联而成，它包括：交流电网、直流输电系统电网侧换流站、直流输电线路DCCable、直流输电系统风电场侧换流站、风电场、交流输电系统三相断路器CB、交流输电线路ACCable、交流输电系统风电场侧变压器T3。

交流电网的输出端与直流输电系统电网侧换流站交流侧相连，同时与交流输电系统一端相连，直流输电系统电网侧换流站直流侧与直流输电线路DCCable一端相连，直流输电线路DCCable另一端与直流输电系统风电场换流站直流侧相连，直流输电系统风电场侧换流站交流侧与风电场输出端相连，同时与交流输电系统另一端相连。交流输电系统风电场侧变压器T3的一端与风电场输出端相连，另一端与交流输电线路ACCable的一端相连，交流输电线路ACCable的另一端与交流输电系统三相断路器CB的一端相连，交流输电系统三相断路器CB的另一端与交流电网的输出端相连。

所述的直流输电系统包括电网侧换流站、直流输电线路DCCable、风电场侧换流站；

所述的直流输电系统电网侧换流站包括联结变压器T1、交流滤波器F1、相电抗器L1、三相电压源型换流器GSVSC、直流侧电容器组C11和C12；

所述的直流输电系统风电场侧换流站包括联结变压器T2、交流滤波器F2、相电抗器L2、三相电压源型换流器WFVSC、直流侧电容器组C21和C22；

所述的交流输电系统包括交流输电系统三相断路器CB、交流输电线路ACCable、交流输电系统风电场侧变压器T3；

所述的风电场包括风电机组聚合模型和升压变压器T4，其中风电机组聚合模型是由若干台风电机组等值而成；

所述的三相电压源型换流器可以是两电平、三电平或者多电平拓扑；

所述的风电场可以是由定速鼠笼风电机组、双馈风电机组或者永磁直驱风电机组构成的风电场。

请参阅图2和图3，本实施例中，所述的一种基于VSC-HVDC的交直流并联系统无缝切换控制方法，包括如下步骤：

步骤1：信号采集单元采集风电场PCC点三相电压u_a,u_b,u_c、三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc、直流侧电压U_dc以及VSC-HVDC风电场侧换流站交流侧三相输出电流i_a,i_b,i_c；

步骤2：通过三相PLL锁相环锁相得到三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc的相位θ₀；

步骤3：由交流线路所要输送的有功功率指令值计算得到移相角度δ；

步骤4：三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc的相位θ₀与移相角度δ相加得到风电场PCC点电压u_a,u_b,u_c的同步旋转角度θ^*；

步骤5：Clarke坐标变换单元将三相静止坐标系下的三相电压u_a,u_b,u_c和三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下的电压U_α,U_β和电流I_α,I_β，Park坐标变换单元再将两相静止坐标系下的电压U_α,U_β和电流I_α,I_β变换到两相同步旋转坐标系下的电流电压U_d,U_q和电流I_d,I_q；

步骤6：将d轴电压给定值U_d ^*与两相同步旋转坐标系下的电压U_d输入到d轴电压控制器中，d轴电压控制器产生d轴电流的给定值I_d ^*，将q轴电压给定值U_q ^*与两相同步旋转坐标系下的电压U_q输入到q轴电压控制器中，q轴电压控制器产生q轴电流的给定值I_q ^*；

步骤7：将d轴电流给定值I_d ^*与两相同步旋转坐标系下的电流I_d输入到d轴电流控制器中，d轴电流控制器的输出与解耦项相加产生d轴控制电压U_dref，将q轴电流给定值I_q ^*与两相同步旋转坐标系下的电流I_q输入到q轴电流控制器中，q轴电流控制器的输出与解耦项相加产生q轴控制电压U_qref；

步骤8：将两相同步旋转坐标系下的控制电压U_dref和U_qref输入到SPWM调制单元中，SPWM调制单元输出六路控制脉冲，将其分别作用于三相功率开关管，从而实现对VSC-HVDC风电场侧换流站的控制。

图4和图5所示为采用本发明的交直流并联系统无缝切换控制方法的仿真波形图。其中，图4是VSC-HVDC单独接入风电转入交直流并联运行时的有功功率仿真波形，图5是交直流并联运行转入VSC-HVDC单独接入风电运行时的有功功率仿真波形。从仿真结果可以看出，所提交直流并联系统无缝切换控制策略能够很好地实现直流系统与交流系统之间的相互切换过程。

由此可见，本发明方法通过控制风电场PCC点电压的相位始终超前于交流电网电压的相位，可以保证交流输电线路的潮流不会发生反转现象。基于这种控制方法，无论交流线路是计划内还是计划外退出运行，都不需要检测任何外部信号，VSC-HVDC风电场侧换流站的控制方式也不需要改变，在交直流并联运行转为VSC-HVDC单独接入风电运行时，自动吸收所有风电功率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种基于VSC-HVDC的交直流并联系统无缝切换控制方法，其特征在于，所述方法通过控制VSC-HVDC风电场侧换流站的同步旋转角θ^*来调节交流线路所连接的电网电压矢量U_s相对于风电场PCC点电压矢量U_w的移相角度δ，以实现对交流输电线路所传输有功功率控制的目的，其余的有功功率则全部被VSC-HVDC输电系统吸收；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：信号采集单元采集风电场PCC点三相电压u_a,u_b,u_c、三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc、直流侧电压U_dc以及VSC-HVDC风电场侧换流站交流侧三相输出电流i_a,i_b,i_c；

步骤2：通过三相PLL锁相环锁相得到三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc的相位θ₀；

步骤3：由交流线路所要输送的有功功率指令值计算得到移相角度δ；

步骤4：三相交流电网电压u_sa,u_sb,u_sc的相位θ₀与移相角度δ相加得到风电场PCC点电压u_a,u_b,u_c的同步旋转角度θ^*；

步骤5：Clarke坐标变换单元将三相静止坐标系下的三相电压u_a,u_b,u_c和三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下的电压U_α,U_β和电流I_α,I_β，Park坐标变换单元再将两相静止坐标系下的电压U_α,U_β和电流I_α,I_β变换到两相同步旋转坐标系下的电流电压U_d,U_q和电流I_d,I_q；

步骤6：将d轴电压给定值U_d ^*与两相同步旋转坐标系下的电压U_d输入到d轴电压控制器中，d轴电压控制器产生d轴电流的给定值I_d ^*，将q轴电压给定值U_q ^*与两相同步旋转坐标系下的电压U_q输入到q轴电压控制器中，q轴电压控制器产生q轴电流的给定值I_q ^*；

步骤7：将d轴电流给定值I_d ^*与两相同步旋转坐标系下的电流I_d输入到d轴电流控制器中，d轴电流控制器的输出与解耦项相加产生d轴控制电压U_dref，将q轴电流给定值I_q ^*与两相同步旋转坐标系下的电流I_q输入到q轴电流控制器中，q轴电流控制器的输出与解耦项相加产生q轴控制电压U_qref；

步骤8：将两相同步旋转坐标系下的控制电压U_dref和U_qref输入到SPWM调制单元中，SPWM调制单元输出六路控制脉冲，将其分别作用于三相功率开关管，从而实现对VSC-HVDC风电场侧换流站的控制。