CN104993509A - 混合多端直流输电系统及其逆变站和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供混合多端直流输电系统及其逆变站和控制方法。混合多端直流输电系统包括：包括LCC的整流站、至少两个包括VSC的逆变站、电压检测部件和位于所述逆变站侧的VSC控制系统。在所检测的直流电压值低于一预定值的情况下，控制所述VSC中的一部分VSC从逆变模式切换至整流模式、控制所述VSC中的其他部分VSC保持逆变模式以及控制工作在整流模式的VSC使其直流电压基本上稳定在所述预定值。对直流传输线的直流电压的跌落的检测和逆变站VSC运行模式的控制都位于逆变站一侧，因此整流站和逆变站各自可以采取相应的动作(分散控制)来解决整流站退出混合多端直流系统后某些换流站不能中断功率供应的问题而无需快速站间通信。

Description

混合多端直流输电系统及其逆变站和控制方法

技术领域

本发明涉及多端直流输电系统，更具体地说，涉及混合多端直流输电系统及其逆变站和控制方法。

背景技术

图1示出传统的混合多端直流输电系统。如图1所示，混合多端直流输电系统1包括作为整流站的电网换相换流器100(LCC：Line Commutated Converter)和至少两个分别作为逆变站的电压源换流器110，111(VSC：Voltage Source Converter)。该混合直流多端输电系统融合了常规直流输电系统(LCC HVDC)和轻型直流输电系统(VSC HVDC)的各自优势，同时摒弃了其两中直流输电系统的缺点。例如，该混合多端直流输电系统相比于轻型直流输电系统具有低成本、低功率损耗的优点，同时相比于常规直流输电系统在高安全要求电网或弱电网(电网电源容量极小，甚至无电源)连接下的逆变器具有明显的性能优势。

在该混合多端直流输电系统1中，相对于每个电压源换流器逆变站，电网换相换流器整流站在该系统中占据相对大的容量，由其整流得到的直流电能传输给多个电压源换流器逆变站并逆变为交流电能。因此，该电网换相换流器100用于作为直流电压控制端，而电压源换流器110，111作为逆变器分别控制其自身的功率。对于上述混合多端直流输电系统独特的控制策略，其控制系统存在如下技术问题。当电网换相换流器由于一些原因失去其电压控制能力，那么电网换相换流器的功率传输将中断，进而整个系统将不得不停止运行。这将是该系统应用中的一个挑战，因为对于连接高安全要求电网的电压源换流器往往要求不间断的电力供应。

为了满足上述要求，保证其中一个电压源换流器逆变站的电力供应，该混合多端直流输电系统需要有一个后备直流电压控制端。一种现有的方法是通过集中控制借助快速通信进行整流站和逆变站调配的主从控制方法。这种基于站间通信的控制方法在题为Challenges with Multi-Terminal UHVDC  Transmissions的论文中进行了讨论，其作者为Lescale，V.F.等，发表于Power System Technology and IEEE Power India Conference，2008年10月12-15日。然而，在传统的基于电网换相换流器的多端直流输电系统，这种基于整流站和逆变站之间快速通信的集中控制方法通常会引起可靠性问题。在快速通信设备故障期间，系统任何一个换流站发生的故障由于不能及时调整控制参数都有可能造成功率传输下降或系统整体故障。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种混合多端直流输电系统，包括：包括LCC的整流站，用于将来自电源的交流电能整流为具有期望直流电压值的直流电能并且将该直流电能馈送至直流传输线；至少两个包括VSC的逆变站，用于分别将来自所述直流传输线的直流电能逆变为交流电能并注入至少两个交流电网，其中每个所述VSC包括用于电气耦合该直流传输线的第一直流端和用于电气耦合地的第二直流端，所述各个VSC的第一直流端彼此电气耦合；电压检测部件，用于检测位于所述逆变站侧的所述直流传输线的直流电压值；和位于所述逆变站侧的VSC控制系统，用于在所检测的直流电压值低于一预定值的情况下，控制所述VSC中的一部分VSC从逆变模式切换至整流模式、控制所述VSC中的其他部分VSC保持逆变模式以及控制工作在整流模式的VSC使其直流电压基本上稳定在所述预定值。

根据本发明的另一个方面，提供一种混合多端直流输电系统的逆变站，包括：VSC，用于将来自直流传输线的直流电能逆变为交流电能并注入交流电网，其包括用于电气耦合该直流传输线的第一直流端和用于电气耦合地的第二直流端，其第一直流端与其他逆变站的VSC电气耦合；电压检测部件，用于检测位于所述逆变站侧的所述直流传输线的直流电压值；和位于所述逆变站侧的VSC控制系统，用于在所检测的直流电压值低于一预定值的情况下，控制所述该VSC从逆变模式切换至整流模式使其直流电压基本上稳定在所述预定值。

根据本发明的另一个方面，提供一种混合多端直流输电系统的的分布式控制方法，包括：检测位于所述逆变站侧的所述直流传输线的直流电压值；以及在所检测的直流电压值低于一预定值的情况下，控制多个逆变站的VSC中的一部分从逆变模式切换至整流模式、控制所述多个逆变站的VSC的其他 部分保持逆变模式以及控制工作在整流模式的VSC使其直流电压基本上稳定在所述预定值。

因为对直流传输线的直流电压的跌落的检测和逆变站VSC运行模式的控制都位于逆变站一侧，也就是说整流站的故障信息可以从直流传输线位于逆变站侧的直流电压得到，所以整流站和逆变站各自可以采取相应的动作(分散控制)来解决整流站退出混合多端直流系统后某些换流站不能中断功率供应的问题而无需快速站间通信。这增强了系统的鲁棒性，使得该系统在高电网安全要求的应用中更安全可靠。同时，由于减少了站间通信设备的开销，降低了成本。

最好，在所述混合多端直流输电系统中，在至少两个逆变站的VSC从逆变模式切换至整流模式的条件下，所述VSC控制系统设定处于整流模式的VSC之间传输有功功率的比例，对其中之一做电压控制使其直流电压基本上稳定在所述预定值并且按照所述设定的有功功率的比例控制其他的VSC的输出功率。

最好，在所述混合多端直流输电系统的的分布式控制方法中，在至少两个逆变站的VSC从逆变模式切换至整流模式的条件下，设定处于整流模式的VSC之间传输有功功率的比例，对其中之一做电压控制使其直流电压基本上稳定在所述预定值并且按照所述设定的有功功率的比例控制其他的VSC的输出功率。

当系统失去整流站的LCC并且在无需站间通信的条件下，至少两个逆变站的VSC可以自动反转功率。并且，在这些VSC的直流电压裕度具有较小的差别的条件下，可以抑制不期望出现的电压控制端的摆动。

附图说明

图1示出传统的混合多端直流输电系统；

图2示出根据本发明的一个实施例的混合多端直流输电系统；

图3示出根据图2所示的混合多端直流输电系统的分散控制状态图；

图4示出根据图2所示的混合多端直流输电系统的VSC控制系统204的模块图；

图5示出图4所示的混合多端直流输电系统的VSC控制系统所控制的整流站的LCC和逆变站的VSC在整流站LCC退出和接入的状态下直流电压和 直流电流的波形图；

图6示出根据本发明的另一个实施例的混合多端直流输电系统；

图7示出处于整流模式的VSC的直流电压斜率特性；

图8示出根据图6所示的混合多端直流输电系统的分散控制状态图；和

图9示出根据图6所示的混合多端直流输电系统的VSC控制系统的模块图。

具体实施方式

图2示出根据本发明的一个实施例的混合多端直流输电系统。如图2所示，混合多端直流输电系统2包括：整流站200，两个逆变站201，202，电压检测部件203和VSC控制系统204。整流站200的变换器由LCC构成。整流站200的LCC将来自电源S的交流电能整流为具有期望直流电压值的直流电能并且将该直流电能馈送至直流传输线205。

逆变站201，202的变换器由VSC构成。逆变站201，202的VSC将来自直流传输线205的直流电能逆变为交流电能并注入交流电网G1，G2。每个VSC包括用于电气耦合直流传输线205的第一直流端和用于电气耦合地的第二直流端，并且各个VSC的第一直流端彼此电气耦合。在该混合多端直流输电系统2中，相对于每个电压源换流器逆变站201，202而言，电网换相换流器整流站200在该系统中占据相对大的容量，由其整流得到的直流电能传输给多个电压源换流器逆变站201，202并逆变为交流电能。因此，该电网换相换流器200用于作为直流电压控制端，而电压源换流器201，202作为逆变器分别控制其自身的传输功率。

电压检测部件203检测位于逆变站201，202侧的直流传输线205的直流电压值。电压检测部件203可以采用传统的电压检测设备。

VSC控制系统204位于逆变站201，202一侧；也就是说，相对于直流传输线205而言，VSC控制系统204位于整流站200的另一侧。当一些故障导致整流站200的较大容量的电网换相换流器从系统中退出，多个逆变站201，202的较小容量电压源换流器可能不存在故障依然能够工作。通常VSC要求不间断的电力供应，那么逆变站201，202的VSC需要能够从逆变模式自动地转为直流模式。由于电网换相换流器200作为直流电压控制端，所以在其发生故障的情况下，直流传输线205上的直流电压将发生跌落，该跌落从直 流传输线205位于整流站200一侧传输至直流传输线205位于逆变站201，202一侧。由此，电压检测部件203可检测位于逆变站201，202侧的直流传输线205的直流电压值并且将该检测值发送给位于逆变站201，202一侧的VSC控制系统204。给位于逆变站201，202一侧的VSC控制系统204可判断所检测的直流电压值是否低于一预定值，并且在所检测的直流电压值低于该预定值的情况下，控制逆变站VSC中的一部分VSC从逆变模式切换至整流模式、控制逆变站VSC中的其他部分VSC保持逆变模式以及控制工作在整流模式的VSC使其直流电压基本上稳定在所述预定值。因为对直流传输线的直流电压的跌落的检测和逆变站VSC运行模式的控制都位于逆变站一侧，也就是说整流站的故障信息可以从直流传输线位于逆变站侧的直流电压得到，所以整流站和逆变站各自可以采取相应的动作(分散控制)来解决整流站退出混合多端直流系统后某些换流站不能中断功率供应的问题而无需快速站间通信。这增强了系统的鲁棒性，使得该系统在高电网安全要求的应用中更安全可靠。同时，由于减少了站间通信设备的开销，降低了成本。

图3示出根据图2所示的混合多端直流输电系统的分散控制状态图。如图3所示，在正常运行位置如运行点opI整流站200的LCC维持系统直流电压U₂₀₀并且向直流传输线205注入有功功率P₂₀₀，逆变站201，202的VSC共同将来自整流站200的功率逆变交流电能P₂₀₁，P₂₀₂并馈送至电网G1，G2。一旦整流站200的LCC由于某些故障从系统中退出，逆变站201的VSC将切换至整流模式和并且承担直流电压控制。此处，逆变站201，202的VSC达到一个新的稳定运行点opII，工作于整流模式的逆变站201的VSC维持系统直流电压U₂₀₁、从电网G1吸收功率并且向直流传输线205注入有功功率P₂₀₁，工作于逆变模式的逆变站202的VSC将来自VSC201的功率逆变交流电能并馈送至电网G2。对应于工作点opI和opII的直流电压之间的差值为阈值U_{dc_margin}。此时系统的直流电压达到一个平衡点，并且工作于整流模式的逆变站201的VSC向系统注入的有功功率P等于工作于逆变模式的逆变站203的VSC向电网G3注入的有功功率P。

图4示出根据图2所示的混合多端直流输电系统的VSC控制系统204的模块图。如图4所示，VSC控制系统204包括比较器2040和比例积分器2041。比较器2040比较电压检测部件203所检测的直流电压值U_dc和预先设定的参考值U_{dc_ref}之间的差是否超出一阈值U_{dc_margin}。如果比较结果为真，则控制一 部分逆变站的VSC从逆变模式切换至整流模式。例如，控制作为逆变站201，202的一部分的逆变站201的VSC从逆变模式切换至整流模式；本领域的技术人员应当了解上述切换可以通过变化VSC的PWM波的方案来实现。阈值U_{dc_margin}的设定主要考虑两个方面：整流站200的LCC换流器设计的直流电压裕量和两个逆变站201和202中VSC换流器可允许运行的最低直流电压。比例积分器2041对比较器2040的结果进行比例积分，该比例积分结果将作为控制因素影响逆变站201的VSC的PWM波的选择。因为比较器2040和比例积分器2041构成对于直流传输线的直流电压的负反馈，所以切换至整流模式的逆变站201的VSC可以起到电压控制的作用将直流电压基本上稳定在所述预定值。

图5示出图4所示的混合多端直流输电系统的VSC控制系统所控制的整流站的LCC和逆变站的VSC在整流站LCC退出和接入的状态下直流电压和直流电流的波形图。在阶段I和III，整流站200的LCC和逆变站201，202的VSC位于工作点opI；在阶段II，整流站200的LCC退出，并且逆变站201，202的VSC位于工作点opII。由于直流电压裕度控制，故障发生后逆变站201的VSC能迅速使系统稳定，反转其自身功率传输方向变为整流模式。这使得逆变站202的VSC在故障后仅承受很小的冲击并保持住初始的潮流方向。因此，新的系统稳定状态能在无中断情况下迅速实现稳定运行。故障清除后，电网换相换流器可以重新接入系统，并迅速重新获得直流电压的控制权。而逆变站201的VSC重新回到功率控制转为逆变模式。该系统自动恢复到最初的正常运行状态。此外，故障清除后，过电流情况消失并且恢复时间明显缩短，这是因为在故障期间直流电压被维持在一个接近额定电压的值。

与图2所示的混合多端直流输电系统不同，混合多端直流输电系统可以包括多于两个逆变站。图6示出根据本发明的另一个实施例的混合多端直流输电系统。与图2相比较而言，图6所示的混合多端直流输电系统6还包括由VSC构成的逆变站601。在正常工作状态，整流站200的LCC将来自电源的交流电能整流为具有期望直流电压值的直流电能并且将该直流电能馈送至直流传输线205，逆变站201，202，601的VSC从直流输电线205接收直流电能并且分别将其逆变为交流电能并馈送至交流电网G1，G2，G3。

对于多于两个逆变站的混合多端直流输电系统，应用上述直流电压裕度控制方法时，该方法将面临一些困难。主要是由于如下两个原因：(1)当系统 失去整流站200的LCC时，只有一个VSC控制直流电压。该运行于整流模式的VSC所提供的方向功率不足以满足其它工作在逆变模式的VSC的功率需求，因为此时这些电压源换流器端依然运行于逆变模式，不能自动反转功率。所以，这种方法下只有一个VSC运行于整流模式很难维持一个新的稳定运行点；(2)即使在系统中可能存在几个大容量的VSC，设计这些VSC的直流电压裕度时只能有极小的差别，以满足具有最大电压裕度的直流电压控制端的电压指令依然没有超出合理的直流电压范围。然而，这种极小的电压裕度差别将造成不期望出现的电压控制端的摆动，其原因是在同一时间有多于一个VSC试图控制直流电压。

为了解决上述技术问题，在至少两个逆变站201，202的VSC从逆变模式切换至整流模式的条件下，位于逆变站201，202，601一侧的VSC控制系统604设定处于整流模式的VSC 201，202之间传输有功功率的比例，对其中之一(VSC 201)做电压控制使其直流电压基本上稳定在所述预定值并且按照所述设定的有功功率的比例控制其他的VSC 202的输出功率。例如，VSC控制系统604基于直流电压斜率特性控制工作于整流模式的逆变站201，202的VSC。图7示出处于整流模式的VSC的直流电压斜率特性。如图7所示，VSC具有功率调节能力，其输出的有功功率和直流电压存在线性关系：

U_{dc_ref}＝U_dc0+K*P   (1) 

其中：U_{dc_ref}为VSC输出的直流电压参考值，P为VSC注入直流传输线的有功功率，K与VSC的容量相对应，U_dc0为斜率控制的基准电压。

工作于整流模式的逆变站201的VSC基于直流电压斜率特性工作，其满足如下公式：

U_{dc201_ref}＝U_dc0+K₂₀₁*P₂₀₁   (2) 

其中：U_{dc201_ref}为VSC 201输出的直流电压参考值，P₂₀₁为VSC201注入直流传输线的有功功率，K₂₀₁与VSC 201的容量相对应，U_dc0为斜率控制的基准电压，可通过U_{dc_ref}-U_{dc_margin}-ΔU_dc获得。

工作于整流模式的逆变站202的VSC基于直流电压斜率特性工作，其满足如下公式：

U_{dc202_ref}＝U_dc0+K₂₀₂*P₂₀₂   (3) 

其中：U_{dc202_ref}为VSC 202输出的直流电压参考值，P₂₀₂为VSC 202注入直流传输线的有功功率，K₂₀₂与VSC 202的容量相对应，U_dc0为斜率控制的基 准电压，可通过U_{dc_ref}-U_{dc_margin}-ΔU_dc获得。

由于逆变站201的VSC执行电压控制，不计直流损耗，当系统达到稳定状态后，逆变站201的VSC的直流电压U_dc201和逆变站202的VSC的直流电压U_dc202是相等的，且分别满足式(2)和式(3)。由式(2)和(3)可以退出：

P₂₀₁/P₂₀₂＝K₂₀₂/K₂₀₁   (4) 

由式(4)可以看出由整流站注入系统的有功功率可以按预先设定比例K₂₀₂/K₂₀₁在两个电网之间分配。当系统失去整流站的LCC并且在无需站间通信的条件下，至少两个逆变站的VSC可以自动反转功率。并且，在这些VSC的直流电压裕度具有较小的差别的条件下，可以抑制不期望出现的电压控制端的摆动。

图8示出根据图6所示的混合多端直流输电系统的分散控制状态图。如图8所示，在正常工作的条件下，比如整流站200的LCC将来自电源的交流电能整流为具有期望直流电压值的直流电能并且将该直流电能馈送至直流传输线205，逆变站201，202，601的VSC从直流输电线205接收直流电能并且分别将其逆变为交流电能并馈送至交流电网G1，G2，G3，逆变器201的VSC的工作点为op1，逆变器202的VSC的的工作点为op3，而逆变器204的VSC的的工作点为op5。在整流站200的LCC的从系统中退出从而直流电压跌落超过于直流电压裕度值的情况下，基于直流电压斜率特性的直流电压斜率控制应用在逆变器201，202的VSC，使得这些电压源换流器端能够灵活的控制功率和潮流方向。具体来说，逆变器201的VSC的直流电压沿直流电压斜率特性从op1移动到op2，逆变器202的VSC的直流电压沿直流电压斜率特性从op1移动到op2，而逆变器601的VSC的直流电压沿直流电压斜率特性从op1移动到op2。对应于工作点op1和op2的直流电压之间的差值为阈值U_{dc_margin}。此时系统的直流电压达到一个平衡点，并且工作于整流模式的逆变站201，202的VSC向系统注入的有功功率等于工作于逆变模式的逆变站601的VSC向电网G3注入的有功功率。

图9示出根据图6所示的混合多端直流输电系统的VSC控制系统604的模块图。如图9所示，VSC控制系统604包括两组相同的控制器分别控制逆变站201和202，其中每组控制器中包括比较器6040、比例积分器6041和一个参数乘法器6042。比较器6040比较逆变站201(或202)电压检测部件203 所检测的直流电压值U_dc201(或U_dc202)和直流电压斜率基准值U_dc0与乘法器6042的输出结果的和进行比较。直流电压斜率基准值U_dc0为预先设定的参考值U_{dc_ref}与一阈值U_{dc_margin}和斜率电压变化区间ΔU_dc的差值。该比较器包含如果U_dc201(或U_dc202)与U_{dc_ref}的差超过U_{dc_margin}，则控制一部分逆变站的VSC 201(或202)从逆变模式切换至整流模式。例如，控制作为逆变站201，202的一部分的逆变站201的VSC从逆变模式切换至整流模式；本领域的技术人员应当了解上述切换可以通过变化VSC的PWM波的图案来实现。阈值U_{dc_margin}的设定主要考虑两个方面：整流站200的LCC换流器设计的直流电压裕量和两个逆变站201和202中VSC换流器可允许运行的最低直流电压。乘法器6042的输出结果为VSC 201(或202)注入直流功率P₂₀₁(或P₂₀₂)与一斜率系数K₂₀₁(或K₂₀₂)的乘积。比例积分器6041对比较器6040的结果进行比例积分，该比例积分结果将作为控制因素影响逆变站201或(202)的VSC的PWM波的图案的选择。因为比较器6040和比例积分器6041构成对于直流传输线的直流电压的负反馈，所以切换至整流模式的逆变站201(或202)的VSC可以起到电压控制的作用将直流电压基本上稳定在所述预定值。

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 (7)

1.一种混合多端直流输电系统，包括：

包括LCC的整流站，用于将来自电源的交流电能整流为具有期望直流电压值的直流电能并且将该直流电能馈送至直流传输线；

至少两个包括VSC的逆变站，用于分别将来自所述直流传输线的直流电能逆变为交流电能并注入至少两个交流电网，其中每个所述VSC包括用于电气耦合该直流传输线的第一直流端和用于电气耦合地的第二直流端，所述各个VSC的第一直流端彼此电气耦合；

电压检测部件，用于检测位于所述逆变站侧的所述直流传输线的直流电压值；和

位于所述逆变站侧的VSC控制系统，用于在所检测的直流电压值低于一预定值的情况下，控制所述VSC中的一部分VSC从逆变模式切换至整流模式、控制所述VSC中的其他部分VSC保持逆变模式以及控制工作在整流模式的VSC使其直流电压基本上稳定在所述预定值。

2.如权利要求1所述的混合多端直流输电系统，包括：

LCC控制系统，用于在所述整流站发生故障的情况下控制所述LCC停运。

3.如权利要求1或2所述的混合多端直流输电系统，其中：

在至少两个逆变站的VSC从逆变模式切换至整流模式的条件下，所述VSC控制系统设定处于整流模式的VSC之间传输有功功率的比例，对其中之一做电压控制使其直流电压基本上稳定在所述预定值并且按照所述设定的有功功率的比例控制其他的VSC的输出功率。

4.一种混合多端直流输电系统的逆变站，包括：

VSC，用于将来自直流传输线的直流电能逆变为交流电能并注入交流电网，其包括用于电气耦合该直流传输线的第一直流端和用于电气耦合地的第二直流端，其第一直流端与其他逆变站的VSC电气耦合；

电压检测部件，用于检测位于所述逆变站侧的所述直流传输线的直流电压值；和

位于所述逆变站侧的VSC控制系统，用于在所检测的直流电压值低于一预定值的情况下，控制所述该VSC从逆变模式切换至整流模式使其直流电压基本上稳定在所述预定值。

5.一种混合多端直流输电系统的的分布式控制方法，包括：

检测位于所述逆变站侧的所述直流传输线的直流电压值；以及

在所检测的直流电压值低于一预定值的情况下，控制多个逆变站的VSC中的一部分从逆变模式切换至整流模式、控制所述多个逆变站的VSC的其他部分保持逆变模式以及控制工作在整流模式的VSC使其直流电压基本上稳定在所述预定值。

6.如权利要求5所述的混合多端直流输电系统的的分布式控制方法，还包括：

在所述整流站发生故障的情况下控制所述LCC停运。

7.如权利要求5或6所述的混合多端直流输电系统的的分布式控制方法，其中：

在至少两个逆变站的VSC从逆变模式切换至整流模式的条件下，设定处于整流模式的VSC之间传输有功功率的比例，对其中之一做电压控制使其直流电压基本上稳定在所述预定值并且按照所述设定的有功功率的比例控制其他的VSC的输出功率。