CN104901301B - 一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，尤其涉及3端及以上的多端换流站柔性直流输电换流器的控制方法。该方法包括下述步骤：（1）在多端柔性直流输电系统中，定直流电压站加入直流电流调节的下垂斜率控制；（2）定有功功率站加入直流电压调节的下垂斜率控制；（3）当无站间通讯时，将多端系统中的两个定直流电压站设定为定直流电压控制站，定直流电压控制站作为直流网络中的平衡节点。本发明优化了定直流电压站控制器。当系统运行状况超出仅有直流电压下垂斜率控制所能调节的范围时，本发明能够以最优的目标调整系统直流电压及各站功率，使直流网络发生严重故障后仍能维持最优电压水平。

Description

一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，尤其涉及3端及以上的多端换流站柔性直流输电换流器的控制方法。

背景技术

用于柔性直流输电的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用目前国际上较为流行的新型模块化多电平拓扑结构。其核心单元——子模块(SubModule，SM)是由两个带有反并联二极管的可关断的电力电子开关器件和一个电容器构成的半桥结构。多端连接方式与两电平和三电平柔性直流输电方式相同，采用T接换流站并联方式连接。

目前较多采用的多端协调控制方法为基于直流电压偏差的多点直流电压协调控制方式。以3端模型为例，当站1停运时，直流网络的功率失去平衡，若注入直流网络功率小于直流网络发送功率，则直流电压下降。站2检测到直流电压低于直流电压阈值时，站2在容量允许范围内由当前控制方式切换为定直流电压控制，稳定柔性直流系统的直流电压。基于直流电压偏差的多点直流电压协调控制方式需通过检测直流电压上升或者下降到设定值，判断较慢，其存在接管时系统直流电压振荡较大，容易出现过电压或者欠压故障。

专利201210442336.4“一种多端柔性直流输电系统协调控制方法”提出的一种改进的协调控制方法为：（1）在站间通讯有效的情况下，直流电压主控站通过站间通讯将停运信息发送至该接管的直流电压控制从站，该直流电压控制从站监视到直流电压主控站停运后，从当前控制方式切换到直流电压控制方式；（2）在站间通讯失效或者无站间通讯的情况下，直流电压控制从站监测系统直流电压的变化，当直流电压值与额定值的差值超过一定阈值后，即从当前控制方式切换到直流电压控制方式。这种方式缩短了检测的过程，提高了系统的稳定性。但在无通信情况下仍然存在判断较慢的情况。同时此方法未涉及通过功率调整直流电压定值，无法更有效地解决直流电压震荡的问题。

专利201310093266.0“一种多端柔性直流输电系统的直流电压偏差斜率控制方法”中结合了直流电压偏差与直流电压斜率控制方式，加快系统的动态响应特性。但主站和后备站切换的过程中，未考虑按照新的直流电压定值进行调节时，当其他几个站潮流达到限值时造成的直流电压变化，易造成直流电压越限等情况出现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的是提供一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，该方法无需站间通讯，解决因某个换流站故障或检修停运造成的直流系统电压升高。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，其改进之处在于，当直流网络在系统扰动或故障时，所述方法包括下述步骤：

（1）在多端柔性直流输电系统中，定直流电压站加入直流电流调节的下垂斜率控制；

（2）定有功功率站加入直流电压调节的下垂斜率控制；

（3）当无站间通讯时，将多端系统中的两个定直流电压站设定为定直流电压控制站，定直流电压控制站作为直流网络中的平衡节点。

进一步地，当直流网络潮流变化时，或直流网络中某一换流站受到扰动或故障引起某一换流站闭锁时，即发生N-1故障，包括下述情况进行控制：

情况一：直流网络中直流电压不变，即某一定有功功率站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化时对直流网络进行控制；

定直流电压站维持直流网络电压，并平衡多端柔性直流输电系统有功功率，定有功功率站根据有功功率站的功率需求及直流网络电压维持直流网络功率；

情况二：直流网络中直流电压波动，超出直流电压允许的正常运行范围时（直流电压允许的正常运行区间为0.95p.u～1.05p.u，如图4和6所示的虚线范围。），即某换流站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化引起直流电压变化时对直流网络进行控制；

所述直流电压允许的正常运行范围为0.95p.u～1.05p.u。

进一步地，所述情况一中，直流网络中直流电压不变，即某一定有功功率站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化时，定直流电压站维持直流网络电压，并平衡多端柔性直流输电系统有功功率，定有功功率换流站根据各有功功率换流站的功率需求及直流网络电压维持直流网络功率。

进一步地，所述情况二中，直流网络中直流电压变化超出直流电压允许的正常运行范围（直流电压允许的正常运行区间为0.95p.u～1.05p.u，如图4和6所示的虚线范围。如直流电压超出该范围长时间运行，会造成换流站设备产生过电压，影响设备安全。），即某换流站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化引起直流电压变化超出允许的正常运行范围时，定有功功率站直流电压下垂斜率控制根据直流电压暂态变化情况调整各站功率需求，避免交直流网络失稳；未闭锁的定直流电压站平衡直流网络的潮流；

当定直流电压站达到其功率调节能力的极限时，直流电压将不受指令值控制但保持稳定，造成直流电压长时间超出直流电压允许的正常运行范围，从而引起换流站设备过电压或低压；加入步骤（1）所描述的直流电流下垂斜率控制，在定直流电压站达到潮流调节能力极限后，将潮流的变化引入定直流电压控制环节，实现维持直流网络电压在设定水平不变；其他定有功功率站再一次根据直流电压调整各站功率，使故障后各定有功功率站的功率变化最小，达到故障前各站所需的功率水平；

所述直流电压允许的正常运行范围为0.95p.u～1.05p.u。

进一步地，所述步骤（1）中的下垂斜率控制遵循直流电流增加量与直流电压降低量成正比的调节关系。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明优化了定直流电压站控制器。当系统运行状况超出仅有直流电压下垂斜率控制所能调节的范围时，本发明能够以最优的目标调整系统直流电压及各站功率，使直流网络发生较严重故障后仍能维持最优电压水平。

2、本方法的定直流电压控制站作为调节功率平衡站，稳定了定功率站的功率，减小了直流侧设备过压，解决了多端换流站因一站闭锁造成的直流电压升高或降低。

3、在多种直流网络结构中，无需站间通讯。当发生变压器或线路N-1故障后，任意站无需改变其控制策略，即可对严重故障造成的直流电压变化进行有效抑制，确保设备安全运行。同时能够在定直流电压站达到功率调节极限时，使整个直流网络达到系统最优潮流，起到优化直流网络潮流的目的。

4、本发明提供的方法适用于任意3端及以上的直流网络结构；适用于模块化多电平或两电平、三电平等多种柔性直流换流器拓扑。

附图说明

图1是本发明提供的定直流电压站：直流电流参与调节的下垂斜率控制结构图；

图2是本发明提供的直流电流下垂斜率控制UI特性曲线；

图3是本发明提供的多端柔直系统有功变化曲线图（直流电压站无下垂斜率控制）；

图4是本发明提供的多端柔直系统直流电压变化曲线图（直流电压站无下垂斜率控制）；

图5是本发明提供的多端柔直系统有功变化曲线图（直流电压站加入下垂斜率控制）；

图6是本发明提供的多端柔直系统直流电压变化曲线图（直流电压站加入下垂斜率控制）；

图7是本发明提供的定功率站：直流电压参与调节的下垂斜率控制结构图；

图8是本发明提供的多端柔性直流输电系统的协调控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

针对多端柔性直流输电系统直流电压稳定问题，本发明设计了一站故障闭锁后保持系统直流电压的控制方法，无需站间通讯，解决因某个换流站故障或检修停运造成的直流系统电压升高或降低。本发明提供的多端柔性直流输电系统的协调控制方法的流程图如图8所示，包括：

直流网络在系统扰动或故障时，用于稳定直流电网的协调控制方法实现含三部分内容设计：（1）多端系统中，定直流电压站加入直流电流调节的下垂控制，控制框图如图1所示；（2）定有功功率站加入直流电压调节的下垂控制，控制框图如图7所示；（3）当无站间通讯时，将多端系统中的两个站设定为定直流电压控制站，该站可作为直流网络中的平衡节点。

在多端柔性直流输电系统中，两个定直流电压站采用步骤（1）所描述的直流电流下垂斜率控制，其余定功率站采用步骤（2）所描述的直流电压下垂斜率控制。在系统正常运行时，定功率站根据各站的交流侧功率需求确定各站的功率定值，两个定直流电压站作为直流网络的功率平衡站，达到交直流系统的潮流最优。

当直流网络潮流变化时，或直流网络中某一站受到扰动或故障引起某一换流站闭锁时（即发生N-1故障），分两种情况描述本发明的协调控制方法：

情况一：直流网络中直流电压不变，即某一定有功功率站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化时，定直流电压站维持直流网络电压，并平衡多端柔性直流输电系统有功功率，定有功功率换流站根据各有功功率换流站的功率需求及直流网络电压维持直流网络功率。

情况二：直流网络中直流电压变化超出直流电压允许的正常运行范围，即某换流站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化引起直流电压变化超出允许的正常运行范围时，定有功功率站直流电压下垂斜率控制根据直流电压暂态变化情况调整各站功率，避免交直流网络失稳；未闭锁的定直流电压站平衡直流网络的潮流；

当定直流电压站达到其功率调节能力的极限时，直流电压将不受指令值控制但保持稳定，造成直流电压长时间超出直流电压允许的正常运行范围，从而引起换流站设备过电压或低压；加入步骤（1）所描述的直流电流下垂斜率控制，在定直流电压站达到潮流调节能力极限后，将潮流的变化引入定直流电压控制环节，实现维持直流网络电压在设定水平不变；其他定有功功率站再一次根据直流电压调整各站功率，使故障后各定有功功率站的功率变化最小，达到故障前各站所需的功率水平；本发明提供的定功率站：直流电压参与调节的下垂斜率控制结构图如图7所示。

所述直流电压允许的正常运行范围为0.95p.u～1.05p.u。

可通过图3-图6的对比看出本发明的综合协调控制方法与只加入（2）所描述的下垂斜率控制方法的不同之处。最大的区别在于：本发明优化了定直流电压站控制器。当系统运行状况超出直流电压下垂控制（2）可调节的范围时，本发明能够以最优的目标调整系统直流电压及各站功率，使直流网络发生较严重故障后仍能维持最优电压水平。

实施例1

以五端系统为例：站1和站2采用常规定直流电压控制；站3、站4和站5采用带下垂功率控制的定功率控制。当站1故障闭锁后，直流电压由1p.u.升高至1.25p.u.。

实施例2

以五端系统为例：站1和站2采用带下垂斜率控制的定直流电压控制；站3、站4和站5采用带下垂功率控制的定功率控制。当站1故障闭锁后，直流电压仍稳定在1p.u.运行，且波动小于1.05p.u.，p.u.表示标幺值。

通过两种算法比较可以看到：未加本控制的算例1，故障后直流电压上升，使设备绝缘域度大大降低；而采用本控制方法的算例2未造成直流电压变化。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，其特征在于，当直流网络在系统扰动或故障时，所述方法包括下述步骤：

(1)在多端柔性直流输电系统中，定直流电压站或主控站加入直流电流调节的下垂斜率控制；

(2)定有功功率站加入直流电压调节的下垂斜率控制；

(3)当无站间通讯时，将多端系统中的两个定直流电压站设定为定直流电压控制站，定直流电压控制站作为直流网络中的平衡节点；

当直流网络潮流变化时，或直流网络中某一换流站受到扰动或故障引起任一换流站闭锁时，即发生N-1故障，包括下述情况进行控制：

情况一：直流网络中直流电压不变，即某一定有功功率换流站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化时，定直流电压站维持直流网络电压，并平衡多端柔性直流输电系统有功功率，定有功功率换流站根据各有功功率换流站的功率需求及直流网络电压维持直流网络功率；

情况二：直流网络中直流电压波动，超出直流电压允许的正常运行范围，即某换流站闭锁退出运行发生N-1故障或直流网络潮流变化引起直流电压变化超出允许的正常运行范围时，对直流网络进行控制，包括：定有功功率站直流电压下垂斜率控制根据直流电压暂态变化情况调整各站功率需求，避免交直流网络失稳；未闭锁的定直流电压站平衡直流网络的潮流；

当定直流电压站达到其功率调节能力的极限时，直流电压将不受指令值控制但保持稳定，造成直流电压长时间超出直流电压允许的正常运行范围，从而引起换流站设备过电压或低压；加入步骤(1)所描述的直流电流下垂斜率控制，在定直流电压站达到潮流调节能力极限后，将潮流的变化引入定直流电压控制环节，实现维持直流网络电压在设定水平不变；其他定有功功率站再一次根据直流电压调整各站功率，使故障后各定有功功率站的功率变化最小，达到故障前各站所需的功率水平；

所述直流电压允许的正常运行范围为0.95p.u～1.05p.u；

所述步骤(1)中的下垂斜率控制遵循直流电流增加量与直流电压降低量成正比的调节关系。