CN110690724B - 考虑mmc内部动态约束的换流站安全稳定控制方法 - Google Patents

考虑mmc内部动态约束的换流站安全稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法及方法，实时检测系统中桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值，确定桥臂电流最大限值、电容电压波动最大限值以及调制比最大限值和最小限值；计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量；将得到的修正量经最大值选取元件后得到的值作为系统进行功率调整的距离比例，基于距离比例、设定功率点以及基准功率点，进行功率调整计算，最终得到调整后的实际功率点。

Description

考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法
技术领域
本公开属于电力系统柔性直流输电领域，涉及一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)凭借其波形质量高和功率损耗低的特性受到了广泛关注，是近年来学术界的研究热点。从系统的安全稳定运行方面来看，MMC-HVDC系统运行时，MMC的电压、电流等电气量都需要在它们允许的范围内。因此，许多学者对MMC换流站工作域的确定展开了研究，但是，即使已知系统稳定运行的工作域，在实际工程操作中，也可能存在运行功率设置越限的情况。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，本公开能够将系统中桥臂电流、电容电压波动和调制比限制在它们的允许范围内，从而在功率设置越限的情况下，保证系统自动运行在内部动态约束限值上，实现系统的安全稳定运行。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，包括以下步骤:
实时检测系统中桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值，确定桥臂电流最大限值、电容电压波动最大限值以及调制比最大限值和最小限值；
计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量；
将得到的修正量经最大值选取元件后得到的值作为系统进行功率调整的距离比例，基于距离比例、设定功率点以及基准功率点，进行功率调整计算，最终得到调整后的实际功率点。
作为可选择的实施方式，通过电流表和电压表等测量仪表对系统电气量进行实时采集，并经幅值确定模块得到桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值。
作为可选择的实施方式，使检测到的桥臂电流最大值减去桥臂电流最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到桥臂电流的修正量；使检测到的电容电压波动最大值减去电容电压波动最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到电容电压波动的修正量；计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量；
及使检测到的调制信号最大值减去调制比最大限值并使调制信号最大值减去调制比最小限值。
作为可选择的实施方式，桥臂电流、电容电压波动和调制比的修正量经最大值选取元件后得到的值作为系统进行功率调整的距离比例。
作为可选择的实施方式，实际功率点的计算方法为：
(P2,Q2)＝(P1,Q1)-l·[(P1,Q1)-(P0,Q0)]
其中，下标0、1和2分别表示基准功率点、设定功率点和实际功率点；基准功率点为零功率点，即(P0,Q0)＝(0,0)；l表示从设定功率点(P1,Q1)移动到实际功率点(P2,Q2)的距离比例，并满足0≤l≤1。
一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制系统，包括：
检测模块，被配置为实时检测系统中桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值；
参数确认模块，被配置为确定桥臂电流最大限值、电容电压波动最大限值以及调制比最大限值和最小限值；
计算模块，被配置为计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量；
调整计算模块，被配置为将得到的修正量经最大值选取元件后得到的值作为系统进行功率调整的距离比例，基于距离比例、设定功率点以及基准功率点，进行功率调整计算，最终得到调整后的实际功率点。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法的步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开能够将系统中桥臂电流、电容电压波动和调制比限制在它们的允许范围内。
本公开可以在功率设置越限的情况下，使系统自动运行在内部动态约束限值上，提高系统运行的安全稳定性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开的边界控制器的结构示意图；
图2是单端MMC-HVDC测试系统的结构示意图；
图3是根据测试系统参数得到的考虑MMC内部动态约束的换流站工作域；
图4是边界控制器的作用示意图；
图5是采用边界控制策略前后PCC点有功功率及无功功率波形图；
图6是采用边界控制策略前后电容电压波动幅值波形图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所述的即便系统稳定运行的工作域，在实际工程操作中，也可能存在运行功率设置越限的情况，为了解决上述问题，本公开一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，通过设计相应的控制策略，将系统中桥臂电流、电容电压波动和调制比限制在它们的允许范围内，从而在功率设置越限的情况下，保证系统自动运行在内部动态约束限值上，实现系统的安全稳定运行。
一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，包括以下步骤：
(1)实时检测系统中桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值；
(2)确定桥臂电流最大限值、电容电压波动最大限值以及调制比最大限值和最小限值；
(3)使检测到的桥臂电流最大值减去桥臂电流最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到桥臂电流的修正量；使检测到的电容电压波动最大值减去电容电压波动最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到电容电压波动的修正量；计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量；及使检测到的调制信号最大值减去调制比最大限值并使调制信号最大值减去调制比最小限值；
(4)将上述桥臂电流、电容电压波动和调制比的修正量经最大值选取元件后得到的值作为系统进行功率调整的距离比例；
(5)将所述距离比例、设定功率点以及基准功率点代入功率调整计算模块，最终得到调整后的实际功率点。
所述步骤(5)中基准功率点的功率值设定为(P0,Q0)＝(0,0)。在此基础上，若设定功率点满足MMC内部动态约束，步骤(1)-(5)所述的安全稳定控制方法不发挥作用，实际功率点保持在设定值；若设定功率点不满足MMC内部动态约束，步骤(1)-(5)所述的安全稳定控制方法发挥作用，实际功率点则向基准功率点移动并停留在内部动态约束的边界上。
其中，步骤(1)通过电流表和电压表等测量仪表对系统电气量进行实时采集，并经幅值确定模块得到桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值。
步骤(2)确定桥臂电流最大限值、电容电压波动最大限值以及调制比最大限值和最小限值。
步骤(3)针对桥臂电流、电容电压波动和调制比约束，分别设计了三种子控制策略：桥臂电流边界控制策略、电容电压波动边界控制策略和调制比边界控制策略，具体有，
对于桥臂电流边界控制策略，有
li＝(kpi+kii/s)·(IPmax-IPlimit)
其中，IPmax表示桥臂电流幅值，IPlimit表示IP的最大限值。
对于电容电压波动边界控制策略，有
lv＝(kpv+kiv/s)·(ΔVCPmax-ΔVCPlimit)
其中，ΔVCPmax表示电容电压波动幅值，ΔVCPlimit表示ΔVCPmax的最大限值。
对于调制比边界控制策略，根据步骤(2)给定的约束限值可知，系统的调制信号需要同时满足最大值和最小值约束，所以有
lmmax＝(kpm+kim/s)·(mimax-mmaxlimit)
lmmin＝(kpm+kim/s)·((1-mimax)-(1-mminlimit))
其中，mimax表示调制信号的幅值，mmaxlimit表示mimax最大限值，mminlimit表示mimax的最小限值。
上述li、lv、lmmax和lmmin分别为桥臂电流、电容电压波动和调制比的修正量。
步骤(4)将上述桥臂电流、电容电压波动和调制比的修正量经最大值选取元件后得到的值l作为系统进行功率调整的距离比例。
步骤(5)将所述距离比例、设定功率点以及基准功率点代入功率调整计算模块，最终得到调整后的实际功率点。计算式为
(P2,Q2)＝(P1,Q1)-l·[(P1,Q1)-(P0,Q0)]
其中，下标0、1和2分别表示基准功率点、设定功率点和实际功率点。通常，基准功率点为零功率点，即(P0,Q0)＝(0,0)。l表示从设定功率点(P1,Q1)移动到实际功率点(P2,Q2)的距离比例，它可以由步骤(1)-(4)得到，并满足0≤l≤1。
实施例1：
一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，如图1所示。具体控制流程如下：
步骤(1)通过电流表和电压表等测量仪表对系统电气量进行实时采集，然后，经幅值确定模块得到桥臂电流最大值ΔVCPmax、电容电压波动最大值ΔVCPmax及调制信号最大值mimax。
步骤(2)确定桥臂电流最大限值IPlimit、电容电压波动最大限值ΔVCPmax以及调制比最大限值mmaxlimit和最小限值mminlimit。
步骤(3)针对桥臂电流、电容电压波动和调制比约束，利用公式(1)-(4)计算得到桥臂电流、电容电压波动和调制比的修正量li、lv、lmmax和lmmin。
步骤(4)将步骤(3)计算所得到的桥臂电流、电容电压波动和调制比的修正量经最大值选取元件后得到的值l作为系统进行功率调整的距离比例。
步骤(5)将步骤(4)筛选得到的距离比例l、设定功率点(P1,Q1)以及基准功率点(P0,Q0)代入功率调整计算模块中，根据公式(5)最终得到调整后的实际功率点(P2,Q2)。
以下采用如图2所示的单端MMC-HVDC测试系统进行仿真验证，测试系统参数如表1所示，约束条件参数如表2所示，根据表1和表2参数绘制出考虑MMC内部动态约束的换流站工作域，如图3所示。
表1测试系统参数
Figure BDA0002252243230000091
Figure BDA0002252243230000101
表2约束条件参数
参数 约束限值
换流站容量/MW 750
换流变压器容量/MW 850
交流侧电流/kA 2.39
调制比 0.8～1
桥臂电流/kA 1.48
电容电压波动/％ ±5
由于三种子控制策略的作用机理一致，在此只对电容电压波动越限的情况进行仿真验证。本发明所设计的控制策略的作用示意图如图4所示，若设定功率点a满足MMC内部动态约束，安全稳定控制方法不发挥作用，实际功率点保持在设定值，即点a’；若设定功率点b不满足MMC内部动态约束，安全稳定控制方法发挥作用，实际功率点则向基准功率点移动并停留在内部动态约束的边界上，即点b’。
在图4中不满足电容电压波动约束的区域内选择一功率点(-100,460)进行仿真，在3s时投入本发明所述的控制策略，记录整个过程PCC点功率和电容电压波动幅值的波形变化情况，如图5和图6所示。
PCC点有功功率和无功功率的波形如图5所示。前3s，控制系统未投入，功率维持在设定值(-100,460)。3s时控制系统投入，实际功率运行点移动到电容电压波动约束边界上，该点坐标为(-57,262)。从图6也可以看出的，在没有进行边界控制时MMC电容电压波动幅值达到45kV，超过约束限值。3s后，随着控制系统的投入，电容电压电压波动幅值减小并维持在限值25kV，与功率运行点的变化情况一致。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开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，本公开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。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，其特征是：将系统中的桥臂电流、电容电压波动和调制比限制在允许范围内，在功率设置越限的情况下，保证系统自动的安全稳定运行在内部动态约束限值上；包括以下步骤：
实时检测系统中桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值，确定桥臂电流最大限值、电容电压波动最大限值以及调制比最大限值和最小限值；
计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量；
将得到的修正量经最大值选取元件后得到的值作为系统进行功率调整的距离比例，基于距离比例、设定功率点以及基准功率点，进行功率调整计算，最终得到调整后的实际功率点；
所述计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量，具体表现为：
使检测到的桥臂电流最大值减去桥臂电流最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到桥臂电流的修正量；使检测到的电容电压波动最大值减去电容电压波动最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到电容电压波动的修正量；使检测到的调制信号最大值减去调制比最大限值并使调制信号最大值减去调制比最小限值，进而将它们的差值分别经PI控制和限幅后得到调制比的修正量。
2.如权利要求1所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，其特征是：通过电流表和电压表测量仪表对系统电气量进行实时采集，并经幅值确定模块得到桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值。
3.如权利要求1所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法，其特征是：实际功率点的计算方法为：
(P2,Q2)＝(P1,Q1)-l·[(P1,Q1)-(P0,Q0)]
其中，下标0、1和2分别表示基准功率点、设定功率点和实际功率点；基准功率点为零功率点，即(P0,Q0)＝(0,0)；l表示从设定功率点(P1,Q1)移动到实际功率点(P2,Q2)的距离比例，并满足0≤l≤1。
4.一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制系统，采用了权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征是：包括：
检测模块，被配置为实时检测系统中桥臂电流最大值、电容电压波动最大值及调制信号最大值；
参数确认模块，被配置为确定桥臂电流最大限值、电容电压波动最大限值以及调制比最大限值和最小限值；
计算模块，被配置为计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量；
调整计算模块，被配置为将得到的修正量经最大值选取元件后得到的值作为系统进行功率调整的距离比例，基于距离比例、设定功率点以及基准功率点，进行功率调整计算，最终得到调整后的实际功率点；
所述计算各检测最大值和相应的限值之间的差值，根据差值进行PI控制和限幅后得到相应的修正量，具体表现为：
使检测到的桥臂电流最大值减去桥臂电流最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到桥臂电流的修正量；使检测到的电容电压波动最大值减去电容电压波动最大限值，进而将两者的差值经PI控制和限幅后得到电容电压波动的修正量；使检测到的调制信号最大值减去调制比最大限值并使调制信号最大值减去调制比最小限值，进而将它们的差值分别经PI控制和限幅后得到调制比的修正量。
5.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-3中任一项所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法的步骤。
6.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-3中任一项所述的一种考虑MMC内部动态约束的换流站安全稳定控制方法的步骤。
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