CN103904635B - 一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法，将不同双端口DC/DC变换器的功能进行融合，它不仅可以互联不同类型、多电压等级的海上直流风电场和高压直流输电系统，类似于交流联网通过交流变电站，直流联网通过直流变电站，还能进行直流潮流的集中调控，而且可以在一端直流输电系统故障期间不影响其他端直流输电系统的正常工作，有高度的可靠性和可延展性，可以根据实际需要增加或者删减端口数目，具有重大技术、经济和社会意义。

Description

一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，尤其是涉及一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法。

背景技术

海上风电作为全球风电的最新技术发展趋势一直备受关注，是未来最有可能降低风力发电成本的新技术。随着海上风电场装机容量及输电距离的增加，高压直流输电技术在海上风电并网中的应用将越来越广泛。与基于电流源换流器技术的传统直流输电（LCC-HVDC）相比，基于电压源换流器技术的新型直流输电（VSC-HVDC）在海上风电场并网方面更具优势。相比于双端直流输电（LCC型或VSC型），多端直流输电（Multi-terminalHVDC，MTDC）的成本相对较低，运行灵活，可实现系统向弱交流系统供电，非常适合于连接海上风电场。目前传统直流输电技术仍占据着主导地位，为了更有效地利用现有直流输电技术的特点，有学者提出了混合直流输电（HybridHVDC）：HybridHVDC是LCC与VSC的结合，可以较方便地新建或者在现有系统上扩建线路，易于构成多端系统，运行稳定。同时，整流侧采用VSC、逆变侧采用LCC的混合直流输电结构在远距离海上风电并网方案中具有独特的优势和竞争力，它不仅解决了LCC连接风电场时需外加换相电压的问题，也克服了VSC投资高、损耗大的缺点。

采用高压大功率DC/DC变换器代替低频变压器联接多种类型直流输出的海上风电场（简称直流风电场）是最近研究的热点：有学者研究了用于直流风电场汇集组网的三种DC/DC变换器拓扑结构；有学者研究了用于海上直流风电场的全桥DC/DC变换器控制策略；有学者研究了用于海上直流风电场的单向谐振型DC/DC变换器的拓扑结构和控制策略。由于目前直流电网尚无统一的电压标准，采用DC/DC变换器可以实现多电压等级直流输电系统的互联，并提高直流电网的运行灵活性：有学者研究了联接两个VSC型高压直流输电系统的高压大功率MMC型双向DC/DC变换器的拓扑结构和控制策略；有学者研究了传统火电机组并入多端直流电网的运行控制策略，该直流电网采用多个双向谐振型DC/DC变换器实现多电压等级高压直流输电系统的互联。上述研究均采用双端口DC/DC变换器实现单一海上风电场内的汇集或多电压等级高压直流输电系统的互联。

现有技术问题在于，对于单一直流电压等级的高压直流电网，由于现有直流断路器无法应用于高压场合，当某处直流线路发生短路故障时，全网的直流电压均会降低，进而影响与之互联的交流系统，使得交流系统的电压降低，功率无法正常输送。同时，对于多电压等级直流电网，虽可用多个DC/DC变换器可以实现多电压等级的互联，但控制较为复杂，不能进行潮流的集中控制，经济性较差。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前直流电网存在的可靠性低、控制复杂、不能进行潮流集中控制、经济性较差的问题，提出一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法。

本发明提出了一种多端口直流变电站的拓扑结构，所述拓扑结构由多条端口电路组成；其中每条端口电路包括一个换流端口、一个LCL滤波器、一个交流断路器，每一个换流端口依次与该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器相连，并通过交流变压器和其他端口电路相连，或每一个换流端口依次通过该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器和其他端口电路相连。

所述多端口直流变电站所包含的端口电路数量不少于2，且可根据需要扩展端口电路数目；根据端口电路数量的增加，可采用多个高频双绕组交流变压器连接不同的端口电路；若两端口直流电压相差不大，则直接利用端口与端口间的直交直变换连接；建立站内交流母线电压的端口为主端口，其他端口则为从端口。

所述端口电路若某一条发生永久性故障，则断开该条端口电路上的交流断路器，从而不影响其他端口的正常工作。

所述各个换流端口采用包括但不限于模块化多电平换流器或者多个小容量变换器模块串并联方案；变电站内部交流电路相数包括但不限于单相、两相、三相、四相等。

本发明提出了一种多端口直流变电站的控制方法，主要包括：

步骤1、确定多端口直流电站端口数目和站内交流电压等级；

步骤2、建立并分析变电站拓扑结构数学模型；

步骤3、确定变电站主端口控制方式；

步骤4、确定变电站从端口控制方式；

步骤5、判断各端口状态，若无故障则按照原先设定的控制方式工作，若有故障则判断故障端口类型，若为主端口故障则选择一从端口作为主端口控制站内交流电压，若为从端口故障则其他控制方式保持不变或重新分配。

所述步骤1包括：根据多端口直流变电站所连的直流系统的数目，得出多端口直流变电站的端口数目，再根据各端口的直流电压等级，得出变电站内部交流电压等级。

所述步骤2包括：建立多端口直流变电站的端口数学模型，忽略电容耦合项ω_nC_f，将LCL滤波器等效为L滤波器进行解耦控制，以简化控制系统。简化数学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_d=(L+L_T)\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_n(L+L_T)i_q+u_d\\ e_q=(L+L_T)\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_n(L+L_T)i_d+u_q\end{array}\right.$

其中ω_n为变压器侧交流电压矢量的额定角频率，e_d、e_q为电压矢量的d、q分量，u_d、u_q为端口侧交流电压矢量的d、q分量，i_d、i_q为交流电流矢量的d、q分量，L_T为LCL滤波器变压器侧电感，L为LCL滤波器端口侧电感。

所述步骤3包括：主端口通过PI控制器控制直流变电站内部交流电压的频率和相角为固定值，通过闭环反馈改变调制因子M控制交流电压的幅值，通过主端口选择功能，则保证原主端口因故障退出时，迅速选择一个从端口作为主端口运行，该从端口的控制方式迅速切换为定交流电压控制；

如果主端口永久性故障，那么直流变电站内部交流电压建立失败，各个端口直流电压或功率控制失败，直流功率不能正常送出，这时主端口发出一个故障信号，预先设置好的从端口检测到故障信号后，投入从端口冗余交流电压控制，替代主端口的功能，保证直流变电站的稳定运行。

所述步骤4包括：从端口通过PI控制器控制端口直流电压或直流功率，若外部直流换流站控制直流电压，那么与其相连的从端口通过控制方式选择功能确定其控制方式为直流功率控制，若外部直流换流站控制直流功率，那么与其相连的从端口通过控制方式选择功能确定其控制方式为直流电压控制；从端口通过选择不同的控制方式和被控端口，进行直流潮流的集中调控；

从端口采用双闭环控制端口直流电压或直流功率，即外环为直流电压或直流功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器可得到内环电流d轴分量的参考值，无功功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器得到内环电流q轴分量的参考值，内环为电流误差经调节后输出电压参考值，叠加上补偿量，即可得到调制波交流电压的参考值；

当从端口退出时，原来通过该从端口的直流功率需要通过其他端口进行重新分配，如果这部分直流功率通过主端口后没有发生端口功率越限，那么这部分直流功率则都通过主端口送出，如果都通过主端口以后功率越限，那么把部分直流功率转移到其他从端口送出。

本发明的有益效果在于，提出了一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法，将不同双端口DC/DC变换器的功能进行融合，它不仅可以互联不同类型、多电压等级的海上直流风电场和高压直流输电系统，类似于交流联网通过交流变电站，直流联网通过直流变电站，还能进行直流潮流的集中调控，而且可以在一端直流输电系统故障期间不影响其他端直流输电系统的正常工作，有高度的可靠性和可延展性，可以根据实际需要增加或者删减端口数目，具有重大技术、经济和社会意义。

附图说明

图1为多端口直流变电站的拓扑结构图；

图2为多端口直流变电站的端口数学模型框图；

图3为多端口直流变电站的控制方法的流程图；

图4为多端口直流变电站主端口的控制方法；

图5为多端口直流变电站从端口的控制方法；

图6为含直流变电站的多电压等级简单直流电网拓扑图；

图7为多端口直流变电站在稳态和故障时各端口直流电压曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。

本发明提出了一种多端口直流变电站的拓扑结构，该拓扑结构由多条端口电路组成；其中每条端口电路包括一个换流端口、一个LCL滤波器、一个交流断路器，每一个换流端口依次与该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器相连，并通过交流变压器和其他端口电路相连，或每一个换流端口依次通过该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器和其他端口电路相连；该多端口直流变电站所包含的端口电路数量不少于2，且可根据需要扩展端口电路数目；建立站内交流母线电压的端口为主端口，其他端口则为从端口；根据端口电路数量的增加，可采用多个高频双绕组交流变压器连接不同的端口电路；若两端口直流电压相差不大，也可以不用高频变压器，直接利用端口与端口间的直交直变换即可；每一条端口电路通过交流断路器和公共交流母线进行连接，若某一条端口电路发生永久性故障，可以断开该条端口电路上的交流断路器，从而不影响其他端口的正常工作；各个换流端口可采用包括但不限于模块化多电平换流器（MMC）或者多个小容量变换器模块串并联的研究方案；变电站内部交流电路相数包括但不限于单相、两相、三相、四相等。

以五端口直流变电站为例，详细拓扑结构如图1所示，每个换流端口都相当于一个换流站，中间采用高频三绕组交流变压器进行互联，以减少海上直流变电站的体积。两个送端端口的交流侧共交流母线，电压等级为35kV，其直流侧电压等级分别为±30kV和±40kV。三个受端端口的交流侧电压等级分别为300kV、185kV、185kV，对应直流侧的电压等级分别为±250kV、±160kV、±160kV。每个端口的交流侧经LCL滤波器与高频三绕组交流变压器相连，L_T为LCL滤波器变压器侧电感其中，R_T为L_T的附加电阻，L为LCL滤波器端口侧电感，R为L的附加电阻，C_f为LCL滤波器电容。采用LCL滤波器的原因是在大功率应用场合，LCL滤波器可以用较小的电感实现较好的滤波效果，从而减小滤波器的体积和重量，使其更适用于海上直流变电站平台。CB为交流断路器，每一个端口通过CB和公共交流母线进行连接，若某端口永久性故障，可以断开CB，该端口退出，从而不影响其他端口的正常工作。

本发明提出了一种多端口直流变电站的控制方法，如图3所示，主要包括：

步骤1、根据多端口直流变电站所连的直流系统的数目，得出多端口直流变电站的端口数目，再根据各端口的直流电压等级，得出变电站内部交流电压等级。

步骤2、建立多端口直流变电站的端口数学模型。该数学模型的框图如图2所示。由图可知，d轴和q轴电流之间存在耦合现象，i_d，i_q之间通过ω_nL项相互作用，i_Td，i_Tq之间通过ω_nL_T项相互作用，u_cd，u_cq之间通过ω_nC_f项相互作用。电容的耦合项ω_nC_f使解耦控制变得复杂，但由于ω_nC_f远小于ω_nL和ω_nL_T，在控制系统中，可以忽略ω_nC_f，将LCL滤波器等效为L滤波器进行解耦控制，以简化控制系统。简化数学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_d=(L+L_T)\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_n(L+L_T)i_q+u_d\\ e_q=(L+L_T)\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_n(L+L_T)i_d+u_q\end{array}\right.$

其中ω_n为变压器侧交流电压矢量的额定角频率，e_d、e_q为电压矢量的d、q分量，u_d、u_q为端口侧交流电压矢量的d、q分量，i_d、i_q为交流电流矢量的d、q分量，L_T为LCL滤波器变压器侧电感，L为LCL滤波器端口侧电感。

步骤3、确定多端口直流变电站主端口的控制方法。主端口通过PI控制器控制直流变电站内部交流电压的频率（站内交流变压器的额定频率，可以大于工频）和相角为固定值，通过闭环反馈改变调制因子M控制交流电压的幅值。如图4所示，通过主端口选择功能，可以保证原主端口因故障退出时，迅速选择一个从端口作为主端口运行，该从端口的控制目标迅速切换为定交流电压控制。

如果主端口永久性故障，那么直流变电站内部交流电压建立失败，各个端口直流电压或功率控制失败，直流功率不能正常送出，这时主端口发出一个故障信号，预先设置好的从端口检测到故障信号后，投入从端口冗余交流电压控制，替代主端口的功能，保证直流变电站的稳定运行。

步骤4、确定多端口直流变电站从端口的控制方法。从端口通过PI控制器控制端口直流电压或直流功率，其控制策略需要与之相连的直流换流站的控制策略相配合。若外部直流换流站控制直流电压，那么与其相连的从端口通过控制方式选择功能确定其控制方式为直流功率控制，反之亦然。如图5所示，从端口通过选择不同的控制方式（定直流电压控制/定直流功率控制）和被控端口，进行直流潮流的集中调控。

从端口采用双闭环控制端口直流电压或直流功率，即外环为直流电压或直流功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器可得到内环电流d轴分量的参考值，无功功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器得到内环电流q轴分量的参考值，内环为电流误差经调节后输出电压参考值，叠加上补偿量，即可得到调制波交流电压的参考值。

当从端口退出时，原来通过该从端口的直流功率需要通过其他端口进行重新分配，如果这部分直流功率通过主端口后没有发生端口功率越限，那么这部分直流功率则都通过主端口送出，如果都通过主端口以后功率越限，那么把部分直流功率转移到其他从端口送出。

步骤5、判断各端口是否发生运行故障，如果没有，则各端口电路按照原先设定的控制方法运行。如果有端口发生了运行故障，则判断故障端口类型，如果是主端口故障则选择一从端口作为主端口控制站内交流电压。如果是从端口故障则其他从端口控制方法保持不变或重新分配。

采用上述控制方法对具体案例进行了仿真，如图6所示。双馈风电场1（由双馈风电机组组成）和直驱风电场1（由永磁直驱风电机组组成）是距离五端口直流变电站较近的海上风电场，其额定容量分别为2000MW和1000MW，直流电压等级分别为±30kV和±40kV。直驱风电场2是距离五端口直流变电站较远的海上风电场，其直流汇集方式、容量均与直驱风电场1相同，但其直流电压等级更高（±80kV），该海上风场直接通过柔性换流站GSVSC1和陆上电网4相连。五端口直流变电站的端口3通过直流电缆和容量为1100MW的陆上双极LCC型直流换流站相连，接入短路比为2.5的陆上电网1，其直流电压等级为±250kV。由于端口3的功能类似于柔性换流站，与陆上双极LCC换流站构成HybridHVDC。五端口直流变电站的端口4、端口5分别通过直流电缆，经柔性换流站GSVSC2，GSVSC3接入陆上电网2、陆上电网3，其直流电压等级均为±160kV。额定容量为1000MW的两端口直流变电站的端口6和7分别与柔性换流站GSVSC3和GSVSC4相连，其端口直流电压等级分别为±160kV和±80kV，该变电站可以调控陆上电网3和陆上电网4的直流潮流。

图7显示了该控制方法的仿真实验效果，说明采用该方法可以保证多端口直流变电站的稳定可靠运行。如图7（a）所示稳态时，各端口的电压均控制在设定值；如图7（b）所示，从端口因故障退出运行时，直流潮流可通过其他端口进行调控，从端口的退出不影响其他端口的正常工作，各端口的直流电压小幅波动后恢复到设定值；如图7（c）所示，主端口因故障退出运行时，从端口切换为主端口控制直流变电站内部的交流母线电压，维持直流变电站的稳定。由于主端口故障时，需要多个端口和换流站的协调，重新建立直流电压的时间较长，导致各端口直流电压波动较大，但最终趋于稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多端口直流变电站的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由多条端口电路组成；其中每条端口电路包括一个换流端口、一个LCL滤波器、一个交流断路器，每一个换流端口依次与该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器相连，并通过交流变压器和其他端口电路相连，或每一个换流端口依次通过该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器和其他端口电路相连；

所述多端口直流变电站所包含的端口电路数量不少于2；根据端口电路数量的增加，则采用多个高频双绕组交流变压器连接不同的端口电路；若两端口直流电压相差不大，则直接利用端口与端口间的直交直变换连接；建立站内交流母线电压的端口为主端口，其他端口则为从端口。

2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述端口电路若某一条发生永久性故障，则断开该条端口电路上的交流断路器，从而不影响其他端口的正常工作。

3.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述各个换流端口采用模块化多电平换流器或者多个小容量变换器模块串并联方案；变电站内部交流电路相数采用单相、两相、三相或四相。

4.一种多端口直流变电站的控制方法，主要包括：

步骤1、确定多端口直流电站端口数目和站内交流电压等级；

步骤2、建立并分析变电站拓扑结构数学模型；

步骤3、确定变电站主端口控制方式；

步骤4、确定变电站从端口控制方式；

步骤5、判断主端口和从端口的状态，若无故障则按照原先设定的控制方式工作，若有故障则判断故障端口类型，若为主端口故障则选择一从端口作为主端口控制站内交流电压，若为从端口故障则其他端口控制方式保持不变或重新分配。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：根据多端口直流变电站所连的直流系统的数目，得出多端口直流变电站的端口数目，再根据各端口的直流电压等级，得出变电站内部交流电压等级。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：建立多端口直流变电站的端口数学模型，忽略电容耦合项ω_nC_f，将LCL滤波器等效为L滤波器进行解耦控制，以简化控制系统，简化数学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_d=(L+L_T)\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}-{\mathrm{\ω}}_n(L+L_T)i_q+u_d\\ e_q=(L+L_T)\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}+{\mathrm{\ω}}_n(L+L_T)i_d+u_q\end{array}\right.$

其中ω_n为变压器侧交流电压矢量的额定角频率，e_d、e_q为电压矢量的d、q分量，u_d、u_q为端口侧交流电压矢量的d、q分量，i_d、i_q为交流电流矢量的d、q分量，L_T为LCL滤波器变压器侧电感，L为LCL滤波器端口侧电感。

7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：主端口通过PI控制器控制直流变电站内部交流电压的频率和相角为固定值，通过闭环反馈改变调制因子M控制交流电压的幅值，通过主端口选择功能，则保证原主端口因故障退出时，迅速选择一个从端口作为主端口运行，该从端口的控制方式迅速切换为定交流电压控制；

如果主端口永久性故障，那么直流变电站内部交流电压建立失败，各个端口直流电压或功率控制失败，直流功率不能正常送出，这时主端口发出一个故障信号，预先设置好的从端口检测到故障信号后，投入从端口冗余交流电压控制，替代主端口的功能，保证直流变电站的稳定运行。

8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤4包括：从端口通过PI控制器控制端口直流电压或直流功率，若外部直流换流站控制直流电压，那么与其相连的从端口通过控制方式选择功能确定其控制方式为直流功率控制，若外部直流换流站控制直流功率，那么与其相连的从端口通过控制方式选择功能确定其控制方式为直流电压控制；从端口通过选择不同的控制方式和被控端口，进行直流潮流的集中调控；

从端口采用双闭环控制端口直流电压或直流功率，即外环为直流电压或直流功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器可得到内环电流d轴分量的参考值，无功功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器得到内环电流q轴分量的参考值，内环为电流误差经调节后输出电压参考值，叠加上补偿量，即可得到调制波交流电压的参考值；

当从端口退出时，原来通过该从端口的直流功率需要通过其他端口进行重新分配，如果这部分直流功率通过主端口后没有发生端口功率越限，那么这部分直流功率则都通过主端口送出，如果都通过主端口以后功率越限，那么把部分直流功率转移到其他从端口送出。