CN104471852A - 多端hvdc控制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于电压源转换器(VSC)的多端高压直流(MTDC)系统的主控制系统层。本发明可适用于MTDC电网的一般拓扑、包括网格拓扑和隔离孤岛，并且其有益效果在具有五个或更多端子的MTDC系统中变得特别显然，其中所有可能的不同工作条件的管理在仅使用单个反馈控制环路时将要求不可接受的工程工作量。本发明包括数学优化过程，以便实时地并且基于实际工作条件来确定控制器设定，其使成本标准为最小或者优化任何其他目标函数。控制器设定包括设置点或参考值以及控制器参数、例如下垂限制或增益。此外，它引入模型预测控制，以便包括对系统状态演进的控制动作的效果的预测以及优化过程中的将来工作条件的预测。
Description
技术领域
本发明涉及基于电压源转换器的多端高压直流系统的领域，以及具体来说，涉及控制这类系统的操作的方法和主控制器。
背景技术
控制二端或者点对点操作的基于电压源转换器(VSC)的高压直流(HVDC)端子的常规方式基本上包括具有下列层的三层分级控制系统：
启动控制层——对转换器桥中的单独阀生成启动脉冲。用于启动控制的常用方法是使用参考正弦波的脉宽调制(PWM)。这实现将转换器AC端子的AC电压幅值和相位角控制成所指定参考值。
转换器单元控制层——生成转换器AC电压幅值和相位角的参考值，以便将经过转换器的电流控制到系统控制所生成的所指定参考值。引入限幅器动作，以将转换器AC电压的电压幅值限制到容许工作范围。
系统控制层——在点对点连接中，一个端子通常设置成控制DC电压，而另一个控制DC电流或AC母线功率参考。另外，另一个控制器改变转换器AC电压幅值参考值，以控制转换器站公共耦合点(PCC)的AC无功功率注入或者PCC处的AC电压幅值。通常，系统控制层实现为具有各种内部限幅器的级联PI控制器的阵列。限幅器动作也在系统控制的输出来引入，以将转换器AC和/或DC电流限制到容许工作范围。
这个三层控制系统或者其修改形式以下称作“VSC控制器”或“本地站控制”。
在具有通过DC电网所互连的至少三个端子或者转换器站的多端HVDC(MTDC)系统中，以上所述的常规系统控制不再是足够的，因为它缺乏在MTDC系统的严重扰动(包括转换器站其中之一的故障)之后保持稳定性和平衡剩余转换器之间的负载并且确保保护动作的能力。例如，DC电压控制端子的故障常常使剩余转换器的控制系统进入限制，以及在MTDC系统可仍然进行操作的同时，功率流的可控性丧失。
作为矫正措施，已经提出引入系统控制层中的实际DC功率PDC与DC电压VDC之间的下垂（droop）特性的下垂常数的所谓下垂控制方案，以便也在多端操作中实现单独VSC控制的稳定性。在这类下垂控制方案中，本地站控制器不再执行完全参考跟踪、即在稳态的PDC与Pref的完全匹配。这是有利的，因为它确保也在多端操作中的本地站控制器的稳定性。示范下垂特性读取PDC = Pref + K×(VDC – Vref)，示出允许PDC与参考功率Pref偏离取决于下垂常数k的固定误差。因此，不是单独将设置点的值Pref设置成严格等于调度功率流Psched并且在达到实际调度表偏离时、例如在电缆或转换器站的断电的情况下抱最好的希望，下垂方案的使用而是允许对若干端子的调度偏离的分配。但是，下垂控制没有提供保护单独DC电缆的过载的任何方式。此外，难以调谐下垂控制方案以便在转换器断电或者较大尺寸和/或复杂拓扑的DC电网中的孤岛化之后提供令人满意的负载重新分配。
控制系统固有地包括控制系统极限，其例如暗示DC电压设置点不超过最大容许DC电压(其又取决于DC线路的绝缘能力)。一般来说，控制器在接近其控制器极限时变得不太可靠或健壮，和/或如果预计过于远离与一些基本物理限制对应的最初设计安全操作域进行操作，则甚至趋向于饱和。MTDC系统的初始模拟结果现在已经表明，甚至存在系统控制层中的限幅器与转换器单元控制层中的限幅器之间的有害交互的可能性。虽然控制系统中的P和PI控制器的行为例如直接使用本征值或者模态分析技术来分析和调谐，但是其关联限幅器的行为远未探究。
Lu W和Ooi B.T的论文“DC Voltage Limit Compliance in Voltage-Source Converter based Multi-Terminal HVDC”(IEEE PES General Meeting 2005，第1322-1327页)公开一种通过预先计算和激活适合任一个转换器的事故损失的参考设置点来控制稳态DC母线电压的方式。在dc传输距离较长并且转换器功率较大的情况下，可需要按照迭代方式重新调整设置点，直到满足电压余量。这个问题公式化库成本函数的优化，其然后通过服从电压和功率限制的拉格朗日乘法器方法来求解。
专利申请WO2010/086071针对具有电压源转换器(VSC)并且互连两个电力系统的高压直流(HVDC)链路。具有滚动时域策略的模型预测控制用于HVDC链路的二环或二层控制方案的外环中。当最佳转换器电流参考值从外环传递到内环的同时，内环的控制参数保持不变。二环控制方案利用HVDC链路和互连电力系统的各种系统变量的动态的速度的差。表示互连电力系统行为的基于模型的预测允许比较控制方案中应用的不同控制输入的将来效果，同时考虑任何物理、安全性和操作限制。
专利申请WO2012/044369公开通过解决最佳功率流OPF问题同时生成VSC HVDC电网的设置点的多端HVDC系统的协调控制的中心应用。所提出的解决方案忽视任何限制或极限，后者必须在工作系统上随后检验。
发明内容
因此，本发明的一个目的是避免或降低因基于电压源转换器(VSC)的多端高压直流(MTDC)系统中的所施加的单独控制器极限引起的控制器间交互。这个目的通过一种按照独立权利要求的控制MTDC系统和MTDC主控制器的方法来实现。通过从属专利权利要求，优选实施例是显而易见的。
按照本发明，将主控制系统层引入MTDC控制中，以用于运行高级控制策略，其平衡基于VSC的HVDC系统所提供的灵活性的一部分。主控制回复到包括控制器极限的系统的数学优化和动态建模，以生成特别适合呈现系统的状态的优化控制器设定。最佳控制器设定包括具有违犯对应转换器极限的减轻风险的重新计算转换器参考值，并且因而降低不利的限幅器交互。控制器设定最终分配或分发到本地控制级。
具体来说，具有通过包括多个DC链路的DC电网所互连的至少三个端子的MTDC系统(其中端子单独耦合到AC设备和/或AC电网，并且各端子包括设置在公共耦合点(PCC)与DC汇流条之间的VSC，所述VSC由本地多级VSC控制器所控制)通过包括下列步骤的方法来控制：
- 由操作员或者监控和数据获取(SCADA)系统或者能量管理系统(EMS)来提供DC电力传输转换器调度表，其中包括MTDC系统的各端子的预期或调度功率流值和/或DC电压，
- 由MTDC主控制器并且基于VSC控制器和/或在MTDC系统的适当位置中的附加传感器所提供的、采取二元切换装置状态信息或离散变压器抽头变更器位置的形式的实际操作数据或测量来确定包括MTDC系统的动态拓扑的MTDC系统的当前状态，
- 由MTDC主控制器基于MTDC系统的当前状态、基于转换器调度表并且基于包括MTDC系统的操作极限的系统限制来确定包括设置点或参考值的已更新VSC控制器设定以及诸如低级闭环控制系统的下垂限制或增益之类的控制器参数，以及
- 向VSC控制器传送已更新VSC控制器设定，并且相应地操作VSC控制器。
在本发明的一优选实施例中，MTDC系统的当前状态包括与负载状态有关的指示，其中包括例如DC电网的单独DC电缆或高架线路的负载余量和端子容量。也就是说，除了二元切换装置状态信息之外，连续操作信息、例如所选线路的电流和温度需要被传递。然后在电缆或高架线路温度的热估计或预测模型中考虑负载状态，以便最佳地管理DC链路的热过载容量。
在本发明的一有利变体中，已更新VSC控制器设定通过涉及MTDC系统的实时模型的基于模型的控制来确定。另外，耦合到MTDC系统的AC设备和/或AC电网也可包含在模型中，从而准许评估MTDC系统与周围AC网络的交互，特别是通过优化过程中的AC设备和/或AC电网的AC极限的建模。具体来说，可采用模型预测控制(MPC)，其中具有作为性能目标的转换器调度表，因而使任何固定误差为最小。MPC包括对系统状态演进的控制动作的效果的预测以及优化过程中的将来工作条件的预测。
在一示范实施例中，主控制层具有比典型SCADA/EMS扫描速率明显要快的响应时间，并且对应地具有30秒或以下的更新速率。对于如风力田所引起的分钟规模的功率降低波动的反应因而在适当时间是可能的。另一方面，新控制器设定的分发可与本地站控制的循环时间同样频繁地发生，并且在适当的时候甚至更快。优选地，主控制层的响应时间可在0.2-5秒的范围中。
在一优选实施例中，主控制层用来基于实际工作条件来评估任何可信单组件故障类型意外事故的效果，以及向监控DC电网的操作员或SCADA/EMS系统报告最坏情况调度表偏离或限制违规。例如，电力系统的DC部分中的转换器或电缆的断电可触发相邻AC网络中的电力振荡、频率不稳定性或电压骤降。
此外，每个可信意外事故的适配设置点和/或站控制器参数值的预先计算能够预先地并且基于实际工作条件来执行。在预期意外事故其中之一的检测实际发生之后，预先计算设置点和参数值例如在100 ms或以下之内快速分配或部署，以及基于适配设置点和参数值的矫正动作可快速实施。
总之，本发明可适用于MTDC电网的一般拓扑、包括网格拓扑和隔离孤岛，并且其有益效果在具有五个或更多端子的MTDC系统中变得特别显然，其中所有可能的不同工作条件的管理在仅使用单个反馈控制环路时将要求不可接受的工程工作量。本发明包括数学优化过程，以便实时地并且基于实际工作条件来确定控制器设定，其使成本标准为最小或者优化任何其他目标函数。控制器设定包括设置点或参考值以及控制器参数、例如下垂限制或增益。此外，它引入模型预测控制，以便包括对系统状态演进的控制动作的效果的预测以及优化过程中的将来工作条件的预测。
按照本发明的方面的主控制系统层最终确保在扰动和可能的保护动作之后，MTDC系统工作在最佳和可选工作点，给出对DC电压电平、分支容量和转换器注入的限制。它减轻不利限幅器交互，并且管理DC电网的热过载能力。
新主控制系统的功能性能够根据下列性能目标的一个或多个来指定：
- 将转换器功率注入保持为接近来自SCADA/EMS的调度值；
- 保持健康平均DC电压剖面，同时使DC损失为最小；
- 将AC电压保持为接近调度值；
- 使DC/AC或组合系统损失为最小；
在满足下列类型操作限制的一个或多个的同时：
- 转换器和DC电网电压极限；
- 转换器能力DC电流极限
- DC链路电流极限；
- 电缆或高架线路永久温度；
- AC系统电压V和有功P/无功Q功率能力极限；
- 转换器内部控制系统极限(例如PWM调制索引极限)；
- 变压器抽头变更器比率极限。
当确定电流、电压和/或功率参考值和/或VSC控制器参数值、例如本地站VSC控制的下垂限制时，将上述操作限制、包括控制系统极限作为由数学优化过程所使用的目标函数中的附加罚值项来考虑。
附图说明
下文中将参照附图示出的优选示范实施例更详细地说明本发明主题，附图包括：
图1示意示出具有九个端子的MTDC系统；
图2示出意外事故之后的图1的端子处的功率流，以及
图3示出具有到其他子系统的接口的MTDC主控制架构。
具体实施方式
图1示出具有通过九个HVDC链路所互连的九个转换器站、端子或结点A至J的示范MTDC系统。为了实现MTDC系统状态信息的所需通信，转换器站以及MTDC系统中的许多其他位置通过适当通信系统(图1中未示出)来互连。通信系统至少准许数据在转换器站之间和/或与主控制器的交换。适当通信系统的非排他说明性示例包括电信系统、广域网(例如因特网)以及适当通信系统或网络的任何组合(包括有线和无线通信系统和网络)。
图2示出图1的MTDC系统中的端子B与C之间的电缆损耗之后的主控制的有益效果。调度功率流示为虚线，而实际功率流示为实线。在时间6.7秒的电缆断电之前，所有站呈现与接近调度值的AC系统的功率交换。在对数百毫秒发生的本地站控制的响应之后，特别是对站A和C呈现与调度表的显著偏离。这类大偏离可危害AC系统的安全性，以及在最坏情况下，如果没有及时校正，则导致系统崩溃或中断。这些调度表偏离是下垂特性、本地站控制中的限幅器动作以及对DC电缆系统的电压降的结果。在时间10秒，运行按照本发明的主控制，以及新参考值对所有本地站控制器来计算、分发并且随后激活。因此，所有站的功率流返回到接近调度值。
图3示出具有四个主要子系统或组件的主控制层的架构：(i) 转换器站实时模型，(ii) DC电网实时模型，(iii) 动态模型聚合和状态估计，以及(iv) 基于模型的控制和优化。
转换器站实时模型(i)基于转换器站的通用和典型表示，其中具有包括公共耦合点PCC与转换器AC端子之间的变压器和电抗器的关联AC系统以及包括其控制系统的VSC转换器的模型。适当模型能够在具有二次等式和不等式限制的线性ODE形式上形成。来自AC侧的PMU或SCADA测量可用来调谐表示PCC处的AC电网的网络等效体。后者可以是与P、Q和Uac的Min/max极限相结合的类似Thévenin或Ward等效体或者包括AC电网的某个动态表示的更复杂等效体。在主控制系统对慢时标(秒或更慢)起作用的情况下，模型也可按照纯代数方式来表示，其中其微分方程由等式替代。
DC电网实时模型(ii)能够从包括例如DC线路和电缆参数的离线配置数据来形成。可使用电网的静态或动态表示，这取决于电缆的长度和监控方案的所选响应时间。实时电网模型能够公式化为等式和不等式限制的纯代数集合，这取决于DC电缆和高架线路的时间常数是否需要考虑。
为了便于初始状态估计(iii)的实时测量数据预计与高于20 ms的时间戳精度进行时间同步，并且将从所有转换器站控制系统以及从HVDC电网中安装的附加传感器来得到。这个测量数据基本上由来自系统的完全地理可达范围的转换器的DC侧的开关位置数据以及电压和电流测量组成。假定来自SCADA/EMS的调度表是可用的，其中具有15分钟至1小时的典型更新速率并且具有15秒至15分钟的分辨率。
下面将论述上述子系统与MTDC系统的其他组成成分之间的多个接口、包括信号和信息的对应交换：
(1) 转换器站实时模型(i)依靠测量信号和配置数据，其在典型本地VSC HVDC站控制系统中可用的，包括AC/DC电压和电流、内部控制系统状态和变量(取决于转换器控制器结构，例如内部电压和电流参考、调制比率等)、站AC/DC电网断路器/隔离器状态、站变压器抽头变更器位置、主站系统实际控制模式(例如频率控制、有功功率跟踪或下垂和无功功率或PCC电压幅值跟踪)。
(2) DC电网实时模型(ii)依靠来自DC电网的信息，包括配置数据，例如静态拓扑在C电网模型、DC开关位置、来自DC变电站的电压和电流测量、电缆或高架线路温度估计或测量。
(3) 基于模型的控制和优化(iv)子系统向转换器主控制系统提供下列输出：控制参数的适配值、例如主控制系统的增益或下垂设定以及用于功率振荡的有效阻尼的功率振荡阻尼参数，各转换器站的参考值(Pref、Qref、Uacref、Udcref)，以及相应站的主控制模式的变化(Pcontrolmode Vdc/Pdc/maxP和Qcontrolmode Vac/Qpcc)。
(4) 动态模型聚合和状态估计(iii)依靠SCADA/EMS系统来提供AC等效系统模型以及用于AC网络限制的网络等效体或建模的实时调谐的可选实时PMU或SCADA测量。
(5) 基于模型的控制和优化(iv)依靠SCADA系统来提供转换器功率流的调度值和电压电平，包括站的参考控制模式(Pcontromode Vdc/Pdc/maxP和Qcontrolmode Vac/Qpcc)，以及Vdc/Pdc的对应调度值和各转换器站或调度区域互换AreaPref(若适用的话)的Vac/Qpcc。
主控制层可实现为对转换器站控制系统的扩展，其中一个转换器控制充当主控制器。如果主控制系统在一个站中出故障，则另一个转换器控制系统则作为主控进行接管。这样，能够实现冗余度。备选地，它可并行地或者作为扩展自动生成控制方案协调电力生成的一部分包含在网络管理系统中，以便平衡不同网络区域之间的功率流，或者它可在能够与本地站控制系统以及可选地还有SCADA/EMS系统埋通信的独立系统中实现。
虽然在附图和以上描述中详细描述了本发明，但是这种描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的变更是本领域的技术人员能够理解和实施的，并且实施要求保护的本发明。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，以及不定冠词“一”、“一个”并不排除多个。单个处理器或控制器或者其他单元可完成权利要求书中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中引述某些元件或步骤的唯一事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用、具体来说作为对实际权利要求相关性的补充，任何其他有意义的权利要求组合将理解为被公开。
Claims (10)
1. 一种控制具有至少三个端子的多端高压直流MTDC系统的方法，各端子包括由VSC控制器所控制的电压源转换器VSC，所述方法包括
- 提供包括预期功率流值和DC电压中的至少一个的转换器调度表，
- 由MTDC主控制器确定包括所述MTDC系统的动态拓扑的所述MTDC系统的当前状态，
- 由所述MTDC主控制器基于所述MTDC系统的当前状态、基于所述调度表并且基于MTDC系统限制来确定包括所述VSC控制器进行的本地控制的下垂设定的VSC控制器参数，以及
- 向所述VSC控制器传送所述VSC控制器参数。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述MTDC系统的当前状态包括与互连所述端子的DC电网的DC链路的负载状态有关的信息。
3. 如权利要求1或2所述的方法，包括
基于所述MTDC系统的一部分的模型来确定所述VSC控制器参数。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，所述模型包括耦合到所述MTDC系统的AC设备和/或AC电网。
5. 如权利要求3或4所述的方法，包括
- 通过涉及所述MTDC系统的模型和MTDC系统限制的模型预测控制MPC来确定所述VSC控制器参数。
6. 如权利要求1所述的方法，包括
最多每隔30秒一次来确定所述VSC控制器参数。
7. 如权利要求1所述的方法，包括
- 基于所述当前状态和假定意外事故来建立所述MTDC系统的将来状态，
- 评估所述将来状态，以确定最大调度表偏离，以及
- 将后者传送给SCADA系统。
8. 如权利要求1所述的方法，包括
- 基于所述当前状态和假定意外事故来建立所述MTDC系统的将来状态，
- 基于所述将来状态来确定转换器控制器设置点，以及
- 仅在所述意外事故出现时向所述转换器控制器传送所述设置点。
9. 一种用于控制具有至少三个端子的多端高压直流MTDC系统的MTDC主控制器，各端子包括由VSC控制器所控制的电压源转换器VSC，所述MTDC主控制器适合
- 确定包括所述MTDC系统的动态拓扑的所述MTDC系统的当前状态，
- 基于所述MTDC系统的当前状态、基于包括预期功率流值的转换器调度表并且基于MTDC系统限制来确定VSC控制器设定，以及
- 向所述VSC控制器传送所述设定。
10. 一种计算机程序产品，包括用于控制MTDC系统中的主控制器装置的一个或多个处理器以运行如权利要求1至8中的任一项所述的方法的计算机程序代码。
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