CN111952990A - 一种基于超导储能的mmc-hvdc直流振荡抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超导储能的MMC‑HVDC直流振荡抑制方法，此种方法将基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current，MMC‑HVDC)系统的直流侧并联超导磁储能装置(Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES)。本发明首先需要搭建一个MMC‑HVDC系统，然后判断MMC‑HVDC系统是否能够稳定运行，系统中是否存在直流振荡。若MMC‑HVDC系统正常运行，那么SMES装置处于待机模式，与系统互不影响；若MMC‑HVDC系统发生直流振荡，系统稳定性变差甚至失稳时，SMES装置投入运行。通过DC/DC变流器来控制绝缘栅双极晶体管S1、S2的导通与关断，实现超导磁体的充、放电，完成对MMC‑HVDC系统的振荡功率消纳，保证系统安全、稳定运行。本发明能在不改变MMC‑HVDC原有运行方式的条件下，抑制MMC‑HVDC系统的直流振荡，提高系统稳定性能，且响应迅速。

Description

一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法，结合超导储能的技术特点，用以抑制MMC-HVDC输电系统直流振荡，提高系统稳定性。
背景技术
以风能、光伏为代表的新能源正逐步成为能源可持续发展的重要选择。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(Modular Multilevel Converter based High VoltageDirect Current，MMC-HVDC)技术具备实现有功和无功的独立控制，为弱电网供电，换流器输出交流电压谐波含量少等优势，已成为大规模远距离新能源电能传输的主要方向。
MMC-HVDC系统含有大量的功率换流器，这些功率换流器的恒功率负载特性会产生负电阻作用，降低系统阻尼，使系统的动态特性变差甚至导致系统振荡失稳。同时，直流电网中直流电抗器、直流线路、直流电容器等设备的等效电阻小，换流阀开关器件的触发延时、通信延时等外部因素均可能引起系统振荡。考虑到上述因素对系统稳定运行的影响，需要采取有效的措施来抑制系统振荡，保证输电系统安全、稳定运行。
为了抑制MMC-HVDC直流侧振荡，提高系统的运行稳定性能，除了通过对换流器指令进行调制的控制策略以外，储能装置也是提高电网安全性和稳定性的有效途径。目前电力存储技术主要包括蓄电池储能、超级电容储能、超导磁储能、蓄水储能、飞轮储能等。而超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES)因具有响应速度快、效率高、抗干扰能力强等特点，不仅可以用于抑制电网的低频功率振荡，改善电网的电压和频率特性，还可以用于功率因数的调节，实现电网的动态管理。SMES装置在电力系统的稳定性控制方面具有独特的优势，已经被应用于抑制交流电力系统中的谐振、抑制新能源发电波动等场合。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于超导储能的MMC-HVDC系统直流振荡抑制方法，用于消纳 MMC-HVDC系统的不平衡功率，抑制直流振荡。因为MMC-HVDC系统中的功率换流器具有恒功率负载特性，会产生负电阻作用，降低系统阻尼，使系统的产生振荡功率甚至导致系统失稳。本发明可以在不改变MMC-HVDC原有运行方式的条件下，完成对MMC-HVDC系统的直流振荡，提高系统稳定性能，响应迅速且振荡抑制效果较好。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于超导储能的MMC-HVDC系统直流振荡抑制方法，主要包括以下内容：
本发明提供的一种基于超导储能的MMC-HVDC系统直流振荡抑制方法，它是基于MMC-HVDC 系统实现的。所述MMC-HVDC系统包括两个模块化多电平换流站(ModularMultilevel Converter，MMC)，换流站MMC1工作在整流模式，换流站MMC2工作在逆变模式。换流站的交流侧连接强交流电网，直流侧通过直流电网连接。为了抑制故障电流上升率，保障系统运行过程中直流故障的正常清除，直流线路还串联了平波电抗器。所述MMC换流器有6个桥臂，每个桥臂由1个电抗器和N个子模块串联而成。MMC 电路高度模块化，能够通过增减接入换流器的子模块的数量，来满足不同的功率和电压等级的要求，便于实现集成化设计，节约成本。所述的SMES装置中的DC/DC变流器包括2个全控型器件—绝缘栅双极晶体管S1、S2，2个电力二极管D1、D2。DC/DC变流器能够两象限工作，无论变流器工作在整流状态还是逆变状态，都能确保电流在超导磁体中电流的流动方向不变。
本发明提供的一种基于超导储能的MMC-HVDC系统直流振荡抑制方法，主要包括：将SMES 装置通过系统的直流侧并联到MMC-HVDC输电系统中，通过对SMES装置充、放电的合理控制，维持系统功率平衡，抑制系统直流振荡，提高系统稳定性，实现系统的安全、稳定运行。
所述的MMC-HVDC系统的控制结构主要由外环控制器和内环控制器组成。内环控制环节中，换流器均采用电流控制；外环控制环节中，整流站MMC1采用定直流电压和定无功功率控制，逆变站MMC2 采用定有功功率和定无功功率控制。
所述SMES装置中的超导磁体流过单向电流，DC/DC变流器中的绝缘栅双极晶体管S1、S2属于全控型器件，通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断，开关速度快，通流能力强，热稳定性好。DC/DC变流器通过控制绝缘栅双极晶体管S1、S2的导通与关断，来改变SMES装置的工作状态，从而提高系统稳定性。
所述SMES装置的工作状态有三种：待机模式、充电模式和放电模式。当系统稳定运行时，SMES 装置处于待机模式，S1打开，S2关断，直流电流在S1和D1的回路循环；当系统受到小干扰发生振荡时， SMES装置存在两种工作模式，一种工作模式是充电模式：S1、S2同时导通，超导磁体充电，吸收系统多余的能量；另一种工作模式是放电模式：S1、S2同时关断，使超导磁体的能量通过D1和D2回路流入直流电网。超导磁储能装置通过充、放电来消纳系统的不平衡功率，抑制系统振荡。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中的柔性直流输电技术采用了MMC拓扑结构，MMC电路高度模块化，能够通过增减接入换流器的子模块的数量来满足不用的功率和电压等级的要求，便于实现集成化设计，缩短项目周期，节约成本。
2、本发明采用了SMES装置抑制MMC-HVDC系统的直流振荡，具有快速的响应速度、效率高、具有较强的抗干扰能力；
3、本发明在MMC-HVDC系统直流电网中加入SMES装置，SMES装置能够在不改变系统换流器原有的控制策略下，消纳系统的振荡功率，抑制系统直流振荡；
4、本发明中，当MMC-HVDC系统正常运行时，SMES装置处于待机模式，SMES装置与系统互不影响；当MMC-HVDC系统发生直流振荡时，SMES装置投入工作状态，完成MMC-HVDC输电系统的直流振荡抑制，消纳MMC-HVDC系统中的振荡功率，保证系统安全、稳定运行；
5、整体看来，本发明对抑制MMC-HVDC系统直流振荡，提高系统稳定性具有显著效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实例应用中基于超导储能的MMC-HVDC系统直流振荡抑制方法的流程图；
图2是本发明实例应用中MMC拓扑结构图；
图3是本发明实例应用中含有SMES装置的MMC-HVDC输电系统；
图4是本发明实例应用中SMES装置的拓扑结构；
图5是本发明实例应用中SMES装置的运行模式图，图5(a)表示SMES装置处于待机模式，图5(b)表示SMES装置处于充电模式，图5(c)表示表示SMES装置处于放电模式；
图6是本发明实例应用中DC/DC变流器的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方案对本发明作进一步详细说明，此处公开的具体结构和功能细节仅出于描述示范实施例的目的。
图1提供了一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法的流程图，具体的实施步骤如下：
步骤1：首先需要搭建一个MMC-HVDC系统，MMC-HVDC输电系统主要包括两个模块化多电平换流器，换流器的交流侧与强交流电网连接，换流器的直流侧通过直流电网连接起来，系统中加入锁相环环节，为控制系统定向公共点提供相位基准。
步骤2：在步骤1的基础上，判断MMC-HVDC输电系统是否运行在稳定状态，系统直流侧有无振荡产生。若MMC-HVDC系统正常运行，那么SMES装置处于待机模式，与系统互不影响；若MMC-HVDC 系统发生直流振荡，系统的动态特性会变差，严重时会导致系统失稳，则根据需要SMES装置投入运行。
步骤3：在步骤2的基础上，根据电网的实际需要，调节DC/DC变流器中两个开关器件S1、S2的导通和关断，实现对超导磁体中充、放电电流进行斩波控制。
步骤4：在步骤3的基础上，在MMC-HVDC系统稳定运行时，DC/DC变流器中的S1打开，S2关断，直流电流在S1和D1的回路循环，SMES装置与MMC-HVDC系统无能量交换，互不影响。
步骤5：在步骤3基础上，当MMC-HVDC系统发生直流振荡时，SMES装置通过S1、S2的导通和关断状态，存在两种工作模式：充电模式和放电模式。
步骤6：在步骤5的基础上，当SMES装置运行在充电模式下，S1、S2同时导通，超导磁体充电，吸收系统多余的能量；当SMES装置运行在放电模式下，S1、S2同时关断，使超导磁体的能量通过电力二极管D1和D2回路流入直流电网。SEMS装置通过充、放电来消纳系统的不平衡功率，抑制系统振荡，提高系统稳定性。
步骤7：在步骤6结束后，MMC-HVDC系统在原有的控制方式下安全、稳定运行，SMES装置恢复到待机模式。
本发明具体实施例中的含SMES装置的MMC-HVDC输电系统结构图如图2所示。双端MMC-HVDC输电系统包含两个MMC换流站，整流站MMC1采用定直流电压控制，逆变站MMC2采用定有功功率控制，换流站的交流侧均与强交流电网连接。设置系统的功率流向由整流站流向逆变站。SMES 装置包括DC/DC变流器和超导磁体，SMES装置经过升压变连接到系统直流母线上。
如图3所示，提供了一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法中MMC的拓扑结构图。 O点代表零电位参考点，一个换流器有6个桥臂，每个桥臂由一个电抗器L0和N个子模块串联而成，每一相的上下两个桥臂合在一起称为一个相单元。MMC中的桥臂电抗器能抑制因各相桥臂直流电压瞬时值不完全相等而造成的相间环流，同时还可以有效地抑制直流母线发生故障时的冲击电流，提高系统的可靠性。图3中右边红色虚框内是一个MMC子模块的拓扑结构。VT1、VT2代表绝缘栅双极晶体管，VD1、VD2代表反并联二极管，C0为直流侧电容器，uco为电容器两端的电压，ism为流入子模块的电流。每个子模块有一个连接端口用于串联接入主电路与拓扑，MMC通过各个子模块的直流侧电容电压来支撑直流母线的电压。
如图4所示，提供了一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法中SMES装置的拓扑结构图。图3中，S1、S2为绝缘栅双极晶体管，D1、D2为电力二极管，Lcoil为超导磁体，icoil为流过超导磁体的单向电流，C为直流电容器，uc为电容C的端电压。DC/DC变流器能够在两个象限工作，不论变流器工作在整流状态还是逆变状态，都能确保电流在超导磁体中流动方向不变，并保证超导磁体有闭合的回路。根据电网的实际需要调节两个开关器件S1、S2的导通和关断实现对超导磁体中充、放电电流进行斩波控制。
如图5所示，提供了一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法中SMES装置的运行模式图。当DC/DC变流器对超导磁体进行充、放电时，电容电压uc稳定，忽略线路中的开关损耗和磁体损耗。
图5(a)表示SMES装置处于待机模式。当系统稳定运行时，SMES处于待机模式，不与MMC-HVDC系统进行功率交换，避免对系统的正常运行造成影响，此时S1打开，S2关断，直流电流在S1和D1的回路循环。当忽略开关损耗时，磁体电流icoil不变，超导磁体Lcoil中的能量不变。
当系统受到小干扰发生振荡时，SMES装置的工作模式如图5(b)、(c)所示。
图5(b)是SMES装置的充电模式，此时S1、S2同时开通，超导磁体充电，磁体电流上升，磁体吸收MMC-HVDC系统多余的能量，超导磁体中的能量增加，其数学表达式为
Figure BDA0002368345150000031
图5(c)是SMES装置的放电模式，此时S1、S2始终处于关断状态，超导磁体的能量通过D1和 D2回路流入直流电网，流过超导磁体的电流下降，超导磁体中的能量减少，其数学模型表达式为
Figure BDA0002368345150000041
一般而言，超导磁体的电压与电流的关系可以表示为
Figure BDA0002368345150000042
表达式中，icoil,0为超导磁体初始电流，Vcoil为超导磁体两端电压。
SMES装置与系统的交换功率可以表示为
Pcoil＝Vcoilicoil
假设绝缘栅双极晶体管S1、S2的占空比均为D，超导磁体两端的电压可以表示为
Vcoil＝(2D-1)udc
因此可得超导磁体的功率为
Pcoil＝Psref-Ps＝Vcoilicoil＝(2D-1)udcicoil
占空比D可以表示为
Figure BDA0002368345150000043
图6所示为本发明实例应用中SMES装置的DC/DC变流器的控制框图。图6中，DC/DC变流器的输入信号为MMC-HVDC系统传输功率测量值Ps与传输功率参考值Psref之差，既为系统的不平衡功率，不平衡功率代表了系统功率的波动成分，需要通过SMES装置进行补偿，以达到消纳直流系统不平衡功率，提高系统稳定性的目的。当绝缘栅双极晶体管S1、S2的占空比在(0，0.5)时，SMES装置处于放电状态；当S1、S2的占空比在(0.5，1)时，SMES装置处于充电状态。
上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下的所作的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法，所述MMC-HVDC系统包括两个模块化多电平换流站(Modular Multilevel Converter，MMC)，换流站MMC1工作在整流模式，换流站MMC2工作在逆变模式，换流站的交流侧连接强交流电网，直流侧通过直流电网连接。为了抑制故障电流上升率，保障系统运行过程中直流故障的正常清除，直流线路还串联了平波电抗器。所述MMC换流器有6个桥臂，每个桥臂由1个电抗器和N个子模块串联而成。MMC电路高度模块化，能够通过增减接入换流器的子模块的数量，来满足不同的功率和电压等级的要求，便于实现集成化设计，节约成本。所述的SMES装置中的DC/DC变流器包括2个绝缘栅双极晶体管S1、S2，2个电力二极管D1、D2，DC/DC变流器能够工作在两象限。无论变流器工作在整流状态还是逆变状态，都能确保电流在超导磁体中的电流流动方向不变。
其特征在于，所述方法包括：在MMC-HVDC系统直流电网中安装SMES装置，通过控制绝缘栅双极晶体管S1、S2的导通和关断，来控制SMES装置的工作模式，消纳MMC-HVDC系统中的不平衡功率，从而抑制MMC-HVDC系统直流振荡，维持系统安全、稳定运行。为了能够有效抑制系统直流振荡，该方法包括以下步骤：
步骤1：首先需要搭建一个MMC-HVDC系统，MMC-HVDC输电系统主要包括两个模块化多电平换流器MMC，换流器的交流侧与强交流电网连接，换流器的直流侧通过直流电网连接起来，系统中加入锁相环环节，为控制系统定向公共点提供相位基准。
步骤2：在步骤1的基础上，需要判断MMC-HVDC输电系统是否运行在稳定状态，系统直流侧有无振荡产生。若MMC-HVDC系统正常运行，那么SMES装置处于待机模式，与系统互不影响；若MMC-HVDC系统发生直流振荡，系统的动态特性会变差，严重时会导致系统失稳，则根据需要SMES装置投入运行。
步骤3：在步骤2的基础上，根据电网的实际需要，调节DC/DC变流器中两个开关器件S1、S2的导通和关断，实现对超导磁体中充、放电电流的斩波控制。
步骤4：在步骤3的基础上，当MMC-HVDC系统稳定运行时，DC/DC变流器中的S1打开，S2关断，直流电流在S1和D1的回路循环。
步骤5：在步骤3基础上，当MMC-HVDC系统发生直流振荡时，SMES装置存在两种工作模式：充电模式和放电模式。
步骤6：在步骤5的基础上，当SMES装置运行在充电模式下，S1、S2同时导通，超导磁体充电，吸收MMC-HVDC系统多余的能量；当SMES装置运行在放电模式下，S1、S2同时关断，使超导磁体的能量通过D1和D2回路流入直流电网。SEMS装置通过充、放电来消纳系统的不平衡功率，抑制系统振荡，提高系统稳定性。
步骤7：在步骤6结束后，MMC-HVDC系统在原有的控制方式下安全、稳定运行，SMES装置恢复到待机模式，与系统互不影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤1中，MMC-HVDC系统的控制结构主要由外环控制器和内环控制器组成。两个换流站的内环控制环节均采用电流控制；在外环控制环节中，整流站MMC1的外环控制器采用定直流电压和定无功功率控制，逆变站MMC2的外环控制器采用定有功功率和定无功功率控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤2中，MMC-HVDC系统产生直流振荡是因为MMC-HVDC系统含有大量的功率换流器，这些功率换流器的恒功率负载特性会产生负电阻作用，降低系统阻尼，使系统的动态特性变差甚至导致系统振荡失稳。同时，直流电网中直流电抗器、直流线路、直流电容器等设备的等效电阻小，换流阀开关器件的触发延时、通信延时等外部因素均可能引起系统振荡。
4.根据权利要求1所述的一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤3中，绝缘栅双极晶体管S1、S2属于全控型器件，通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断，开关速度快，通流能力强，热稳定性好。
5.根据权利要求1所述的一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤6中，SMES装置处于充电模式时，其数学表达式为
Figure FDA0002368345140000021
6.根据权利要求1所述的一种基于超导储能的MMC-HVDC直流振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤6中，SMES装置处于放电模式时，其数学表达式为
Figure FDA0002368345140000022
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CN112821384A (zh) * 2021-01-04 2021-05-18 长江勘测规划设计研究有限责任公司 抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法
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