CN108199401B - 一种真双极柔性直流输电系统的站级控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对真双极系统的站级控制策略，换流站正、负两极换流器独立控制、运行，提高直流输电系统灵活性和可靠性，彻底解决原有系统中换流站与无源网络或孤岛新能源交流网络相连时失去有功功率调节能力、换流站与有源交流网络相连时正、负极电网间潮流不可调等问题。换流站与无源网络相连时，具有调节正、负极直流线路功率的能力；换流站与孤岛新能源交流网络相连时，具有调节正、负极直流线路功率的能力；换流站与有源交流网络相连时，通过换流站调节正、负极电网间潮流。

Description

一种真双极柔性直流输电系统的站级控制方法

技术领域

本发明属于直流输电技术领域，涉及一种用于真双极柔性直流输电系统换流站的控制方法。

背景技术

随着柔性直流输电系统向更高电压等级、更大输电容量、多端化和网络化发展，灵活可靠的真双极系统结构将拥有广阔的应用前景。现有真双极换流站两换流器采用对称式的控制策略，即采用完全相同的控制策略，这会带来很多问题。具体的说：

真双极换流站与孤岛新能源电网或无源交流电网相连时，需要换流器为交流网络提供稳定的交流电压。现有控制方法中，真双极换流站的正、负极换流器均采用恒交流电压幅值频率控制策略。该控制策略下，无法实现对交直流电网公共耦合点(PCC点)的有功、无功独立控制，且交流电网流入换流站直流侧正、负极输电线路的功率分配不可控，输电系统灵活性低。

真双极换流站与有源交流网络相连时，由交流网络提供稳定的交流电压，可对换流站采用有功无功解耦控制策略，现有控制方法中，对换流站正、负极换流器均给定同一类型控制量及其控制目标参考数值。该控制策略下，交流电网流入换流站直流侧正、负极输电线路的功率大小和方向一致，正、负极电网间功潮流不可调，没有充分发挥真双极换流站的结构优势，输电系统灵活性低。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种对真双极系统的站级控制策略，换流站正、负两极换流器独立控制、运行，提高了换流站级控制策略的灵活性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，包括如下步骤：

同一换流站内正、负两极换流器独立控制，并采用如下策略中的一种：

策略一：

同一换流站内正、负两极换流器均采用有功-无功解耦控制策略，两极换流器的有功-无功控制量分别独立受控，且控制量的种类和目标参考数值能够独立调节；

策略二：

同一换流站内其中一极换流器采用恒交流电压幅值/频率控制策略，另一极换流器采用有功-无功解耦控制策略。

进一步的，所述策略一中，其中一极换流器的有功-无功控制量能够有一种以上与另一极换流器受控的有功-无功控制量种类不同。

进一步的，所述策略一中，当其中一极换流器的有功-无功控制量在一种以上与另一极换流器受控的有功-无功控制量种类相同时，针对该相同种类的有功-无功控制量，两极换流器能够采用不同的控制量目标参考数值。

进一步的，所述有功控制量包括定有功功率量、定直流电压量；所述无功控制量包括定无功功率量、定交流功率电压量。

进一步的，当换流站与有源交流网络相连时，有源交流电网能够提供稳定的交流电压，采用所述策略一。

进一步的，当采用策略一时：

换流站某一极换流器的有功控制量取定直流电压控制，另一极换流器的有功控制量取定有功功率控制，通过修改有功功率控制参考值实现在控制一极直流网络直流电压的同时，调节交流网络注入另一极直流网络的潮流；

或

双极换流器有功控制均采用定有功功率控制，对双极换流器取不同的有功功率参考值，在不影响交流系统潮流的前提下，动态调节换流站流入双极直流系统的潮流方向和大小；

或

双极换流器有功控制均采用定直流电压控制，能够主动独立调整双极网络直流电压。

进一步的，当换流站与孤岛新能源电网或无源交流电网相连时，采用所述策略二。

进一步的，当采用策略二时：

当换流站与孤岛新能源交流网络相连时，通过修改采用定有功功率控制的换流器的有功功率参考值，主动动态调节与换流站相连正、负极直流线路潮流分布；

当换流站与无源交流电网相连时，通过修改采用定有功功率控制的换流器的有功功率参考值，主动动态调节与换流站相连正、负极直流线路潮流分布。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

提高直流输电系统灵活性和可靠性，彻底解决原有系统中换流站与无源网络或孤岛新能源交流网络相连时失去有功功率调节能力、换流站与有源交流网络相连时正、负极电网间功潮流不可调等问题。换流站与无源网络相连时，具有调节正、负极直流线路功率的能力；换流站与孤岛新能源交流网络相连时，具有调节正、负极直流线路功率的能力；换流站与有源交流网络相连时，通过换流站调节正、负极电网间潮流。

附图说明

图1为本发明方法实施架构图。

图2为策略一实施架构图。

图3为策略二实施架构图，其中正极换流器采用恒交流电压幅值/频率控制策略，负极采用有功-无功解耦控制策略。

图4为策略二实施架构图，其中负极换流器采用恒交流电压幅值/频率控制策略，正极采用有功-无功解耦控制策略。

图5为对比例和实施例中三端柔性直流输电网络拓扑结构。

图6为对比例和实施例中故障后三端柔性直流输电网络拓扑结构。

图7为对比例中各端换流站交流侧有功功率。

图8为对比例中多端直流网络有功潮流。

图9为对比例中正、负极直流电网的直流电压。

图10为实施例中各端换流站交流侧有功功率。

图11为实施例中多端直流网络有功潮流。

图12为实施例中正、负极直流电网的直流电压。

附图标记说明：

P12p：正极直流电网中T1向T2端传输的有功功率；

P13p：正极直流电网中T1向T3端传输的有功功率；

P23p：正极直流电网中T2向T3端传输的有功功率；

P12n：负极直流电网中T1向T2端传输的有功功率；

P13n：负极直流电网中T1向T3端传输的有功功率；

P23n：负极直流电网中T2向T3端传输的有功功率；

Udcp：正极直流电压，Udcn：负极直流电压。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

在真双极柔性直流输电系统站级控制中，采用本发明提出的站级控制策略。在真双极柔性换流站正、负极换流器独立运行的基础上，针对几种常见电网类型，本发明主要提出了两种类型的控制策略：

策略一：

真双极换流站正、负双极换流器可均采用有功-无功解耦控制原理的控制策略。其中有功控制包括定有功功率和定直流电压两种情况；无功控制包括定无功功率和定交流功率电压两种情况。

在该策略下，双极换流器采用同一控制策略，但可分别受控于不同的有功-无功控制量，如图2所示，真双极换流站的两极换流器的有功控制量可以取定有功功率量或定直流电压量其中一种，无功控制量可以取定无功功率量和定交流电压量其中一种。

这会出现如下几种情况：

两极换流器有功控制量不相同(控制量不相同指的是控制量的类型不同，并不对控制量的具体数值进行限制)，例如正极换流器有功控制量取定有功功率量，而负极换流器有功控制量取定直流电压量；或是相反。

两极换流器有功控制量相同(控制量相同指的是控制量的类型相同，并不对控制量的具体数值进行限制)，例如正极换流器和负极换流器的有功控制量都取定有功功率量，或是正极换流器和负极换流器的有功控制量都取定直流电压量。

两极换流器无功控制量不相同，例如正极换流器无功控制量取定无功功率量，而负极换流器无功控制量取定交流电压量；或是相反。

两极换流器无功控制量相同，例如正极换流器和负极换流器的无功控制量都取定无功功率量，或是正极换流器和负极换流器的无功控制量都取定交流电压量。

由于两极换流器均有有功控制量和无功控制量，以上四种情况还可任意组合，例如：两极换流器有功控制量不相同且无功控制量不相同，两极换流器有功控制量不相同且无功控制量相同，两极换流器有功控制量相同且无功控制量不相同，两极换流器有功控制量相同且无功控制量相同，组合多样，控制灵活。

当两极换流器中有任一有功控制量或无功控制量相同时(有功控制量相同和/或无功控制量相同)，针对该控制量还可采用不同的控制量目标参考数值，从而能够达到不同的控制目标。

此种策略适合于换流站与有源交流网络相连场景，有源交流电网可以提供稳定的交流电压，可根据需求分别实现下列功能：

调节一极网络直流电压并调节换流站流入另一极网络潮流大小及方向。实现方式为设置换流站某一极换流器的有功控制量取定直流电压控制，另一极换流器的有功控制量取定有功功率控制，通过修改有功功率控制参考值实现在控制一极直流网络直流电压的同时，调节交流网络注入另一极直流网络的潮流。

调节双极直流电网间潮流。此时双极换流器有功控制均采用定有功功率控制，对双极换流器取不同的有功功率参考值，可在不影响交流系统潮流的前提下，动态调节换流站流入双极直流系统的潮流方向和大小。

主动独立调整双极网络直流电压。此时双极换流器有功控制均采用定直流电压控制。

策略二：

对真双极换流站某一极换流器采用恒交流电压幅值/频率控制策略，另一极换流器采用有功-无功解耦控制原理的控制策略。有功控制包括定有功功率和定直流电压两种情况；无功控制包括定无功功率和定交流电压两种情况。如图可以有如下几种组合方式：

正极换流器采用恒交流电压幅值/频率控制策略，负极采用有功-无功解耦控制策略

或

负极换流器采用恒交流电压幅值/频率控制策略，正极采用有功-无功解耦控制策略

当有任意一极采用有功-无功解耦控制策略时，如图3、图4所示，其有功控制量和无功控制量可在有功控制量类型和无功控制量类型中任意选择，可有多种组合。

此种策略适合于换流站与孤岛新能源电网或无源交流电网相连场景。

当换流站与孤岛新能源电网相连时，保持交流母线电压幅值/频率稳定，并调节正、负极直流线路潮流分布。具体的说，换流站与孤岛新能源交流网络相连时，采用策略二，通过修改采用定有功功率控制的换流器的有功功率参考值，调节与换流站相连正、负极直流线路潮流分布。

当换流站与无源交流电网相连时，保持交流母线电压幅值/频率稳定，并调节正、负极直流线路潮流分布。具体的说，当换流站与无源交流网络相连时，交流网络消纳的功率实时可知，采用策略二，通过修改采用定有功功率控制的换流器的有功功率参考值，调节与换流站相连正、负极直流线路潮流分布。

以下以对比例和实施例进行对比，来进一步说明本发明优越性。

测试环境：在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立如图5所示的三端柔性直流输电系统，换流站1与风场相连，换流站2、3分别于交流电网相连，各换流站均采用真双极结构。系统初始运行工况为：风场风速：13m/s；风场端出力：P_F＝2200MW；仿真3s后系统进入稳定状态。

对比例：

模拟了采用VSC-HVDC用于风电场接入的传统控制方式，即与风电厂相连的换流站中正、负极换流器均采用幅相控制策略，另外两端与交流电网相连的换流站中正、负极换流器均采用有功/无功解耦控制策略，各端正、负极换流器的具体控制方式如表1所示。

表1

系统在仿真的第6s时刻，换流站3(T3)的正极换流器(GSVSC3⁺)因故障而退出运行，退出运行后的三端系统的拓扑结构如图6所示。

仿真得到曲线如图7、图8、图9所示。

从仿真曲线可以看出，当传统的VSC-HVDC换流站控制策略接入孤岛风电场之后，当多端直流网络中发生单极换流器因故障而退出运行时，由于换流站中的正、负极换流器均采用单一的幅相控制策略，在任何运行工况下，有功功率都只能在正、负极直流电网中平均分配，而无法进行主动的功率调整。在本算例中，仿真到6s时刻之后，正极直流电网中正极换流器GSVSC3⁺因故障而退出运行后，由于负责孤岛风场接入的T1换流站采用单一的幅相控制策略，有功功率都只能在正、负极直流电网中平均分配，造成正极直流网络有功消纳不足，出现功率过剩，最终引起图9所示的正极直流电压越限(超过700kV)，超过允许的最大允许直流过电压值(650kV)，这将造成正极直流电网的过电压保护动作，进而引起更大的稳定性问题。

实施例：

本实施例模拟了用于接入孤岛风电场的VSC-HVDC换流站采用专利所提的混合控制策略，即与风电厂相连的换流站中正极换流器采用有功/无功解耦控制策略，负极换流器采用幅相控制策略。为与对比例具备可比性，与对比例相同的，另外两端与交流电网相连的换流站中正、负极换流器仍然均采用有功/无功解耦控制策略，各端正、负极换流器的具体控制方式如表2所示。

表2

仿真场景与对比例相同的，系统在仿真的第6s时刻，换流站3(T3)的正极换流器(GSVSC3⁺)因故障而退出运行，退出运行后的三端系统的拓扑结构如图6所示。由于换流站1正、负极换流器采用专利所提的混合控制策略，在仿真6s故障发生后，换流站1(T1)的正极换流器(WFVSC1⁺)的定有功功率参考值受控由P*＝1000MW变为P*＝600MW。仿真得到曲线如图10、11、12所示.

从仿真曲线可以看出，与传统的VSC-HVDC换流站控制策略接入孤岛风电场所不同的，当用于接入孤岛风场的T1端换流站采用混合控制策略后，可以实现在任何运行工况下，有功功率在正、负极直流电网中主动的分配调整有功功率。在本算例中，仿真到6s时刻之后，正极直流电网中正极换流器GSVSC3⁺因故障而退出运行后，可以通过控制调整T1换流站的正极换流器(WFVSC1⁺)的定有功功率参考(由P*＝1000MW调整为P*＝600MW)，从而减少正极直流电网中过剩的有功功率值，而与T1相连的孤岛风场的剩余功率输出量则通过T1换流站的负极换流器WFVSC1^-进行消纳，从而避免了由于正极直流网络有功消纳不足，最终引起正极直流电压越限的情况。从图12也不难看出，采用了专利混合控制策略后，正、负极直流电压都小于600kV，并不会引起直流电压越限的情况。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

同一换流站内正、负两极换流器独立控制，并采用如下策略中的一种：

策略一：

同一换流站内正、负两极换流器均采用有功-无功解耦控制策略，两极换流器的有功-无功控制量分别独立受控，且控制量的种类和目标参考数值能够独立调节；其中一极换流器的有功-无功控制量能够有一种以上与另一极换流器受控的有功-无功控制量种类不同；

策略二：

同一换流站内其中一极换流器采用恒交流电压幅值/频率控制策略，另一极换流器采用有功-无功解耦控制策略。

2.根据权利要求1所述的基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，其特征在于：所述策略一中，当其中一极换流器的有功-无功控制量有一种以上与另一极换流器受控的有功-无功控制量种类相同时，针对相同种类的有功-无功控制量，两极换流器能够采用不同的控制量目标参考数值。

3.根据权利要求1所述的基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，其特征在于：所述有功控制量包括定有功功率量、定直流电压量；所述无功控制量包括定无功功率量、定交流电压量。

4.根据权利要求1所述的基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，其特征在于：当换流站与有源交流网络相连时，有源交流电网能够提供稳定的交流电压，采用所述策略一。

5.根据权利要求4所述的基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，其特征在于：当采用策略一时：

换流站某一极换流器的有功控制量取定直流电压控制，另一极换流器的有功控制量取定有功功率控制，通过修改有功功率控制参考值实现在控制一极直流网络直流电压的同时，调节交流网络注入另一极直流网络的潮流；

或

双极换流器有功控制均采用定有功功率控制，对双极换流器取不同的有功功率参考值，在不影响交流系统潮流的前提下，动态调节换流站流入双极直流系统的潮流方向和大小；

或

双极换流器有功控制均采用定直流电压控制，能够主动独立调整双极网络直流电压。

6.根据权利要求1所述的基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，其特征在于：当换流站与孤岛新能源电网或无源交流电网相连时，采用所述策略二。

7.根据权利要求6所述的基于真双极柔性直流输电系统的站级控制方法，其特征在于：当采用策略二时：

当换流站与孤岛新能源交流网络相连时，通过修改采用定有功功率控制的换流器的有功功率参考值，主动动态调节与换流站相连正、负极直流线路潮流分布；

当换流站与无源交流电网相连时，通过修改采用定有功功率控制的换流器的有功功率参考值，主动动态调节与换流站相连正、负极直流线路潮流分布。