CN106936151A - 一种柔性直流输电系统运行区间确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电系统运行区间确定方法，所述柔性直流输电系统包括位于直流线路两端的两个换流器，其中一个换流器运行于整流状态，另一个换流器运行于逆变状态；确定方法综合考虑了工程容量需求、各设备损耗、交流系统强弱、交流系统电压波动、调制方法、子模块电压波动等多种因素对换流器运行区间的影响，给出了确定换流器运行区间的方法，从而指导换流器容量的确定。该方法能够兼顾技术要求和经济性要求，为柔性直流输电工程设备参数设计提供依据，为后期工程运行提供指导。

Description

一种柔性直流输电系统运行区间确定方法

技术领域

本发明涉及一种柔性直流技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统运行区间确定方法。

背景技术

近年来，柔性直流输电工程在世界范围内呈现迅速发展的趋势，容量和电压等级不断攀升。随着IGBT换流阀设计、交联聚乙烯直流电缆、柔性直流系统设计以及控制保护系统设计四大方面技术水平的提升，±320kV/1000MW的柔性直流输电工程已经具备工程实施的技术条件，目前我国厦门±320kV/1000MW柔性直流输电工程正在紧张建设。另一方面，柔性直流输电由于其特有的控制灵活、技术功能强大等特点，在城市配电网的增容改造、交流系统互联等方面具有较强的技术优势。利用直流技术加强交流配电网，能较好地解决大型配电网存在的短路电流偏大、动态无功补偿不足等问题，目前已有尝试建设基于柔性直流输电技术的主动配电网和高可靠性配电网工程。在上述工程应用中，需要对柔性直流换流器的运行区间进行设计，使其在满足系统对功率传送能力、功率因数等性能要求的同时具有一定的经济性。

发明内容

为满足现有技术的需要，本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统运行区间确定方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种柔性直流输电系统运行区间确定方法，所述柔性直流输电系统包括位于直流线路两端的两个换流器，其中一个换流器运行于整流状态，另一个换流器运行于逆变状态，每个换流器的另一端与电感、变压器和交流系统依次连接，变压器与交流系统的连接点称为PCC点(point ofcommon coupling，公共连接点)；所述两个换流器均为模块化多电平柔性直流输电换流器，所述模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂由级联的子模块构成；其改进之处在于，所述确定方法包括下述步骤：

步骤一、用工程容量需求和各设备损耗影响因素确定换流器运行区间；

步骤二、用调制方式和交流系统电压波动影响因素确定换流器运行区间；

步骤三、用子模块电压波动影响因素确定换流器运行区间；

步骤四、用交流系统强弱影响因素校核换流器运行区间。

进一步地，步骤一用工程容量需求和各设备损耗影响因素确定换流器运行区间包括下述步骤：

1)根据柔性直流输电系统分析确定的工程容量需求确定逆变侧PCC点的传输额定有功功率为P₁；

2)设变压器损耗为P_T，换流器损耗为P_V，直流线路损耗为P_L，则整流侧PCC点的额定有功功率P₆为P₆＝P₁+2P_T+2P_V+P_L；

3)设要求的功率因数为则换流器额定容量S为

4)根据P^*2+Q^*2＝S^*2≤1确定由工程容量需求和各设备损耗决定的功率运行区间。

进一步地，步骤二用所述调制方式和交流系统电压波动确定换流器运行区间包括下述步骤：

设换流器向交流系统输入的有功功率和无功功率分别为P和Q，换流器交流侧输出电压为PCC点电压为变压器变比为k，则变压器阀侧电压为换流器向交流系统传输的功率如下式所示：

根据上式(1)得到：

式中，为换流器交流侧输出电压，M为调制比，其最大值为1，最小值取值为0.75；μ为直流电压利用率，表示换流器的拓扑结构与调制方式，若采用最近电平逼近调制或三角载波SPWM控制，则μ＝1/2，若采用空间矢量PWM(SVPWM)控制时，则U_dc为直流电压；U_s为PCC点电压、X为联接变压器漏抗与等效桥臂电抗之和、δ为PCC点电压与换流器交流输出电压的相角差；

由上式即可确定由调制方式和交流系统电压波动确定的换流器运行区间，所述运行区间与工程容量需求确定的运行区间的交集即为结合调制方式和电压波动的换流器运行区间。

进一步地，步骤三用所述子模块电压波动影响因素确定换流器运行区间包括下述步骤：

A相上桥臂充电功率为：

p_a1＝u_a1·i_a1 (3)

忽略换流器的损耗，根据输入输出换流器的有功功率平衡作如下假设：

且

式中，I_a为交流电流有效值，p_a1为A相上桥臂功率、u_a1为A相上桥臂端间电压、i_a1为A相上桥臂电流、为换流器交流出口处的功率因数角、U_a为换流器输出A相交流电压、ω为角频率、N为桥臂子模块数量、C₀为子模块电容值、U₀为子模块额定电压；式(3)写成如下式所示：

子模块电压的波动量Δu为：

子模块电压的波动比例ε为：

由式(7)得，子模块电压的波动系数与桥臂充电功率成正比，当p_a1为正时，给投入的子模块电容充电；p_a1为负时，投入的子模块电容放电；p_a1为0时，子模块电压波动达到最大值或者最小值；

若在工程设计中允许的子模块电压波动比例为ε₀，则由：

即可画出由子模块电压波动上限确定的功率运行范围；由子模块电压波动限制确定的运行区间与考虑调制方式和电压波动的换流器运行区间的交集即为换流器的运行区间。

进一步地，步骤四用所述交流系统强弱影响因素校核换流器运行区间包括：

设X_s为交流系统等值阻抗，U_E为等值交流系统电压，U_S为PCC点母线电压，则：

理想运行条件下等值交流系统的电压U_E与PCC点电压U_S的幅值相同，当等值交流系统为弱电网时，PCC点电压U_S达不到要求的控制目标电压，此目标电压值近似等于U_E，此时需要换流器提供一定的无功功率支撑；设PCC点的控制目标电压为mU_E，则需要换流器向交流系统提供的无功功率支撑如下式所示：

其中：P_s为等值交流系统输入PCC点的有功功率、Q_s为等值交流系统与PCC点交换的无功功率、δ_s为等值交流系统电压与PCC点电压的相位差、m为PCC点电压与等值交流系统电压幅值的比值、Q_m为保持PCC点电压为mU_E时需要换流器向交流系统提供的无功功率支撑量；

将式(10)得到的无功功率值与前述步骤得到的运行区间进行比较，若Q_m值大于前述步骤所得到运行区间的最大无功功率值，则需要适当增加步骤一中的换流器额定容量S，并重复步骤一至步骤三，直至Q_m值小于运行区间中的最大无功功率值为止。

进一步地，所述方法适用于大于等于三端的多端系统中每一端的换流器的运行区间的确定。

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：

1)本发明所提运行区间确定方法，综合考虑了交流系统强弱、工程容量需求和各设备损耗、交流系统电压波动、调制方法、子模块电压波动等多种因素对换流器运行区间的影响，给出了确定换流器运行区间的方法，从而指导换流器容量的确定，能够有效指导工程设计；

2)该方法为柔性直流输电工程设备参数设计提供依据，为后期工程运行提供指导。

3)是柔性直流输电系统参数设计、设备参数设计、控制保护设计等的基础，兼顾了工程技术性和经济性要求。

附图说明

图1是本发明提供的柔性直流输电系统示意图；

图2是本发明提供的由工程容量需求和各设备损耗确定的运行区间示意图；

图3是本发明提供的由调制比和交流系统电压波动确定的运行区间示意图；

图4是本发明提供的模块化多电平VSC电气等值示意图；

图5是本发明提供的由子模块电压波动确定的运行区间示意图；

图6是本发明提供的交流系统等值示意图。

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。

以双端柔性直流输电系统为例进行说明。双端柔性直流输电系统基本拓扑如图1所示，正常运行情况下，双端柔性直流输电系统包括位于直流线路两端的两个换流器，其中一个换流器运行于整流状态，另一个换流器运行于逆变状态，每个换流器的另一端与电感、变压器和交流系统依次连接；所述两个换流器均为模块化多电平柔性直流输电换流器，所述模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂由级联的子模块构成；本发明所提运行区间确定方法考虑了多种因素，包括下述步骤：

步骤一、用工程容量需求和各设备损耗影响因素确定换流器运行区间；

如图1所示，首先根据系统分析得到的工程容量需求确定逆变侧PCC点的传输额定有功功率为P₁。设变压器损耗为P_T，换流器损耗为P_V，直流线路损耗为P_L。则整流侧PCC点的设计额定有功功率P₆应达到P₆＝P₁+2P_T+2P_V+P_L。假设要求的功率因数为则换流器额定容量S为根据P^*2+Q^*2＝S^*2≤1即可确定由工程容量需求决定的功率运行区间如图2所示。

步骤二、用调制方式和交流系统电压波动影响因素确定换流器运行区间；

如图1所示，假设换流器向交流系统输入的有功功率和无功功率分别为P和Q，换流器交流侧电压为等值交流系统电压为变压器变比为k，则变压器阀侧电压为换流器向交流系统传输的功率如下所示：

据式(1)得到：

式中，为换流器交流侧输出电压，式中，M为调制比，其最大值为1，最小值一般取值为0.75；μ为直流电压利用率，表征换流器的拓扑结构与调制方式，若采用最近电平逼近调制或三角载波SPWM控制，则μ＝1/2，若采用空间矢量PWM(SVPWM)控制时，则U_dc为直流电压。

由式(2)即可确定由调制方式和交流系统电压波动确定的换流器运行区间，该区间与工程容量需求确定的运行区间的交集即为考虑了调制方式和电压波动的换流器运行区间，如图3中阴影部分所示。

步骤三、用子模块电压波动影响因素确定换流器运行区间；

对于模块化多电平(MMC)柔性直流输电换流器来说，运行区间中不同功率运行点的子模块电压波动是不同的。如图4所示，以A相上桥臂为例分析子模块电压波动与功率运行点的关系。A相上桥臂充电功率为：

p_a1＝u_a1·i_a1(3)

忽略换流器的损耗，根据输入输出换流器的有功功率平衡作如下假设：

且

式中，I_a为交流电流有效值，p_a1为A相上桥臂功率、u_a1为A相上桥臂端间电压、i_a1为A相上桥臂电流、为换流器交流出口处的功率因数角、U_a为换流器输出A相交流电压、ω为角频率、N为桥臂子模块数量、C₀为子模块电容值、U₀为子模块额定电压。

于是式(3)可以写成：

而子模块电压的波动量Δu为：

子模块电压的波动比例ε为：

由式(7)可知，子模块电压的波动系数与桥臂充电功率成正比，当p_a1为正时，给投入的子模块电容充电；p_a1为负时，投入的子模块电容放电；p_a1为0时，子模块电压波动达到最大值或者最小值。

若在工程设计中允许的子模块电压波动比例为ε₀，则由：

即可画出由子模块电压波动上限确定的功率运行范围如图5所示。由子模块电压波动限制确定的运行区间与图3中的区间的交集即为换流器设计的运行区间，如图5中阴影部分所示。

步骤四、用交流系统强弱影响因素确定换流器运行区间：

如图5所示，X_s为交流系统等值阻抗，U_E为理想交流系统电压，U_S为PCC点母线电压。功率正方向如图6所示。则：

理想运行条件下，等值交流系统的电压U_E与PCC点电压U_S的幅值相同，但当等值交流系统为弱电网时，PCC点电压可能达不到要求的控制目标电压，此时需要换流器提供一定的无功功率支撑。设PCC点的控制目标电压为mU_E，则需要换流器向交流系统提供的无功功率支撑为：

将式(10)得到的无功功率值与图6中的换流器运行区间进行比较，校核换流器是否具备要求的无功支撑要求。若不满足要求，需要重新设计换流器容量，重复步骤一之步骤三，直至满足要求为止。

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 (6)

1.一种柔性直流输电系统运行区间确定方法，所述柔性直流输电系统包括位于直流线路两端的两个换流器，其中一个换流器运行于整流状态，另一个换流器运行于逆变状态，每个换流器的另一端与电感、变压器和交流系统依次连接，变压器与交流系统的连接点称为PCC点；所述两个换流器均为模块化多电平柔性直流输电换流器，所述模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂由级联的子模块构成；其特征在于，所述确定方法包括下述步骤：

步骤一、用工程容量需求和各设备损耗影响因素确定换流器运行区间；

步骤二、用调制方式和交流系统电压波动影响因素确定换流器运行区间；

步骤三、用子模块电压波动影响因素确定换流器运行区间；

步骤四、用交流系统强弱影响因素校核换流器运行区间。

2.如权利要求1所述的柔性直流输电系统运行区间确定方法，其特征在于，步骤一用工程容量需求和各设备损耗影响因素确定换流器运行区间包括下述步骤：

1)根据电力系统分析确定的工程容量需求确定逆变侧PCC点的传输额定有功功率为P₁；

2)设变压器损耗为P_T，换流器损耗为P_V，直流线路损耗为P_L，则整流侧PCC点的额定有功功率P₆为P₆＝P₁+2P_T+2P_V+P_L；

3)设要求的功率因数为则换流器额定容量S为

4)根据P^*2+Q^*2＝S^*2≤1确定由工程容量需求和各设备损耗决定的功率运行区间。

3.如权利要求1所述的柔性直流输电系统运行区间确定方法，其特征在于，步骤二用所述调制方式和交流系统电压波动确定换流器运行区间包括下述步骤：

设换流器向交流系统输入的有功功率和无功功率分别为P和Q，换流器交流侧输出电压为PCC点电压为变压器变比为k，则变压器阀侧电压为换流器向交流系统传输的功率如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{{\mathrm{kU}}_s{U}_c}{X}sin\mathrm{\δ}\\ Q=\frac{{\mathrm{kU}}_s(U_{c}cos\mathrm{\δ}-{\mathrm{kU}}_s)}{X}\end{array}\right.---\left(1\right)$

根据上式(1)得到：

$P^2+{(Q+\frac{k^2{U}_s^2}{X})}^2={\left(\frac{{\mathrm{kU}}_s{U}_c}{X}\right)}^2---\left(2\right)$

式中，为换流器交流侧输出电压，M为调制比，其最大值为1，最小值取值为0.75；μ为直流电压利用率，表示换流器的拓扑结构与调制方式，若采用最近电平逼近调制或三角载波SPWM控制，则μ＝1/2，若采用空间矢量PWM即SVPWM控制时，则U_dc为直流电压；U_s为PCC点电压、X为联接变压器漏抗与等效桥臂电抗之和、δ为PCC点电压与换流器交流输出电压的相角差；

由式(2)即可确定由调制方式和交流系统电压波动确定的换流器运行区间，所述运行区间与工程容量需求确定的运行区间的交集即为结合调制方式和电压波动的换流器运行区间。

4.如权利要求1所述的柔性直流输电系统运行区间确定方法，其特征在于，步骤三用所述子模块电压波动影响因素确定换流器运行区间包括下述步骤：

A相上桥臂充电功率为：

p_a1＝u_a1·i_a1 (3)

忽略换流器的损耗，根据输入输出换流器的有功功率平衡作如下假设：

$\left\{\begin{array}{c}M=\frac{\sqrt{2}{U}_a}{U_{dc}/2}\\ k=\frac{\sqrt{2}{I}_a/2}{I_{dc}/3}\end{array}\right.,$ 且

式中，I_a为交流电流有效值，p_a1为A相上桥臂功率、u_a1为A相上桥臂端间电压、i_a1为A相上桥臂电流、为换流器交流出口处的功率因数角、U_a为换流器输出A相交流电压、ω为角频率、N为桥臂子模块数量、C₀为子模块电容值、U₀为子模块额定电压；式(3)写成如下式所示：

子模块电压的波动量Δu为：

$\mathrm{\Δ}u\≈\frac{\∫p_{a1}dt}{{\mathrm{NC}}_0{U}_0}---\left(6\right)$

子模块电压的波动比例ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}u}{U_0}=\frac{\∫p_{a1}dt}{{\mathrm{NC}}_0{U}_0^2}---\left(7\right)$

由式(7)得，子模块电压的波动系数与桥臂充电功率成正比，当p_a1为正时，给投入的子模块电容充电；p_a1为负时，投入的子模块电容放电；p_a1为0时，子模块电压波动达到最大值或者最小值；

若在工程设计中允许的子模块电压波动比例为ε₀，则由：

$\left|\mathrm{\ϵ}\right|=\left|\frac{\mathrm{\Δ}u}{U_0}\right|=\left|\frac{\∫p_{a1}dt}{{\mathrm{NC}}_0{U}_0^2}\right|\≤{\mathrm{\ϵ}}_0---\left(8\right)$

即可画出由子模块电压波动上限确定的功率运行范围；由子模块电压波动限制确定的运行区间与考虑调制方式和电压波动的换流器运行区间的交集即为换流器的运行区间。

5.如权利要求1所述的柔性直流输电系统运行区间确定方法，其特征在于，步骤四用所述交流系统强弱影响因素校核换流器运行区间包括：

设X_s为交流系统等值阻抗，U_E为等值交流系统电压，U_S为PCC点母线电压，则：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=\frac{U_E{U}_S{\mathrm{sin\δ}}_s}{X_s}\\ Q_s=\frac{U_S\left(U_E{\mathrm{cos\δ}}_s-U_S\right)}{X_s}\end{array}\right.---\left(9\right)$

理想运行条件下等值交流系统的电压U_E与PCC点电压U_S的幅值相同，当等值交流系统为弱电网时，PCC点电压U_S达不到要求的控制目标电压，此目标电压值近似等于U_E，此时需要换流器提供无功功率支撑；设PCC点的控制目标电压为mU_E，则需要换流器向交流系统提供的无功功率如下式所示：

$Q_m=\frac{{\mathrm{mU}}_E\left(U_{E}cos\right(arcsin\frac{P_s{X}_s}{{\mathrm{mU}}_E^2})-{\mathrm{mU}}_E)}{X_s}---\left(10\right)$

其中：P_s为等值交流系统输入PCC点的有功功率、Q_s为等值交流系统与PCC点交换的无功功率、δ_s为等值交流系统电压与PCC点电压的相位差、m为PCC点电压与等值交流系统电压幅值的比值、Q_m为保持PCC点电压为mU_E时需要换流器向交流系统提供的无功功率支撑量；

将式(10)得到的无功功率与换流器的运行区间进行比较，若Q_m值大于换流器的运行区间的最大无功功率值，则需要适当增加步骤一中的换流器额定容量S，并重复步骤一至步骤三，直至Q_m值小于运行区间中的最大无功功率值为止；由子模块电压波动限制确定的运行区间与考虑调制方式和电压波动的换流器运行区间的交集即为换流器的运行区间。

6.如权利要求1所述的柔性直流输电系统运行区间确定方法，其特征在于，所述方法适用于大于等于三端的多端系统中每一端的换流器的运行区间的确定。