CN110350505B - 一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法，该方法为：利用电容值可变的等效电容对换流站上下桥臂进行数学建模，根据换流站当前运行功率和需要达到的最终控制目标功率，确定一个实时功率调整增量，将该调整增量附加到换流站当前运行功率之上作为换流站的实时功率控制目标值。本发明在已有的功率控制环节之前附加了一个根据换流站当前运行工况自适应调整的增益环节，该改动可以明显降低换流站交直流侧的功率不平衡程度，从而减轻已有的外环功率控制和内环电流控制的功率调节压力，间接提升了已有控制策略的控制效果，能够很好的提高直流电压的稳定性。

Description

一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法

技术领域

本发明属于基于MMC换流器的两端或者多端柔性直流输电系统技术领域，具体涉及一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法。

背景技术

我国的能源分布和负荷分布不匹配，能源富余区域与重负荷区域距离较远，为了实现能源的高效配置和充分利用，必须发展大容量远距离输电技术，同时直流异步互联还有避免大面积连锁故障发生、消除低频振荡问题、不会加重交流电网短路电流水等作用。模块化多电平柔性直流输电技术具有占地面积小、无换相失败问题、结构多变、方便扩展等诸多优良特性，因此在直流电能传输及区域交流电网互联方面具有非常广阔的应用前景。目前我国在上海、南澳、舟山以及厦门等地已开展和建设了一批柔性直流输电工程，美国建设的跨湾工程(Trans Bay Cable Project,TBC)以及法国—西班牙的电网互联工程(INELFE)也采用了柔性直流输电技术。

柔性直流输电系统稳定运行的关键在于直流电压的稳定性，目前针对柔性直流输电系统已经提出了诸多成熟的控制方法和策略，对于两端柔性直流输电系统一般采用定电压站和定功率站相配合的控制方法，对于多端柔性直流输电系统常采用主从控制、下垂控制等方法。这些控制方法在进行功率调整时都有一个可控裕度，当换流站运行工况转变过大时，直流电压就会出现较大波动，而如果这种工况变化进一步增大，就有可能超出换流站控制策略的可控裕度，这样甚至会导致直流电压失稳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法，该方法为：利用电容值可变的等效电容对换流站上下桥臂进行数学建模，根据换流站当前运行功率和需要达到的最终控制目标功率，确定一个实时功率调整增量，将该调整增量附加到换流站当前运行功率之上作为换流站的实时功率控制目标值。

一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法，该方法的具体步骤如下：

将上桥臂与下桥臂分别用一个电容值可变的电容来进行等效，设a相的上桥臂等效电容

a相下桥臂的等效电容为

得到如下关系式：

式中N为上下桥臂投入的子模块数量之和，C为单个子模块的电容值，ω为系统角频率、t为时间；

将换流站上桥臂和下桥臂流过电流一个完整的变化周期划分为四个阶段，结合式(1)，得到换流站直流电压的变化解析表达式，如下：

式中I为流过上桥臂和下桥臂的交流基波分量的幅值，i为流经上下桥臂的直流分量大小的三分之一，

为电压电流相角差；

设两端柔性直流输电系统的换流器1和换流器2中目标控制功率为P_ref，2号换流站运行功率P₂，P₀为调整前的运行功率，P_k-P₀为设定的功率调整增量，将该功率调整增量与换流站2的实时运行功率相加作为换流站2的新的目标控制功率P′_ref，将P′_ref作为新的输入提供给原有控制框架的外环功率控制环节，功率调整增量使得P′_ref满足下式：

其中ξ≤0.5。

本发明首先用电容等效的方法对典型柔直换流站桥臂进行数学建模，进而分析直流侧电压与不同工况及故障情况下交直流侧功率不平衡情况之间的关系，然后提出了一种可以根据换流站实际运行工况自动调整功率控制指令值，降低交直流侧功率不平衡度的动态功率控制方法，该方法的应用相当于对换流站的工况转变进行了有效缓冲，使得换流站从初始运行工况平滑的过渡到最终运行工况，对换流站工况转变过程中的直流电压进行有效抑制，提升柔性直流输电系统稳定性。该调整策略不需要站间通信，不改变原有换流站功率控制系统的内环和外环结构，只是在原有换流站控制系统之外附加一个功率控制环节，可以与现有的不同换流站功率控制策略配合使用，所以在两端和多端柔直系统中均可应用。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在已有的功率控制环节之前附加了一个根据换流站当前运行工况自适应调整的增益环节，该改动可以明显降低换流站交直流侧的功率不平衡程度，从而减轻已有的外环功率控制和内环电流控制的功率调节压力，间接提升了已有控制策略的控制效果，能够很好的提高直流电压的稳定性。

附图说明

图1为MMC典型拓扑结构图；

图2为基于MMC换流站的两端柔性直流输电系统结构示意图；

图3为在典型柔性直流输电系统控制策略下换流站内部各功率指标关系示意图；

图4为在本发明所采用柔性直流输电系统控制策略下换流站内部各功率指标关系示意图；

图5为典型柔性直流输电系统有功功率控制框图；

图6为在本发明所采用控制策略下的柔性直流输电系统有功功率控制框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-6所示，一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法，该方法为：利用电容值可变的等效电容对换流站上下桥臂进行数学建模，分析柔性直流输电直流电压波动的机理。根据换流站当前运行功率和需要达到的最终控制目标功率，进行理论分析推导并最终确定一个实时功率调整增量，将该调整增量附加到换流站当前运行功率之上作为换流站的实时功率控制目标值。

构建MMC的基本控制框架，对于外环功率控制环节，如果是多端柔性直流输电系统，可以采用下垂控制或者主从控制，对于两端柔性直流输电系统，则可采用定功率控制，根据不同换流站的运行特性选取PI参数；而对于内环电流控制可以采用当下比较典型的带内部环流抑制的控制框架。本发明将在MMC基本控制框架之外附加一个控制环节，该环节主要处理MMC外环功率控制的输入量：功率控制目标值。该环节的主要作用就是结合换流站设定的目标运行功率与换流站当前运行实时功率，确定一个功率增量，将该功率增量附加到换流站当前运行实时功率之上，再作为MMC外环功率控制的输入，本质上相当于在原有的MMC外环功率控制环节之外附加了一个增益系数随换流站实时运行工况动态变化的增益环节，相当于该增益环节与原来的外环功率控制环节一起形成新的外环功率控制环节。

一种抑制柔性直流输电直流电压波动的功率控制方法，具体步骤如下：

如图1为典型的MMC换流站拓扑结构图，考虑到虽然上下桥臂所有子模块的充放电电流在运行过程中是实时变化的，而且包含直流、一次、二次等各种分量，但是在同一时刻同一桥臂上的所有子模块电容的充放电电流是相等的，而且由于上下桥臂的投入子模块数量也是实时变化的，本发明将上桥臂与下桥臂分别用一个电容值可变的电容来进行等效。设a相的上桥臂等效电容

a相下桥臂的等效电容为

经过分析推导可得到如下关系式：

式中N为上下桥臂投入的子模块数量之和，C为单个子模块的电容值。

本发明将换流站上下桥臂流过电流一个完整的变化周期划分为四个阶段，结合式1，可以推导出换流站直流电压的变化解析表达式，如下：

式中I为流过上下桥臂的交流基波分量的幅值，i为流经上下桥臂的直流分量大小的三分之一。

根据式2可知，直流侧电压的波动主要是由直流侧和交流侧的注入电流即注入功率的不平衡程度决定的，本发明基于此，在原有MMC换流站控制框架之前添加一个控制环节，该环节主要作用是对原来输入换流站控制环节的功率控制目标值进行优化处理,从而减少换流器交直流侧的功率传输不平衡程度，抑制直流电压波动。

以图2所示典型两端柔性直流输电系统为例进行说明。图3描述的是原有的控制策略下，换流站内部的各种功率指标之间的变化关系图。原有控制策略对目标控制功率P_ref不做处理，图中P_r为直流线路损耗功率，p₁为1号换流站的运行功率，面积s₂表示原来控制策略下控制目标曲线P_ref与换流站2当前实时运行功率之差，面积s₁表示原有控制策略下2号换流站运行功率P₂与直流侧注入功率p₁-P_r之间的差；图4描述的是使用本发明提出的控制策略下，换流站内部的各种功率指标之间的变化关系，图中P₀为调整前的运行功率，P_k-P₀为设定的功率调整增量，本控制策略将该功率调整增量与换流站2的实时运行功率相加作为换流站2的新的目标控制功率P′_ref，图中s₂为新的目标控制曲线P′_ref与换流站2实时运行功率之差，s₁为2号换流站运行功率P₂与直流侧注入功率p₁-P_r之间的差。本发明提出的控制策略将P′_ref作为新的输入提供给原有控制框架的外环功率控制环节，经过理论分析，在图3图4中，s₁与s₂之间存在正相关的关系，当功率调整增量取一个合理的值时，图4中的s₁比图3中的s₁小，s₁本质上就是反应换流站交直流侧的功率不平衡程度，所以在图4中合理的选取功率调整增量可以对直流侧电压波动起到明显的抑制效果。本发明研究得出当功率调整增量使得P′_ref满足下式时，可以明显抑制直流电压波动。

其中ξ≤0.5。

图5为典型的柔性直流输电有功功率控制系统框图，图6为本发明提出的加入功率调整增量后的有功功率控制系统框图，当需要调整柔性直流输电系统的运行工况时，换流站实时运行功率为P₂，调整之后想让换流站运行功率保持为P_ref，本发明提出的附加控制环节根据式3对P₂、P_ref进行处理得到一个实时变化的控制目标值P′_ref，然后将其作为换流站有功功率外环控制环节的输入。图中有功功率外环控制环节和电流内环控制环节可以参照已有的典型控制系统构建。

与现有的提升MMC运行直流电压稳定性的控制方法相比，本发明并没有对已有的外环功率控制和内环电流控制作出原则上的修改，而是在已有的功率控制环节之前附加了一个根据换流站当前运行工况自适应调整的增益环节，该改动可以明显降低换流站交直流侧的功率不平衡程度，从而减轻已有的外环功率控制和内环电流控制的功率调节压力，间接提升了已有控制策略的控制效果，能够很好的提高直流电压的稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种抑制柔直输电功率调整时直流电压波动的控制方法，其特征在于：该方法为：利用电容值可变的等效电容对换流站上下桥臂进行数学建模，根据换流站当前运行功率和需要达到的最终控制目标功率，确定一个实时功率调整增量，将该调整增量附加到换流站当前运行功率之上作为换流站的实时功率控制目标值；该方法的具体步骤如下：

将上桥臂与下桥臂分别用一个电容值可变的电容来进行等效，设a相的上桥臂等效电容

a相下桥臂的等效电容为

得到如下式：

式中N为上下桥臂投入的子模块数量之和，C为单个子模块的电容值，ω为系统角频率、t为时间；

将换流站上桥臂和下桥臂流过电流一个完整的变化周期划分为四个阶段，结合式(1)，得到换流站直流电压的变化解析表达式，如下：

式中I为流过上桥臂和下桥臂的交流基波分量的幅值，i为流经上下桥臂的直流分量大小的三分之一，

为电压电流相角差；

在原有MMC换流站控制框架之前添加一个控制环节，该控制环节用于对原来输入换流站控制环节的功率控制目标值进行优化处理；

设两端柔性直流输电系统的换流器1和换流器2中目标控制功率为P_ref，2号换流站运行功率P₂，P₀为调整前的运行功率，P_k-P₀为设定的功率调整增量，将该功率调整增量与换流站2的实时运行功率相加作为换流站2的新的目标控制功率P′_ref，将P′_ref作为新的输入提供给原有控制框架的外环功率控制环节，功率调整增量使得P′_ref满足下式：

其中ξ≤0.5。

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