CN110932304B - 一种直流耗能装置控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直流耗能装置控制系统及控制方法，系统包括柔性直流控制保护系统和耗能装置控制系统；方法步骤是：柔性直流控制保护系统采集柔性直流输电系统的交直流信号及设备运行状态，并在交流系统发生故障且满足投退条件时向耗能装置控制系统发送直流耗能投退指令和盈余功率；若通讯正常，耗能装置控制系统根据柔性直流控制保护系统发送的直流耗能投退指令和盈余功率值，结合耗能装置状态投入耗能功率；若通讯故障，耗能装置控制系统根据自身采集的直流电压和电流信号，在需要时投入耗能功率。此种技术方案可根据适应不同的故障类型和控制系统的通讯状态，准确投入需要的耗能功率，稳定控制故障期间直流电压，提高输电系统的稳定性及可靠性。

Description

一种直流耗能装置控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，特别涉及一种海上柔性直流输电系统直流耗能装置的控制系统及控制方法。
背景技术
在新能源高压直流输电送出工程中，直流耗能装置是至关重要的设备。直流耗能装置主要应用于新能源通过直流输送的应用场景，如果送端为与风电场等新能源，当受端交流系统发生故障时，由于受端输送功率首先，能量将累积在直流侧，造成直流电压升高，危害设备的安全运行。耗能装置安装在受端换流站时的目的是确保在受端交流故障时能够投入耗能装置，确保系统稳定运行。
在文献(CN108258723 A)中公开的技术方案是在交流侧投入耗能装置，以解决当直流输电线路发生故障时在交流侧投入制动电阻消耗盈余功率的目的。该技术方案在陆上风电场是可行的。该方案应用在海上平台时，交流耗能装置安装在送端海上将增加较大的经济成本，不适用于海上柔性直流输电系统。
文献(CN107994613 B)公开的技术方案是由耗能装置通过检测直流侧电压大小判断是否投入退出，当直流侧电压高于1.15pu时投入，低于0.9pu时退出。在实际工程中，阀侧故障也会照成直流侧电压高于1.15pu甚至更高，此时如果投入耗能装置，将造成耗能装置工作在较大电流从而耗能装置采用更高等级器件，增加了设备投资。因此仅仅依靠直流电压判断无法准确判断故障类型，可能会造成装置的误动作。
文献(CN107994613 B)公开的技术方案是通过检测交直流电压判断故障类型，但是该故障类型的判断并不用于耗能模块的控制，而是用于MMC的控制模式转换。
由上知，上述文献可知，以上文献均未披露如何避免直流耗能装置误投退同时处理好于柔性直流控制保护系统的关系问题。
耗能装置本身可以检测直流母线电压和耗能支路的电流，以往策略仅仅依靠直流电压判据直流耗能投入条件更可能导致耗能误投入从而提高对耗能设备的要求。同时，直流母线电压和耗能支路的电流两个信息量并不能帮助其准确判断直流系统发生的故障类型，也不能准确得知需要消耗的盈余功率，如果让耗能支路准确判断故障类型并计算盈余功率，要完成该功能也需要获取柔直系统其他部分的信息，而柔直控制保护系统本身能够准确判断故障类型及盈余功率，控制保护系统与耗能本体控制系统天生具备光纤链接通道，基于成本考虑和利用原有光纤通道等工程可行性和易用性考虑，利用柔性直流控制保护故障判断和盈余功率计算能力，结合耗能装备本体控制是一种经济可行的更优技术方案。同时，为保证耗能装置在与控保系统通讯故障时可以持续运行，本发明提出了一种通讯故障后的耗能装置本地控制方法，保证柔直系统的输电可靠性。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种直流耗能装置控制系统及控制方法，其可根据适应不同的故障类型和控制系统的通讯状态，准确投入需要的耗能功率，稳定控制故障期间直流电压，提高输电系统的稳定性及可靠性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种直流耗能装置控制系统，包括柔性直流控制保护系统和耗能装置控制系统；
所述柔性直流控制保护系统用于采集柔性直流输电系统的交直流信号及设备运行状态，并在交流系统发生故障且满足投退条件时向耗能装置控制系统发送直流耗能投退指令和盈余功率；
所述耗能装置控制系统与耗能装置连接，采集耗能装置状态并根据需要向耗能本体发送控制命令；
通讯正常时，耗能装置控制系统接收来自柔性直流控制保护系统发送的直流耗能投退指令和盈余功率值，耗能装置控制系统结合耗能装置状态投入相匹配的耗能功率；
通讯故障时，耗能装置控制系统根据自身采集的直流电压和电流信号决定是否投入耗能装置，并在需要投入时投入相应耗能功率。
上述柔性直流控制保护系统和耗能装置控制系统通过光纤通讯。
上述耗能装置控制系统通过光纤或电缆与耗能装置连接。
基于如前所述的一种直流耗能装置控制系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1，柔性直流控制保护系统采集柔性直流输电系统的交直流信号及设备运行状态，并在交流系统发生故障且满足投退条件时向耗能装置控制系统发送直流耗能投退指令和盈余功率；
步骤2，若通讯正常，耗能装置控制系统根据柔性直流控制保护系统发送的直流耗能投退指令和盈余功率值，耗能装置控制系统结合耗能装置状态投入相匹配的耗能功率；
若通讯故障，耗能装置控制系统根据自身采集的直流电压和电流信号决定是否投入耗能装置，并在需要投入时投入相应耗能功率。
上述步骤1中，投退条件是：盈余功率大于第一耗能投入设定值，且直流电压大于等于耗能投入设定值并持续时间Tm_set1。
上述步骤1中，盈余功率计算方式为：Prest＝Psend-Pdc-Ploss，其中，Prest为盈余功率，Psend为当前直流系统送端输送功率，Pdc为故障期间受端换流站实际输送功率，Ploss是直流电缆和换流站的损耗。
上述步骤2中，直流耗能装置控制系统接收到盈余功率Prest和投入指令后，计算投入耗能投入基准数目为Prest/Pcm，Pcm为可分割的最小耗能功率，再经过实时母线电压与耗能投入期间控制电压之差通过比例关系或者PI微调基准数目得到准确投入耗能数目投入相应耗能。
柔性直流控制保护系统检测到故障消失后向耗能装置控制系统发送退出指令，耗能装置控制系统接收到退出指令后控制耗能装置退出耗能。
上述步骤2中，若柔性直流控制保护系统与耗能装置控制系统通信故障，当直流电压大于等于第二耗能投入设定值Udcchop_set2且经过一段时间Tm_set2耗能装置启动投入，按照Udcchop_set3→Udcchop_set2对应0→N个耗能数目的对应关系投入耗能，N对应额定耗能数目，Udcchop_set3为耗能退出设定值。
上述步骤2中，若柔性直流控制保护系统与耗能装置控制系统通信故障，当直流电压小于耗能退出设定值且经过一定时间Tm_set3，退出耗能装置。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：
(1)柔性直流控制保护与耗能本体控制系统通讯正常时：充分利用柔性直流控制保护系统可以全局监控的特点和耗能装置本体控制相结合，实现耗能装置准确投切，同时避免了耗能装置的误投退，避免了故障刚发生时候的振荡过程，可以更快地达到稳定状态；
(2)在通讯故障后，提出了耗能装置自适应通讯状态的本地控制策略，避免当直流耗能装置通讯发生故障时被迫退出运行的情况，减少了直流输电系统停运的风险。
附图说明
图1是风电送出直流系统及本发明所述故障范围示意图；
图2是风电送出直流系统中采用的其中一种耗能装置主回路图；
图3是本发明的耗能装置控制系统示意图；
图4是本发明的耗能装置控制流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种直流耗能装置控制系统，包括柔性直流控制保护系统和耗能装置控制系统，二者通过光纤通信，所述柔性直流控保系统检测换流站直流电压、交流电压、直流电流、桥臂电压和桥臂电流等信息，判断系统状态、故障类型及状态、计算盈余功率大小决定耗能投入同时向耗能系统发送投退命令。
所述柔性直流控制保护系统是整个柔性直流输电的控制系统，用于采集柔性直流输电系统的交流和直流的信号、设备运行状态以监测整个系统的实时状态。当柔直控制保护系统监测到交流系统发生故障，且检出盈余功率大于耗能功率投入设定值：Prest≥Pchop_set1，同时满足直流电压大于等于耗能投入设定值1：Udc≥Udcchop_set1且持续经过一段时间Tm_set1，柔直控制保护系统向耗能装置控制系统发送投入指令和盈余功率值。此时，直流耗能装置控制系统接收到Prest和投入指令后，计算投入耗能投入基准数目为Prest/Pcm，Pcm为可分割的最小耗能功率，再经过实时母线电压与耗能投入期间控制电压之差通过比例关系或者PI微调基准数目得到准确投入耗能数目投入相应耗能。柔性直流控制保护系统检测到故障消失后向耗能装置发送退出指令。耗能装置接收到退出指令后退出耗能。
所述耗能装置控制系统与耗能装置通过光纤或电缆相连，耗能装置控制系统采集耗能装置状态并根据需要向耗能本体发送控制命令，实现对耗能装置的监视和控制，耗能装置控制系统测量直流电压和耗能支路电流。当柔性直流控制保护系统与耗能装置控制系统通信故障时，当直流电压大于等于耗能投入设定值2：Udc≥Udcchop_set2且经过一段时间Tm_set2耗能装置启动投入，按照Udcchop_set3→Udcchop_set2对应0→N个耗能数目的对应关系投入耗能，N对应额定耗能数目。
当柔性直流控制系统与耗能装置控制系统通信故障时，当直流电压小于耗能退出设定值：Udc＜Udcchop_set3且经过一定时间Tm_set3，退出耗能装置。
当检测到换流站发生交流故障时，柔性直流控保系统计算盈余功率和直流电压，如果盈余功率为大于设定值且直流电压上升，则向耗能装置发出投入指令。同时控保系统将计算盈余功率或者子模块个数发送给发送给耗能装置本体控制系统。
所述盈余功率计算公式如下：
Prest＝Psend-Pdc-Ploss
式中，Prest为盈余功率，Psend为当前直流系统送端输送功率，Pdc为故障期间受端换流站实际输送功率，Ploss是直流电缆和换流站损耗。也可以将Ploss设定为0，在耗能功率投入设定值考虑直流电缆和换流站损耗。
正常情况下总有Pdc≈Psend，即Prest≈0。当送端交流侧发生故障时，Pdc输送容量受限，此时就会出现Prest≥Pchop_set的情况，同时结合成直流电压升高(Udc≥Udcchop_set)，需要耗能装置投入，消耗盈余功率。Pchop_set＞Ploss，Udcchop_set选择大于受端站直流电压设定值。
下表展示了受端近端交流系统不同金属性故障类型下直流输送功率上限和耗能投切策略。
Figure BDA0002265030840000051
Figure BDA0002265030840000061
故障清除或故障消失后，控保系统根据交流系统电压判断故障消失，对耗能装置发出退出指令，避免耗能某些情况无法退出或者误退出情况。
所述直流耗能装置为功率器件/模块和耗能电阻均分布散式布置的分散式耗能装置或者功率器件/模块分散布置和耗能电阻集中布置的混合式耗能装置。当该耗能装置投入模块越多，其消耗的功率也越大。
耗能装置控制系统时刻保持与柔性直流控保系统的通讯，并检测通讯状态，当通讯正常时，其控制方案为：
耗能装置本体控制接收柔性直流控保系统的投入指令和盈余功率值。耗能投入后，耗能装置启动，根据盈余功率辅助直流电压确定投入子模块个数，从而将直流电压控制在额定电压或者某个电压值，保证系统稳定运行。
耗能装置本体控制接收柔性直流控保系统的耗能退出指令，耗能装置按照预定速率减少投入的子模块数量，直至投入的子模块数量为0，退出整个耗能装置。
耗能装置本体控制时刻保持与柔性直流控保系统的通讯，并检测通讯状态，当通讯故障时：
耗能装置自动进入自主控制，耗能装置通过检测直流母线电压，当母线电压高于第一阈值时，控保装置投入运行，并把电压控制在第一阈值和第二阈值之间，第二阈值大于直流母线电压额定值小于第一阈值。为达到该控制目标，耗能装置本体控保可以采取纯比例控制或者PI控制。
当故障消失时，受端换流站恢复直流电压控制能力，会将直流电压控制到额定电压，从而使直流电压下降到第二阈值之下，实现耗能装置自动退出。
不管有无通讯过程，本控制策略均能自动适应控制，有通讯时充分发挥柔性直流控制保护系统全局采样优势，精确控制耗能投切、稳定控制直流电压，无通讯时采用耗能自适应控制策略，实现直流电压控制。
一种风电送出直流输电系统如图1所示，由海上风电场、升压站、海上柔直换流站1、直流电缆、直流耗能装置2、陆上柔直换流站3和陆上交流电网4组成，其中直流耗能装置2安装在陆上柔直换流站3一侧。
本实施例以一种图2所示的分散式耗能装置为例进行说明，耗能装置也可以是一种功率器件/模块分散布置和耗能电阻集中布置的混合式耗能装置，图2中直流耗能装置由多个子模块5串联而成，每个子模块基本组成部分由耗能电阻6、储能电容8以及可控器件7组成，通过控制可控器件7的导通从而投入耗能电阻吸收功率。
图3为提出的耗能控制系统总体构成示意图，本发明所提耗能控制由柔性直流控制保护系统和耗能装置控制系统构成，通讯正常时，耗能装置控制系统接收柔性直流控制保护系统下发的直流耗能投退指令、盈余功率，耗能装置控制系统根据耗能投退命令和盈余功率，投入与盈余功率相当的耗能子模块个数，从而控制直流电压。
图3中，当柔性直流控制保护系统与耗能装置控制系统通信正常时，由柔性直流控制保护系统决定耗能是否投入和盈余功率，避免耗能装置误投入和准确计算投入个数，减少直流电压波动。其控制方法如流程图4所示，柔直控制保护系统首先监测是否发生交流故障，发生交流故障依靠监测交流电压来实现，如果发生交流故障，柔性直流控保系统计算盈余功率和直流电压，如果盈余功率为大于设定值且直流电压大于耗能投入设定值，则向耗能装置发出投入指令。同时控保系统将计算盈余功率或者子模块个数发送给发送给耗能装置控制系统。
直流母线电压控制参考值为Udc_ref，设定正常运行时直流额定电压为Udc_nom，系统允许的或者期望控制的直流母线电压运行下限为Udcmin、上限为Udcmax，当前直流输送功率为Pdc，当前直流电压Udc，为耗能装置当前测得的电流为Icp。耗能装置子模块额定数目为N。则子模块平均电压为
Figure BDA0002265030840000071
当一个子模块投入耗能时，其消耗功率
Figure BDA0002265030840000072
所述盈余功率计算公式如下：
Prest＝Psend-Pdc-Ploss
式中，Prest为盈余功率，Psend为当前直流系统送端输送功率，Pdc为故障期间受端换流站实际输送功率，Ploss是直流电缆和换流站损耗，也可以设定Ploss＝0，在耗能功率投入设定值考虑损耗。
当柔直控制保护系统监测出发生交流故障时，并检出盈余大于耗能功率投入设定值时，Prest≥Pchop_set，同时直流电压升高(Udc≥Udcchop_set1)，柔直控制保护系统发出投入耗能指令并发送盈余功率给耗能装置，直流耗能装置接受到Prest和投入指令后，计算投入子模块数目Prest/Pcm，得到基础指令。在此基础上加上基于直流电压与额定电压之差微调的指令，可以是比例关系或者PI控制，得到准确功率指令。
柔性直流控保系统检测到故障消失后向耗能装置发送退出指令。耗能装置接受到退出指令后按照一定的速率减少投入的子模块书，直至为0并退出。
上式中，Pchop_set取为0到0.8倍柔直额定功率，Udcchop_set1取1.02到1.5倍直流额定电压。Udcmax取1.05到1.5倍额定直流电压，Udcmin为0.7到0.95倍额定直流电压。
当柔性直流控制系统与耗能装置控制系统通信故障时，其控制方式按照图4所示如下：
通讯中断时，耗能装置无法接受来自控保装置的故障信息判断。当发生故障导致直流电压上升。此时耗能装置监测直流母线电压Udc，当直流电压高于Udcchop_set2且经过一段时间Tm_set2耗能装置启动，按照Udcchop_set3→Udcchop_set2对应0→N个子模块的对应关系，其中N个子模块全部投入时耗能装置消耗功率等于直流系统额定输送功率，由上述方法可以实现故障期间直流电压被控制在Udcchop_set3到Udcchop_set2之间。当故障消失后，受端直流电压控制站功率输送能力恢复，直流电压下降，当电压降到Udcchop_set3且经过一定时间Tm_set3，耗能装置退出。
Udcchop_set2取为1.02到1.5倍直流额定电压，Udcchop_set3取1.01到1.3倍直流额定电压，且Udcchop_set3＜Udcchop_set2。Tm_set1取0.5ms到500ms。Tm_set2取0.5ms到500ms，Tm_set3取0.5ms到500ms。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流耗能装置控制系统，其特征在于：包括柔性直流控制保护系统和耗能装置控制系统；
所述柔性直流控制保护系统用于采集柔性直流输电系统的交直流信号及设备运行状态，并在交流系统发生故障且满足投退条件时向耗能装置控制系统发送直流耗能投退指令和盈余功率；
所述耗能装置控制系统与耗能装置连接，采集耗能装置状态并根据需要向耗能本体发送控制命令；
通讯正常时，耗能装置控制系统接收来自柔性直流控制保护系统发送的直流耗能投退指令和盈余功率值，耗能装置控制系统结合耗能装置状态投入相匹配的耗能功率；
通讯故障时，耗能装置控制系统根据自身采集的直流电压和电流信号决定是否投入耗能装置，并在需要投入时投入相应耗能功率。
2.如权利要求1所述的直流耗能装置控制系统，其特征在于：所述柔性直流控制保护系统和耗能装置控制系统通过光纤通讯。
3.如权利要求1所述的直流耗能装置控制系统，其特征在于：所述耗能装置控制系统通过光纤或电缆与耗能装置连接。
4.基于如权利要求1所述的一种直流耗能装置控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，柔性直流控制保护系统采集柔性直流输电系统的交直流信号及设备运行状态，并在交流系统发生故障且满足投退条件时向耗能装置控制系统发送直流耗能投退指令和盈余功率；
步骤2，若通讯正常，耗能装置控制系统根据柔性直流控制保护系统发送的直流耗能投退指令和盈余功率值，耗能装置控制系统结合耗能装置状态投入相匹配的耗能功率；
若通讯故障，耗能装置控制系统根据自身采集的直流电压和电流信号决定是否投入耗能装置，并在需要投入时投入相应耗能功率。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述步骤1中，投退条件是：盈余功率大于第一耗能投入设定值，且直流电压大于等于耗能投入设定值并持续时间Tm_set1。
6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述步骤1中，盈余功率计算方式为：Prest＝Psend-Pdc-Ploss，其中，Prest为盈余功率，Psend为当前直流系统送端输送功率，Pdc为故障期间受端换流站实际输送功率，Ploss是直流电缆和换流站的损耗。
7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，直流耗能装置控制系统接收到盈余功率Prest和投入指令后，计算投入耗能投入基准数目为Prest/Pcm，Pcm为可分割的最小耗能功率，再经过实时母线电压与耗能投入期间控制电压之差通过比例关系或者PI微调基准数目得到准确投入耗能数目投入相应耗能。
8.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：柔性直流控制保护系统检测到故障消失后向耗能装置控制系统发送退出指令，耗能装置控制系统接收到退出指令后控制耗能装置退出耗能。
9.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，若柔性直流控制保护系统与耗能装置控制系统通信故障，当直流电压大于等于第二耗能投入设定值Udcchop_set2且经过一段时间Tm_set2耗能装置启动投入，按照Udcchop_set3→Udcchop_set2对应0→N个耗能数目的对应关系投入耗能，N对应额定耗能数目，Udcchop_set3为耗能退出设定值。
10.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，若柔性直流控制保护系统与耗能装置控制系统通信故障，当直流电压小于耗能退出设定值且经过一定时间Tm_set3，退出耗能装置。
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