CN105281356B - 一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法 - Google Patents
一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，多端柔性直流输电系统包括协调控制换流站、热备份控制换流站和功率输入换流站。协调控制换流站采用有功功率‑直流电压下垂控制，功率输入换流站采用定有功功率控制，热备份控制换流站作为协调换流站的备用换流站。上层控制系统根据直流输电系统的传输功率选择部分或全部热备份控制换流站参与协调控制，并实时修正下垂系数。本发明能够在保证多端柔性直流输电系统可靠性的前提下，提高系统运行灵活性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种多端柔性直流输电系统的控制方法。
背景技术
多端柔性直流输电(MTDC)系统由3个以上电压源型换流器(VSC)以串联、并联或混联的方式连接构成。目前实际工程中通常采用并联式连接。VSC的交流侧连接交流电网，直流侧通过直流母线并联构成直流网络。协调控制是多端柔性直流输电系统维持有功功率平衡和直流电压稳定的基础。现有的协调控制策略包括单点直流电压控制和多点直流电压控制两种方法。
单点直流电压控制又称作主从式控制，上层控制系统预先设定主换流站和从换流站，其中主换流站负责多端柔性直流输电系统的直流电压控制，从换流站负责有功功率分配，如图1a所示。主从式控制具有直流电压质量高，系统动态特性好等优点，其缺点在于依赖上层控制系统与主换流站之间的高速通讯，系统可靠性较低。
多点直流电压控制包括偏差控制和下垂控制。偏差控制包括主控制换流站、从控制换流站和功率控制换流站，正常运行时由主换流站控制直流电压，其余换流站控制有功功率；当主换流站发生故障时，从控制换流站由功率控制模式切换为直流电压控制模式，使直流输电系统恢复稳定运行，如图1b所示。中国专利201210442336.4设置主控站和从站，在通讯正常情况下，采用主从式控制；在通讯失效情况下，从站通过检测直流电压偏差切换为直流电压控制模式。其技术方案的缺陷在于，系统运行稳定性严格依赖于从站切换控制模式的直流电压偏差阈值，容易引起系统震荡。
现有下垂控制中，直流电压控制和有功功率分配由多个换流站共同承担，根据换流站有功功率-直流电压下垂特性曲线的斜率，决定换流站功率分配和电压控制的能力。该技术方案不依赖上层控制系统与换流站间的通讯，系统可靠性高；但各换流站功率分配不独立，直流输电系统的运行经济性和灵活性较低。中国专利201310585802.9基于下垂控制，增加上层控制系统，以最小损耗为目标确定直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率。其技术方案的缺陷在于依赖上层控制系统与换流站之间的高速通讯，降低了多端柔性直流输电系统的可靠性。
发明内容
本发明旨在克服现有多端柔性直流输电系统协调控制方法的缺点，提出一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法。本发明在保留现有下垂控制方法可靠性高的优点的同时，能够提高多端柔性直流输电系统的运行经济性和灵活性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明多端柔性直流输电系统的协调控制方法所基于的多端柔性直流输电系统包含1个协调控制换流站、m个热备份控制换流站、n个功率输入换流站，m和n为正整数。协调控制换流站和热备份控制换流站连接功率接收端交流电网，功率输入换流站连接功率输出端交流电网，例如风力发电场。上层控制系统通过光缆与协调控制换流站、热备份控制换流站以及功率输入换流站通讯。
所述的协调控制换流站采用有功功率-直流电压下垂控制策略，热备份控制换流站作为协调控制换流站的备用换流站，同样采用有功功率-直流电压下垂控制策略，功率输入换流站采用定有功功率控制策略。上层控制系统根据直流输电系统传输功率，选择部分或全部热备份控制换流站参与协调控制，选择依据包括：(1)避免换流站容量超限；(2)避免换流站运行于低于额定容量15％的轻载状态。具体实施方法如下：
(1)检测上层控制系统与协调换流站或热备份控制换流站通讯是否正常。若上层控制系统与协调换流站或热备份控制换流站发生通讯故障，则发生通讯故障的协调换流站或热备份控制换流站保持当前下垂系数并参与系统协调控制。若上层控制系统与功率输入换流站发生通讯故障，则发生故障的功率输入换流站退出运行并检修；
(2)测量功率输入换流站向多端柔性直流输电系统输入的有功功率Pin_k,k＝1,2,…,n；
(3)多端柔性直流输电系统的传输功率，由上层控制系统分为m+1个传输功率区间0<Pstate_0<…<Pstate_j<…<Pstate_m＝Pm，其中Pm为系统额定传输功率。传输功率区间由下式确定，
式中Pm_control_0为协调控制换流站额定容量，Pm_control_i为序号i的热备份控制换流站额定容量；
(4)判断多端柔性直流输电系统的传输功率所对应的系统传输功率区间，假设传输功率区间为[Pstate_(r-1),Pstate_r]，则序号1至序号r的热备份控制换流站切换为有功功率-直流电压下垂控制模式，序号r+1至序号m的热备份控制换流站不参与协调控制和功率分配，处于热备份状态。
所述的多端柔性直流输电系统传输功率在区间[Pstate_(r-1),Pstate_r]内时，协调控制换流站与序号1至序号r的热备份控制换流站共同参与协调控制；上层控制系统对换流站的有功功率-直流电压下垂控制系数进行修正，控制目标为抑制直流电压偏差不超过直流电压上限值，该直流电压上限值通常为额定电压110％。下垂控制系数由下式确定，
式中Udcmax为直流电压上限值，Udcm为直流电压额定值；其中协调控制换流站有功功率上限值为P0_state_r，下垂控制系数为K0_state_r，Pi_state_r为序号i的热备份控制换流站有功功率上限值为，Ki_state_r为下垂控制系数。
若上层控制系统与协调控制换流站或某一热备份控制换流站发生通讯故障，则该换流站维持当前下垂系数不变，仍参与系统协调控制，多端柔性直流输电系统正常运行。若上层控制系统与功率输入换流站发生通讯故障，则该换流站退出运行并检修，多端柔性直流输电系统健全部分继续运行。
现有技术中，所有换流站均采用固定系数下垂控制方法，各换流站功率分配特性不能随直流输电系统运行工况的变化而改变，影响直流输电系统的运行经济型和灵活性。例如在低传输功率条件下，直流输电系统中全部换流站均处于轻载状态，换流站容量利用率低且控制系统动态特性较差。
本发明利用上层控制系统选择参与系统协调控制的热备份控制换流站，多余的热备份控制换流站处于热备份状态；并实时修正下垂控制系数，能够提升直流输电系统的运行经济性和灵活性。当某一换流站与上层控制系统通讯中断时，通讯中断的换流站以固定下垂系数参与协调控制；通讯正常的换流站则仍以上层控制系统实时修正下垂系数。多端直流输电系统对通讯依赖较低，保证了系统可靠性。
本发明一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法具有以下特点和优势：
1.提高了多端柔性直流输电系统的运行经济性和灵活性。
2.通讯故障情况下，能够维持多端柔性直流输电系统可靠运行。
附图说明
图1a为采用直流电压主从式控制方法的多端柔性直流输电系统控制原理图；
图1b为采用直流电压偏差控制的多端柔性直流输电系统控制原理图；
图1c为采用直流电压下垂控制的多端柔性直流输电系统控制原理图；
图2为本发明提出的协调控制流程图；
图3为一个四端柔性直流输电系统实例的拓扑示意图；
图4a为本发明实施例的协调控制方法在工况1下的运行原理图；
图4b为本发明实施例的协调控制方法在工况2下的运行原理图；
图4c为本发明实施例的协调控制方法在工况3下的运行原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明多端柔性直流输电系统的协调控制方法，在有功功率-直流电压下垂控制策略中引入上层控制系统。所述的多端柔性直流输电系统中，包含一个协调控制换流站、至少一个热备份控制换流站和至少一个功率输入换流站，协调控制换流站和热备份换流站均连接功率接收端交流电网，功率输入换流站连接功率输出端交流电网，上层控制系统通过光缆与换流站进行通讯，换流站间无需通讯。
所述的协调控制换流站采用有功功率-直流电压下垂控制策略，功率输入换流站采用定有功功率控制策略。根据直流输电系统传输功率，上层控制系统选择部分或全部热备份控制换流站参与协调控制；同时对协调控制换流站或热备份换流站实时修正下垂控制系数。上层控制系统的控制目标为避免换流站容量超限或工作于低于额定容量15％的轻载状态，且直流电压偏差值不超过预设定阈值，所述阈值通常为额定直流电压10％。
若上层控制系统与协调控制换流站或某一热备份控制换流站发生通讯故障，则该换流站维持当前下垂系数不变，仍参与系统协调控制，多端柔性直流输电系统正常运行。若上层控制系统与功率输入换流站发生通讯故障，则该换流站退出运行并检修，多端柔性直流输电系统健全部分继续运行。
下面以四端柔性直流输电系统为例，进一步说明本发明的具体实施方法。
如图3所示的四端柔性直流输电系统，其中换流站1作为协调控制换流站，换流站2和换流站3作为热备份控制换流站，分别连接交流电网；换流站4作为功率输入换流站，连接风力发电场。
实施例1，上层控制系统与换流站通讯正常。
工况1：当风力发电场产生功率较小时，直流输电系统传输功率在区间[0，Pstate_0]内，此时由换流站1单独进行协调控制，上层控制系统修正换流站的下垂控制系数，使得有功功率-直流电压特性曲线斜率较大，增强系统功率分配特性，如图4a所示。换流站2和换流站3处于热备份状态，有功功率控制参考值置为0；换流站4采用定有功功率控制，负责向直流输电系统输入风力发电场产生的电能。
工况2：风力发电场产生功率升高，直流输电系统传输功率在区间[Pstate_0，Pstate_1]内，此时由换流站1和换流站2共同参与协调控制，上层控制系统修正换流站1和换流站2的下垂控制系数，通过减小有功功率-直流电压特性曲线斜率来增强直流电压控制特性，如图4b所示。换流站3处于热备份状态，有功功率控制参考值置为0；换流站4采用定有功功率控制，负责向直流输电系统输入风力发电场产生的电能。
工况3：风力发电场产生功率升高直至满功率运行，系统传输功率在区间[Pstate_1，Pstate_2]内，此时由换流站1～3共同参与协调控制，上层控制系统修正换流站1～3的下垂控制系数，进一步减小有功功率-直流电压特性曲线斜率，使得直流电压控制特性进一步增强，如图4c所示。换流站4采用定有功功率控制，负责向直流输电系统输入风力发电场产生的电能。
在上述三种运行工况下，参与协调控制的换流站均能实现较高的容量利用率，避免了换流站1～3在工况1和工况2中全部参与协调控制导致的换流站轻载运行，能够提高换流站的控制特性和动态响应，提高直流输电系统的运行经济性和灵活性。
实施例2，上层控制系统与某一换流站通讯故障。
故障发生前，系统传输功率在区间[Pstate_1，Pstate_2]内，此时由换流站1～3共同参与协调控制。某一时刻上层控制系统与换流站2通讯故障，系统传输功率在区间[Pstate_1，Pstate_2]内，仍然由换流站1～3共同参与协调控制，其中换流站2的下垂控制系数维持当前数值不变，换流站1和换流站3的下垂控制系数由上层控制系统计算并设置。在上述上层控制系统与某一换流站发生通讯故障情况下，仅降低多端柔性直流输电系统运行的动态特性而不危及系统的安全稳定运行。
Claims (3)
1.一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法，所述的多端柔性直流输电系统包含上层控制系统、1个协调控制换流站，m个热备份控制换流站和n个功率输入换流站，m、n为正整数；协调控制换流站和热备份控制换流站连接功率接收端交流电网，功率输入换流站连接功率输出端交流电网，上层控制系统与各换流站通过光缆连接通讯，其特征在于：协调控制换流站采用有功功率-直流电压下垂控制策略；功率输入换流站采用定有功功率控制策略；热备份控制换流站作为协调控制换流站的备用换流站；上层控制系统根据直流输电系统传输功率，选择部分或全部热备份控制换流站参与协调控制；
上层控制系统选择热备份控制换流站参与协调控制的依据包括：(1)避免换流站容量超限；(2)避免换流站运行于低于额定容量15％的轻载状态；其实现方法步骤如下：
(1)检测上层控制系统与协调控制换流站或热备份控制换流站通讯是否正常，若正常则执行步骤(2)；
若上层控制系统与协调控制换流站或热备份控制换流站发生通讯故障，则发生通讯故障的协调控制换流站或热备份控制换流站保持当前下垂系数并参与系统协调控制；
若上层控制系统与功率输入换流站发生通讯故障，则发生故障的功率输入换流站退出运行并检修；
(2)测量功率输入换流站向多端柔性直流输电系统输入的有功功率Pin_k,k＝1,2,…,n；k为功率输入换流站的序号；
(3)多端柔性直流输电系统的传输功率，由上层控制系统分为m+1个传输功率区间0<Pstate_0<…<Pstate_j<…<Pstate_m＝Pm，其中Pm为系统额定传输功率；传输功率区间由下式确定，
式中Pm_control_0为协调控制换流站额定容量，Pm_control_i为序号i的热备份控制换流站额定容量；
(4)判断多端柔性直流输电系统的传输功率所对应的传输功率区间，假设传输功率区间为[Pstate_(r-1),Pstate_r]，则序号1至序号r的热备份控制换流站切换为有功功率-直流电压下垂控制模式，序号r+1至序号m的热备份控制换流站不参与协调控制和功率分配，处于热备份状态，r为热备份控制换流站的序号。
2.如权利要求1所述的多端柔性直流输电系统的协调控制方法，其特征在于：直流输电系统的传输功率在区间[Pstate_(r-1),Pstate_r]内时，协调控制换流站与序号1至序号r的热备份控制换流站共同参与协调控制；上层控制系统对协调控制换流站和热备份控制换流站的有功功率-直流电压下垂控制系数进行修正，控制目标为抑制直流电压偏差不超过直流电压上限值；下垂控制系数由下式确定：
式中Udcmax为直流电压上限值，Udcm为直流电压额定值；其中，直流输电系统的传输功率在区间[Pstate_(r-1),Pstate_r]内时，协调控制换流站有功功率上限值为P0_state_r，下垂控制系数为K0_state_r，Pi_state_r为序号i的热备份控制换流站有功功率上限值，Ki_state_r为下垂控制系数，r为热备份控制换流站的序号。
3.如权利要求2所述的多端柔性直流输电系统的协调控制方法，其特征在于：当某一功率输入换流站因故障或检修停运退出时，上层控制系统根据当前直流输电系统的传输功率确定重新参与系统协调控制的热备份控制换流站，并重新修正各热备份控制换流站的有功功率-直流电压下垂控制系数。
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