CN108521139B - 一种频率电压协调控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种频率电压协调控制方法及装置，混合直流多端直流输电系统至少包括1个LCC换流器和2个MMC换流器。其中，整流侧LCC为12脉动换流器，采用定直流电压控制；逆变侧包括多个MMC换流器，采用定有功功率与定交流电压控制模式，或者采用定有功功率与定无功功率控制模式；针对受端电网频率波动和直流电压波动，通过在MMC控制器中引入频率下垂策略和电压下垂控制方法，即双下垂控制策略，保证具有调频能力的交流系统通过MMC进行功率支援，实现频率支撑和电压稳定；本发明提供的技术方案利用混合多端直流输电系统对受端弱电网频率和直流电压的快速高效协同调节，保证受端电网频率和直流侧电压的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种输配电技术领域，特别是关于一种混合多端直流输电系统频率电压协调控制方法及装置。
背景技术
在现代电力系统中，基于晶闸管器件和相控换流器的直流输电技术在电力远距离大功率输送方面具有显著技术优势。随着新能源发电并网和海上电力输送的需求增加，LCC-HVDC已不能满足需求，由此出现了新型的基于电压源型换流器的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)。该技术的特点是采用了全控型电力电子器件，但存在传送容量小、电压等级低等缺点。因此，继承了传统直流输电和柔性直流输电两者优点的混合直流输电系统被视为一种经济有效的直流输电方案，并逐渐成为目前全球能源输电网发展背景下的研究热点。
由于受端弱电网的装机容量有限，整个系统惯性小，频繁的负荷投切将导致受端交流系统频率的不稳定，需要通过调节直流系统的传输功率使交流系统频率维持在正常范围之内。当受端频率或系统电压发生偏差时，通过站间通信将信号传输给送端换流站的频率控制器，调节送端换流站输送的功率。由于传输信号的迟滞，影响系统的控制精度，此外对于瞬时负荷变化引起的频率瞬时跳变，送端频率、电压控制器无法及时作用，且频繁切换频率、电压控制器也会带来额外的设备损耗。
发明内容
为使输电交流系统在发生事故时具有相互功率支援的能力，本发明的目的是提供一种频率电压协调控制方法及装置，一方面可以让换流站对交流侧系统的频率和电压做出响应，另一方面保证所有具备功率调节能力的换流器都参与直流网络不平衡功率的调节，实现系统频率电压稳定控制。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种频率电压协调控制方法，其包括以下步骤：1)根据频率下垂控制和电压下垂控制原理，建立各换流站的有功功率偏差值表达式；2)基于功率守恒的原则，建立频率偏差和电压偏差的关系式，将频率偏差和电压偏差的关系式代入步骤1)中的有功功率偏差值表达式，得到各换流站有功功率偏差值转化为频率偏差单一变量控制的表达式；3)根据各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式判断换流站交流侧系统频率偏差和直流电压偏差是否分别小于预先设定的允许频率偏差和允许电压偏差，若两者均小于，则不需对各换流站的有功功率参考值进行调整；反之，则根据有功功率偏差值对各换流站的有功功率参考值进行调整。
进一步，所述步骤1)中，各换流站的有功功率偏差值表达式为：
式中，ΔPi为各换流站的有功功率偏差值，功率的正方向为直流侧流向交流侧；i＝1，2，...，N+1，分别代表LCC换流站、MMC1换流站、MMC2换流站...、MMCN换流站，N为MMC换流站的个数；Δui为换流站i直流侧电压的偏差值；Δfi为换流站i交流侧系统频率的偏差值；kui为换流站i直流侧电压偏差系数；kfi为换流站i交流侧系统频率偏差系数；MMC换流站为多电平换流站，LCC换流站为电网换相型换流站。
进一步，所述步骤2)中，各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式为：
式中，N大于等于3；kfj为MMC换流站j交流侧系统频率偏差系数；kuj为换流站j直流侧电压偏差系数；Δfj为换流站j交流侧系统频率的偏差值。
一种频率电压协调控制装置，其特征在于：该装置包括有功功率偏差值表达式建立模块、有功功率偏差值转换模块以及频率偏差和电压偏差判断模块；所述有功功率偏差值表达式建立模块用于根据频率下垂控制和电压下垂控制原理，建立各换流站的有功功率偏差值表达式；所述有功功率偏差值转换模块用于建立频率偏差和电压偏差的关系式，将频率偏差和电压偏差的关系式代入有功功率偏差值表达式，得到各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式；所述频率偏差和电压偏差判断模块根据各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式判断换流站交流侧系统频率偏差和直流电压偏差是否分别小于预先设定的允许频率偏差和允许电压偏差，若两者均小于，则不需对各换流站的有功功率参考值进行调整；反之，则根据有功功率偏差值对各换流站的有功功率参考值进行调整。
进一步，所述有功功率偏差值表达式为：
式中，ΔPi为各换流站的有功功率偏差值，功率的正方向为直流侧流向交流侧；i＝1，2，...，N+1，分别代表LCC换流站、MMC1换流站、MMC2换流站...、MMCN换流站，N为MMC换流站的个数；Δui为换流站i直流侧电压的偏差值；Δfi为换流站i交流侧系统频率的偏差值；kui为换流站i直流侧电压偏差系数；kfi为换流站i交流侧系统频率偏差系数；MMC换流站为多电平换流站，LCC换流站为电网换相型换流站。
进一步，所述各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式为：
式中，N大于等于3；kfj为MMC换流站j交流侧系统频率偏差系数；kuj为换流站j直流侧电压偏差系数；Δfj为换流站j交流侧系统频率的偏差值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明针对受端交流系统频率和直流电压波动的影响，建立考虑频率电压双下垂特性的协调控制策略；在系统频率或直流电压出现较为明显的偏差时，通过频率电压协调控制方法使多个换流站共同分担直流网络中的不平衡功率，从而保证受端交流系统频率和直流侧电压的稳定。在一端交流系统频率发生较大变化时，各交流系统可以通过直流系统相互进行功率支援，缓解事故端系统的有功不平衡状况，从而减小事故端交流系统的频率变化量和直流电压偏差，保证整个系统的有序运行。2、本发明能实现利用混合直流输电系统对受端弱电网频率的快速、高效协同调节功能，整个动态调节过程无需通信辅助，具有较快的响应特性。
附图说明
图1是本发明的整体流程示意图；
图2是本发明的混合多端直流输电系统拓扑图；
图3是本发明的直流电压—有功功率斜率控制特性；
图4是本发明的交流频率—有功功率斜率控制特性；
图5是本发明的MMC换流器控制框图。
具体实施方式
本发明考虑电压源型换流器控制方式的灵活性，提供一种适用于混合多端直流输电系统的频率电压协调控制方法。引入频率下垂和电压下垂控制方法，建立各换流站有功功率偏差值的表达式，进而对各换流站的有功功率参考值进行调整，无需站间通信即可降低受端系统频率和电压波动。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种频率电压协调控制方法，其包括以下步骤：
1)获取受端弱电网系统频率偏差绝对值|Δf|和直流电压绝对值|Δu|，根据频率下垂控制和电压下垂控制原理(如图2、图3所示)，并考虑各换流站间的耦合关系，建立各换流站的有功功率偏差值表达式；
式中，ΔPi为各换流站的有功功率偏差值，功率的正方向为直流侧流向交流侧；i＝1，2，...，N+1，分别代表LCC换流站、MMC1换流站、MMC2换流站...、MMCN换流站，N为MMC换流站的个数；Δui为MMC换流站i直流侧电压的偏差值；Δfi为MMC换流站i交流侧系统频率的偏差值；kui为MMC换流站i直流侧电压偏差系数；kfi为MMC换流站i交流侧系统频率偏差系数；MMC换流站为多电平换流站，LCC换流站为电网换相型换流站。
2)基于功率守恒的原则，建立频率偏差和电压偏差的关系式，将频率偏差和电压偏差的关系式代入步骤1)中的有功功率偏差值表达式，得到各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式；
忽略直流侧的电压损耗，则直流线路各节点的电压偏差均一致，即有：
Δui＝Δu
N+1个功率偏差表达式求和有：
根据功率守恒原则，有
故推得电压偏差Δui和频率偏差Δfi的关系式为：
式中，N大于等于3。
将上式代入步骤1)中的有功功率偏差值表达式，可推导出有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式如下：
式中，kfj为换流站j交流侧系统频率偏差系数；kuj为换流站j直流侧电压偏差系数；Δfj为换流站j交流侧系统频率的偏差值。
3)根据频率偏差表达式判断换流站交流侧系统频率偏差Δf和直流电压偏差Δu是否分别小于预先设定的允许频率偏差A和允许电压偏差B，若两者均不小于，则不需对各换流站的有功功率参考值进行调整；反之，则根据有功功率偏差值对各换流站的有功功率参考值进行调整：为使具有调频能力的交流系统可通过直流系统参与事故端系统的频率调整，在有功功率MMC控制中引入了频率电压双下垂控制特性，实现换流站对系统频率和直流电压偏差的及时响应，配合有功功率控制实现系统稳定运行，保证了具有调频能力的交流系统直流系统参与功率支援，缓解故障系统的有功不平衡状况，进而减小故障系统的频率变化量。
上述步骤3)中，由于MMC的有功、无功分量的控制方式基于d-q解耦策略实现，有功分量包括有功功率、直流电压等，无功分量包括无功功率、交流电压等。本发明中的MMC采用定有功功率与定交流电压控制模式，或者采用定有功功率与定无功功率控制模式。以定有功功率为例，该控制模块的输入量为系统的有功功率实际值和有功功率参考值。本发明通过理论推导获得有功功率偏差值公式，以此作为外环有功功率参考值的(输入)调整依据，进而实现双下垂控制，相应的控制框图如图5所示。由于目前已有多篇文献对MMC解耦控制控制策略进行了研究，故对其不再赘述。
综上所述，本发明采用了频率电压双下垂控制方法，无需站间通讯，也不需要控制模式的切换，所有具备功率调节能力换流站根据其所测得的频率偏差值及相应的表达式即可求得调整功率指令值，共同承担直流网络不平衡功率，应对较为明显的频率和电压波动。
实施例：
如图5所示，通过频率偏差和电压偏差对有功功率参考值进行修正，使得具有调频能力的交流系统可通过直流系统参与事故端系统的频率和电压调整，这种频率电压双下垂控制策略既实现了电压和频率之间的协调配合，又兼顾了各换流站之间不平衡功率的分配。结合MMC换流器的高度可控性和灵活性，实现了有效的频率支撑和电压稳定。
本发明还提供一种频率电压协调控制装置，其包括有功功率偏差值表达式建立模块、有功功率偏差值转换模块、频率偏差和电压偏差判断模块以及调整模块。
有功功率偏差值表达式建立模块用于根据频率下垂控制和电压下垂控制原理，建立各换流站的有功功率偏差值表达式；
有功功率偏差值转换模块用于将各换流站有功功率偏差值转化为频率偏差单一变量控制的表达式；
频率偏差和电压偏差判断模块用于判断换流站交流侧系统频率偏差Δf和直流电压偏差Δu是否分别小于预先设定的允许频率偏差和允许电压偏差，不小于则进入调整模块；
调整模块用于根据有功功率偏差值对各换流站的有功功率参考值进行调整。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、系统、和计算机程序产品的流程图和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和方框图中的每一流程和方框、以及流程图和方框图中的流程和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种频率电压协调控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据频率下垂控制和电压下垂控制原理，建立各换流站的有功功率偏差值表达式；
2)基于功率守恒的原则，建立频率偏差和电压偏差的关系式，将频率偏差和电压偏差的关系式代入步骤1)中的有功功率偏差值表达式，得到各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式；
3)根据各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式判断换流站交流侧系统频率偏差和直流电压偏差是否分别小于预先设定的允许频率偏差和允许电压偏差，若两者均小于，则不需对各换流站的有功功率参考值进行调整；反之，则根据有功功率偏差值对各换流站的有功功率参考值进行调整；
所述步骤1)中，各换流站的有功功率偏差值表达式为：
式中，ΔPi为各换流站的有功功率偏差值，功率的正方向为直流侧流向交流侧；i＝1，2，...，N+1，分别代表LCC换流站、MMC1换流站、MMC2换流站...、MMCN换流站，N为MMC换流站的个数；Δui为换流站i直流侧电压的偏差值；Δfi为换流站i交流侧系统频率的偏差值；kui为换流站i直流侧电压偏差系数；kfi为换流站i交流侧系统频率偏差系数；MMC换流站为多电平换流站，LCC换流站为电网换相型换流站。
2.如权利要求1所述控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式为：
式中，N大于等于3；kfj为换流站j交流侧系统频率偏差系数；kuj为换流站j直流侧电压偏差系数；Δfj为换流站j交流侧系统频率的偏差值。
3.一种频率电压协调控制装置，其特征在于：该装置包括有功功率偏差值表达式建立模块、有功功率偏差值转换模块以及频率偏差和电压偏差判断模块；
所述有功功率偏差值表达式建立模块用于根据频率下垂控制和电压下垂控制原理，建立各换流站的有功功率偏差值表达式；
所述有功功率偏差值转换模块用于建立频率偏差和电压偏差的关系式，将频率偏差和电压偏差的关系式代入有功功率偏差值表达式，得到各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式；
所述频率偏差和电压偏差判断模块根据各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式判断换流站交流侧系统频率偏差和直流电压偏差是否分别小于预先设定的允许频率偏差和允许电压偏差，若两者均小于，则不需对各换流站的有功功率参考值进行调整；反之，则根据有功功率偏差值对各换流站的有功功率参考值进行调整；
所述有功功率偏差值表达式为：
式中，ΔPi为各换流站的有功功率偏差值，功率的正方向为直流侧流向交流侧；i＝1，2，...，N+1，分别代表LCC换流站、MMC1换流站、MMC2换流站...、MMCN换流站，N为MMC换流站的个数；Δui为换流站i直流侧电压的偏差值；Δfi为换流站i交流侧系统频率的偏差值；kui为换流站i直流侧电压偏差系数；kfi为换流站i交流侧系统频率偏差系数；MMC换流站为多电平换流站，LCC换流站为电网换相型换流站。
4.如权利要求3所述控制装置，其特征在于：所述各换流站有功功率偏差值和频率偏差单一变量之间的表达式为：
式中，N大于等于3；kfj为换流站j交流侧系统频率偏差系数；kuj为换流站j直流侧电压偏差系数；Δfj为换流站j交流侧系统频率的偏差值。
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