CN106887857A - 一种直流电网分层能量平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电网分层能量平衡控制方法，控制方法包括换流阀级控制、换流站级控制和直流电网系统级控制；其中换流阀级控制和换流站级控制均是基于换流站本地信息的控制；而直流电网系统级控制是基于直流电网中所有换流器信息的控制，实现换流站间的协调控制。本发明提供的技术方案能在多时间尺度下实现直流电网系统的能量平衡控制，提高系统运行的灵活性和稳定性。

Description

一种直流电网分层能量平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统柔性直流输电技术领域的控制方法，具体涉及一种直流电网分层能量平衡控制方法。

背景技术

随着经济社会的快速发展，可再生能源发电所占比重不断增加，海上风电资源亟待有效利用，大型城市电网所面临的负荷快速增长与输电走廊紧缺、短路电流超标之间的矛盾也日益突出，给现有电网带来极大挑战。电压源型高压多端直流输电以其高度可控、灵活高效的特点，成为解决以上问题的有效技术手段。

作为新一代电压源型换流器，模块化多电平换流器采用模块化设计，结构灵活且易于扩展；因此MMC是构建直流电网的优选拓扑。本专利基于MMC的直流电网为对象进行说明。

直流电网是一个具有先进的能量输送系统，因此直流系统各层次间能量平衡控制对于直流电网的安全稳定运行具有十分重要的意义。当前直流电网能量平衡控制主要考虑换流站间的能量平衡控制，而现有直流电网换流站间协调控制策略，多根据其直流电流-电压特性与交流系统的有功-频率特性的对偶性类比而得，但由于直流电网系统的拓扑形式、设备特性、动态响应速度和网络耦合紧密度与交流系统完全不同，造成现有控制策略控制精度、响应速度不够，系统的控制效果无法达到最优，运行经济性不高。随着直流电网换流站容量和电压等级的提升、网络拓扑形式的多样化以及联结端数的迅速增加，这种控制策略设计方法的弊端愈加凸显，亟需根据直流电网的特点进行合理优化。

直流电网的能量平衡控制策略是整个系统安全稳定运行的核心。当前直流系统能量平衡控制策略多根据其直流电流-电压特性与交流系统的有功-频率特性的对偶性类比而得；但由于直流系统的拓扑形式、设备特性、动态响应速度和网络耦合紧密度与交流系统完全不同，造成现有控制策略控制精度、响应速度不够，系统的控制效果无法达到最优，运行经济性不高。随着直流电网中换流器容量和电压等级的提升、直流网络拓扑形式的多样化以及联结端数的迅速增加，这种控制策略设计方法的弊端愈加凸显，无法适应模块化多电平型换流器暂稳态能量在更小时间尺度上进行平衡调控的苛刻要求。亟需根据直流系统的特点进行合理优化。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于模块化多电平换流器的直流电网分层能量平衡控制方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种直流电网分层能量平衡控制方法，其改进之处在于，所述控制方法包括换流阀级控制、换流站级控制和直流电网系统级控制；

其中换流阀级控制和换流站级控制均是基于换流站本地信息的控制；直流电网系统级控制是基于直流电网中所有换流器信息的控制，实现换流站间的协调控制。

进一步地，所述直流电网系统级控制采用直流电压-功率下垂控制策略，所述直流电压-功率下垂控制策略包括在直流电网中选定一个直流电压控制主控站和多个下垂控制换流站，共同承担直流电网系统功率平衡控制；除直流电压控制主控站外，设定一个换流站为备用直流电压控制站，即当直流电压控制主控站不具备功率调节能力或直流电压控制主控站调节能力功率运行点已超过功率运行区间90％范围时，将直流电压控制主控站切换为定功率控制模式，并将备用直流电压控制站切换为直流电压控制主控站；下垂控制换流站正常工作时，其直流电压反馈控制采用直流电压控制主控站直流端口电压作为反馈量进行调节；当下垂控制站失去通信时，其下垂控制电压反馈量采用本地直流电压测量量。

进一步地，所述换流站级控制采用电流矢量控制，通过内外环控制实现对有功功率和无功功率的解耦控制，并通过限幅环节，对过电流进行限制，内环电流控制公式如下：

式中，i^* _sd、i^* _sq分别为有功电流和无功电流的参考值；i_sd、i_sq分别为有功电流和无功电流的实际值；v′_d、v′_q分别为内环d、q轴电压指令；K_P1、K_P2为内环比例调节系数；K_I1、K_I2分别为内环积分调节系数。

进一步地，所述换流阀级控制包括在模块化多电平换流器换流阀级控制引入子模块电容电压预估控制，实现对模块化多电平换流器内部能量平衡的控制，包括：

1)基于桥臂功率补偿的子模块电容电压：根据桥臂功率补偿估算各桥臂的子模块电容电压，利用最近电平逼近调制方法得到桥臂期望投入的子模块数：

根据式(1)估算得到模块化多电平换流器第k相上、下桥臂的子模块电容电压指令值时，再根据调制方法(调制方法包括：脉冲宽度调制和最近电平逼近调制)得到模块化多电平换流器第k相上、下桥臂子模块期望投入到子模块数N_kpref和N_knref：

式中：N为各桥臂子模块数；C₀为子模块电容值，U₀为子模块额定电压值；u_dc为直流电压；i_zk0为流过桥臂的直流电流；u_{ck_dc}、u_{ck_ω}、u_{ck_2ω}分别为桥臂子模块电容电压直流分量、交流基频和二倍频分量；p_{k_dc}、p_{k_ω}、p_{k_2ω}分别为桥臂瞬时功率中的直流分量、交流基频和二倍频分量；E为交流侧相电压幅值；I为交流侧电流幅值；ω为交流侧相频率；t表示时间；φ表示交流侧电压与电流功率角；NINT()为取整函数；为附加调制电压指令，由环流控制得到；为模块化多电平换流器交流侧输出电压指令值；分别表示表示上、下桥臂子模块电容电压参考值；p表示上桥臂，n表示下桥臂。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供一种基于模块化多电平换流器的直流电网分层能量平衡控制方法，该方法能在多时间尺度下实现直流电网系统的能量平衡控制，提高系统运行的灵活性和稳定性。

本发明提供一种基于模块化多电平换流器的直流电网分层能量平衡控制方法，可实现换流站间能量和换流站内部能量在不同时间尺度下能量平衡控制，提高系统运行的灵活性和稳定性；在调制环节通过对子模块电容电压进行控制，实现对模块化多电平换流器能量平衡进行快速调控，避免模块化多电平换流器内出现过大的电气应力，扩大模块化多电平换流器的运行区间和调节能力。

附图说明

图1是本发明提供的直流电网控制系统示意图；

图2是本发明提供的直流电网系统级控制逻辑图；

图3是本发明提供的换流站级控制逻辑图；

图4是本发明提供的换流阀级控制逻辑图；

图5是本发明提供的内环电流控制逻辑图。

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。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

将直流电网控制系统按其功能分为换流阀级控制、换流站级控制和直流电网系统级控制，如图1所示。其中换流阀级控制和换流站级控制都是基于换流站本地信息的控制；而系统级控制是基于直流电网中所有换流器的信息从而实现换流站间的协调控制。

直流电网系统级控制：采用直流电压-功率下垂控制策略。该方法在直流电网中选定一个直流电压控制主控站和多个下垂控制换流站，共同承担系统功率平衡控制。除直流电压控制主控站外，还需要设定一个站为备用直流电压控制站，即当直流电压控制主控站不具备功率调节能力或调节能力较弱时，将直流电压控制主控站切换为定功率控制模式，并将备用直流电压控制站切换为直流电压主控站。下垂控制站正常工作时，其直流电压反馈控制采用直流电压控制主控站直流端口电压作为反馈量进行调节；当下垂控制站失去通信时，其下垂控制电压反馈量采用本地直流电压测量量。直流电网系统级控制逻辑图如图2所示。

换流站级控制：采用电流矢量控制，通过内外环控制实现对有功功率和无功功率的解耦控制；并通过限幅环节，对过电流进行限制。内环电流控制公式如下：

式中，i^* _sd、i^* _sq分别为有功电流和无功电流的参考值；i_sd、i_sq分别为有功电流和无功电流的实际值；v′_d、v′_q分别为内环d、q轴电压指令；K_P1、K_P2为内环比例调节系数；K_I1、K_I2分别为内环积分调节系数。换流站级控制逻辑图如图3所示。内环电流控制逻辑图如图5所示。

环流阀级控制：在MMC换流阀级控制引入子模块电容电压预估控制，实现对MMC内部能量平衡的控制。换流阀级控制逻辑图如图4所示。

1)基于桥臂功率补偿的子模块电容电压：根据桥臂功率补偿估算各桥臂的子模块电容电压，利用最近电平逼近调制方法得到各桥臂期望投入的子模块数；

式中：N为各桥臂子模块数；C₀为子模块电容值，U₀为子模块额定电压值；u_dc为直流电压；i_zk0为流过桥臂的直流电流；u_{ck_dc}、u_{ck_ω}、u_{ck_2ω}分别为桥臂子模块电容电压直流分量、交流基频和二倍频分量；p_{k_dc}、p_{k_ω}、p_{k_2ω}分别为桥臂瞬时功率中的直流分量、交流基频和二倍频分量；E为交流侧相电压幅值；I为交流侧电流幅值；ω为交流侧相频率；t表示时间；φ表示交流侧电压与电流功率角；

根据式(1)估算得到MMC第k相上、下桥臂的子模块电容电压指令值时，再根据一定的调制方法得到MMC第k相上、下桥臂子模块期望投入到子模块数N_kpref和N_knref：

式中：NINT()为取整函数；为附加调制电压指令，由环流控制得到，具体的如申请公布号CN103095167A、发明名称为一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法中记载的计算方法；为模块化多电平换流器交流侧输出电压指令值；分别表示表示上、下桥臂子模块电容电压参考值；p表示上桥臂，n表示下桥臂。

本发明提供的一种基于模块化多电平换流器的直流电网分层能量平衡控制方法，该方法能在多时间尺度下实现直流电网系统的能量平衡控制，提高系统运行的灵活性和稳定性。

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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直流电网分层能量平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法包括换流阀级控制、换流站级控制和直流电网系统级控制；

其中换流阀级控制和换流站级控制均是基于换流站本地信息的控制；直流电网系统级控制是基于直流电网中所有换流器信息的控制，实现换流站间的协调控制。

2.如权利要求1所述的直流电网分层能量平衡控制方法，其特征在于，所述直流电网系统级控制采用直流电压-功率下垂控制策略，所述直流电压-功率下垂控制策略包括在直流电网中选定一个直流电压控制主控站和多个下垂控制换流站，共同承担直流电网系统功率平衡控制；除直流电压控制主控站外，设定一个换流站为备用直流电压控制站，即当直流电压控制主控站不具备功率调节能力或直流电压控制主控站调节能力功率运行点已超过功率运行区间90％范围时，将直流电压控制主控站切换为定功率控制模式，并将备用直流电压控制站切换为直流电压控制主控站；下垂控制换流站正常工作时，其直流电压反馈控制采用直流电压控制主控站直流端口电压作为反馈量进行调节；当下垂控制站失去通信时，其下垂控制电压反馈量采用本地直流电压测量量。

3.如权利要求1所述的直流电网分层能量平衡控制方法，其特征在于，所述换流站级控制采用电流矢量控制，通过内外环控制实现对有功功率和无功功率的解耦控制，并通过限幅环节，对过电流进行限制，内环电流控制公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{\′}=K_{P1}\left(i_{sd}^{*}-i_{sd}\right)+K_{I1}\∫\left(i_{sd}^{*}-i_{sd}\right)dt\\ v_q^{\′}=K_{P2}\left(i_{sq}^{*}-i_{sq}\right)+K_{I2}\∫\left(i_{sq}^{*}-i_{sq}\right)dt\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，i^* _sd、i^* _sq分别为有功电流和无功电流的参考值；i_sd、i_sq分别为有功电流和无功电流的实际值；v′_d、v′_q分别为内环d、q轴电压指令；K_P1、K_P2为内环比例调节系数；K_I1、K_I2分别为内环积分调节系数。

4.如权利要求1所述的直流电网分层能量平衡控制方法，其特征在于，所述换流阀级控制包括在模块化多电平换流器换流阀级控制引入子模块电容电压预估控制，实现对模块化多电平换流器内部能量平衡的控制，包括：

1)基于桥臂功率补偿的子模块电容电压：根据桥臂功率补偿估算各桥臂的子模块电容电压，利用最近电平逼近调制方法得到桥臂期望投入的子模块数：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{ck\_dc}=U_0+\frac{1}{{\mathrm{NC}}_0{U}_0}\∫p_{k\_dc}dt\\ u_{ck\_\mathrm{\ω}}=\frac{1}{{\mathrm{NC}}_0{U}_0}\∫p_{k\_\mathrm{\ω}}dt\\ u_{ck\_2\mathrm{\ω}}=\frac{1}{{\mathrm{NC}}_0{U}_0}\∫p_{k\_2\mathrm{\ω}}dt\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\{\begin{array}{c}{p}_{k\_dc}=\frac{1}{2}{u}_{dc}{i}_{zk0}-\frac{1}{4}EIcos\mathrm{\φ}\\ p_{k\_\mathrm{\ω}}=\frac{1}{4}{u}_{dc}Isin(\mathrm{\ω}t-\mathrm{\φ})-i_{zk0}Esin\mathrm{\ω}t\\ p_{k\_2\mathrm{\ω}}=-\frac{1}{4}EIcos(2\mathrm{\ω}t-\mathrm{\φ})\end{array}---\left(3\right)$

根据式(1)估算得到模块化多电平换流器第k相上、下桥臂的子模块电容电压指令值时，再根据调制方法(调制方法包括：脉冲宽度调制和最近电平逼近调制)得到模块化多电平换流器第k相上、下桥臂子模块期望投入到子模块数N_kpref和N_knref：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_{kpref}=NINT\left(\frac{0.5u_{dc}-e_k^{ref}-u_{zk}^{ref}}{u_{ckp}^{ref}}\right)\\ N_{knref}=NINT\left(\frac{0.5u_{dc}+e_k^{ref}-u_{zk}^{ref}}{u_{ckn}^{ref}}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：N为各桥臂子模块数；C₀为子模块电容值，U₀为子模块额定电压值；u_dc为直流电压；i_zk0为流过桥臂的直流电流；u_{ck_dc}、u_{ck_ω}、u_{ck_2ω}分别为桥臂子模块电容电压直流分量、交流基频和二倍频分量；p_{k_dc}、p_{k_ω}、p_{k_2ω}分别为桥臂瞬时功率中的直流分量、交流基频和二倍频分量；E为交流侧相电压幅值；I为交流侧电流幅值；ω为交流侧相频率；t表示时间；φ表示交流侧电压与电流功率角；NINT()为取整函数；为附加调制电压指令，由环流控制得到；为模块化多电平换流器交流侧输出电压指令值；分别表示表示上、下桥臂子模块电容电压参考值；p表示上桥臂，n表示下桥臂。