CN109378867A - 一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法，属于电力系统混合直流输电控制领域。该方法首先建立混合双馈入直流输电系统模型，选取混合双馈入直流输电系统标幺值并确定额定工况参数，对模型求解。利用柔性直流输电VSC系统交流母线处电压和VSC系统换流站流向交流母线电流与传统直流输电LCC侧受端电网等效阻抗的线性关系，将两参数通过线性组合得到虚拟点电压，通过PI环节定虚拟点电压控制，使VSC系统针对LCC侧受端电网等效阻抗变化自动调节输出功率，使混合双馈入直流输电系统输出在该受端电网强度下最大功率。本发明降低控制难度，提高在同等受端电网强度下混合双馈入直流输电系统的功率传输能力。

Description

一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法

技术领域

本发明提出一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法，属于电力系统混合直流输电控制领域。

背景技术

传统直流输电(LCC-HVDC，以下简称LCC)依靠其远程输电能损小、可实现各个交流系统间的互联等诸多优势，成为了我国远程电能输送的重要途径。但LCC-HVDC存在易换向失败隐患、需要一定无功补偿、无法向受端弱交流电网送电等缺陷也随之日益显现。

柔性直流输电(VSC-HVDC，以下简称VSC)具有无功有功独立可调、能向弱交流电网供电、不用考虑换向失败问题等优点，近年来正逐步投入到实际应用中。随着柔直输电系统相应设备容量的日益提高及新能源并入电网等需求的发展，未来必然会出现更多两种直流系统间产生电气互联、构成混合多馈入直流系统的案例。

当VSC系统与LCC系统落点间存在电气潮流通路进而连结构成混合多馈入直流输电系统后，其运行特性必然迥异于其各自独立运行时所表现出的特性。当接入受端电网的直流线路的条数增加时，其受端电网的强度由于短路容量的下降而相对减弱，因此，混合多馈入直流系统的输电能力可以从直流系统向不同强度的受端电网送电的角度进行分析。此外，柔性直流相对而言较为灵活的无功调控能力可以作为提高混合系统稳定性的重要手段。

对于引入了柔性直流的混合多馈入系统，目前对其运行特性尚无较为统一的定量评估方法。目前大部分切入点都是借鉴传统直流短路比的思想，通过定义混合多馈入的短路比来衡量受端电网的强度。有学者提出了混合多馈系统中的短路比视在增加量(AISCR)的概念，这是一个分析VSC系统发出不同有功对LCC受端电网强度影响的定量指标，但是并未对VSC系统发出不同无功的情况加以分析，且其VSC的控制方式仅局限于定有功和定交流电压控制，而未考虑定无功功率控制。也有研究提出了依靠寻找最优化的约束潮流方程解，求解混合系统中LCC系统在传输功率最大的条件下受端电网的等效阻抗临界值的方法，从而给出了一个定量衡量VSC对LCC受端系统强度影响情况的指标；同时有学者提出等效有效短路比(equivalent ESCR,EESCR)指标，用以评价VSC对LCC运行特性的影响。然而，此处给出的指标仍然只着眼于VSC发出不同有功对LCC的影响，没有揭示VSC发出有功的同时提供不同无功支援下对LCC受端系统的影响情况。

现有针对直流系统的功率传输能力的评估方法中，对于单馈入LCC-HVDC系统而言，其逆变器的有功功率特性为一条二次函数曲线，输出的有功功率P_d1随直流电流I_d1增大呈现出先升高后下滑的变化趋势，二次函数的最大值点即为系统在该状态下所能达到的最大功率(MAP)；对于多条传统直流构成的多馈入直流系统，其中第k条线路采取定γ角控制，若维持其它线路的直流电流保持为一个恒定值不变，则当第k条线路电流的值变化时，多馈入系统存在一个最大传输功率(Multi-infeed MAP,MMAP)，即同等电路条件下系统在维持稳定的同时能够向受端电网输送的最大功率，使系统运行在最大功率传输状态有利于提高系统的运行经济性，提高线路和设备的利用率。对于引入了VSC-HVDC的混合直流系统，同样也存在一个稳态最大传输功率，当受端电网强度改变时，系统的最大功率传输能力也会发生改变。然而，目前缺乏对稳态下混合双馈入直流输电系统最大传输功率较为系统的分析研究，尤其是如何使混合直流系统始终运行在传输最大功率状态还缺乏相应的控制策略。现有针对混合双馈入直流输电系统功率传输能力的研究均需要在知晓受端电网等效阻抗的具体数值的基础上进行分析，但在实际工程中无法实时和精确获取受端电网等效阻抗的数值，尤其是在受端电网强度发生变化的时候，因此难以满足工程需求。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法。本发明降低了混合双馈入直流输电系统的控制难度，可实现随着受端电网等效阻抗的变化自动调整控制参数，提高了在同等受端电网强度下混合双馈入直流输电系统的功率传输能力，有很高的实际应用价值。

本发明提出一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)建立混合双馈入直流输电系统模型，该模型包括柔性直流输电VSC系统模型、联络线模型和传统直流输电LCC系统模型三部分，具体如下：

(1-1)VSC系统模型；

VSC系统逆变站出口的潮流方程为：

其中，P_t、Q_t分别为VSC系统逆变站输出的有功功率和无功功率，Z_c∠θ_c为VSC换流变压器等效阻抗，其中Z_c为阻抗值、θ_c为阻抗角，U_c为VSC逆变站出口交流电压，δ₃为VSC逆变站出口电压相角，U_s2为VSC系统受端电网交流母线处的电压，δ₂为VSC系统受端电网交流母线电压对应的相角；

VSC系统交流母线处的潮流方程为：

其中，P_s、Q_s分别为VSC系统从交流母线处流向换流变压器的有功功率和无功功率，P_sc2、Q_ac2分别为VSC系统从交流母线流向受端电网的有功功率和无功功率，Z₂∠θ₂为VSC侧受端电网的等效阻抗，其中Z₂为阻抗值、θ₂为阻抗角，E₂∠0°为VSC受端电网的等效电动势；

VSC系统交流母线处的节点功率守恒方程为：

P_ac2＝-(P_s+P_VL2)

Q_ac2＝-(Q_s+Q_VL2)

其中，P_VL2、Q_VL2分别为从联络线注入VSC侧交流母线的有功功率和无功功率；

(1-2)联络线模型；

从LCC系统交流母线流向联络线的潮流方程：

其中，P_VL1、Q_VL1分别为LCC侧交流母线注入联络线的有功功率和无功功率，U_s1为LCC系统受端电网交流母线处的电压，δ₁为LCC系统受端电网交流母线电压对应的相角，Z₁₂∠θ₁₂为联络线的等效阻抗，其中Z₁₂为阻抗值、θ₁₂为阻抗角；

从联络线注入VSC系统交流母线的潮流方程：

其中，P_VL2、Q_VL2分别为从联络线注入VSC侧交流母线的有功功率和无功功率；

(1-3)LCC系统模型；

从LCC直流侧经逆变器输出到交流系统的有功功率方程：

其中，P_dC1为LCC逆变站输出的有功功率，μ为LCC逆变站换相重叠角，γ为LCC逆变站息弧角，C_T为反映逆变站系统特性的常数，计算表达式如下：

式中，S_T为换流变压器容量，X_T为换流变短路阻抗，t为换流变压器变比，P_dc1N为直流侧额定有功功率；

直流系统输出到交流系统的有功功率在直流侧表达式如下：

P_dc1＝U_dc1I_dc1

其中，U_dc1、I_dc1分别表示LCC系统直流侧电压和电流；

流过LCC系统逆变器的直流电流方程：

I_dc1＝U_s1K_T[cosγ-cos(μ+γ)]

其中，K_T为反映逆变站系统特性的常数，计算表达式如下：

式中，U_s1N为交流电压基准值，U_dc1B为LCC系统直流电压基值；

维持LCC系统稳定运行所需流向LCC逆变器的无功功率计算式：

其中，Q_dc1为流入LCC逆变站的无功功率；

LCC系统逆变站出口无功补偿设备提供的无功功率：

其中，Q_c为LCC系统逆变站出口无功补偿设备提供的无功功率，B_c为等值补偿电容工频电纳值；

LCC系统交流母线处的潮流方程为：

其中，P_ac1、Q_ac1分别为LCC系统从交流母线流向受端电网的有功功率和无功功率，Z₁∠θ₁为LCC侧受端电网的等效阻抗，其中Z₁为阻抗值、θ₁为阻抗角，E₁∠θ_e为LCC受端电网的等效电动势，其中E₁为电动势的值，θ_e为电动势相角；

LCC系统交流母线处的功率守恒方程为：

P_ac1＝P_dc1+P_VL1

Q_ac1＝Q_c+Q_VL1-Q_dc1

其中，各个等效阻抗的阻抗角θ₁＝θ₂＝θ₁₂＝θ_C＝90°；

(2)选取混合双馈入直流输电系统标幺值及确定额定工况参数；

混合双馈入直流输电系统标标幺值选取的原则为：功率基值为VSC系统或LCC系统输出的额定有功功率，交流电压基值为换流站出口交流母线电压的额定值，VSC系统直流电压基值为VSC直流侧的额定电压，LCC系统直流电压基值为LCC直流侧的额定电压；

假设额定工况为：VSC系统有功输出为额定值且发出无功，P_t＝1、Q_t＝0～0.3，VSC系统换流变压器等效阻抗Z_c＝0.1，LCC系统输出额定有功功率，P_dc1＝1、I_dc1＝1、U_s1＝1，LCC换流站出口处的无功补偿设备提供LCC逆变站所需的全部无功功率，且联络线间无有功和无功潮流流过，P_ac2＝1、Q_ac1＝0、Q_VL1＝0，设定线路等效阻抗Z₁、Z₂和Z₁₂的值；将P_dc1、P_t、I_dc1、U_s1、Q_ac1、Q_VL1、P_ac2、Q_t、Z_c、Z₁、Z₂和Z₁₂作为额定工况参数；

(3)将额定工况参数带入步骤(1)建立的模型求解，得到混合双馈入直流输电系统的固定参数：C_T、B_c、E₁、δ_e、E₂、K_T；

(4)设定Z₁的变化范围及对应的变化步长，固定LCC系统的P_dc1＝1、γ＝18°，按照步长在Z₁的变化范围内改变Z₁的值，在每一个固定的Z₁下，对VSC系统的P_t、Q_t进行调节，不断增大P_t，Q_t按满容量发，直到将P_t、Q_t的值带入步骤(1)模型求解结果为模型无解为止，记录临界有解状态系统输出的总功率，得到混合双馈入系统在不同Z₁下所能输出的总功率，并记录不同Z₁下VSC侧交流母线的电压U_s2和从VSC换流变压器流向VSC侧交流母线的电流I_c，I_c的计算式为：

其中，Z_c为VSC换流变压器等效阻抗的阻抗值；

(5)将步骤(4)记录的U_s2、I_c和Z₁数据进行拟合，得到如下线性表达式：

其中，k_Ic、k_Us2为一次函数斜率，b_Ic、b_Us2为相应的截距；

构建虚拟点电压U_xn表达式如下:

U_xn＝I_cR_xn+U_s2

虚拟点电压U_xn随Z₁变化趋势即U_xn对Z₁求导数:

令有：

计算得到R_xn的近似值R′_xn，根据该近似值设定一个取值区间[0.5R′_xn，2R′_xn]，步长取0.01R′_xn，在该取值区间中通过数值计算的方法，遍历不同R_xn取值下U_xn随Z₁变化情况，每一个R_xn值对应一组U_xn随Z₁变化的数据，找出各组数据中U_xn方差最小的一组数据所对应的R_xn值及U_xn平均值，将该U_xn平均值作为定虚拟点电压控制中的U_xn给定值；

(6)根据和R_xn配置控制环节，VSC和LCC系统的控制方法分别为：

VSC系统：逆变侧采用内外双环控制；内环采用定电流控制模式，实现dq轴电流解耦，dq轴电流I_d、I_q的给定值、由外环控制环节确定；外环采用定虚拟点电压控制，相应的外环控制环节由设计的虚拟点电压控制器算法和有功功率控制器算法组成，虚拟点电压控制器实时测量U₅₂和I_c的有效值，在得到U_s2和I_c的有效值后加入一个惯性环节进行低通滤波，再根据U_xn＝I_cR_xn+U_s2计算得到U_xn的实时值；将U_xn的实时值与给定值做差后作为PI环节的输入信号进行定U_xn值控制，该PI控制器输出量作为VSC系统逆变站dq解耦后Q_t对应的无功电流I_q的给定值，进而确定了此时VSC系统输出的Q_t值；有功功率控制器的P_t给定值由确定，P_t的实时值与给定值做差后作为PI环节的输入信号，该PI控制器输出量作为VSC系统逆变站dq解耦后P_t对应的有功电流I_d的给定值，进而确定了此时VSC系统输出的P_t值；

LCC系统：逆变侧定有功功率P_dc1＝1、定熄弧角γ＝18°控制；

在上述控制模式下，当混合双馈入直流输电系统的受端电网强度变化时，VSC系统自动调整运行参数P_t、Q_t，使得混合双馈入直流输电系统运行在传输功率最大的模式。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明克服了现有方法必须依赖知晓受端电网阻抗具体数值来确定控制参数和控制模式复杂的缺点，将控制参数的调整集中到了VSC系统侧，简化了控制难度；同时，针对实际工程运行中受端电网的强度难以准确测量，进而无法确定使系统传输功率最大所需的控制参数的值的问题，本发明提出了定虚拟点电压U_xn控制的方法，通过该控制方法能够使得系统的控制参数自动随受端电网等效阻抗Z₁的变化自动进行调整，从而使得在不同的受端电网强度下系统都能自动调整到最大功率模式下运行，从而提高了在同等受端电网强度下混合双馈入直流输电系统的功率传输能力。

附图说明

图1为本发明所涉及的混合双馈入直流输电系统的结构示意图。

图2为本发明中VSC系统的外环控制结构图。

具体实施方式

本发明提出一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法，所述混合双馈入直流输电系统结构如图1所示，图1中，上面部分为LCC系统，由逆变站、换流变压器、交流母线和受端电网组成；下面部分为VSC系统，由逆变站、换流变压器，交流母线和受端电网组成；两个系统之间通过联络线连接，联络线分别连接在LCC系统和VSC系统的交流母线上。

本发明提出一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法，包括以下步骤：

(1)建立混合双馈入直流输电系统模型，该模型包括柔性直流输电VSC系统模型、联络线模型和传统直流输电LCC系统模型三部分，具体如下：

(1-1)VSC系统模型；

VSC系统逆变站出口的潮流方程为：

其中，P_t、Q_t分别为VSC系统逆变站输出的有功功率和无功功率，Z_c∠θ_c为VSC换流变压器等效阻抗，其中Z_c为阻抗值、θ_c为阻抗角，U_c为VSC逆变站出口交流电压，δ₃为VSC逆变站出口电压相角，U_s2为VSC系统受端电网交流母线处的电压，δ₂为VSC系统受端电网交流母线电压对应的相角；

VSC系统交流母线处的潮流方程为：

其中，P_S、Q_S分别为VSC系统从交流母线处流向换流变压器的有功功率和无功功率，P_ac2、Q_ac2分别为VSC系统从交流母线流向受端电网的有功功率和无功功率，Z₂∠θ₂为VSC侧受端电网的等效阻抗，其中Z₂为阻抗值、θ₂为阻抗角，E₂∠0°为VSC受端电网的等效电动势；

VSC系统交流母线处的节点功率守恒方程为：

P_ac2＝-(P_s+P_VL2)

Q_ac2＝-(Q_s+Q_VL2)

其中，P_VL2、Q_VL2分别为从联络线注入VSC侧交流母线的有功功率和无功功率；

(1-2)联络线模型；

从LCC系统交流母线流向联络线的潮流方程：

其中，P_VL1、Q_VL1分别为LCC侧交流母线注入联络线的有功功率和无功功率，U_s1为LCC系统受端电网交流母线处的电压，δ₁为LCC系统受端电网交流母线电压对应的相角，Z₁₂∠θ₁₂为联络线的等效阻抗，其中Z₁₂为阻抗值、θ₁₂为阻抗角。

从联络线注入VSC系统交流母线的潮流方程：

其中，P_VL2、Q_VL2分别为从联络线注入VSC侧交流母线的有功功率和无功功率；

(1-3)LCC系统模型；

从LCC直流侧经逆变器输出到交流系统的有功功率方程：

其中，P_dc1为LCC逆变站输出的有功功率，μ为LCC逆变站换相重叠角，γ为LCC逆变站息弧角，C_T为反映逆变站系统特性的常数，计算表达式如下：

式中，S_T为换流变压器容量，X_T为换流变短路阻抗，τ为换流变压器变比，P_dc1N为直流侧额定有功功率；

直流系统输出到交流系统的有功功率在直流侧表达式如下：

P_dc1＝U_dc1I_dc1

其中，U_dc1、I_dc1分别表示LCC系统直流侧电压和电流。

流过LCC系统逆变器的直流电流方程：

I_dc1＝U_s1K_T[cosγ-cos(μ+γ)]

其中，K_T为反映逆变站系统特性的常数，计算表达式如下：

式中，U_s1N为交流电压基准值，U_dc1B为LCC系统直流电压基值；

维持LCC系统稳定运行所需流向LCC逆变器的无功功率计算式：

其中，Q_dc1为流入LCC逆变站的无功功率；

LCC系统逆变站出口无功补偿设备提供的无功功率：

其中，Q_c为LCC系统逆变站出口无功补偿设备提供的无功功率，B_c为等值补偿电容工频电纳值；

LCC系统交流母线处的潮流方程为：

其中，P_ac1、Q_ac1分别为LCC系统从交流母线流向受端电网的有功功率和无功功率，Z₁∠θ₁为LCC侧受端电网的等效阻抗，其中Z₁为阻抗值、θ₁为阻抗角，E₁∠θ_c为LCC受端电网的等效电动势，其中E₁为电动势的值，θ_e为电动势相角；

LCC系统交流母线处的功率守恒方程为：

P_ac1＝P_dc1+P_VL1

Q_ac1＝Q_c+Q_VL1-Q_dc1

在分析模型时，认为系统各线路等效阻抗均为纯感性，即各个等效阻抗的阻抗角θ₁＝θ₂＝θ₁₂＝θ_C＝90°；

(2)选取混合双馈入直流输电系统标幺值及确定额定工况参数；

本发明分析的混合双馈入直流输电系统中VSC和LCC系统输出的额定功率相同，各自换流站出口交流母线处的电压额定值也相同。混合双馈入直流输电系统标幺值选取的原则为：功率基值为VSC(或LCC)系统输出的额定有功功率(VSC和LCC系统输出的额定有功功率相同，本实施例为1000WM)，交流电压基值为换流站出口交流母线电压的额定值(本实施例为线电压基值500kV)，VSC系统直流电压基值为VSC直流侧的额定电压，LCC系统直流电压基值为LCC直流侧的额定电压(本实施例为VSC系统500kV，LCC系统230kV)；

假设额定工况为：VSC系统有功输出为额定值且发出无功(P_t＝1、Q_t＝0～0.3)，VSC系统换流变压器等效阻抗Z_c＝0.1，LCC系统输出额定有功功率(P_dc1＝1、I_dc1＝1、U_s1＝1)，LCC换流站出口处的无功补偿设备提供LCC逆变站所需的全部无功功率，且联络线间无有功和无功潮流流过(P_ac2＝1、Q_ac1＝0、Q_VL1＝0)，设定线路等效阻抗：Z₁＝0.38、Z₂＝0.35、Z₁₂＝0.3(额定工况下线路等效阻抗可根据具体工程修正，但Z₁不宜超过0.42，Z₂和Z₁₂取值范围应限制在[0.2,0.65]内以符合工程实际)。将P_dc1、P_t、I_dc1、U_s1、Q_ac1、Q_VL1、P_ac2、Q_t、Z_c、Z₁、Z₂和Z₁₂作为额定工况参数；

(3)将额定工况参数作为已知量带入步骤(1)建立的模型求解，得到混合双馈入直流输电系统的固定参数：C_T、B_c、E₁、δ_e、E₂、K_T；

(4)LCC系统采用定功率P_dc1控制和定最小γ角控制(γ＝18°)的运行方式，VSC系统采用定有功功率P_t和无功功率Q_t控制的运行方式，VSC系统所发有功无功受换流站容量限制(P_t≤1、S²＝1.09，S为VSC系统逆变站容量)，通过改变LCC系统受端电网等效阻抗Z₁的变化来模拟受端电网强度的变化，设定Z₁的变化范围为[0.2，1]，变化步长为0.01。固定LCC系统的P_dc1＝1，根据步长不断改变Z₁的值，在每一个固定的Z₁下，仅仅对VSC系统的P_t、Q_t进行调节，调节的原则为使P_t尽可能大，Q_t按满容量发，不断增大P_t(P_t≤1)、直到将P_t、Q_t的值带入步骤(1)模型求解结果为模型无解为止，记录临界有解状态系统输出的总功率，得到混合双馈入系统在不同Z₁下所能输出的总功率，并记录此时不同Z₁下VSC侧交流母线的电压U_s2和从VSC换流变压器流向VSC侧交流母线的电流I_c，I_c的计算式为

其中，Z_c为VSC换流变压器等效阻抗的阻抗值，U_c为VSC逆变站出口交流电压，δ₃为VSC逆变站出口电压相角，U_s2为VSC系统受端电网交流母线处的电压，δ₂为该交流母线电压对应的相角；

(5)由于步骤(4)所得数据显示U_s2和I_c随Z₁变化呈现出较好的线性关系，将步骤(4)得到的U_s2和I_c关于Z₁变化的数据进行拟合，得到如下线性表达式：

其中，k_Ic、k_Us2为一次函数斜率，b_Ic、b_Us2为相应的截距；

则U_s2和I_c两参数按一定系数R_xn进行线性组合可得到一个随Z₁变化近似于不变的值U_s2+R_xnI_c，由于该值的计算式具有电压的形式，可认为是一个虚拟点的电压U_xn，其数学表述如下：

虚拟点电压U_xn的定义式为:

U_xn＝I_cR_xn+U_s2

虚拟点电压U_xn随Z₁变化趋势即U_xn对Z₁求导数:

令有：

通过计算式可以获得R_xn的一个近似值R′_xn，根据该近似值设定一个取值区间[0.5R′_xn，2R′_xn]，步长取0.01R′_xn，在该取值区间中通过数值计算的方法，遍历不同R_xn下U_xn随Z₁变化情况，Z₁的变化范围及对应的变化步长同步骤(4)，每一个R_xn值对应一组U_xn随Z₁变化的数据，找出各组数据中U_xn方差最小的一组数据所对应的R_xn值及U_xn平均值，该U_xn平均值作为定虚拟点电压控制中的U_xn给定值

(6)根据计算得到的控制参数和R_xn配置控制环节，VSC和LCC系统的控制方法分别为：

VSC系统：逆变侧采用内外双环控制。内环采用目前技术上成熟的定电流控制模式，实现dq轴电流解耦，dq轴电流I_d、I_q的给定值由外环控制环节确定。外环采用定虚拟点电压控制，相应的外环控制环节由设计的虚拟点电压控制器算法和有功功率控制器算法组成，对应的外环控制结构图如图2所示。图2a)中，虚拟点电压控制器实时测量U_s2和U_c的有效值，为去除测量时数据波动造成的高频噪声影响，在得到U_s2和I_c的有效值后加入一个惯性环节进行低通滤波，再根据U_xn＝I_cR_xn+U_s2计算得到U_xn的实时值；将U_xn的实时值与给定值做差后作为PI环节的输入信号进行定U_xn值控制，该PI控制器输出量作为VSC系统逆变站dq解耦后Q_t对应的无功电流I_q的给定值进而确定了此时VSC系统输出的Q_t值；图2b)中，有功功率控制器的P_t给定值由确定，P_t的实时值与给定值做差后作为PI环节的输入信号，该PI控制器输出量作为VSC系统逆变站dq解耦后P_t对应的有功电流I_d的给定值进而确定了此时VSC系统输出的P_t值。根据上述控制，实现了对VSC系统P_t、Q_t的自动调节；

LCC系统：逆变侧定有功功率P_dc1＝1、定熄弧角γ＝18°控制。

在上述控制模式下，当混合双馈入直流输电系统的受端电网强度变化(对应于Z₁变化)时，VSC系统能自动调整运行参数P_t、Q_t，使得混合双馈入直流输电系统运行在传输功率最大的模式。

Claims (1)

1.一种混合双馈入直流输电系统最大传输功率控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)建立混合双馈入直流输电系统模型，该模型包括柔性直流输电VSC系统模型、联络线模型和传统直流输电LCC系统模型三部分，具体如下：

(1-1)VSC系统模型；

VSC系统逆变站出口的潮流方程为：

其中，P_t、Q_t分别为VSC系统逆变站输出的有功功率和无功功率，Z_c∠θ_c为VSC换流变压器等效阻抗，其中Z_c为阻抗值、θ_c为阻抗角，U_c为VSC逆变站出口交流电压，δ₃为VSC逆变站出口电压相角，U_s2为VSC系统受端电网交流母线处的电压，δ₂为VSC系统受端电网交流母线电压对应的相角；

VSC系统交流母线处的潮流方程为：

其中，P_S、Q_S分别为VSC系统从交流母线处流向换流变压器的有功功率和无功功率，P_ac2、Q_ac2分别为VSC系统从交流母线流向受端电网的有功功率和无功功率，Z₂∠θ₂为VSC侧受端电网的等效阻抗，其中Z₂为阻抗值、θ₂为阻抗角，E₂∠0°为VSC受端电网的等效电动势；

VSC系统交流母线处的节点功率守恒方程为：

P_ac2＝-(P_s+P_VL2)

Q_ac2＝-(Q_s+Q_VL2)

其中，P_VL2、Q_VL2分别为从联络线注入VSC侧交流母线的有功功率和无功功率；

(1-2)联络线模型；

从LCC系统交流母线流向联络线的潮流方程：

其中，P_VL1、Q_VL1分别为LCC侧交流母线注入联络线的有功功率和无功功率，U_s1为LCC系统受端电网交流母线处的电压，δ₁为LCC系统受端电网交流母线电压对应的相角，Z₁₂∠θ₁₂为联络线的等效阻抗，其中Z₁₂为阻抗值、θ₁₂为阻抗角；

从联络线注入VSC系统交流母线的潮流方程：

其中，P_VL2、Q_VL2分别为从联络线注入VSC侧交流母线的有功功率和无功功率；

(1-3)LCC系统模型；

从LCC直流侧经逆变器输出到交流系统的有功功率方程：

其中，P_dc1为LCC逆变站输出的有功功率，μ为LCC逆变站换相重叠角，γ为LCC逆变站息弧角，C_T为反映逆变站系统特性的常数，计算表达式如下：

式中，S_T为换流变压器容量，X_T为换流变短路阻抗，τ为换流变压器变比，P_dc1N为直流侧额定有功功率；

直流系统输出到交流系统的有功功率在直流侧表达式如下：

P_dc1＝U_dc1I_dc1

其中，U_dc1、I_dc1分别表示LCC系统直流侧电压和电流；

流过LCC系统逆变器的直流电流方程：

I_dc1＝U_s1K_T[cosγ-cos(μ+γ)]

其中，K_T为反映逆变站系统特性的常数，计算表达式如下：

式中，U_s1N为交流电压基准值，U_dc1B为LCC系统直流电压基值；

维持LCC系统稳定运行所需流向LCC逆变器的无功功率计算式：

其中，Q_dc1为流入LCC逆变站的无功功率；

LCC系统逆变站出口无功补偿设备提供的无功功率：

其中，Q_c为LCC系统逆变站出口无功补偿设备提供的无功功率，B_c为等值补偿电容工频电纳值；

LCC系统交流母线处的潮流方程为：

其中，P_ac1、Q_ac1分别为LCC系统从交流母线流向受端电网的有功功率和无功功率，Z₁∠θ₁为LCC侧受端电网的等效阻抗，其中Z₁为阻抗值、θ₁为阻抗角，E₁∠θ_e为LCC受端电网的等效电动势，其中E₁为电动势的值，θ_e为电动势相角；

LCC系统交流母线处的功率守恒方程为：

P_ac1＝P_dc1+P_VL1

Q_ac1＝Q_c+Q_VL1-Q_dc1

其中，各个等效阻抗的阻抗角θ₁＝θ₂＝θ₁₂＝θ_C＝90°；

(2)选取混合双馈入直流输电系统标幺值及确定额定工况参数；

混合双馈入直流输电系统标标幺值选取的原则为：功率基值为VSC系统或LCC系统输出的额定有功功率，交流电压基值为换流站出口交流母线电压的额定值，VSC系统直流电压基值为VSC直流侧的额定电压，LCC系统直流电压基值为LCC直流侧的额定电压；

假设额定工况为：VSC系统有功输出为额定值且发出无功，P_t＝1、Q_t＝0～0.3，VSC系统换流变压器等效阻抗Z_c＝0.1，LCC系统输出额定有功功率，P_dc1＝1、I_dc1＝1、U_s1＝1，LCC换流站出口处的无功补偿设备提供LCC逆变站所需的全部无功功率，且联络线间无有功和无功潮流流过，P_ac2＝1、Q_ac1＝0、Q_VL1＝0，设定线路等效阻抗Z₁、Z₂和Z₁₂的值；将P_dc1、P_t、I_dc1、U_s1、Q_ac1、Q_VL1、P_ac2、Q_t、Z_c、Z₁、Z₂和Z₁₂作为额定工况参数；

(3)将额定工况参数带入步骤(1)建立的模型求解，得到混合双馈入直流输电系统的固定参数：C_T、B_c、E₁、δ_e、E₂、K_T；

(4)设定Z₁的变化范围及对应的变化步长，固定LCC系统的P_dc1＝1、γ＝18°，按照步长在Z₁的变化范围内改变Z₁的值，在每一个固定的Z₁下，对VSC系统的P_t、Q_t进行调节，不断增大P_t，Q_t按满容量发，直到将P_t、Q_t的值带入步骤(1)模型求解结果为模型无解为止，记录临界有解状态系统输出的总功率，得到混合双馈入系统在不同Z₁下所能输出的总功率，并记录不同Z₁下VSC侧交流母线的电压U_s2和从VSC换流变压器流向VSC侧交流母线的电流I_c，I_c的计算式为：

其中，Z_c为VSC换流变压器等效阻抗的阻抗值；

(5)将步骤(4)记录的U_s2、I_c和Z₁数据进行拟合，得到如下线性表达式：

其中，k_Ic、k_Us2为一次函数斜率，b_Ic、b_Us2为相应的截距；

构建虚拟点电压U_xn表达式如下：

U_xn＝I_cR_xn+U_s2

虚拟点电压U_xn随Z₁变化趋势即U_xn对Z₁求导数：

令有：

计算得到R_xn的近似值R′_xn，根据该近似值设定一个取值区间[0.5R′_xn，2R′_xn]，步长取0.01R′_xn，在该取值区间中通过数值计算的方法，遍历不同R_xn取值下U_xn随Z₁变化情况，每一个R_xn值对应一组U_xn随Z₁变化的数据，找出各组数据中U_xn方差最小的一组数据所对应的R_xn值及U_xn平均值，将该U_xn平均值作为定虚拟点电压控制中的U_xn给定值

(6)根据和R_xn配置控制环节，VSC和LCC系统的控制方法分别为：

VSC系统：逆变侧采用内外双环控制；内环采用定电流控制模式，实现dq轴电流解耦，dq轴电流I_d、I_q的给定值由外环控制环节确定；外环采用定虚拟点电压控制，相应的外环控制环节由设计的虚拟点电压控制器算法和有功功率控制器算法组成，虚拟点电压控制器实时测量U_s2和I_c的有效值，在得到U_s2和I_c的有效值后加入一个惯性环节进行低通滤波，再根据U_xn＝I_cR_xn+U_s2计算得到U_xn的实时值；将U_xn的实时值与给定值做差后作为PI环节的输入信号进行定U_xn值控制，该PI控制器输出量作为VSC系统逆变站dq解耦后Q_t对应的无功电流I_q的给定值进而确定了此时VSC系统输出的Q_t值；有功功率控制器的P_t给定值由确定，P_t的实时值与给定值做差后作为PI环节的输入信号，该PI控制器输出量作为VSC系统逆变站dq解耦后P_t对应的有功电流I_d的给定值进而确定了此时VSC系统输出的P_t值；

LCC系统：逆变侧定有功功率P_dc1＝1、定熄弧角γ＝18°控制；

在上述控制模式下，当混合双馈入直流输电系统的受端电网强度变化时，VSC系统自动调整运行参数P_t、Q_t，使得混合双馈入直流输电系统运行在传输功率最大的模式。