CN106953369A - 一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法，实现了提升常规直流在故障后的有效短路比，降低常规直流因换相失败导致直流闭锁和停运的风险，同时兼顾受端交流电网(尤其是容量较小的受端电网)频率稳定和电压稳定的不同运行需求，确保多馈入系统安全可靠运行。

Description

一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法。

背景技术

与常规直流输电(Line-commutated Converterbased HVDC，LCC-HVDC)相比，基于电压源换流器的新一代柔性直流输电(Voltage Source Converter basedHVDC，VSC-HVDC)具有控制能力强、响应速度快、有功无功解耦输出等优点，且不受交流电网短路容量限制，适合向无源系统送点，并具备组成直流电网的条件，因此受到国内外的高度关注，成为电气工程领域的研究热点。

近年来，柔性直流输电技术在风电并网、无源系统独立供电、交流电网异步互联等领域获得成功应用。随着电力电子技术进一步发展，在我国受端负荷中心将形成常规直流和柔性直流混合多馈入的格局。研究常规直流与柔性直流之间的交互作用机理，利用柔性直流控制能力强的特点提高常规直流馈入系统稳定性具有重要的意义。

国内外学者对单馈入直流系统和多馈入直流系统的特性开展了大量的研究，然而这些研究大多针对常规直流，计及柔性直流影响的研究尚处于起步阶段。有文献在VSC-HVDC运行点附近近似估算其等效阻抗，参与系统阻抗阵计算并评估柔性直流接入后对有效短路比的影响，该方法在稳态运行点附近适用，难以推广到电网发生扰动后的情况。另有文献提出一种视在有效短路比增量的概念，通过计算与混合双馈入系统具有相同最大传输功率的常规直流独立馈入系统的有效短路比，计算得到柔性直流的视在短路比增量，该方法的数值计算量太大，难以用于实际电网控制。在频率控制方面，现有的方法主要在柔性直流逆变站的功率指令上叠加一个与馈入电网频率波动成比例的功率增加，调节馈入电网的频率。在电压稳定控制方面，现有方法主要考虑柔性直流对器馈入点电压的反馈调节，输出动态无功功率调整电压。现有方法的不足主要有两点：首先，现有方法往往只针对频率稳定或电压稳定一种稳定问题，未能将频率稳定和电压稳定两种控制目标协调起来，而在受端交流电网容量较小的情况下，上述两种稳定问题往往交织出现；其次，现有方法没有考虑柔性直流与并列馈入的常规直流之间的交互影响，研究表明在多馈入直流系统中，受端交流电网故障后常规直流发生换相失败乃至闭锁是引起电网崩溃的主要风险，而利用柔性直流有功无功快速解耦控制的特点，有可能提高常规直流的有效短路比，降低换相失败的风险，然而目前尚未有相关的控制方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法，实现提升常规直流在故障后的有效短路比，降低常规直流因换相失败导致直流闭锁和停运的风险，同时兼顾受端交流电网(尤其是容量较小的受端电网)频率稳定和电压稳定的不同运行需求，确保多馈入系统安全可靠运行。

本发明实施例提供的一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法，包括：

S1：在包含常规直流和柔性直流的受端电网系统中，通过电网拓扑结构和直流容量，计算所述柔性直流对不同馈入点的常规直流的短路比提升系数，获取短路比提升系数满足预定条件的常规直流的集合，获取所述常规直流的集合内的受端交流电网节点的电压最小值；

S2：通过所述电压最小值和预定的节点额定电压值、低电压阈值、过电压阈值、低周阈值、高周阈值获取所述柔性直流的控制模式的电压-频率条件坐标图，获取与所述控制模式对应的功率指令；

S3：获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将所述功率指令发送至对应的所述柔性直流逆变站，所述柔性直流逆变站通过所述功率指令通过底层控制输出对应功率。

优选地，所述柔性直流的控制模式包括稳态运行模式、动态调压模式、频率控制模式、提升短路比控制模式和暂态故障控制模式。

本发明实施例中提供的一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制装置，包括：

第一获取单元，用于在包含常规直流和柔性直流的受端电网系统中，通过电网拓扑结构和直流容量，计算所述柔性直流对不同馈入点的常规直流的短路比提升系数，获取短路比提升系数满足预定条件的常规直流的集合，获取所述常规直流的集合内的受端交流电网节点的电压最小值；

第二获取单元，用于通过所述电压最小值和预定的节点额定电压值、低电压阈值、过电压阈值、低周阈值、高周阈值获取所述柔性直流的控制模式的电压-频率条件坐标图，获取与所述控制模式对应的功率指令；

输出单元，用于通过获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将所述功率指令发送至对应的所述柔性直流逆变站，所述柔性直流逆变站通过所述功率指令通过底层控制输出对应功率。

优选地，所述柔性直流的控制模式包括稳态运行模式、动态调压模式、频率控制模式、提升短路比控制模式和暂态故障控制模式。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中提供的一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法包括：S1：在包含常规直流和柔性直流的受端电网系统中，通过电网拓扑结构和直流容量，计算所述柔性直流对不同馈入点的常规直流的短路比提升系数，获取短路比提升系数满足预定条件的常规直流的集合，获取所述常规直流的集合内的受端交流电网节点的电压最小值；S2：通过所述电压最小值和预定的节点额定电压值、低电压阈值、过电压阈值、低周阈值、高周阈值获取所述柔性直流的控制模式的电压-频率条件坐标图，获取与所述控制模式对应的功率指令；S3：获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将所述功率指令发送至对应的所述柔性直流逆变站，所述柔性直流逆变站通过所述功率指令通过底层控制输出对应功率。本实施例中，通过馈入同一交流电网常规直流和柔性直流之间的交互作用机理，同时还从频率稳定和电压稳定不同角度分析了受端交流电网稳定运行的需求，实现提升常规直流在故障后的有效短路比，降低常规直流因换相失败导致直流闭锁和停运的风险，同时兼顾受端交流电网(尤其是容量较小的受端电网)频率稳定和电压稳定的不同运行需求，确保多馈入系统安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1本发明实施例中提供的一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法的一个实施例的流程示意图；

图2本发明实施例中提供的一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制装置的一个实施例的结构示意图；

图3本发明实施例中提供的一种含有常规直流和柔性直流的混合多馈入直流受端电网拓扑示意图；

图4本发明实施例中提供的一种控制方法总体结构框图；

图5本发明实施例中提供的一种柔性直流逆变站控制模式管理分区示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法，实现了提升常规直流在故障后的有效短路比，降低常规直流因换相失败导致直流闭锁和停运的风险，同时兼顾受端交流电网(尤其是容量较小的受端电网)频率稳定和电压稳定的不同运行需求，确保多馈入系统安全可靠运行。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中提供的一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法的一个实施例包括：

101、在包含常规直流和柔性直流的受端电网系统中，通过电网拓扑结构和直流容量，计算所述柔性直流对不同馈入点的常规直流的短路比提升系数，获取短路比提升系数满足预定条件的常规直流的集合，获取所述常规直流的集合内的受端交流电网节点的电压最小值；

(1)列写受端交流电网电路方程。如图3所示，假设受端电网包含N个节点，各个节点的电压组成电压矢量V，各个节点的注入电流组成电流矢量I，根据电路分析方法列写其电路方程为V＝ZI，其中Z为网络阻抗矩阵，阻抗矩阵中第i行第j列元素Z_ij代表第i和第j个节点之间的互阻抗，元素Z_ii代表第i个节点的自阻抗。

(2)假设馈入受端交流电网的常规直流回数为K，各回常规直流的额定容量分别为{P_dc1,P_dc2,...,P_dcK}，各回常规直流馈入节点分别为母线1～母线K。馈入受端交流电网的柔性直流回数为M，对于任意一回柔性直流，记其馈入受端交流电网的节点号为i，计算其对常规直流的短路比提升系数，计算方法如下：

式中R_{SCR_ij}表示第i回柔性直流对第j回常规直流的短路比提升系数，P_dcj表示馈入第j个节点的常规直流额定功率。

(3)为描述方便，以下仅描述第i回柔性直流逆变站所采用的控制方法，其它回柔性直流逆变站控制方法相同。

(4)确定第i回柔性直流应该参与哪些常规直流的提升短路比控制，依据如下：根据第(2)步计算的R_{SCR_ij}(j＝1,2,...,K)，分别判断，若R_{SCR_ij}≥R_th，则第i回柔性直流参与该回常规直流的提升短路比控制，若R_{SCR_ij}＜R_th，则第i回柔性直流不参与该回常规直流的提升短路比控制，R_th为预设的阈值，通常可取R_th＝0.001MW^-1。通过以上判断，形成第i回直流参与提升短路比控制的常规直流集合SET_i＝{j|j∈{1,2,...,K}且R_{SCR_ij}≥R_th}。

(5)测量K回常规直流馈入节点的电压V_j,j∈{1,2,...,K}，测量M回柔性直流馈入节点的电压V_j,j∈{K+1,K+2,...,K+M}，测量M回柔性直流馈入节点的频率f_j,j∈{K+1,K+2,...,K+M}。

(6)稳态时，第i回柔性直流逆变站的有功功率指令为P_{ref_S}，其值为保证受端电网功率平衡所需，通常由电网调度系统设定。

(7)计算频率控制所需的有功功率指令P_{ref_F}，其计算方法如下：额定频率f_n(通常为50Hz)与第i个母线的频率测量值f_{mes_i}相减，其差值经过比例惯性环节K₁/(1+sT₁)得到调频所需的功率增益ΔP_ref，ΔP_ref与稳态时的有功功率指令P_{ref_S}相加，再经过限幅器得到频率控制所需的有功功率指令P_{ref_F}。限幅器的上限为第i回柔性直流的额定有功功率P_e，限幅器的下限为-P_e。

(8)计算动态调压所需的无功供指令Q_{ref_V}，其计算方法如下：额定电压V_n(通常为额定电压)与第i个母线的电压测量值V_{mes_i}相减，其差值经过带限幅的比例惯性环节K₂/(1+sT₂)后得到动态调压所需的无功功率指令Q_{ref_V}。限幅器的上限值其中P_e为第i回柔性直流的额定有功功率，P_{ref_S}为第(6)步设定的稳态有功功率指令值。限幅器的下限值Q_min＝-Q_max。

(9)计算提升短路比控制所需的无功功率指令Q_{ref_T}，Q_{ref_T}＝Q_e，Q_e为第i回柔性直流的容性额定无功功率。

(10)根据步骤(5)得到的测量量，按照图5所示的分区原则，管理柔性直流逆变侧的控制模式，其方法如下：

(10.1)在步骤(4)中计算得到了第i回直流参与提升短路比控制的常规直流集合SET_i＝{j|j∈{1,2,...,K}且R_{SCR_ij}≥R_th}，计算属于该集合内的受端交流电网节点电压的最小值，即V_{SET_min}＝minV_j,j∈{j|j∈{1,2,...,K}且R_{SCR_ij}≥R_th}。

102、通过所述电压最小值和预定的节点额定电压值、低电压阈值、过电压阈值、低周阈值、高周阈值获取所述柔性直流的控制模式的电压-频率条件坐标图，获取与所述控制模式对应的功率指令；

(10.2)设定电压调节阈值V_L和V_H，V_L为低电压阈值，通常为0.9V_n，其中V_n为节点额定电压，V_H为过电压阈值，通常为1.05V_n。设定频率调节的阈值f_L和f_H，f_L为低周阈值，通常为49.5Hz，f_H为高周阈值，通常为50.5Hz。根据第i回柔性直流馈入点的电压测量值V_{mes_i}、频率测量值f_{mes_i}，以及V_{SET_min}判断柔性直流应该进入的控制模式，其原则如下：

(10.2.1)若同时满足V_{SET_min}≥V_L，f_L≤f_{mes_i}≤f_H，V_L≤V_{mes_i}≤V_H，即图5中的1区模式，该模式为稳态运行模式，发送给第i回柔性直流逆变站的功率指令P_ref＝P_{ref_S}，Q_ref＝0；

(10.2.2)若同时满足V_{SET_min}≥V_L，f_L≤f_{mes_i}≤f_H，V_{mes_i}＞V_H，即图5中的3区模式，该模式为动态调压模式，发送给第i回柔性直流逆变站的功率指令P_ref＝P_{ref_S}，Q_ref＝Q_{ref_V}；

(10.2.3)若同时满足V_{SET_min}≥V_L，f_L≤f_{mes_i}≤f_H，V_{mes_i}＜V_L，该模式为动态调压模式，发送给第i回柔性直流逆变站的功率指令P_ref＝P_{ref_S}，Q_ref＝Q_{ref_V}；

(10.2.4)若同时满足V_{SET_min}≥V_L，f_{mes_i}＜f_L，或者同时满足V_{SET_min}≥V_L，f_{mes_i}＞f_H，即图5中的2区模式，该模式为频率控制模式，发送给第i回柔性直流逆变站的功率指令P_ref＝P_{ref_F}，Q_ref＝0；

(10.2.4)若同时满足V_{SET_min}＜V_L，f_L≤f_{mes_i}≤f_H，即图5中的5区模式，该模式为提升短路比控制模式，发送给第i回柔性直流逆变站的功率指令P_ref＝0，Q_ref＝Q_{ref_T}；

(10.2.4)若同时满足V_{SET_min}＜V_L，f_{mes_i}＜f_L，或者同时满足V_{SET_min}＜V_L，f_{mes_i}＞f_H，即图5中的4区模式，该模式为暂态故障控制模式，该模式下，T时刻前发送给第i回柔性直流逆变站的功率指令P_ref＝0，Q_ref＝Q_{ref_T}，T时刻后发送给第i回柔性直流逆变站的功率指令P_ref＝P_{ref_F}，Q_ref＝Q_{ref_V}。

103、获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将所述功率指令发送至对应的所述柔性直流逆变站，所述柔性直流逆变站通过所述功率指令通过底层控制输出对应功率。

(11)获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将步骤(10)根据不同模式计算出来的功率指令P_ref，Q_ref发送给第i回柔性直流逆变站，由逆变站经底层控制输出相应的功率。

本实施例中，如图4所示，在一个包含常规直流和柔性直流的受端电网，根据电网拓扑结构和直流容量，定量计算柔性直流对不同馈入点的常规直流短路比提升系数，提取其中提升比系数较大的常规直流作为柔性直流提升短路比的对象；测量受端交流电网各个直流馈入点的电压和频率值，根据这些电压和频率在电压-频率平面中所处的位置，动态划分柔性直流逆变站的控制模式，为了兼顾受端电网频率稳定和电压稳定的需求，将柔性直流逆变站的运行模式划分成稳态运行、动态调压、频率控制、提升短路比控制以及暂态故障控制5个运行区；在每个运行区，分别设计了满足受端电网频率稳定、电压稳定的控制策略，计算出不同控制模式下的有功无功指令，发送给柔性直流逆变站，实现了柔性直流换流站输出的功率兼顾稳态运行、频率稳定、电压稳定等不同的运行需求，应用于较弱的受端交流电网时，在电网发生故障后，可以有效提升常规直流的有效短路比，降低常规直流发生换相失败和闭锁的风险，同时提高受端交流电网频率稳定性。

请参阅图2，本发明实施例中提供的一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制装置的一个实施例包括：

第一获取单元201，用于在包含常规直流和柔性直流的受端电网系统中，通过电网拓扑结构和直流容量，计算所述柔性直流对不同馈入点的常规直流的短路比提升系数，获取短路比提升系数满足预定条件的常规直流的集合，获取所述常规直流的集合内的受端交流电网节点的电压最小值；

第二获取单元202，用于通过所述电压最小值和预定的节点额定电压值、低电压阈值、过电压阈值、低周阈值、高周阈值获取所述柔性直流的控制模式的电压-频率条件坐标图，获取与所述控制模式对应的功率指令；

输出单元203，用于通过获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将所述功率指令发送至对应的所述柔性直流逆变站，所述柔性直流逆变站通过所述功率指令通过底层控制输出对应功率。

进一步地，所述柔性直流的控制模式包括稳态运行模式、动态调压模式、频率控制模式、提升短路比控制模式和暂态故障控制模式。

本实施例中，混合多馈入直流系统指的是包含有至少一回常规直流和至少一回柔性直流共同馈入的受端电网系统。对于柔性直流而言，通常送端为整流站，工作在定直流电压模式，受端为逆变站，本实施例适用于柔性直流的逆变站，通过第一获取单元201、第二获取单元202、输出单元203提升常规直流在故障后的有效短路比，降低常规直流因换相失败导致直流闭锁和停运的风险，同时兼顾受端交流电网(尤其是容量较小的受端电网)频率稳定和电压稳定的不同运行需求，确保多馈入系统安全可靠运行。本实施例主要针对含常规直流和柔性直流的混合多馈入系统，也可以推广到多端柔性直流背靠背系统。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法，其特征在于，包括：

S1：在包含常规直流和柔性直流的受端电网系统中，通过电网拓扑结构和直流容量，计算所述柔性直流对不同馈入点的常规直流的短路比提升系数，获取短路比提升系数满足预定条件的常规直流的集合，获取所述常规直流的集合内的受端交流电网节点的电压最小值；

S2：通过所述电压最小值和预定的节点额定电压值、低电压阈值、过电压阈值、低周阈值、高周阈值获取所述柔性直流的控制模式的电压-频率条件坐标图，获取与所述控制模式对应的功率指令；

S3：获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将所述功率指令发送至对应的所述柔性直流逆变站，所述柔性直流逆变站通过所述功率指令通过底层控制输出对应功率。

2.根据权利要求1所述的用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制方法，其特征在于，所述柔性直流的控制模式包括稳态运行模式、动态调压模式、频率控制模式、提升短路比控制模式和暂态故障控制模式。

3.一种用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于在包含常规直流和柔性直流的受端电网系统中，通过电网拓扑结构和直流容量，计算所述柔性直流对不同馈入点的常规直流的短路比提升系数，获取短路比提升系数满足预定条件的常规直流的集合，获取所述常规直流的集合内的受端交流电网节点的电压最小值；

第二获取单元，用于通过所述电压最小值和预定的节点额定电压值、低电压阈值、过电压阈值、低周阈值、高周阈值获取所述柔性直流的控制模式的电压-频率条件坐标图，获取与所述控制模式对应的功率指令；

输出单元，用于通过获取所述柔性直流馈入点的电压值和频率值，通过所述柔性直流馈入点的电压值和频率值和所述电压-频率坐标图确定所述柔性直流的控制模式，将所述功率指令发送至对应的所述柔性直流逆变站，所述柔性直流逆变站通过所述功率指令通过底层控制输出对应功率。

4.根据权利要求3所述的用于混合多馈入直流系统柔性直流逆变站的控制装置，其特征在于，所述柔性直流的控制模式包括稳态运行模式、动态调压模式、频率控制模式、提升短路比控制模式和暂态故障控制模式。