CN104377687B - 用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法，属于电力电子技术领域。该方法包括：测量与有源交流网络相连的换流站的直流电压和有功功率；滤去高频波动成分；判断滤波后换流站的直流电压是否在预先设定的允许的运行范围内；若是，判断滤波后换流站的有功功率P_f是否达到稳态值，若是，将滤波后换流站的有功功率设定为新的功率参考值，进行直流电压‑有功功率下垂曲线的平移；若不是将滤波后与换流站的直流电压对应的功率设定为新的功率参考值P_ref，进行直流电压‑有功功率下垂曲线的平移。本发明在保证风电功率变化量快速分配的同时，能将直流电压控制在允许的运行范围内，保证系统的安全可靠运行。

Description

用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域,特别涉及一种用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法。

背景技术

进入21世纪，风能作为一种可再生的清洁能源得到了国际社会的广泛关注和大力开发。其中大规模近海风电场的建设已成为风能利用的一个重要方面。柔性直流输电技术VSC-HVDC是目前最适合也是运用最多的风电并网技术，当大规模地开发海上风电时，需要采用基于电压源换流器的多端直流(VSC-MTDC)输电系统。风电场发出的功率具有随机性、间歇性和波动性等特点，导致系统的潮流频繁变化。传统的直流电压斜率控制方法的原理如图1所示。该方法所采用的外环控制器的原理如图2所示。稳态情况下，与有源交流网络相连的换流站的直流电压U_dc和换流站的功率P满足如下关系式：

U_dc＝U_dcref-K(P-P_ref)

其中U_dcref为电压参考值，K为下垂斜率，P_ref为功率参考值。

该方法能够迅速地对系统的潮流变化做出响应，调整与有源交流网络相连的换流站的直流功率，因此常用于功率频繁变化的含风电场的VSC-MTDC系统。

传统的直流电压斜率控制方法通过让不同的换流站选择不同的下垂斜率K来实现功率的分配，但是直流母线会存在静态电压偏差，即不能实现电压的恒定控制。在风电接入场合，这种偏差尤其频繁。

发明内容

因为已有技术存在系统的直流电压偏差过大，影响系统的稳定运行的不足之处，本发明提出一种用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法。本发明在保证风电功率变化量快速分配的同时，能将直流电压控制在允许的运行范围内，保证系统的安全可靠运行。若风电功率在一段时间内保持平稳，本发明能将直流电压调节回额定值。

本发明提出的一种用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过实际测量采集与有源交流网络相连的换流站的直流电压U_dc和有功功率P；

(2)用滤波器滤去直流电压U_dc和有功功率P中的高频波动成分，得到的直流电压和有功功率分别记为U和P_f；

(3)判断滤波后换流站的直流电压U是否在预先设定的允许的运行范围[U_dcmin，U_dcmax]内，U_dcmax为电压上限值，U_dcmin为电压下限值；若换流站的直流电压U在允许的运行范围[U_dcmin，U_dcmax]内，则执行步骤(5)；若换流站的直流电压U大于电压上限值U_dcmax或者小于电压下限值U_dcmin，则执行步骤(4)；

(4)将滤波后与换流站的直流电压U对应同一时刻的功率P_f设定为新的功率参考值P_ref，进行直流电压-有功功率下垂曲线的平移，用以将电压U_dc调节在允许的运行范围内，等待下一个采样周期到来，转步骤(1)；

(5)采用微分dP_f/dt是否等于0来判断滤波后换流站的有功功率P_f是否达到稳态值：

微分dP_f/dt具体计算为：设采样步长为Δt，t时刻的P_f为P_f(n)，t-Δt时刻的P_f为P_f(n-1)，t+mΔt时刻的P_f为P_f(n+m)，n、m均为整数，计算公式如下：

当满足│dP_f/dt│≤M(M取值范围在1～20MW/μs之间)，即可判断功率达到稳态值；

若功率达到稳态值，则执行步骤(6)；若达不到稳态值，则功率参考值P_ref保持不变，电压U_dc不被调节；

(6)将滤波后换流站的有功功率P_f设定为新的功率参考值P_ref，进行直流电压-有功功率下垂曲线的平移，用以将电压U_dc调节到额定值，等待下一个采样周期到来，转步骤(1)。

本发明的技术特点及有益效果：本发明所采用的外环控制器中，功率参考值不再是一个恒定值。经过一系列判断流程后，可自动修改与有源交流网络相连的换流站的直流电压-有功功率特性调节曲线的功率参考值，实现下垂曲线的平移。

本发明通过对与有源交流网络相连的换流站的直流电压-有功功率特性调节曲线的功率参考值进行实时修改，在保证风电功率变化量快速分配的同时，能将系统的直流电压控制在允许的运行范围[U_dcmin，U_dcmax]内(U_dcmax为电压上限值，U_dcmin为电压下限值)，保证了系统的安全可靠运行。此外，若风电功率在一段时间内保持平稳，本发明能将系统的直流电压调节回额定值。

附图说明

图1为传统的直流电压斜率控制基本原理图；

图2为传统的直流电压斜率控制策略的外环控制器；

图3为本发明提出的改进直流电压斜率控制策略采用的功率参考值的修改流程图。

具体实施方式

本发明提出的一种用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过实际测量采集与有源交流网络相连的换流站的直流电压U_dc和有功功率P；

(2)用滤波器滤去直流电压U_dc和有功功率P中的高频波动成分，得到的直流电压和有功功率分别记为U和P_f；

(3)判断滤波后换流站的直流电压U是否在预先设定的允许的运行范围[U_dcmin，U_dcmax]内，U_dcmax为电压上限值，U_dcmin为电压下限值；若换流站的直流电压U在允许的运行范围[U_dcmin，U_dcmax]内，则执行步骤(5)；若换流站的直流电压U大于电压上限值U_dcmax或者小于电压下限值U_dcmin，则执行步骤(4)；

(4)将滤波后与换流站的直流电压U对应同一时刻的功率P_f设定为新的功率参考值P_ref，进行直流电压-有功功率下垂曲线的平移，用以将电压U_dc调节在允许的运行范围内，等待下一个采样周期到来，转步骤(1)；

(5)采用微分dP_f/dt是否等于0来判断滤波后换流站的有功功率P_f是否达到稳态值：

微分dP_f/dt具体计算为：设采样步长为Δt，t时刻的P_f为P_f(n)，t-Δt时刻的P_f为P_f(n-1)，t+mΔt时刻的P_f为P_f(n+m)，n、m均为整数，m取值在3到20之间，计算公式如下：

当满足│dP_f/dt│≤M(M取值范围在1～20MW/μs之间)，即可判断功率达到稳态值；

若功率达到稳态值，则执行步骤(6)；若达不到稳态值，则功率参考值P_ref保持不变，电压U_dc不被调节；

(6)将滤波后换流站的有功功率P_f设定为新的功率参考值P_ref，进行直流电压-有功功率下垂曲线的平移，用以将电压U_dc调节到额定值，等待下一个采样周期到来，转步骤(1)。

实施例

本发明方法针对一个风电并网的5端VSC-MTDC系统进行具体说明。换流站1和2分别与各自的有源交流网络相连；换流站3与无源交流网络相连，实现向无源网络的供电。换流站4和5分别连接风电场1和2，用以采集风电场发出的有功功率。功率方向以注入直流网络为正方向。初始时刻，风电场1(换流站4)输出功率为185MW，风电场2(换流站5)输出功率为150MW，负荷侧换流站3的输出功率为-25MW，换流站1和换流站2分配的功率分别为-117MW和-168MW，换流站1和换流站2的功率参考值分别为-118MW和-169MW，直流母线电压稳定在400kV。

整个系统的电压额定值U_dcref设定为400kV，U_dcmax设定为405kV，U_dcmin设定为395kV；采样步长Δt设为4μs，微分计算中的m取为5，M取10MW/μs。

2.5s至2.6s风电场1发出的功率由185MW以800MW/s的速率增加至265MW，2.6s至2.7s风电场1发出的功率由265MW以600MW/s的速率下降至205MW，2.7s至4.2s风电场1发出的功率由205MW以35MW/s的速率增加至257.5MW，4.2s时刻，风电场1和2均发生功率的阶跃变化，风电场1发出的功率由257.5MW降至200MW，风电场2发出的功率由150MW降至100MW。

2.5s到4.2s之间，出现过风电输出功率过大或过小导致电压越界的情况，本发明通过功率参考值的修改，电压一直运行在395kV到405kV之间；2.5s到4.2s之间风电功率一直处于变化之中，与有源交流网络相连的换流站1和2功率始终达不到稳态值，直流电压也就始终不能调节到额定值400kV。4.2s之后，风电输出功率稳定，直流电压调节到额定值400kV。

Claims (1)

1.一种用于多端柔性直流输电系统的直流电压斜率控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)通过实际测量采集与有源交流网络相连的换流站的直流电压U_dc和有功功率P；

(2)用滤波器滤去直流电压U_dc和有功功率P中的高频波动成分，得到的直流电压和有功功率分别记为U和P_f；

(3)判断滤波后换流站的直流电压U是否在预先设定的允许的运行范围[U_dcmin，U_dcmax]内，U_dcmax为电压上限值，U_dcmin为电压下限值；若换流站的直流电压U在允许的运行范围[U_dcmin，U_dcmax]内，则执行步骤(5)；若换流站的直流电压U大于电压上限值U_dcmax或者小于电压下限值U_dcmin，则执行步骤(4)；

(4)将滤波后与换流站的直流电压U对应同一时刻的功率P_f设定为新的功率参考值P_ref，进行直流电压-有功功率下垂曲线的平移，用以将电压U_dc调节在允许的运行范围内，等待下一个采样周期到来，转步骤(1)；

(5)采用微分dP_f/dt是否等于0来判断滤波后换流站的有功功率P_f是否达到稳态值：

微分dP_f/dt具体计算为：设采样步长为Δt，t时刻的P_f为P_f(n)，t-Δt时刻的P_f为P_f(n-1)，t+mΔt时刻的P_f为P_f(n+m)，n、m均为整数，计算公式如下：

$\frac{{\mathrm{dP}}_f}{dt}=\frac{1}{m}\underset{i=0}{\overset{m-1}{\Σ}}\frac{P_f(n+m+i)-P_f(n+i)}{m}$

当满足│dP_f/dt│≤M，M取值范围在1～20MW/μs之间，即可判断功率达到稳态值；

若功率达到稳态值，则执行步骤(6)；若达不到稳态值，则功率参考值P_ref保持不变，电压U_dc不被调节；

(6)将滤波后换流站的有功功率P_f设定为新的功率参考值P_ref，进行直流电压-有功功率下垂曲线的平移，用以将电压U_dc调节到额定值，等待下一个采样周期到来，转步骤(1)。