CN109546675B - 用于高压柔性直流系统的串联mmc换流器协调控制方法 - Google Patents

用于高压柔性直流系统的串联mmc换流器协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，包括：计算定直流电压换流站内每个换流器的第一直流电压指令值和第一无功功率指令值；计算定有功功率换流站内每个换流器的有功功率初始值和第二无功功率指令值；分别测量定有功功率换流站出口直流电压和定有功功率换流站内每个换流器的出口直流电压，计算定有功功率换流站内每个换流器的第二直流电压指令值；将换流器直流电压测量值与第二直流电压指令值的差值输入到比例‑积分控制器，计算比例‑积分控制器的输出信号与有功功率初始值的和，作为有功功率换流站内换流器的有功功率指令值；将上述多个指令值送给相应的换流器。本申请能在各种工况下对多个换流器协调控制。

Description

用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法
技术领域
本申请涉及电力系统输配电技术领域，尤其涉及一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法。
背景技术
MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)与LCC(LineCommutated Converter，电网换相型换流器)相比，具有谐波特性好、不存在换相失败问题、可以给弱交流系统/无源网络供电等技术优势，近年来已有多个MMC型高压直流输电系统投运，MMC3在高压直流输电领域发挥着巨大应用潜力。
MMC在高压直流输电系统中进一步应用主要受到直流电压和直流电流等级的限制。目前，单个换流器的电压等级和最大直流电流已经达到了±500kV和3kA，但是与采用LCC的特高压直流输电系统的±800kV和5kA仍存在一定差距。
为了进一步加强MMC在高压大容量输电中的运用，充分发挥MMC的优良特性，可以考虑每个高压直流输电系统换流站的正负极都采用多个MMC换流器串联的形式，通过串联多个直流电压等级较低的MMC来达到较高的直流电压，从而增加柔性直流工程的电压等级，提升柔性直流输电系统的功率输送能力。同时，相比起单纯通过增加单个MMC内级联子模块个数来提高直流电压等级的方案，这种采用MMC串联的技术方案实现方式较为简单，同时对通信系统、控制系统和子模块均压算法的要求也相对更低。
对于由多个MMC换流器串流组成的换流站来说，为了保证稳定运行，要求每个MMC换流器的直流电压均维持在其额定直流电压附近，否则换流站将无法维持有功功率的正常输送。然而现有技术中尚未有MMC串联构成换流站时每个MMC换流器如何维持其直流电压在额定直流电压附近的电压控制策略，具体可参见图1、图2，其中，图1为现有技术中定有功功率换流站内各个MMC换流器的直流电压波形图，图2为现有技术中定有功功率换流站内各个MMC换流器的有功功率波形图，由图1、图2可见，现有技术中定有功功率换流站内各个换流器的直流电压和有功功率均有较大波动，无法满足串联MMC换流器之间的均压运行要求。
发明内容
本申请提供了一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，以解决串联MMC换流器之间的均压运行问题。
本申请提供了一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，该方法包括：
计算定直流电压换流站内每个换流器的第一直流电压指令值和第一无功功率指令值；
计算定有功功率换流站内每个换流器的有功功率初始值和第二无功功率指令值；
分别测量所述定有功功率换流站出口直流电压和所述定有功功率换流站内每个换流器的出口直流电压，得到换流站出口直流电压测量值和换流器出口直流电压测量值，根据所述换流站出口直流电压测量值计算所述定有功功率换流站内每个换流器的第二直流电压指令值；
将所述换流器出口直流电压测量值与第二直流电压指令值的差值输入到比例-积分控制器，计算所述比例-积分控制器的输出信号与所述有功功率初始值的和，作为所述有功功率换流站内换流器的有功功率指令值；
将所述第一直流电压指令值和第一无功功率指令值发送给所述定直流电压换流站相应的换流器，将所述有功功率指令值和第二无功功率指令值发送给所述定有功功率换流站相应的换流器。
可选地，所述第一直流电压指令值和第一无功功率指令值的计算公式包括：
Figure BDA0001939058330000021
其中，Uref1j为所述定直流电压换流站第j个MMC换流器的第一直流电压指令值，Qref1j为所述定直流电压换流站第j个MMC换流器的第一无功功率指令值，Un1j为所述定直流电压换流站第j个MMC换流器的额定直流电压，Udcn为系统额定直流电压，Udcref1为所述定直流电压换流站的直流电压指令值，Qref1为所述定直流电压换流站的无功功率指令值。
可选地，所述有功功率初始值和第二无功功率指令值的计算公式包括：
Figure BDA0001939058330000022
其中，Preij0为第i个所述定有功功率换流站第j个MMC换流器的有功功率初始值，Qrefij为第i个所述定有功功率换流站第j个MMC换流器的第二无功功率指令值,Unij为第i个所述定有功功率换流站第j个MMC换流器的额定直流电压,Prefi为第i个所述定有功功率换流站的有功功率指令值，Qrefi为第i个所述定有功功率换流站的无功功率指令值。
可选地，所述第二直流电压指令值的计算公式包括：
Figure BDA0001939058330000023
其中，Urefij为第i个所述定有功功率换流站的第二直流电压指令值，Udci为第i个所述定有功功率换流站出口处直流电压的测量值，Unij为第i个所述定有功功率换流站第j个MMC换流器的额定直流电压。
可选地，所述比例-积分环节的积分时间常数包括0.2，比例系数包括0.05，所述比例-积分环节的最大输出包括0.05、最小输出包括-0.05。
本申请提供的用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法的有益效果包括：
本申请提供的用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，通过分别计算定直流电压换流站内每个换流器的指令值和定有功功率换流站内每个换流器的初始值，再通过测量得到定有功功率换流站的直流电压测量值，将测得的直流电压测量值与计算的指令值通过比例-积分控制器进行运算，得到了高压柔性直流系统的每个换流器的指令值，从而有效解决了电压平衡问题，能够实现在各种工况下对换流器之间的协调控制，保障了高压柔性直流系统的安全稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中定有功功率换流站内各个MMC换流器直流电压波形示意图；
图2为现有技术中定有功功率换流站内各个MMC换流器有功功率波形示意图；
图3为本申请实施例提供的一种柔性直流系统拓扑结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的定有功功率站内换流器有功功率指令值计算原理示意框图；
图6为本申请实施例提供的定有功功率换流站内各个MMC换流器直流电压波形示意图；
图7为本申请实施例提供的定有功功率换流站内各个MMC换流器有功功率波形示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，适用的高压柔性直流系统端数为N，N≥2，由一个定直流电压换流站和(N-1)个定有功功率换流站组成，其中定直流电压站编号为1，剩余定有功功率换流站编号为2到N。系统额定直流电压为Udcn。
本申请实施例中，高压柔性直流系统每端换流站均为MMC换流站，其中每个换流站由Ki(Ki≥2)个MMC换流器串联组成，设该换流站中第j个MMC换流器的额定直流电压为Unij，对于第i个换流站，满足下述关系式：
Figure BDA0001939058330000031
MMC换流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个子模块和一个桥臂电抗器串联组成。每个换流器均采用电流矢量控制，具体可分为2种控制模式，分别为定直流电压和定无功功率控制模式，以及定有功功率和定无功功率控制模式。
参见图3，为本申请实施例提供的一种柔性直流系统拓扑结构示意图，如图3所示，本申请实施例提供的柔性直流系统，包括一个两端单极系统，额定直流电压为800kV，额定直流功率为1600MW。两端单极系统的两端换流站分别为换流站1和换流站2，换流站1和换流站2均由两个额定电压为400kV的MMC1换流器和MMC2换流器串流组成，MMC1换流器的参数与MMC2换流器的参数相同，具体如表1所示：
表1
Figure BDA0001939058330000032
Figure BDA0001939058330000041
具体的，换流站1为定直流电压换流站，换流站2为定有功功率换流站。稳定运行状态下，系统级控制器向换流站1发出的指令值包括直流电压指令值Udcref1和无功功率指令值Qref1，其中，UUddccrreeff11＝800kV，Qref1＝0Mvar；系统级控制器向换流站2发出的指令值包括有功功率指令值Pref2和无功功率指令值Qref2，其中，Pref2＝1600MW，Qref2＝0Mvar。
对上述高压柔性直流系统的协调控制方法参见图4，为本申请实施例提供的一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法的流程示意图，如图4所示，协调控制方法具体包括以下步骤：
步骤S110：计算定直流电压换流站内每个换流器的第一直流电压指令值和第一无功功率指令值。
具体的，第一直流电压指令值和第一无功功率指令值的计算公式包括：
Figure BDA0001939058330000042
其中，Uref1j为换流站1内第j个MMC换流器的第一直流电压指令值，Qref1j为换流站1内第j个MMC换流器的第一无功功率指令值，Un1j为换流站1内第j个MMC换流器的额定直流电压，本实施例中，换流站1内包括MMC1换流器和MMC2换流器，因此，j的取值为1或2。
步骤S120：计算定有功功率换流站内每个换流器的有功功率初始值和第二无功功率指令值。
具体的，有功功率初始值和第二无功功率指令值的计算公式包括：
Figure BDA0001939058330000043
其中，Pre2j0为换流站2内第j个MMC换流器的有功功率初始值，Qref2j为换流站2内第j个MMC换流器的第二无功功率指令值,Un2j为换流站2内第j个MMC换流器的额定直流电压,Pref2为换流站2的有功功率指令值，Qref2为换流站2的无功功率指令值。
进一步的，如果高压柔性直流系统端数大于2，即定有功功率换流站的数量有多个，则相应的，第i个定有功功率换流站内第j个换流器的有功功率初始值和第二无功功率指令值的计算公式为：
Figure BDA0001939058330000044
相应的，Preij0为第i个定有功功率换流站第j个MMC换流器的有功功率初始值，Qrefij为第i个定有功功率换流站第j个MMC换流器的第二无功功率指令值,Unij为第i个定有功功率换流站第j个MMC换流器的额定直流电压,Prefi为第i个定有功功率换流站的有功功率指令值，Qrefi为第i个定有功功率换流站的无功功率指令值。
步骤S130：分别测量定有功功率换流站出口直流电压和定有功功率换流站内每个换流器的出口直流电压，得到换流站出口直流电压测量值和换流器出口直流电压测量值，根据换流站出口直流电压测量值计算定有功功率换流站内每个换流器的第二直流电压指令值。
具体的，换流站2的换流站出口直流电压测量值为Udc2，换流站2内第j个换流器的换流器直流电压测量值为Udc2j，并以此为基础计算定功率换流站2内部第j个换流器的第二直流电压指令值Uref2j，计算公式为：
Figure BDA0001939058330000051
进一步的，如果高压柔性直流系统端数大于2，即定有功功率换流站的数量有多个，则相应的，第i个定有功功率换流站内第j个换流器的第二直流电压指令值Urefij计算公式为：
Figure BDA0001939058330000052
相应的，Urefij为第i个定有功功率换流站的第二直流电压指令值，Udci为第i个定有功功率换流站出口处直流电压的测量值。
步骤S140：将换流器出口直流电压测量值与第二直流电压指令值的差值输入到比例-积分控制器，计算比例-积分控制器的输出信号与有功功率初始值的和，作为有功功率换流站内换流器的有功功率指令值。
具体的，参见图5，为本申请实施例提供的定有功功率站内换流器有功功率指令值计算原理示意框图，如图5所示，将换流站2第j个换流器的换流器出口直流电压测量值Udc2j与第二直流电压指令值Uref2j做差，作为比例-积分控制器的输入信号。可选地，比例-积分环节中积分时间常数可以取在0.2附近，比例系数可以取在0.05附近，比例-积分环节的最大输出和最小输出可以限制在0.05和-0.05附近。
将上述比例-积分控制器的输出信号ΔPref2j作为第j个换流器有功功率指令值的修正量，与第j个换流器的有功功率指令初始值Pref2j0相加(或相减，视定义的功率正方向而定)，得到第j个换流器有功功率指令值Pref2j。结合无功功率指令值Qref2j完成对定有功功率换流站内的每个换流器的控制。
进一步的，如果高压柔性直流系统端数大于2，即定有功功率换流站的数量有多个，则相应的，将换流站i第j个换流器的换流器出口直流电压测量值Udcij与第二直流电压指令值Urefij做差，作为比例-积分控制器的输入信号。可选地，比例-积分环节中积分时间常数可以取在0.2附近，比例系数可以取在0.05附近，比例-积分环节的最大输出和最小输出可以限制在0.05和-0.05附近。
将上述比例-积分控制器的输出信号ΔPrefij作为第j个换流器有功功率指令值的修正量，与第j个换流器的有功功率指令初始值Prefij0相加(或相减，视定义的功率正方向而定)，得到第j个换流器有功功率指令值Prefij。
步骤S150：将第一直流电压指令值和第一无功功率指令值发送给定直流电压换流站相应的换流器，将有功功率指令值和第二无功功率指令值发送给定有功功率换流站相应的换流器。
具体的，将换流站1内MMC1换流器的第一直流电压指令值和第一无功功率指令值发送到换流站1内MMC1换流器，将换流站1内MMC2换流器的第一直流电压指令值和第一无功功率指令值发送到换流站1内MMC2换流器，将换流站2内MMC1换流器的有功功率指令值和无功功率指令值发送到换流站2内MMC1换流器，将换流站2内MMC2换流器的有功功率指令值和无功功率指令值发送到换流站2内MMC2换流器。
进一步的，如果高压柔性直流系统端数大于2，即定有功功率换流站的数量有多个，则相应的，将换流站i内第j个换流器的有功功率指令值和无功功率指令值发送到换流站i内第j个换流器，实现对每个换流器的具体控制。
在实施本申请所提供的用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，实施效果参见图6、图7，其中，图6为本申请实施例提供的定有功功率换流站内各个MMC换流器直流电压波形示意图，图7为本申请实施例提供的定有功功率换流站内各个MMC换流器有功功率波形示意图，由图6和图7可以看出，相对于现有技术中的图1、图2，使用本申请使用本发明所提出的控制方法后，各个MMC换流器之间的直流电压和有功功率都得到了平衡。
由上述实施例可见，本申请提供的用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，通过分别计算定直流电压换流站内每个换流器的指令值和定有功功率换流站内每个换流器的初始值，再通过测量得到定有功功率换流站的直流电压测量值，将测得的直流电压测量值与计算的指令值通过比例-积分控制器进行运算，得到了高压柔性直流系统的每个换流器的指令值，从而有效解决了电压平衡问题，能够实现在各种工况下对换流器之间的协调控制，保障了高压柔性直流系统的安全稳定运行。
由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (2)

1.一种用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，其特征在于，包括：
计算定直流电压换流站内每个换流器的第一直流电压指令值和第一无功功率指令值；
计算定有功功率换流站内每个换流器的有功功率初始值和第二无功功率指令值；
分别测量所述定有功功率换流站出口直流电压和所述定有功功率换流站内每个换流器的出口直流电压，得到换流站出口直流电压测量值和换流器出口直流电压测量值，根据所述换流站出口直流电压测量值计算所述定有功功率换流站内每个换流器的第二直流电压指令值；
将所述换流器出口直流电压测量值与第二直流电压指令值的差值输入到比例-积分控制器，计算所述比例-积分控制器的输出信号与所述有功功率初始值的和，作为所述有功功率换流站内换流器的有功功率指令值；
将所述第一直流电压指令值和第一无功功率指令值发送给所述定直流电压换流站相应的换流器，将所述有功功率指令值和第二无功功率指令值发送给所述定有功功率换流站相应的换流器；
其中，所述第一直流电压指令值和第一无功功率指令值的计算公式包括：
Figure FDA0003331095560000011
其中，Uref1j为所述定直流电压换流站第j个MMC换流器的第一直流电压指令值，Qref1j为所述定直流电压换流站第j个MMC换流器的第一无功功率指令值，Un1j为所述定直流电压换流站第j个MMC换流器的额定直流电压，Udcn为系统额定直流电压，Udcref1为所述定直流电压换流站的直流电压指令值，Qref1为所述定直流电压换流站的无功功率指令值；
所述有功功率初始值和第二无功功率指令值的计算公式包括：
Figure FDA0003331095560000012
其中，Preij0为第i个所述定有功功率换流站第j个MMC换流器的有功功率初始值，Qrefij为第i个所述定有功功率换流站第j个MMC换流器的第二无功功率指令值,Unij为第i个所述定有功功率换流站第j个MMC换流器的额定直流电压,Prefi为第i个所述定有功功率换流站的有功功率指令值，Qrefi为第i个所述定有功功率换流站的无功功率指令值；
所述第二直流电压指令值的计算公式包括：
Figure FDA0003331095560000013
其中，Urefij为第i个所述定有功功率换流站的第二直流电压指令值，Udci为第i个所述定有功功率换流站出口处直流电压的测量值。
2.如权利要求1所述的用于高压柔性直流系统的串联MMC换流器协调控制方法，其特征在于，所述比例-积分环节的积分时间常数包括0.2，比例系数包括0.05，所述比例-积分环节的最大输出包括0.05、最小输出包括-0.05。
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