CN103762584A - 串联型多端直流输电系统及损耗补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供串联型多端直流输电系统及其损耗补偿方法。该系统包括：第一换流站单元组、第二换流站单元组和控制器；控制器可控制至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的一个换流站单元作为一个电流控制端以保持直流电流恒定，并且可获得至少一个第一换流站单元和多个第二换流站单元的直流电压值和高压直流极线的电流值的信息并且基于所述信息调节至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的至少一个非定电流端换流站单元的直流电压以便补偿高压直流极线的功率损耗。上述系统和方法可以补偿高压直流极线的功率损耗并且减小电流设定端的直流电压的增加。

Description

串联型多端直流输电系统及损耗补偿方法

技术领域

本发明涉及串联型多端直流输电系统及损耗补偿方法。 

背景技术

多端直流输电系统常见为两类：并联型多端直流输电系统和串联型多端直流输电系统。并联型多端直流输电系统的各个换流站的直流侧通过传输线并联连接在一起；而串联型多端直流输电系统的各个换流站的直流侧通过直流传输线串联连接在一起。多端直流输电系统在换流站间距离短和电压绝缘设计困难情况下，相比并联型多端直流输电系统具有一定的技术优势。 

串联型多端直流输电系统的各个换流站直流侧依次串联连接，因此各站直流侧电流唯一，但各站直流电压不同。因此，在该控制系统设计中，通常设定某一换流站(通常为整流站)控制直流电流，称为定电流设定端；而其它换流站控制各自的直流侧电压，称为电压设定端。在定电流设定端换流站控制直流电流下，各电压设定端换流站通过控制直流电压调整各换流站的有功功率。 

串联型多端直流输电系统中直流传输线路的参数变化对该直流输电系统尤其是定电流设定端换流站存在较大影响。特别地，直流传输线路的电阻值会随环境变化发生改变，例如温度变化。在此情况下，电流设定端为了维持直流电流实际值与直流电流指令一致，将相应调整输出电流设定端的直流电压。然而，在直流电阻增加的情形下，电流设定端的直流电压也会增加，这增加了该换流站有功和无功功率需求变化，也需要加大站内设备设计裕量。例如，在800kV／3200MW单极串联型四端直流输电系统(两个整流站，两个逆变站)中，总的直流输电线路每增加1Ω，电流设定端换流站直流电压将增加4kV，其触发角大约变化1.73度，这将造成有功／无功功率大的波动。通常直流输电线路有数Ω的电阻值变化，换流站设备设计裕量会因此增大，在控制中换流站有功／无功功率的波动也会增加系统的不稳定性。 

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种串联型多端直流输电系统，包括：第一换流站单元组，包括依次串联的至少一个第一换流站单元；第二换流站单元组，包括依次串联的多个第二换流站单元；包括第一端和第二端的高压直流极线；和控制器；其中：第一换流站单元组的一直流端和第二换流站单元组的一直流端分别与高压直流极线的第一端和第二端电气耦合；第一换流站单元组的另一直流端和第二换流站单元组的另一直流端分别与接地极电气耦合；并且控制器，其可控制第一换流站单元组和第二换流站单元组分别工作于整流模式和逆变模式中的彼此不同的模式、可控制所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的一个换流站单元作为一个电流控制端以保持直流电流恒定，并且可获得所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元的直流电压值和高压直流极线的电流值的信息并且基于所述信息调节所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的至少一个非定电流端换流站单元的直流电压以便补偿高压直流极线的功率损耗。 

根据本发明的另一个方面，提供一种串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，该串联型多端直流输电系统包括：第一换流站单元组，包括依次串联的至少一个第一换流站单元；第二换流站单元组，包括依次串联的多个第二换流站单元；包括第一端和第二端的高压直流极线；和控制器；其中：第一换流站单元组的一直流端和第二换流站单元组的一直流端分别与高压直流极线的第一端和第二端电气耦合；第一换流站单元组的另一直流端和第二换流站单元组的另一直流端分别与接地极电气耦合；该方法包括：控制第一换流站单元组和第二换流站单元组分别工作于整流模式和逆变模式中的彼此不同的模式；控制所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的一个换流站单元作为一个电流控制端以保持直流电流恒定；获得所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元的直流电压值和高压直流极线的电流值的信息；以及基于所述信息调节所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的至少一个非定电流端换流站单元的直流电压以便补偿高压直流极线的功率损耗。 

通过采用上述的系统和方法，可以补偿高压直流极线的功率损耗，并且 减小电流设定端的直流电压的增加，从而降低该换流站有功和无功功率需求变化和站内设备设计裕量。 

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的串联型多端直流输电系统； 

图2示出换流站单元的结构； 

图3示出基于图1所示串联型多端直流输电系统的控制模块图；和 

图4示出图3中的功率平衡控制模块的结构图。 

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的串联型多端直流输电系统。如图1所示，串联型多端直流输电系统1是单极型，其包括第一换流站单元组10、第二换流站单元组11、包括第一端120和第二端121的高压直流极线12和控制器13。第一换流站单元组10包括依次串联的第一换流站单元A和第一换流站单元B，并且第二换流站单元组11包括依次串联的第二换流站单元C和第二换流站单元D。本领据的技术人员应当了解，对于串联型多端直流输电系统来说，第一换流站单元组10所包括的第一换流站单元的数目可以是至少一个，即一个、两个或多个；第二换流站单元组11所包括的第二换流站单元的数目可以是多个，即两个或多个。图2示出换流站单元的结构。如图2所示，换流站单元2包括一个或多个直流侧串联的换流器20、一台或多台换流变压器21和相应的控制与保护设备和辅助开关设备。换流器单元是主要由半导体设备组成的实现直流和交流功率相互转换的设备，例如六组阀单元组成的六脉动换流器。阀单元是由如晶闸管一样的半导体功率开关器件及其触发、保护、均压等相关设备通过串联或者并联构成具有开通、阻断能力的通流设备。本领域的技术人员应当理解换流站单元可以为六脉动晶闸管换流器交直流设备组合，也可为一十二脉动晶闸管换流器交直流设备组合，或双十二脉动晶闸管换流器交直流设备组合，甚至二十四脉动晶闸管换流器交直流设备组合。对于换流站单元2的传输功率的控制可以基于其所采用的功率开关器件的不同选用触发角控制或调制度控制，例如：阀单元也可以是由如IGBT一样的全控型半导体功率开关器件及其触发、保护、均压等相关设备通过串联或者并联构成具有开通、自关断、阻断能力的通流设备；换流站单元 的传输功率的控制选用调制度控制。换流站单元的另外一种结构，阀单元是由如IGBT一样的全控型半导体开关器件组成的子模块及其触发、保护、均压等相关设备通过串联或并联构成的开关设备。换流站单元构成了模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)，其中的子模块最为常见的结构为半桥(half bridge)，全桥(full bridge)或钳位双子模块(C1amp double submodule)。回到图1，第一换流站单元组10的直流端100和第二换流站单元组11的直流端110分别与高压直流极线12的第一端120和第二端121电气耦合，并且第一换流站单元组10的另一直流端101和第二换流站单元组11的另一直流端111分别与接地极14电气耦合。其中，控制器13可控制第一换流站单元组10和第二换流站单元组11分别工作于整流模式和逆变模式中的彼此不同的模式以便传输功率，例如第一换流站单元组10工作于整流模式以便从诸如电网和风电发电机一样的电源接收功率并且第二换流站单元组11工作于逆变模式以便向诸如电网一样的负荷输出功率，或者第一换流站单元组10工作于逆变模式并且第二换流站单元组11工作于整流模式。并且，控制器13可控制至少一个第一换流站单元A、B和多个第二换流站单元C、D中的一个换流站单元作为定电流端以保持直流电流恒定，例如将第二换流站单元C／D控制为定电流端或者将第一换流站单元A/B控制为定电流端。并且，控制器13可获得所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元的直流电压值和高压直流极线的电流值的信息并且基于所述信息调节至少一个第一换流站单元和多个第二换流站单元中的至少一个非定电流端换流站单元的直流电压以便补偿高压直流极线的功率损耗；例如，控制器13可控制第一换流站单元A为定电流端，并且通过调节换流站单元B、C、D中至少一个的直流电压，从而改变换流站单元B、C、D中至少一个的功率，以便补偿高压直流极线的功率损耗，并且减小电流设定端的直流电压的增加，从而降低该换流站有功和无功功率需求变化和站内设备设计裕量。例如控制器13可控制第一换流站单元B或者第一换流站单元B和第二换流站单元C。 

图3示出基于图1所示串联型多端直流输电系统的控制模块图。如图3所示，控制模块3包括：功率平衡控制模块30和电压电流参考量计算模块31。功率平衡控制模块30的输入包括：来自外部(例如调度中心)的、对于第一换流站单元A、B和第二换流站单元C、D的功率命令值P_{ord_A}，P_{ord_B}，P_{ord_C}，P_{ord_D}；高压直流极线的电流值测量值I_{dc_meas}和第一换流站单元A、B 和第二换流站单元C、D的直流电压测量值U_{dc_A}，U_{dc_B}，U_{dc_C}，U_{dc_D}。功率平衡控制模块30基于其输入，向电压电流参考量计算模块31输出对于第一换流站单元A、B和第二换流站单元C、D的功率参考值P_{ref_A}，P_{ref_B}，P_{ref_C}，P_{ref_D}，电流控制参考量计算模块31基于上述输入输出对于第一换流站单元A、B和第二换流站单元C、D的直流电压参考值U_{ref_A}，U_{ref_B}，U_{ref_C}，U_{ref_D}和高压直流极线电流参考值I_{dc_ref}。其中高压直流极线电流参考值I_{dc_ref}作为定电流设定端的电流参考，电流设定端的电压参考值在正常工作模式下不参与控制。 

图4示出图3中的功率平衡控制模块的结构图。如图4所示，功率平衡控制模块30通过闭环控制将原未考虑输电线路损耗的各站功率参考重新计算，实现功率参考的总体平衡；此外，将输电线路损耗造成的功率参考变化分配到至少一个换流站单元功率参考中。 

合理的功率参考平衡应满足： 

∑P_{ref_R}-∑P_{ref_I}-∑P_losses=0 

其中 

∑P_{ref_R}为各整流换流站站的功率参考总和，例如P_{ord_A}和P_{ord_B}； 

∑P_{ref_I}为各逆变换流站的功率参考总和，例如P_{ord_C}和P_{ord_D}； 

∑P_losses为输电线路总损耗。 

将考虑输电线路总损耗的原有功率参考值按照上述公式左侧计算结果与期望值0比较进行闭环控制，闭环控制输出叠加到原有功率参考中。闭环控制器最好包括积分器以实现功率参考的无差控制。此闭环控制系统最终实现整体功率参考平衡，即上述等式结果。 

例如，第二换流站单元C和D为逆变换流站，并共同用于补偿输电线路损耗时，第二换流站单元C和D的功率以相同方向变化以共同补偿补偿高压直流极线的功率损耗。即当输电线路总损耗增加时，第二换流站单元C和D的功率共同减小；当输电线路总损耗减小时，第二换流站单元C和D的功率共同增加。 

例如，第一换流站单元A和B为整流换流站，并共同用于补偿输电线路损耗时，第一换流站单元A和B的功率以相同方向变化以共同补偿补偿高压 直流极线的功率损耗。即当输电线路总损耗增加时，第一换流站单元A和B的功率共同增加；当输电线路总损耗减小时，第一换流站单元A和B的功率共同减小。 

例如，第一换流站单元A整流换流站，第二换流站单元C为逆变站，并共同用于补偿输电线路损耗时，第一换流站单元A和第二换流站单元C的功率以相反方向变化以共同补偿补偿高压直流极线的功率损耗。即当输电线路总损耗增加时，第一换流站单元A的功率增加，第二换流站单元C的功率减小；当输电线路总损耗减小时，第一换流站单元A的功率减小，第二换流站单元C的功率增加。 

通过根据本发明的功率平衡控制，可以将线路损耗造成的功率补偿按照设定分配到至少一个换流站单元，避免之前电流设定端换流站承担线路损耗补偿的弊端。 

此外，本发明提出功率平衡控制方法对上层控制器给出的不合理功率参考指令有自动校正功能，始终保持输出功率参考的总体平衡。 

如图4所示，LCR为线路损耗补偿器，DB为功率补偿分配器。通过线路损耗补偿器根据输入变量实时计算输电线路损耗，并将线路反馈给闭环控制系统，最后通过功率补偿分配器输出叠加到各站功率参考值上。 

(1)线路损耗补偿器LCR

线路损耗补偿器用于根据线路参数在线实时反馈计算输电线路损耗。在图4中给出的线路损耗补偿器中，实时线路电阻值计算模块Real-time RC根据输入的直流电压，电流计算线路电阻。该模块中采用如下公式： 

R_line=(U_{dc_A}+U_{dc_B}-U_{dc_C}-U_{dc_D})／I_{dc_meas}

输电线路的电阻值也可以按照线路在各个换流站中计算，再反馈给主控制器。 

在该控制器中，根据计算的输电线路电阻和主电路控制器最终的电流控制参考量I_{dc_ref}(如图3所示)计算输电线路损耗。计算输电损耗的电流也可 以采用反馈的直流电流检测值。 

(2)功率补偿分配器DB

功率补偿分配器是将反馈的结果进行闭环控制，并且根据设定不同权重系数Ki(i＝1..4)将功率补偿值分配给各个换流站的功率参考。 

权重系数Ki(i＝1..4)的相对值将影响到功率分配的比例，权重系数Ki(i＝1..4)的幅值大小影响功率分配的响应速度。权重系数的设定可以按照该直流输电系统的初始设置，也可以按照根据换流站实际情况控制系统后期调整。 

对于图1所示的串联型多端直流输电系统，例如第一换流站单元A和B第一换流站单元A和第一换流站单元B工作于整流状态；第二换流站单元中的第二换流站单元C和第二换流站单元D工作于逆变状态。以第一换流站单元A为电流设定端为例，可以设定至少四种基本操作模式补偿线路损耗： 

用于控制直流电流恒定的换流站单元属于所述被调节直流电压的至少两个换流站之一. 

一般情况下，为了避免整流换流站换流站出现过高的直流电压，应将其权重系数设定尽量小。 

本发明提出的功率平衡控制器主要通过内部闭环控制将原未考虑输电线路损耗的各站功率参考重新计算，实现功率参考的总体平衡；同时，通过方法将输电线路损耗造成的功率参考变化分配到各个换流站功率参考中。 

对于本发明实施例的串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，该方法包括：控制第一换流站单元组和第二换流站单元组分别工作于整流模式和逆变模式中的彼此不同的模式(步骤S1)；控制所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的一个换流站单元作为一个电流控制端以保持直流电流恒定(步骤S2)；获得所述至少一个第一换流站单元和所述多个第 二换流站单元的直流电压值和高压直流极线的电流值的信息(步骤S3)；以及基于所述信息调节所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的至少一个非定电流端换流站单元的直流电压以便补偿高压直流极线的功率损耗(步骤S4)。 

具体来说，对于步骤S1，控制所述至少一个第一换流站单元中的第一换流站单元A和第一换流站单元B工作于整流状态以便分别从外部输入功率a和功率b；对于步骤S4，基于所述信息可调节第一换流站单元A和第一换流站单元B的直流电压以相同方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。 

可替换地，对于步骤S1，控制所述多个第二换流站单元中的第二换流站单元C和第二换流站单元D工作于逆变状态以便分别向外部输出交流功率c和交流功率d；对于步骤S4，基于所述信息可调节第二换流站单元C和第二换流站单元D的直流电压以相同方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。 

可替换地，对于步骤S1，控制所述多个第一换流站单元中的第一换流站单元A工作于整流状态以便从外部输入交流功率a；控制所述多个第二换流站单元中的第二换流站单元C工作于逆变状态以便向外部输出交流功率c；对于步骤S4，基于所述信息可调节第一换流站单元A和第二换流站单元C的直流电压以相反方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。 

对于步骤S2，用于控制直流电流恒定的换流站单元属于所述被调节直流电压的至少两个换流站之一。 

虽然已参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。 

Claims (12)

1.一种串联型多端直流输电系统，其特征在于包括：

第一换流站单元组，包括依次串联的至少一个第一换流站单元；

第二换流站单元组，包括依次串联的多个第二换流站单元；

包括第一端和第二端的高压直流极线；和

控制器；

其中：

第一换流站单元组的一直流端和第二换流站单元组的一直流端分别与高压直流极线的第一端和第二端电气耦合；

第一换流站单元组的另一直流端和第二换流站单元组的另一直流端分别与接地极电气耦合；并且

所述控制器可控制第一换流站单元组和第二换流站单元组分别工作于整流模式和逆变模式中的彼此不同的模式、可控制所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的一个换流站单元作为一个电流控制端以保持直流电流恒定，并且可获得所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元的直流电压值和高压直流极线的电流值的信息并且基于所述信息调节所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的至少一个非定电流端换流站单元的直流电压以便补偿高压直流极线的功率损耗。

2.如权利要求1所述的串联型多端直流输电系统，其中：

所述用于补偿高压直流极线的功率损耗的换流站单元的数目为一，并且其工作于整流／逆变状态。

3.如权利要求1所述的串联型多端直流输电系统，其中：

所述控制器可以控制所述至少一个第一换流站单元中的第一换流站单元A和第一换流站单元B工作于整流状态以便分别从外部输入功率a和功率b；并且

所述控制器基于所述信息可调节第一换流站单元A和第一换流站单元B的直流电压以相同方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。

4.如权利要求1所述的串联型多端直流输电系统，其中：

所述控制器可以控制所述多个第二换流站单元中的第二换流站单元C和第二换流站单元D工作于逆变状态以便分别向外部输出交流功率c和交流功率d；并且

所述控制器基于所述信息可调节第二换流站单元C和第二换流站单元D的直流电压以相同方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。

5.如权利要求1所述的串联型多端直流输电系统，其中：

所述控制器可以控制所述多个第一换流站单元中的第一换流站单元A工作于整流状态以便从外部输入交流功率a；

所述控制器可以控制所述多个第二换流站单元中的第二换流站单元C工作于逆变状态以便向外部输出交流功率c；

所述控制器基于所述信息可调节第一换流站单元A和第二换流站单元C的直流电压以相反方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。

6.如权利要求3或4或5所述的串联型多端直流输电系统，其中：

用于控制直流电流恒定的换流站单元属于所述被调节直流电压的至少两个换流站之一。

7.一种串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，该串联型多端直流输电系统包括：

第一换流站单元组，包括依次串联的至少一个第一换流站单元；

第二换流站单元组，包括依次串联的多个第二换流站单元；

包括第一端和第二端的高压直流极线；和

控制器；

其中：

第一换流站单元组的一直流端和第二换流站单元组的一直流端分别与高压直流极线的第一端和第二端电气耦合；

第一换流站单元组的另一直流端和第二换流站单元组的另一直流端分别与接地极电气耦合；

该方法包括：

控制第一换流站单元组和第二换流站单元组分别工作于整流模式和逆变模式中的彼此不同的模式；

控制所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的一个换流站单元作为一个电流控制端以保持直流电流恒定；

获得所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元的直流电压值和高压直流极线的电流值的信息；以及

基于所述信息调节所述至少一个第一换流站单元和所述多个第二换流站单元中的至少一个非定电流端换流站单元的直流电压以便补偿高压直流极线的功率损耗。

8.如权利要求7所述的串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，其中：

所述用于补偿高压直流极线的功率损耗的换流站单元的数目为一，并且其工作于整流／逆变状态。

9.如权利要求7所述的串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，还包括：

控制所述至少一个第一换流站单元中的第一换流站单元A和第一换流站单元B工作于整流状态以便分别从外部输入功率a和功率b；并且

基于所述信息可调节第一换流站单元A和第一换流站单元B的直流电压以相同方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。

10.如权利要求7所述的串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，还包括：

控制所述多个第二换流站单元中的第二换流站单元C和第二换流站单元D工作于逆变状态以便分别向外部输出交流功率c和交流功率d；并且

基于所述信息可调节第二换流站单元C和第二换流站单元D的直流电压以相同方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。

11.如权利要求17所述的串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，还包括：

控制所述多个第一换流站单元中的第一换流站单元A工作于整流状态以便从外部输入交流功率a；

控制所述多个第二换流站单元中的第二换流站单元C工作于逆变状态以便向外部输出交流功率c；并且

基于所述信息可调节第一换流站单元A和第二换流站单元C的直流电压以相反方向变化以便共同补偿高压直流极线的功率损耗。

12.如权利要求9或10或11所述的串联型多端直流输电系统的损耗补偿方法，其中：

用于控制直流电流恒定的换流站单元属于所述被调节直流电压的至少两个换流站之一。

Images