CN112018801A - 一种基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制方法，包括以下步骤：在MMC采用主从控制模式下，明确了受端级联型混合直流输电系统的总体UI特性曲线；在受端级联型混合直流输电的定功率柔性换流站设置动态限幅环节。本发明方法可在受端系统故障时一方面可释放柔性直流对交流系统无功功率支撑潜力增强交流系统电压稳定性，另一方面可自动限制定功率站的有功功率输出，避免定直流电压柔性换流站的整理逆变模式改变，从有功频率与无功电压两方面提升了系统稳定性。

Description

一种基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制方法

技术领域

本发明涉及混合直流输电领域，特别是一种基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制方法。

背景技术

混合直流输电由于结合了常规直流(LCC-HVDC)与柔性直流(VSC-HVDC)两种各自的优点，近年来已经成为直流输电技术的重要发展方向。受端级联混合直流输电(如图1)的整流站由2组12脉动电网换相换流器(LCC)串联构成，逆变站由1组12脉动LCC和电压源换流器(VSC)并联组串联构成，并将低端VSC扩展为多个VSC并联并落点于不同区域电网，在增加混合直流系统传输功率的同时，多落点结构也同时有利于工程的分期建设。而受端换流站由于多个VSC换流站并联后再与LCC换流站级联，实际已经形成了多端系统，赋予了多个VSC逆变站具有功率分配的能力。

当系统发生扰动或故障后，如果定功率站MMC的参考值大于送端LCC指令值，受端定直流电压柔性换流站的会从逆变模式改为整流模式，以维持其他定功率柔性换流站的有功功率，此时将导致受端系统潮流转移并降低系统的稳定性。因此，需明确受端级联型混合直流的控制特性，设计主从控制模式下受端级联型混合直流系统的协调控制策略。

现有技术中，

1、措施1：混合级联型直流输电系统的受端接线方式(包括分散接入和集中接入)，以及MMC不同控制方式组合的研究，可以下参考文献：徐政，王世佳，张哲任，徐雨哲，肖晃庆.LCC-MMC混合级联型直流输电系统受端接线和控制方式[J].电力建设，2018，39(07)：115-122。

2、措施2：分析混合级联型直流输电系统的直流故障特性，并提出相应的恢复控制策略，可以下参考文献：杨硕，郑安然，彭意，郭春义，赵成勇.混合级联型直流输电系统直流故障特性及恢复控制策略[J].电力自动化设备，2019，39(09)：166-172+179。

3、措施3：为降低混合级联直流输电系统的暂态电流，提出在VSC直流侧串联二极管，或者旁路开关串联电阻的方法，可以下参考文献：许冬，李探，梅念，等.VSC与LCC混合级联直流输电系统暂态电流抑制方法[J].全球能源互联网，2020(2)：9。

措施1缺点：仅研究了混合级联型直流输电系统在不同受端接线和控制方式时的稳态和故障特性，并未分析系统的UI特性曲线，且未针对系统的故障响应提出协调控制策略。

措施2缺点：提出了混合级联型直流输电系统在直流故障期间及故障清除后的恢复控制策略，缓解了故障期间的过电流现象，但该控制策略仅针对于直流故障，通用性较差。

措施3缺点：提出了用于抑制电流的旁路开关串联电阻与二极管的设备配置方法，但并未对混合直流系统的控制特性进行深入研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制方法，设计主从控制模式下的混合级联直流动态限幅协调控制策略，提升了VSC逆变站对交流侧的无功电压支撑能力，并避免了故障时受端VSC换流站与送端LCC换流站功率指令匹配不合理从而使得定直流电压站改为整流模式。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：受端级联混合直流输电系统在主从控制模式下的UI特性

在主从控制模式下，低端MMC的主从控制方式对混合直流逆变侧UI特性曲线的影响通过式(1)描述，因此混合直流整流侧UI特性曲线与LCC换流站整流侧特性相似；

其中，u_{dc_MMC}为MMC所控制的直流电压，其为混合直流额定直流电压U_{d_rated}的一半；

高端LCC逆变站各段曲线的控制特性由式(2)至(5)描述；

式中k′_CEA、k′_VDCOL及k′_MAL分别为LCC定熄弧角控制(CEA)、低压限流控制(VDCOL)以及最小触发角控制(MAL)的特性曲线斜率，其上标“′”表示相关斜率为400kV额定直流电压下的值，因此相关斜率为800kV额定电压值的一半；而

与

为相关特性曲线的截距；将式(1)分别代入式(2)至(5)中，得到

u_dc＝u_{dc_LCC}+u_{dc_MMC}＝U_{d_rated} (6)

式(6)至(9)则为混合直流逆变侧UI特性曲线；

步骤2：引入动态限幅环节对受端级联型混合直流控制特性进行改进；具体为：在混合直流低端定功率MMC站设置动态限幅环节如下

式中，i_dlim为有功电流限幅，i_qlim为无功电流限幅，i_lim为外环电流限幅值且

i_Dlim为需要保证的最小有功功率限幅值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：明确了受端级联型混合直流的控制特性，通过在受端级联型混合直流输电的定功率柔性换流站设置动态限幅环节，在受端系统故障时一方面可释放柔性直流对交流系统无功功率支撑潜力增强交流系统电压稳定性，另一方面可自动限制定功率站的有功功率输出，避免定直流电压柔性换流站的整理逆变模式改变，从有功频率与无功电压两方面提升了系统稳定性。本控制策略简单易行，有利于工程实践。

附图说明

图1是多落点受端级型联混合直流系统。

图2是受端级型联混合直流完整UI特性曲线图。

图3是不同限幅方式。

图4是动态限幅机理。

图5是整流侧LCC触发角。

图6是逆变侧LCC熄弧角。

图7是逆变侧定功率站MMC外环dq轴电流及参考值。

图8是混合直流电压。

图9是混合逆变侧换流站有功功率。

图10是混合逆变侧MMC换流站输出无功功率。

图11是逆变侧定功率站MMC外环dq轴电流及参考值(控制后)。

图12是混合逆变侧换流站有功功率(控制后)。

图13是混合逆变侧MMC换流站输出无功功率(控制后)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一、受端级联混合直流控制特性(主从控制)

当受端MMC采用主从控制模式时，此种控制模式在电流特性方面主要决定各MMC间的功率分配，其对混合直流整体UI特性曲线的改变主要集中于电压特性曲线方面。

由于MMC定直流电压站的特性，且不存在低压限流等额外控制，因此主从控制下MMC在混合直流中UI特性曲线如式(1)所示。

其中，u_{dc_MMC}为MMC所控制的直流电压，其为混合直流额定直流电压U_{d_rated}的一半。

在整流侧特性曲线方面，由于MMC主要通过式(1)影响混合直流电压特性，且半桥MMC没有低压限流等特性，因此整流侧特性曲线如图2中左半部分虚线所示。

低端MMC的主从控制方式对混合直流逆变侧UI特性曲线的影响主要通过式(1)。高端LCC逆变站各段曲线的控制特性可由式(2)至(5)描述。

式中k′_CEA、k′_VDCOL及k′_MAL分别为特性曲线CEA、VDCOL以及MAL的斜率，其上标“′”表示相关斜率为400kV额定直流电压下的值，因此相关斜率为800kV额定电压值的一半。而

与

为相关特性曲线的截距。将式(1)分别代入式(2)至(5)中，可得

u_dc＝u_{dc_LCC}+u_{dc_MMC}＝U_{d_rated} (6)

式(6)至(9)则为混合直流逆变侧UI特性曲线，如图2中左半部分实线所示。

根据图2的左半部分，当系统处于UI特性曲线某一运行点时，LCC逆变器和MMC逆变器所发出的有功功率实际为上方左斜线方块和下方右斜线方块的面积。可以看出，当逆变器和整流器的控制模式改变时，上方LCC逆变器有功区域将同时受直流电压U_d和直流电流I_d的影响。但是下方LCC逆变器有功区域只受直流电流I_d的影响，这是因为MMC直流电压固定为U_{d_rated}。因此当控制模式改变时，LCC逆变器的有功功率将受到更多影响。而与LCC相比，只要整流侧电流指令值不为零且直流不闭锁，MMC逆变器在混合直流电压降低时仍可以传输一定的有功功率。

另一方面，低端MMC的主从控制策略使得定有功功率控制的MMC逆变器始终保持固定输出，定直流电压控制的MMC逆变器则充当平衡节点的角色，如图2的右侧所示。其中黑色区域表示MMC1改为整流模式，并从受端交流系统吸收有功功率，此时将对受端系统不利。

二、基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制

一般情况下，MMC的外环限幅包括有功电流限幅i_dlim和无功电流限幅i_qlim，并满足下式：

同时根据不同应用场合和系统情况，限幅方式分为三种类型，如图3所示。其中方式I表示有功电流限幅优先级等于无功电流限幅优先级；方式II表示有功电流限幅的优先级高于无功电流限幅的优先级；方式III表示无功电流限幅的优先级高于有功电流限幅。正常情况下MMC均采用方式II。

为了对不同工况下MMC间的有功功率协调分配，同时提高受端系统电压稳定性，引入动态限幅环节对受端级联型混合直流控制特性进行改进。具体操作方法为：在混合直流低端定功率MMC站设置动态限幅环节如下

式中i_Dlim是为需要保证的最小有功功率限幅值，动态限幅的机理如图4所示。当系统处于正常稳定状态时，MMC运行于I点。当电压下降不大时，无功电流增加，系统达到新的稳定运行点M，但仍在限幅范围内。当电压下降较大时，无功电流将增加到最大值N，并最终达到一个新的稳态运行点D。

可以看到，动态限幅一方面释放了MMC对交流系统无功支撑的潜力，另一方面也同时抑制了MMC的有功输出。不仅能够提升受端交流系统的电压稳定性，同时也能自动调整级联型混合直流定功率站MMC在故障时的功率指令值，避免MMC与LCC功率指令不匹配而导致定直流电压站改为整流模式。

下面通过具体实例对本发明的技术效果进行验证：

以图1所示的受端级联型混合直流输电系统为例进行验证，其中逆变侧高端LCC换流器额定电压与功率分别为400kV与2000MW，低端三个VSC换流器额定电压与功率分别为400kV与677MW，控制方式如表1所示。逆变侧的LCC换流站与VSC换流站串联后形成混合直流的800kV总额定电压并共同分担送端LCC站输送的功率。另一方面，受端逆变站均馈入500kV交流系统不同地点。

表1 MMC换流站有功控制模式

验证方案一：基本控制特性仿真验证。

当t＝2.5s时，逆变器侧交流系统发生持续时间为0.08s单相接地故障。故障前整流侧LCC采用定电流控制，逆变侧高端LCC采用定熄弧角控制并输送1900MW的有功功率；逆变侧低端MMC采用如表1所示的主从控制，各MMC有功功率为640MW，其中各MMC无功控制采用定交流电压模式，无功限幅为0.4p.u固定值。仿真结果如图5～图10所示。

根据仿真结果，可以看出交流侧故障导致逆变侧高端LCC换流器发生换相失败(图6)，这使得LCC直流低压限流控制启动并导致整流侧LCC换流器的电流指令减低与触发角增加(图5)。但与传统的HVDC不同，由于级联型混合直流输电逆变侧低端MMC的支撑，高端LCC逆变器的换相失败不会导致整个混合直流电压降低为零(图8)。同时，定直流电压控制的MMC1逆变器在故障期间变为整流模式，以满足定有功功率控制的其他两个MMC的有功需求(图9)。另一方面，MMC逆变器由于固定限幅环节使其输出无功受到限制(图7与图10)。可以看出，仿真结果与控制特性部分的理论分析相吻合。

验证方案二：动态限幅协调控制仿真验证。

在混合直流逆变侧低端定功率站MMC中增设动态限幅控制策略，即在MMC2与MMC3添加协调策略。仿真时除定功率MMC逆变站增设动态限幅外，相关条件与先前一致，仿真结果如图11～图13所示。为方便比较，仿真仅给出定功率MMC站外环d-q电流、逆变站有功功率以及逆变侧MMC无功功率的结果，其余整流侧α角、逆变侧γ角及直流电压由于变化不大，不再重复给出。

由图11～图13所示仿真可以看出，在增设动态限幅之后，两个定功率站的无功电流i_q由于限幅的扩增而大幅增加，同时其有功电流i_d由于无功电流i_q的增大受到抑制并减小(图11)。因此，动态限幅环节在使得MMC2和MMC3相比于控制前的一方面释放了更多无功功率以提升柔性换流站对交流侧的电压支撑(图13)，另一方面也使得在故障期间定功率MMC站的有功输出自动降低，避免了定直流电压站MMC1由逆变改为整流模式(图12)，证明了本协调控制策略的有效性。

Claims (1)

1.一种基于动态限幅的受端级联混合直流协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：受端级联混合直流系统主从控制模式下的UI特性分析

在主从控制模式下，低端MMC的主从控制方式对混合直流逆变侧UI特性曲线的影响通过式(1)描述，因此混合直流整流侧UI特性曲线与LCC换流站整流侧特性相似；

其中，u_{dc_MMC}为MMC所控制的直流电压，其为混合直流额定直流电压U_{d_rated}的一半；

高端LCC逆变站各段曲线的控制特性由式(2)至(5)描述；

式中k′_CEA、k′_VDCOL及k′_MAL分别为LCC定熄弧角控制、低压限流控制以及最小触发角控制的特性曲线斜率，其上标“′”表示相关斜率为400kV额定直流电压下的值，因此相关斜率为800kV额定电压值的一半；而

与

为相关特性曲线的截距；将式(1)分别代入式(2)至(5)中，得到

u_dc＝u_{dc_LCC}+u_{dc_MMC}＝U_{d_rated} (6)

式(6)至(9)则为混合直流逆变侧UI特性曲线；

步骤2：引入动态限幅环节对受端级联型混合直流控制特性进行改进；具体为：在混合直流低端定功率MMC站设置动态限幅环节如下

式中，i_dlim为有功电流限幅，i_qlim为无功电流限幅，i_lim为外环电流限幅值且

i_Dlim为需要保证的最小有功功率限幅值。

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