CN108923448B - 一种多端柔性直流输电协调控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多端柔性直流输电协调控制方法及系统，包括若干采取多点电压控制策略的换流站，其中至少一个换流站选取为主功率平衡站，其余换流站为辅功率平衡站；主功率平衡站根据其他换流站功率参考值或实测功率对自身功率参考值进行调整，当直流系统潮流发生改变时对系统功率进行快速调节维持直流电网稳态时运行在标准电压；辅功率平衡站动态过程中参与调节，稳态时辅功率平衡站按照系统指定的功率参考值精确传输有功功率。本发明选取主功率平衡站主动承担功率平衡任务，快速响应，改善系统直流电压动态特性，保证稳态条件下系统运行在标准电压，保证各换流站传输功率精度，降低了直流电压下垂控制的斜率整定难度，对通信要求低。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，涉及一种多端柔性直流输电系统的协调控制方法及系统。
背景技术
随着能源的逐渐匮乏和环境污染，对于新能源并网的需求越来越高，多端柔性直流输电技术逐渐成为新能源并网的主要选择之一。而新能源并网带来的功率波动较大等问题，对多端柔性直流输电系统提出了更高的要求。为了维持功率平衡和电压的稳定，多端柔性直流输电系统需要相应的协调控制策略。目前主要的控制策略有主从控制策略及其改进型控制策略、直流电压下垂控制策略及其改进型控制策略。
主从控制策略及其改进控制策略下定直流电压换流站对直流潮流变化响应不够快速，容易导致直流系统过电压。直流电压下垂控制策略以各端换流站电压偏差完成系统功率平衡，会造成稳态条件下换流站偏离标准工作电压且各换流站功率控制精度差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多端柔性直流输电系统中的协调控制策略及实现该策略的系统。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多端柔性直流输电协调控制系统，包括若干采取多点电压控制策略的换流站，其中至少一个换流站选取为主功率平衡站，其余采取多点电压控制策略的换流站为辅功率平衡站；所述主功率平衡站的控制器根据其他换流站功率参考值或实测功率对自身功率参考值进行调整，当直流系统潮流发生改变时，对系统功率进行快速调节维持直流电网稳态时运行在标准电压，保证系统稳定后直流网络的功率平衡；所述辅功率平衡站在动态过程中参与调节，在稳态时，由于稳态直流电压受主功率平衡站稳定，辅功率平衡站按照系统指定的功率参考值精确传输有功功率。
进一步的，还包括定有功功率控制的换流站和/或幅相控制的换流站。
进一步的，换流站采取的控制策略为传统直流电压下垂控制方式，或带死区的电压下垂控制方式。
本发明还提供一种多端柔性直流输电协调控制方法，包括如下步骤：
在若干采取多点电压控制策略的换流站中，选取至少一个换流站选取作为主功率平衡站，其余采取多点电压控制策略的换流站为辅功率平衡站；
主功率平衡站的控制器根据其他换流站功率参考值或实测功率对自身功率参考值进行调整，当直流系统潮流发生改变时，对系统功率进行快速调节维持直流电网稳态时运行在标准电压，保证系统稳定后直流网络的功率平衡；辅功率平衡站在动态过程中参与调节，在稳态时，由于稳态直流电压受主功率平衡站稳定，辅功率平衡站按照系统指定的功率参考值精确传输有功功率。
进一步的，主功率平衡站主动承担功率平衡任务，主功率平衡站的有功功率参考值通过下式计算：
Pbalance＝Pref1+Pref2+,...,+Prefs＝-∑(Pref(s+1),Pref(s+2),...,Pref(m+k),Pm+k+1,Pm+k+2,...,Pn)
上式中，Pbalance为所有主功率平衡站需要承担的有功功率，n为系统中换流站个数，前m个换流站为功率平衡站，第1个到第s个为主功率平衡站，第s+1到第m个为辅功率平衡站，其中，2≤m≤n，1≤s≤m-1；存在定有功功控制换流站和幅相控制换流站时，第m+1至第(m+k)个换流站为定有功功率换流站，第m+k+1至第n个换流站为幅相控制换流站；Pi(i＝m+k+1,m+k+2,…,n)为幅相控制换流站的实测功率，Prefi(i＝1,2,…,m+k)为功率平衡站和定有功功率控制换流站的功率参考值。
进一步的，在功率参考值不超过限值的情况下，所有主功率平衡站需要承担的有功功率根据以下任意一种原则分配到各主功率平衡站中：平均分配原则，按容量分配原则，人为分配原则。
进一步，当主功率平衡站的传输功率达到上下限值时，主功率平衡站转换为辅功率平衡站工作方式，其功率参考值为该换流站传输功率限值，选定至少一个辅功率平衡站转换工作方式成为新的主功率平衡站。
进一步的，所述辅功率平衡站的有功功率参考值Prefi的整定方式为：根据电力潮流调度系统调度整定；当存在定有功功率控制换流站时，其有功功率参考值Prefi的整定方式为：根据电力潮流调度系统调度整定。
进一步的，所述主功率平衡站的有功功率参考值Pref整定时间为实时整定；所述辅功率平衡站的有功功率参考值Pref整定时间为：在改变调度潮流时，向各换流站更新有功功率参考值，其余时间各换流站根据最近一次更新后的有功功率参考值进行独立控制；当存在定有功功率控制换流站时，其有功功率参考值Pref整定时间为：在改变调度潮流时，向各换流站更新有功功率参考值，其余时间各换流站根据最近一次更新后的有功功率参考值进行独立控制。
进一步的，换流站采取的控制策略为传统直流电压下垂控制方式，或带死区的电压下垂控制方式。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明系统和方法中选取主功率平衡站主动承担功率平衡任务，根据其他换流站功率参考值或实测功率对自身功率参考值进行调整，具有电压下垂控制策略中功率快速响应特点，且改善系统直流电压动态特性。
2.通过指定合适的换流站主动承担系统功率变化，保证稳态条件下系统运行在标准电压，并保证了各换流站传输功率精度，同时降低了直流电压下垂控制的斜率整定难度。
3.仅需各换流站传输功率值并向功率平衡站下发功率参考值，对通信要求低。
附图说明
图1为本发明系统的原理图；
图2为直流电压下垂控制器和定有功功率控制器结构图，其中(a)为常用直流电压下垂控制器结构图，(b)为常用定有功功功率控制器结构图；
图3为本发明协调控制策略的控制原理图，其中(a)为主功率平衡站的控制原理图，(b)为辅功率平衡站控制原理图；
图4为四端环型柔性直流输电系统仿真模型结构图；
图5为工况1下各换流站有功功率仿真波形；其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4的有功功率仿真波形；
图6为工况1下各换流站直流电压仿真波形；其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4的直流电压仿真波形；
图7为工况2下各换流站有功功率仿真波形；其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4的有功功率仿真波形；
图8为工况2下各换流站直流电压仿真波形，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4的直流电压仿真波形。
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。
本发明提供了一种多端柔性直流输电系统协调控制方法及系统。其中多端柔性直流输电系统中包括采取直流电压下垂控制的换流站，本发明将这类型换流站定义为功率平衡站，并将这些换流站分成主功率平衡站和辅功率平衡站。我们选取至少一个容量较大或所连交流电网具有较强有功率平衡能力的换流站为主功率平衡站，其余功率平衡站为辅功率平衡站。本发明实现系统中应至少包括主功率平衡站和辅功率平衡站，除此之外还可能包括定有功功率控制的换流站，幅相控制的换流站。
如图1所示，假设系统中有n个换流站，前m个(2≤m≤n)换流站为采取直流电压下垂控制的功率平衡站，第1个到第s(1≤s≤m-1)个为主功率平衡站，第(s+1)到第m个为辅功率平衡站。当存在定有功功控制换流站和幅相控制换流站时，第(m+1)至第(m+k)个换流站为定有功功率换流站，第(m+k+1)至第n个换流站为幅相控制换流站。Pi(i＝m+k+1,m+k+2,…,n)为幅相控制换流站的实测功率，Prefi(i＝1,2,…,m+k)为功率平衡站和定有功功率控制换流站的功率参考值。
主功率平衡站的有功功率参考值Pref整定时间为实时整定。辅功率平衡站和定有功功率控制换流站的有功功率参考值Pref整定时间为：在改变调度潮流时，向各换流站更新有功功率参考值，其余时间各换流站都根据最近一次更新后的有功功率参考值进行独立控制。
将实测的幅相控制换流站有功功率值的Pi输入至系统级控制系统，结合调度系统给予的数据，经过计算得到功率平衡站和定有功功率控制换流站的功率参考值。主功率平衡站中，有功功率参考值Prefi(i＝1,2，…，s)的整定方式为：主功率平衡站需要主动承担功率平衡的任务，根据各换流站的有功功率参考值或实测有功功率值，按照下式计算得到主功率平衡站的有功功率参考值：
Pbalance＝Pref1+Pref2+,...,+Prefs＝-∑(Pref(s+1),Pref(s+2),...,Pref(m+k),Pm+k+1,Pm+k+2,...,Pn)
上式中，Pbalance为所有主功率平衡站需要承担的有功功率。所述主功率平衡站的有功功率参考值Pref总和为Pbalance，在功率参考值不超过限值的情况下，根据一定的原则分配到各主功率平衡站中，常用原则有：平均分配原则，按容量分配原则，人为分配原则。
(1)平均分配原则下，各主功率平衡站功率参考值相等，满足公式：
Pref1＝Pref2＝...＝Prefs＝Pbalance/s
(2)按容量分配原则下，各主功率平衡站功率参考值根据各自容量大小分配功率，功率参考值与容量成正比，令容量SNi(i＝1,2，…，s)，功率参考值满足公式：
(3)人为分配原则下，各主功率平衡站根据需求，人为进行功率参考值的分配，仍需满足各站功率参考值之和为Pbalance。
辅功率平衡站和定有功功率控制换流站中，有功功率参考值Prefi(i＝s+1,s+2,…,m+k)的整定方式为：根据电力潮流调度系统调度整定。
常用直流电压下垂控制器结构如图2(a)所示，根据有功功率和电压的下垂特性关系，调整实际直流电压与标准电压的差额，实现功率的平衡。常用定有功功功率控制器结构如图2(b)所示，保证输出或输入恒定的有功功率。需要说明的是，本发明中采取的直流电压下垂控制既可以为传统直流电压下垂控制方式，也可以采取带死区的电压下垂控制方式等改进的电压下垂控制方式，或替换为其他的类似的多点电压控制策略。
主功率平衡站的控制原理如图3(a)所示，主功率平衡站直流电压下垂控制器根据其他换流站功率参考值或实测功率对自身功率参考值进行调整，当直流系统潮流发生改变时，对系统功率进行快速调节，保证系统稳定后直流网络的功率平衡，维持直流电网稳态时运行在标准电压。辅功率平衡站控制原理如图3(b)所示，辅功率平衡站在动态过程中由于电压偏离标准电压而参与功率的快速调节，在稳态时，由于稳态直流电压受主功率平衡站稳定，辅功率平衡站按照系统指定的功率参考值精确传输有功功率。
主功率平衡站的传输功率达到上下限值时，主功率平衡站转换为辅功率平衡站工作方式，其功率参考值为该换流站传输功率限值，选定至少一个辅功率平衡站转换工作方式成为新的主功率平衡站。主功率平衡站退出运行时，选定至少一个辅功率平衡站转换工作方式成为新的主功率平衡站。
实施例：
采用图4所示的四端柔性直流输电系统为例对本发明提出的协调控制策略进行具体说明。换流站VSC1为功率调节换流站，最大调节容量为±750MW；换流站VSC2接入500kV有源交流电网，最大调节容量为0MW到750MW，换流站VSC3接入500kV有源交流电网，最大调节容量为-1500MW到0MW；换流站VSC4连接孤岛风场，令有功功率由交流系统注入直流系统为正方向。
将传统主从控制策略、直流电压下垂控制策略与本发明新型协调控制策略进行对比。由于VSC4站接孤岛风场，没有功率调节裕度，因此在所有的协调控制中都采用幅相控制方式。在主从控制策略下，VSC1站作为主站，采用定直流电压控制，VSC2、VSC3站作为控制从站，采用定有功功率控制，当主站退出后承担电压控制工作。在直流电压下垂控制策略下，VSC1站、VCS2站和VSC3站工作在直流电压下垂控制方式。在本发明新型协调控制策略下，VSC1站作为主功率平衡站，VSC2站和VSC3站作为辅功率平衡站。各换流站有功参考值均以流入直流电网为正，多端柔性直流输电系统的电压等级为±500kV。
工况1：风场出力过剩情况下，该仿真场景中，初始时刻，VSC4所接孤岛风场发出800MW功率。电压下垂控制策略下，VSC1、VSC2、VSC3功率参考值为-50MW、480MW、-1200MW。主从控制策略和本发明新型协调控制策略下，VSC1作为平衡站，不设固定功率参考值，其他换流站功率参考值与电压下垂控制策略相同，VSC2、VSC3的有功功率参考值分别为480MW、-1200MW。2s时VSC4站风场增发300MW有功。各换流站有功功率仿真波形如图5所示，直流电压仿真波形如图6所示。
由图5、图6可以看出，对于主从控制策略：风场增发300MW有功全部由平衡站VSC1消纳，功率调整过程中直流电压最高达到550kV，系统经过2.5s达到功率平衡，功率平衡后，VSC2和VSC3传输功率恢复到参考值，直流电压稳定在500kV。对于电压下垂控制策略：风场增发功率，ΔP＝300MW，直流电压逐渐升高，功率调整过程中直流电压最高达到530kV，系统经过0.8s达到功率平衡，功率平衡后VSC1与VSC3有功功率消纳分别增加75MW，150MW，VSC2注入有功功率减少75MW，直流电压稳定在520kV。对于本发明新型协调控制策略：风场增发300MW有功功率全部由平衡站VSC1消纳，功率调整过程中直流电压最高达到510kV，系统经过1s达到功率平衡，功率平衡后VSC2和VSC3传输有功功率恢复到参考值，直流电压稳定在500kV。
工况2：负荷端有功功率调整情况下，该仿真场景中，初始时刻，VSC4所接孤岛风场发出800MW有功功率。电压下垂控制策略下，VSC1、VSC2、VSC3功率参考值为-550MW、480MW、-700MW。主从控制策略和主动功率平衡控制策略下，VSC1作为平衡站，不设固定有功功率参考值，其他换流站有功功率参考值与电压下垂控制策略下相同，VSC2、VSC3的有功功率参考值分别为480MW、-700MW。2s将VSC3有功功率参考值调整为-1000MW。各换流站有功功率仿真波形如图7所示，直流电压仿真波形如图8所示。
由图7、图8可以看出，对于主从控制策略：VSC3功率调整由平衡站VSC1补充，在定有功功率方式下的VSC2传输有功功率不变，系统经过2.5s达到功率平衡，功率调整过程中直流电压跌落最低为460kV，系统功率平衡后工作在标准电压。对于下垂控制策略：VSC3功率调整造成系统注入功率变化量ΔP为-300MW，ΔP由VSC1、VSC2和VSC3共同承担，VSC1有功功率消纳减少75MW，VSC2发送有功功率增加75MW，VSC3换流站有功功率消纳增加150MW，系统经过1.2s达到功率平衡，系统功率平衡后直流电压稳定在482kV。对于本发明新型协调控制策略：VSC3功率调整由平衡站VSC1补充，系统经过2s达到功率平衡，VSC2功率调整前后稳态传输有功功率不变，功率调整过程中直流电压跌落最低为495kV，系统功率平衡后工作在标准电压。
以上仿真验证了本发明协调控制策略优于传统控制策略，动态响应速度快，稳态时系统直流电压处于标准工作电压，除幅相控制换流站以外，各换流站功率均为参考值，稳态控制性能良好。
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 (9)
1.一种多端柔性直流输电协调控制系统，包括若干采取多点电压控制策略的换流站，其特征在于：其中至少一个换流站选取为主功率平衡站，其余采取多点电压控制策略的换流站为辅功率平衡站；
所述主功率平衡站的控制器主动承担功率平衡任务，根据其他换流站功率参考值或实测功率对自身功率参考值进行调整，主功率平衡站有功功率参考值整定时间为实时整定，当直流系统潮流发生改变时，主功率平衡站对系统功率进行快速调节维持直流电网稳态时运行在标准电压；
主功率平衡站的有功功率参考值通过下式计算：
Pbalance＝Pref1+Pref2+,...,+Prefs＝-∑(Pref(s+1),Pref(s+2),...,Pref(m+k),Pm+k+1,Pm+k+2,...,Pn)
上式中，Pbalance为所有主功率平衡站需要承担的有功功率，n为系统中换流站个数，前m个换流站为功率平衡站，第1个到第s个为主功率平衡站，第s+1到第m个为辅功率平衡站，其中，2≤m≤n，1≤s≤m-1；存在定有功功控制换流站和幅相控制换流站时，第m+1至第(m+k)个换流站为定有功功率换流站，第m+k+1至第n个换流站为幅相控制换流站；Pi(i＝m+k+1,m+k+2,…,n)为幅相控制换流站的实测功率，Prefi(i＝1,2,…,m+k)为功率平衡站和定有功功率控制换流站的功率参考值；
所述辅功率平衡站在动态过程中参与调节，在稳态时，辅功率平衡站按照系统指定的功率参考值精确传输有功功率。
2.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电协调控制系统，其特征在于：还包括定有功功率控制的换流站和/或幅相控制的换流站。
3.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电协调控制系统，其特征在于：换流站采取的控制策略为传统直流电压下垂控制方式，或带死区的电压下垂控制方式。
4.一种多端柔性直流输电协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
在若干采取多点电压控制策略的换流站中，选取至少一个换流站选取作为主功率平衡站，其余采取多点电压控制策略的换流站为辅功率平衡站；
主功率平衡站的控制器主动承担功率平衡任务，根据其他换流站功率参考值或实测功率对自身功率参考值进行调整，主功率平衡站有功功率参考值整定时间为实时整定，当直流系统潮流发生改变时，主功率平衡站对系统功率进行快速调节维持直流电网稳态时运行在标准电压；
主功率平衡站的有功功率参考值通过下式计算：
Pbalance＝Pref1+Pref2+,...,+Prefs＝-∑(Pref(s+1),Pref(s+2),...,Pref(m+k),Pm+k+1,Pm+k+2,...,Pn)
上式中，Pbalance为所有主功率平衡站需要承担的有功功率，n为系统中换流站个数，前m个换流站为功率平衡站，第1个到第s个为主功率平衡站，第s+1到第m个为辅功率平衡站，其中，2≤m≤n，1≤s≤m-1；存在定有功功控制换流站和幅相控制换流站时，第m+1至第(m+k)个换流站为定有功功率换流站，第m+k+1至第n个换流站为幅相控制换流站；Pi(i＝m+k+1,m+k+2,…,n)为幅相控制换流站的实测功率，Prefi(i＝1,2,…,m+k)为功率平衡站和定有功功率控制换流站的功率参考值；
辅功率平衡站在动态过程中参与调节，在稳态时，辅功率平衡站按照系统指定的功率参考值精确传输有功功率。
5.根据权利要求4所述的多端柔性直流输电协调控制方法，其特征在于，在功率参考值不超过限值的情况下，所有主功率平衡站需要承担的有功功率根据以下任意一种原则分配到各主功率平衡站中：平均分配原则，按容量分配原则，人为分配原则。
6.根据权利要求4所述的多端柔性直流输电协调控制方法，其特征在于：当主功率平衡站的传输功率达到上下限值时，主功率平衡站转换为辅功率平衡站工作方式，其功率参考值为该换流站传输功率限值，选定至少一个辅功率平衡站转换工作方式成为新的主功率平衡站。
7.根据权利要求4所述的多端柔性直流输电协调控制方法，其特征在于，所述辅功率平衡站的有功功率参考值Prefi的整定方式为：根据电力潮流调度系统调度整定；当存在定有功功率控制换流站时，其有功功率参考值Prefi的整定方式为：根据电力潮流调度系统调度整定。
8.根据权利要求4所述的多端柔性直流输电协调控制方法，其特征在于，所述主功率平衡站的有功功率参考值Pref整定时间为实时整定；所述辅功率平衡站的有功功率参考值Pref整定时间为：在改变调度潮流时，向各换流站更新有功功率参考值，其余时间各换流站根据最近一次更新后的有功功率参考值进行独立控制；当存在定有功功率控制换流站时，其有功功率参考值Pref整定时间为：在改变调度潮流时，向各换流站更新有功功率参考值，其余时间各换流站根据最近一次更新后的有功功率参考值进行独立控制。
9.根据权利要求4所述的多端柔性直流输电协调控制方法，其特征在于，换流站采取的控制策略为传统直流电压下垂控制方式，或带死区的电压下垂控制方式。
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