CN108667063A - 接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制方法及装置，其包括：采集有功功率测量值、交流电流测量值、无功功率测量值以及换流站交流母线电压测量值；将换流站交流母线电压测量值以及交流电流测量值从abc坐标系变换到dq0坐标系；实时升降流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值，以及流入到正极换流单元交流电流q轴分量的参考值；实时升降正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值，以及正极换流单元输出交流电压的q轴分量的参考值；实时升降正极换流单元输出交流电压的相位参考值；根据正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值、q轴分量的参考值及相位参考值，实时生成正极换流单元输出交流电压。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，特别是关于一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制方法及装置。
背景技术
新能源电场故障穿越能力弱且出力波动性强，接入柔直换流站可实现送端与受端的解耦，减小新能源电场与交流系统的相互影响。进一步，当新能源电场以孤岛方式接入柔直换流站时，不仅可避免交流电网建设带来的重复投资，而且为交流并网存在技术瓶颈的场景(如远海风电并网)提供了解决方案。由于孤岛新能源电场通常须有交流电压的支撑才能正常运行，此时换流站应采用定交流电压幅值、定频率控制(简称定V/f控制)，如图1所示。
已有工程应用大多集中于孤岛新能源电场接入采用对称单极结构的柔直换流站。为提升柔性直流的传输容量并增加可靠性，近年来许多柔性直流工程采用双极结构，如图2所示。为便于一极故障时另一极实现功率转带，正极和负极换流单元接入的交流母线需要并列运行。此时，若两极均采用定V/f控制，其无差调节会导致两极换流单元对同一交流电压反复调节，不利于系统稳定。进一步，若一极采用定V/f控制，另外一极采用定有功功率、定无功功率控制(以下简称定P/Q控制)，在应对扰动时存在暂态特性差的问题：(1)仅由定V/f控制极为换流站交流侧电网提供松弛功能，易因容量受限而导致换流站交流母线电压和频率失控；(2)随着新能源电场发出功率的变化，由于定P/Q控制极来不及调节指令，难以实现双极功率的自动合理分配；(3)当定V/f控制极因故障退出时，需将定P/Q控制极切换为定V/f控制极，切换过程会导致换流站母线电压产生较大波动；(4)受端交流系统故障导致双极功率盈余问题且投入交流耗能装置后，由于送端站定P/Q控制极来不及调节指令，导致送端站定P/Q控制极不停从定V/f控制极抽取功率，进而导致定P/Q控制极在投入交流耗能装置后仍然会因为过压而单极闭锁。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制方法及装置，其能有效解决两极均采用定V/f控制带来的稳定性差的问题，以及一极采用定V/f控制，另外一极采用定P/Q控制带来暂态特性差的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)采集流入到正极和负极换流单元的有功功率测量值，流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值，正极和负极换流单元消耗的无功功率测量值，以及换流站交流母线电压测量值；2)将所采集的换流站交流母线电压测量值以及流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值从abc坐标系变换到dq0坐标系，输出换流站交流母线电压测量值的d轴分量、q轴分量，以及流入到正极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量，流入到负极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量；3)根据正极换流单元消耗的无功功率参考值与无功功率测量值的偏差的正负、换流站交流母线电压测量值的d轴分量与交流母线电压参考值的偏差的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值；根据换流站交流母线电压测量值的q轴分量的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流q轴分量的参考值；4)根据正极换流单元交流电流测量值的d轴分量与正极换流单元交流电流参考值偏差的正负，实时升降正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值；根据正极换流单元交流电流测量值的q轴分量与参考值偏差的正负，实时升降正极换流单元输出交流电压的q轴分量的参考值；5)根据参考频率以及流入到正极换流单元的有功功率测量值与参考值的偏差的正负，实时升降正极换流单元输出交流电压的相位参考值；6)根据正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值、q轴分量的参考值及相位参考值，实时生成正极换流单元输出交流电压；7)负极换流单元的调节与步骤3)至步骤6)中正极换流单元的调节原理相同。
进一步，所述步骤3)中，根据换流站交流母线电压测量值的d轴分量与交流母线电压参考值的偏差的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值的方法为：d轴分量与参考值的偏差为正时，则增大流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值；反之，为负时，则降低流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值。
进一步，所述双极柔直换流站是指正极和负极换流单元对应的交流母线并列运行的换流站；所述正极和负极换流单元都至少包含一组模块化多电平换流单元。
一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制装置，其特征在于：该装置包括采集单元、dq变换器、外环控制器、内环控制器、相位生成器以及dq逆变换器；所述采集单元用于采集流入到正极和负极换流单元的有功功率测量值，流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值，正极和负极换流单元消耗的无功功率测量值，以及换流站交流母线电压测量值；所述dq变换器用于将所述采集单元所采集的换流站交流母线电压测量值和流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值从abc坐标系变换到dq0坐标系，输出换流站交流母线电压测量值的d轴分量、q轴分量，以及流入到正极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量，流入到负极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量；所述外环控制器根据换流单元消耗的无功功率参考值和采集单元所采集换流单元消耗的无功功率测量值的偏差，以及换流站交流母线电压参考值和dq变换器输出的换流站交流母线电压d轴分量测量值的偏差，实时调整流入到换流单元交流电流d轴分量的参考值；根据换流站交流母线电压q轴分量的参考值和dq变换器输出的换流站交流母线电压的测量值的偏差，实时调整流入到换流单元交流电流q轴分量的参考值；所述内环控制器用于将所述外环控制器输出的流入换流单元交流电流d轴分量的参考值和和dq变换器输出的流入换流单元交流电流d轴分量的测量值的偏差，来实时调整本换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值；将外环控制器输出的流入换流单元交流电流q轴分量的参考值和dq变换器输出的流入换流单元交流电流q轴分量的测量值的偏差，来实时调整本换流单元输出交流电压的q轴分量的参考值；所述相位生成器用于根据流入到本换流单元的有功功率的参考值和采集单元所采集流入到本换流单元的有功功率的测量值的偏差，以及参考频率实时调整换流单元输出交流电压的相位；所述dq逆变换器用于将换流单元输出交流电压的dq轴分量的参考值以及相位生成器生成的相位参考值，实时生成换流单元输出交流电压的abc分量的参考值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可实现扰动情况下的双极有功功率和无功功率的自动合理分配。2、本发明的孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制系统具有较好的稳定性和暂态特性。
附图说明
图1是现有孤岛新能源电场接入对称单极柔直换流站定V/f控制示意图；
图2是现有孤岛新能源电场接入双极柔直换流站示意图；
图3是本发明的控制方法逻辑框图；
图4是本发明的控制装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图3所示，本发明提供一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制方法，该方法是当接入孤岛新能源电场的柔直换流站的有功功率偏离参考值时，通过交流系统频率的偏差来实时调整输入到正极和负极换流单元有功功率；当柔直换流站消耗的无功功率偏离参考值时，通过换流站交流母线电压幅值的偏差来实时调整正极和负极换流单元消耗的无功功率，最终实现接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站的双极稳定运行。
本发明具体包括以下步骤：
1)采集流入到正极和负极换流单元的有功功率测量值p1和p2，流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值i1和i2，正极和负极换流单元消耗的无功功率测量值q1和q2，以及换流站交流母线电压测量值us。
2)将所采集的换流站交流母线电压测量值us以及流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值i1和i2从abc坐标系变换到dq0坐标系，输出换流站交流母线电压测量值的d轴分量usd、q轴分量usq，以及流入到正极换流单元交流电流测量值的d轴分量i1d、q轴分量i1q，流入到负极换流单元交流电流测量值的d轴分量i2d、q轴分量i2q。
3)根据正极换流单元消耗的无功功率参考值q10与测量值q1的偏差的正负、换流站交流母线电压测量值的d轴分量usd与参考值Us0的偏差的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值i1dref；根据换流站交流母线电压测量值的q轴分量usq的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流q轴分量的参考值i1qref。
其中，根据d轴分量usd与参考值Us0的偏差的正负，实时升降参考值i1dref的过程为：d轴分量usd与参考值Us0的偏差为正时，即d轴分量usd大于参考值Us0，则增大流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值i1dref；反之，为负时，则降低流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值i1dref。本发明中根据正负实时升降调整参考值原理基本相同，后续部分不再赘述。
4)根据正极换流单元交流电流测量值的d轴分量i1d与参考值i1dref偏差的正负，从而实时升降正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值u1dref；根据正极换流单元交流电流测量值的q轴分量i1q与参考值i1qref偏差的正负，从而实时升降正极换流单元输出交流电压的q轴分量的参考值u1qref。
5)根据参考频率f0以及流入到正极换流单元的有功功率测量值p1与参考值p10的偏差的正负，从而实时升降正极换流单元输出交流电压的相位参考值θ1ref。
6)根据正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值u1dref、q轴分量的参考值u1qref及相位参考值，实时生成正极换流单元输出交流电压u1。
类似地，负极换流单元同理进行调节。
上述各步骤中，孤岛新能源电场是指不接入交流电网且汇入到换流站交流母线的多个风电场或光伏电站。
上述各步骤中，双极柔直换流站是指正极和负极换流单元对应的交流母线并列运行的换流站；正极和负极换流单元都至少包含一组模块化多电平换流单元。
实施例：以图2所示的接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站为例，对本发明的控制方法做进一步详细说明。
在图2所示系统中，正常运行时新能源电场发出的总有功功率保持ps＝2000MW，且流入到正极和负极换流单元有功功率的参考值分别满足p10＝p20＝1000MW；换流站消耗的总无功功率qs＝-50Mar，且正极和负极换流单元消耗无功功率的参考值分别满足q10＝q20＝-25Mvar；此时系统有功功率和无功功率均达到平衡。换流站交流母线电压的初始参考值Us0＝230kV，参考频率f0＝50Hz。1s～2s新能源电场发出的总有功功率ps从2000MW斜率上升到3000MW，之后保持；换流站消耗的总无功功率qs从-50Mvar下降到-140Mvar，之后保持。4.5s时刻，流入到正极和负极换流单元有功功率的参考值分别刷新为p10＝p20＝1500MW，且正极和负极换流单元消耗无功功率的参考值均刷新为q10＝q20＝-70Mar。为便于说明，令换流站交流母线电压的相角为θ0，正极和负极换流单元输出交流电压的相角分别为θ1和θ2，正极和负极换流单元输出交流电压和换流站交流母线的相角差分别为Δθ1和Δθ2，且定义为：
此外，为简化说明，定义A(s)为时域变量A的拉氏函数。
下面分别对扰动发生后，正极和负极换流单元控制器通过调节有功功率和无功功率使得系统达到稳定的过程：
(1)正常运行时，正极和负极换流单元分别工作在(p10，f0)、(p20，f0)点，即(1000MW，50Hz)。由于1s～2s新能源电场发出的总有功功率ps从2000MW斜率上升到3000MW。通过将交流系统的频率从f0提高到f，使得正极和负极换流单元按照相同的有差调节特性调节输入的有功功率p1和p2。进一步，由于扰动使得Δθ1<Δθ2，从而使得输入到正极换流单元的功率p1大于输入到负极换流单元的功率p2。根据图3所示控制器原理图，正极和负极换流单元的相位控制器将按照下式生成本换流单元输出交流电压相角的拉式函数θ1(s)和θ2(s)：
式中：Kp为频率-有功功率下垂系数；
由于p10＝p20，根据式(1)和式(2)可知：
由于系数KP为负，根据式(3)可知在两换流单元相位控制器的作用下，Δθ1(s)-Δθ2(s)不断减小，最后达到双极有功功率平衡。
(2)正常运行时，正极和负极换流单元开始分别工作在(q10，Us0)、(q20，Us0)点，即(-25Mvar，230kV)。由于1s～2s新能源电场消耗的无功功率增大，当换流站消耗的总无功功率qs从-50Mvar下降到-140Mvar，通过将交流母线电压的幅值从Us0提高到Us，使得正极和负极换流单元按照相同的有差调节特性调节其消耗的无功功率q1和q2。进一步，若扰动使得正极换流单元输出的交流电压u1小于负极换流单元输出的交流电压u2，从而使得正极换流单元消耗的无功功率q1大于负极换流单元消耗的无功功率q2。根据图3所示控制器原理图，正极和负极换流单元的外环控制器将按照下式生成本换流单元交流电流d轴分量参考值的拉氏函数i1dref(s)、i2dref(s)：
式中：KQ为交流电压-无功功率下垂系数；KP1、KI1分别为外环控制器的比例系数和积分系数。
由于q10＝q20，由式(4)可得：
为简化说明令p1＝p2，进一步由q1>q2得到：
令桥臂电抗器电感为Larm，换流变压器等值电感为LT，则换流器单相等值电感L＝LT+Larm/2。正极和负极换流单元的内环控制器将按照下式生成本换流单元交流电流d轴分量参考值的拉氏函数：
式中：KP2、KI2分别为外环控制器的比例系数和积分系数。
将式(5)和式(6)带入式(7)，得到：
根据式(8)可知，在两换流单元内外环控制器的作用下u1d(s)-u2d(s)不断增大，最后达到双极无功功率平衡。
如图4所示，本发明还提供一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制装置，其包括采集单元、dq变换器、外环控制器、内环控制器、相位生成器以及dq逆变换器。其中：
采集单元用于采集流入到正极和负极换流单元的有功功率测量值，流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值，正极和负极换流单元消耗的无功功率测量值，以及换流站交流母线电压测量值。
dq变换器用于将采集单元所采集的换流站交流母线电压测量值和流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值从abc坐标系变换到dq0坐标系。
外环控制器用于根据换流单元消耗的无功功率参考值和采集单元所采集换流单元消耗的无功功率测量值的偏差，以及换流站交流母线电压参考值和dq变换器输出的换流站交流母线电压d轴分量测量值的偏差，实时调整流入到换流单元交流电流d轴分量的参考值；根据换流站交流母线电压q轴分量的参考值和dq变换器输出的换流站交流母线电压的测量值的偏差，实时调整流入到换流单元交流电流q轴分量的参考值。
内环控制器将外环控制器输出的流入换流单元交流电流d轴分量的参考值和和dq变换器输出的流入换流单元交流电流d轴分量的测量值的偏差，来实时调整本换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值；将外环控制器输出的流入换流单元交流电流q轴分量的参考值和dq变换器输出的流入换流单元交流电流q轴分量的测量值的偏差，来实时调整本换流单元输出交流电压的q轴分量的参考值；
相位生成器用于根据流入到本换流单元的有功功率的参考值和采集单元所采集流入到本换流单元的有功功率的测量值的偏差，以及参考频率实时调整换流单元输出交流电压的相位。
dq逆变换器用于将内环控制器输出的换流单元输出交流电压的dq轴分量的参考值以及相位生成器生成的相位参考值，实时生成换流单元输出交流电压的abc分量的参考值。
上述实施例中，dq变换器输出换流站交流母线电压测量值的d轴分量、q轴分量，以及流入到正极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量，流入到负极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量。
上述各实施例仅用于说明本发明，各步骤都是可以有所变化的，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，本发明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。
Claims (4)
1.一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采集流入到正极和负极换流单元的有功功率测量值，流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值，正极和负极换流单元消耗的无功功率测量值，以及换流站交流母线电压测量值；
2)将所采集的换流站交流母线电压测量值以及流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值从abc坐标系变换到dq0坐标系，输出换流站交流母线电压测量值的d轴分量、q轴分量，以及流入到正极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量，流入到负极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量；
3)根据正极换流单元消耗的无功功率参考值与无功功率测量值的偏差的正负、换流站交流母线电压测量值的d轴分量与交流母线电压参考值的偏差的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值；根据换流站交流母线电压测量值的q轴分量的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流q轴分量的参考值；
4)根据正极换流单元交流电流测量值的d轴分量与正极换流单元交流电流参考值偏差的正负，实时升降正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值；根据正极换流单元交流电流测量值的q轴分量与参考值偏差的正负，实时升降正极换流单元输出交流电压的q轴分量的参考值；
5)根据参考频率以及流入到正极换流单元的有功功率测量值与参考值的偏差的正负，实时升降正极换流单元输出交流电压的相位参考值；
6)根据正极换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值、q轴分量的参考值及相位参考值，实时生成正极换流单元输出交流电压；
7)负极换流单元的调节与步骤3)至步骤6)中正极换流单元的调节原理相同。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据换流站交流母线电压测量值的d轴分量与交流母线电压参考值的偏差的正负，实时升降流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值的方法为：d轴分量与参考值的偏差为正时，则增大流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值；反之，为负时，则降低流入到正极换流单元交流电流d轴分量的参考值。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述双极柔直换流站是指正极和负极换流单元对应的交流母线并列运行的换流站；所述正极和负极换流单元都至少包含一组模块化多电平换流单元。
4.一种接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制装置，其特征在于：该装置包括采集单元、dq变换器、外环控制器、内环控制器、相位生成器以及dq逆变换器；
所述采集单元用于采集流入到正极和负极换流单元的有功功率测量值，流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值，正极和负极换流单元消耗的无功功率测量值，以及换流站交流母线电压测量值；
所述dq变换器用于将所述采集单元所采集的换流站交流母线电压测量值和流入到正极和负极换流单元的交流电流测量值从abc坐标系变换到dq0坐标系，输出换流站交流母线电压测量值的d轴分量、q轴分量，以及流入到正极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量，流入到负极换流单元交流电流测量值的d轴分量、q轴分量；
所述外环控制器根据换流单元消耗的无功功率参考值和采集单元所采集换流单元消耗的无功功率测量值的偏差，以及换流站交流母线电压参考值和dq变换器输出的换流站交流母线电压d轴分量测量值的偏差，实时调整流入到换流单元交流电流d轴分量的参考值；根据换流站交流母线电压q轴分量的参考值和dq变换器输出的换流站交流母线电压的测量值的偏差，实时调整流入到换流单元交流电流q轴分量的参考值；
所述内环控制器用于将所述外环控制器输出的流入换流单元交流电流d轴分量的参考值和和dq变换器输出的流入换流单元交流电流d轴分量的测量值的偏差，来实时调整本换流单元输出交流电压的d轴分量的参考值；将外环控制器输出的流入换流单元交流电流q轴分量的参考值和dq变换器输出的流入换流单元交流电流q轴分量的测量值的偏差，来实时调整本换流单元输出交流电压的q轴分量的参考值；
所述相位生成器用于根据流入到本换流单元的有功功率的参考值和采集单元所采集流入到本换流单元的有功功率的测量值的偏差，以及参考频率实时调整换流单元输出交流电压的相位；
所述dq逆变换器用于将换流单元输出交流电压的dq轴分量的参考值以及相位生成器生成的相位参考值，实时生成换流单元输出交流电压的abc分量的参考值。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109546665A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-03-29 | 中国矿业大学 | 一种基于模式切换的下垂控制方法 |
| CN110231545A (zh) * | 2019-07-08 | 2019-09-13 | 四川大学 | 一种交直流混联电网的孤岛检测法及参考电流极值求取法 |
| CN113708400A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-11-26 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 | 柔直联网系统故障穿越控制方法、装置 |
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2018
- 2018-05-16 CN CN201810469244.2A patent/CN108667063A/zh active Pending
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