CN112039104B - 一种混合多端直流输电系统的启动方法 - Google Patents

一种混合多端直流输电系统的启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合多端直流输电系统的启动方法，属于电力系统技术领域，包含整流侧至少1个串联LCC，逆变侧至少一个串联LCC，逆变侧至少一个并联VSC，闭合整流侧和逆变侧LCC交流线路，断开逆变侧各VSC交流线路；选择合适的LCC换流站进行定电流控制，逆变侧LCC采取定熄弧角控制，通过整流侧LCC对逆变侧LCC和VSC进行充电；逆变侧各VSC在充电过程不闭锁，对多电平MMC同时投入电容均压控制或轮触控制；同时闭合逆变侧各VSC的交流线路，并对逆变侧各VSC的控制器进行初始化赋值；将逆变侧采取定功率控制的VSC功率参考值按斜率上升至额定值，将采取定电流控制的LCC电流参考值按斜率上升至额定值，二者参考值上升速度保持相同；将采取幅相控制的VSC所连接交流系统分批投入。

Description

一种混合多端直流输电系统的启动方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，涉及电力系统的安全稳定分析技术，具体涉及一种混合多端直流输电系统的启动方法。
背景技术
柔性直流输电(VSC-HVDC)因其可以实现有功无功解耦控制、向无源网络供电、能够提供无功支撑等优点，得到了越来越广泛的应用。然而，受限于IGBT的耐电压和耐电流水平，VSC-HVDC不适用于高电压、大容量直流输电。传统直流输电(LCC-HVDC)在满足高电压和大容量传输需求的同时，却难以实现功率的灵活控制和分配。因此，LCC-HVDC和VSC-HVDC将长期共存、互相补充。
混合直流输电结合了传统的LCC-HVDC和VSC-HVDC的优势，通过采取不同的拓扑可以适用不同的场景。串并联混合多端直流输电系统因其能满足高电压、大容量直流输电的要求，同时并联VSC-HVDC的存在提高了整个系统功率分配的灵活性，具有广泛的应用前景。然而，随着直流网络拓扑的复杂化也为启动策略带来了挑战。
针对日益复杂的混合直流输电网络，需要设计混合直流输电系统合理地启动策略，实现系统快速启动的同时，减小启动过程中的冲击。目前现有技术中，仍然存在以下问题：1)当VSC通过交流网络进行有源启动时需要串联限流电阻；2)不能实现混合直流系统连接无源网络时的启动；3)采取传统直流侧启动时，解锁MMC瞬间因电压减半而造成桥臂过电流；4)传统的交流启动、直流启动均需要闭锁VSC，解锁瞬间由于状态不匹配会出现过电流。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足，提供一种混合多端直流输电系统的启动方法，本发明可自由选择采取定电流控制的LCC换流站，可以自由指定LCC的定电流控制的参考值，以实现不同的启动速度，同时初始化策略减小了VSC控制器正常投入时的冲击电流。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种混合多端直流输电系统的启动方法，包含整流侧i个串联LCC，逆变侧包含逆变侧j个串联LCC，包含逆变侧k个并联VSC，,其中，i≧1，j≧1，k≧1；具体包含如下步骤；
步骤1，闭合整流侧和逆变侧LCC交流线路，断开逆变侧各VSC交流线路；
步骤2，选择合适的LCC换流站进行定电流控制，进而限制逆变侧VSC在充电过程中桥臂电流；
步骤3，整流侧LCC中非定电流控制站采取定电圧控制，逆变侧非定电流控制站采取定熄弧角控制，由整流侧LCC对逆变侧LCC和VSC进行充电；
步骤4，对逆变侧各VSC不进行闭锁，各VSC可任意采取定电压控制、幅相控制、定功率控制，对控制器积分器清零，同时对多电平VSC投入电容均压控制或轮触控制；
步骤5，当系统各换流站电压上升至额定值或达到电压上限值，同时闭合逆变侧1个或多个VSC的交流线路，并对逆变侧各VSC的控制器进行初始化赋值；
步骤6，将逆变侧采取或保持定功率控制的VSC功率参考值按斜率上升至额定值，将采取定电流控制的LCC电流参考值按斜率上升至额定值或者安全电流上限，二者参考值上升速度保持相同；
步骤7，将采取幅相控制的VSC所连接交流系统分批投入。
作为本发明一种混合多端直流输电系统的启动方法的进一步优选方案，在所述步骤2中，选择合适的LCC换流站进行定电流控制具体如下：
步骤2.1，选取整流侧i个串联LCC中的第1个换流站进行定电流控制；
步骤2.2，选取整流侧i个串联LCC中的第r个换流站进行定电流控制，其中，1﹤r≦i；
步骤2.3，选取逆变侧j个串联LCC中的第s个换流站进行定电流控制，其中，1≦s≦j。
作为本发明一种混合多端直流输电系统的启动方法的进一步优选方案，所述步骤3具体如下：
步骤3.1，当选取整流侧i个串联LCC中的第1个换流站进行定电流控制并采取后备定电圧控制，定电圧控制参考值满足
Figure BDA0002587158920000021
其中，UdcR1和UdcRmax分别为整流侧第1个LCC电压参考值和电压上限，Udc(t)和Umax(t)分别为逆变侧第k个VSC当前直流电压和电压上限；
整流侧其他LCC定电圧为额定值，逆变侧LCC定熄弧角为额定值；在充电过程中，逆变侧LCC电压逐渐上升至额定值，此后VSC电压逐渐上升至额定值；
步骤3.2，当选取整流侧i个串联LCC中的第r个换流站进行定电流控制，其中，1﹤r≦i，整流侧第1个采取定电圧控制，电压指令从0按斜率上升至额定值，整流侧其他LCC定电圧为额定值，逆变侧LCC定熄弧角为额定值；在充电过程中，各换流站电压均逐渐上升；
步骤3.3，当选取逆变侧j个串联LCC中的第s个换流站进行定电流控制，其中，1≦s≦j，逆变侧其他LCC定熄弧角为额定值，整流侧第1个采取定电圧控制，电压指令从0按斜率上升至额定值，整流侧其他LCC定电圧为额定值；在充电过程中，各换流站电压均逐渐上升。
作为本发明一种混合多端直流输电系统的启动方法的进一步优选方案，所述步骤5具体如下：
步骤5.1，对于保持或切换为定电圧控制的VSC换流站积分值重置为：对于外环比例积分器，相应地整定积分器初值为实际电气量值；
内环控制中积分器重置值为：
Figure BDA0002587158920000031
其中，Uc和Us是换流站交流侧出口的电压有效值和公共连接点的交流电压有效值，vdreset和vqreset是d轴控制中的积分器重置值和q轴控制中的积分器重置值，Rc和Xc是换流站的等效电阻和换流电抗，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，P是注入PCC点的有功功率。
步骤5.2，对于保持或切换为幅相控制的VSC换流站积分值重置为：
Figure BDA0002587158920000032
步骤5.3，对于保持或切换为定有功功率的VSC换流站，功率参考值应初始化为
Figure BDA0002587158920000033
其中，Idc为第t(1≦t≦k)个充电电流，Udc为VSC额定直流电压；
外环控制中积分值重置为：
Figure BDA0002587158920000034
其中，vdreset和vqreset分别为d轴和q轴外环控制中的积分器重置值，Pref和Qref分别为有功功率和无功功率参考值；内环控制中积分器重置值为：
Figure BDA0002587158920000041
其中，vdreset和vqreset分别为d轴和q轴内环控制中的积分器重置值，Usd和Usq是公共连接点交流电压的dq轴分量，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量。
作为本发明一种混合多端直流输电系统的启动方法的进一步优选方案，在步骤6中，电流上限值满足：
Figure BDA0002587158920000042
其中，IdcR(r)、Idci(s)和Idc(t)分别为整流侧LCC、逆变侧LCC和逆变侧VSC当前电流值，IdcR(r)max、Idci(s)max和Idc(t)max分别为各换流站相应电流上限。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明中调度系统可以自由选择采取定电流控制的LCC换流站，可以自由指定LCC的定电流控制的参考值，以实现不同的启动速度，同时初始化策略减小了VSC控制器正常投入时的冲击电流；
2、本发明的启动方法包含整流侧i个串联LCC，逆变侧j个串联LCC，逆变侧k个并联VSC本发明利用LCC定电流控制限制逆变侧VSC在充电过程中可能出现的过电流，无需传统启动方法中所需的限流电阻，对于VSC连接有源网络和无源网络均适用；
3、本发明启动速度较快，并且可通过不同的启动电流实现不同的启动速度，本方法适用于各种单双极串联混合、并联混合和串并联混合结构，适用于两、三电平和多电平VSC，所提出的启动方法具有一般性，适用范围广泛。
附图说明
图1是图1为本发明启动方法流程图；
图2为本发明方法适用的混合多端直流输电系统一般结构；
图3为四端混合直流输电系统示意图；
图4为启动方法下的仿真波形，其中，图4(a)为各换流站直流电压，图4(b)为直流线路电流，图4(c)为LCC1触发角和LCC2熄弧角，图4(d)为各换流站有功功率，图4(e)为MMC3、MMC4上下桥臂子模块电压(A相)，图4(f)为MMC3、MMC4上下桥臂电流(A相)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种混合多端直流输电系统的启动方法，该方法中调度系统可以自由选择采取定电流控制的LCC换流站，可以自由指定LCC的定电流控制的参考值，以实现不同的启动速度，同时初始化策略减小了VSC控制器正常投入时的冲击电流。本发明的启动方法包含整流侧i个串联LCC，逆变侧j个串联LCC，逆变侧k个并联VSC。，如图2至3所示。
如图1所示，包括如下步骤：
闭合整流侧和逆变侧LCC交流线路，断开逆变侧各VSC交流线路；
选择合适的LCC换流站进行定电流控制，其他整流侧LCC采取定电圧控制，逆变侧LCC采取定熄弧角控制，通过整流侧LCC对逆变侧LCC和VSC进行充电；
逆变侧VSC充电过程不闭锁，可任意采取定电圧控制、定功率控制、幅相控制，同时对多电平MMC投入电容均压控制或轮触控制；
当系统各换流站电压上升至额定值，同时闭合逆变侧各VSC的交流线路，并对逆变侧各VSC的控制器进行初始化赋值；
将逆变侧采取定功率控制的VSC功率参考值按斜率上升至额定值，将采取定电流控制的LCC电流参考值按斜率上升至额定值，二者参考值上升速度保持相同；
将采取幅相控制的VSC所连接交流系统分批投入。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤1：启动初始时刻，闭合整流侧和逆变侧LCC交流线路，断开逆变侧各VSC交流线路；
步骤2：选取合适的LCC换流站采取定电流控制，以限制逆变侧VSC在充电过程中桥臂电流：
1)选取整流侧i个串联LCC中的第1个换流站进行定电流控制；
2)选取整流侧i个串联LCC中的第r(1﹤r≦i)个换流站进行定电流控制；
3)选取逆变侧j个串联LCC中的第s(1≦s≦j)个换流站进行定电流控制；
步骤3：整流侧LCC中非定电流控制站采取定电圧控制，逆变侧非定电流控制站采取定熄弧角控制，由整流侧LCC对逆变侧LCC和VSC进行充电：
1)当选取整流侧i个串联LCC中的第1个换流站进行定电流控制并采取后备定电圧控制，定电圧控制参考值满足
Figure BDA0002587158920000061
其中UdcR1和UdcRmax分别为整流侧第1个LCC电压参考值和电压上限，Udc(t)和Umax(t)分别为逆变侧第k个VSC当前直流电压和电压上限。
整流侧其他LCC定电圧为额定值，逆变侧LCC定熄弧角为额定值；在充电过程中，逆变侧LCC电压逐渐上升至额定值，此后VSC电压逐渐上升至额定值；
2)当选取整流侧i个串联LCC中的第r(1﹤r≦i)个换流站进行定电流控制，整流侧第1个采取定电圧控制，电压指令从0按斜率上升至额定值，整流侧其他LCC定电圧为额定值，逆变侧LCC定熄弧角为额定值；在充电过程中，各换流站电压均逐渐上升；
3)当选取逆变侧j个串联LCC中的第s(1≦s≦j)个换流站进行定电流控制，逆变侧其他LCC定熄弧角为额定值，整流侧第1个采取定电圧控制，电压指令从0按斜率上升至额定值，整流侧其他LCC定电圧为额定值；在充电过程中，各换流站电压均逐渐上升；
步骤4：对逆变侧各VSC不进行闭锁，各VSC可任意采取定电压控制、幅相控制、定功率控制，对控制器积分器清零，同时对多电平VSC投入电容均压控制或轮触控制；
步骤5：当系统各换流站电压上升至额定值或达到电压上限值，同时闭合逆变侧k个VSC的交流线路，并对逆变侧各VSC的控制器进行初始化赋值：
1)对于保持或切换为定电圧控制的VSC换流站积分值重置为：
对于外环比例积分器，相应地整定积分器初值为实际电气量值；
内环控制中积分器重置值为：
Figure BDA0002587158920000071
其中，Uc和Us是换流站交流侧出口的电压有效值和公共连接点的交流电压有效值，vdreset和vqreset是d轴控制中的积分器重置值和q轴控制中的积分器重置值，Rc和Xc是换流站的等效电阻和换流电抗，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，P是注入PCC点的有功功率。
2)对于保持或切换为幅相控制的VSC换流站积分值重置为：
Figure BDA0002587158920000072
3)对于保持或切换为定有功功率的VSC换流站，功率参考值应初始化为
Figure BDA0002587158920000073
其中Idc为第t(1≦t≦k)个充电电流，Udc为VSC额定直流电压。
外环控制中积分值重置为：
Figure BDA0002587158920000074
其中，vdreset和vqreset分别为d轴和q轴外环控制中的积分器重置值。Pref和Qref分别为有功功率和无功功率参考值。
内环控制中积分器重置值为：
Figure BDA0002587158920000075
其中，vdreset和vqreset分别为d轴和q轴内环控制中的积分器重置值。Usd和Usq是公共连接点交流电压的dq轴分量，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量。
步骤5：将逆变侧采取或保持定功率控制的VSC功率参考值按斜率上升至额定值，将采取定电流控制的LCC电流参考值按斜率上升至额定值或者安全电流上限，二者参考值上升速度保持相同，电流上限值满足：
Figure BDA0002587158920000081
IdcR(r)、Idci(s)和Idc(t)分别为整流侧LCC、逆变侧LCC和逆变侧VSC当前电流值，IdcR(r)max、Idci(s)max和Idc(t)max分别为各换流站相应电流上限。
步骤7：将采取幅相控制的VSC所连接交流系统分批投入。
采用图4所示的四端混合直流输电系统为例对本发明提出的启动方法进行具体说明。系统正常运行时，整流侧LCC1定电流为3kA，逆变侧为LCC2采取定熄弧角为17°，逆变侧MMC3、MMC4分别采取定电圧400kV和定功率-600MW。直流线路额定电压为800kV。
对于本发明所提的启动方法：
0s<t≦0.28s：闭合LCC1和LCC2交流线路，断开MMC3和MMC4交流线路，但不进行闭锁，同时MMC电压控制器、定功率控制器积分器清零；整流LCC定电流为1kA，为逆变侧LCC和MMC充电；逆变LCC定熄弧角为17°，电压逐渐提升至额定值；MMC3与MMC4尚未建立直流电压；
0.28s<t≦1.78s：保持整流LCC定电流控制和逆变LCC定熄弧角控制不变，逆变器LCC电压上升至400kV并保持稳定；整流LCC开始为MMC3、4充电，MMC电压逐渐上升至额定值；
1.78s<t≦5s：当MMC3、4电压上升至额定值400kV，系统电压建立完成后：(1)闭合MMC3交流线路，对MMC3电压积分器进行初始化赋值，电压控制正常工作，电压参考值为400kV；(2)闭合MMC4交流线路，对MMC4定功率控制器参考值初始化为-200MW，并对积分器进行初始化赋值；(3)MMC3定功率控制器由-200MW按斜率上升指令值至额定功率-600MW；(4)整流LCC定电流控制器由1kA按斜率上升至额定值3kA；
5s≦t≦10s：系统启动完成。
仿真波形如图4所示。其中，图4(a)为各换流站直流电压，图4(b)为直流线路电流，图4(c)为LCC1触发角和LCC2熄弧角，图4(d)为各换流站有功功率，图4(e)为MMC3、MMC4上下桥臂子模块电压(A相)，图4(f)为MMC3、MMC4上下桥臂电流(A相)；对于所提出的启动方法：整流侧LCC定电流控制，限制了MMC充电过程中可能出现的过电流，而MMC的初始化策略减小了MMC控制器开始正常运行时的冲击，并且启动速度较快，有利于整个混合直流输电系统的安全稳定运行。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
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。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种混合多端直流输电系统的启动方法，其特征在于:包含整流侧i个串联LCC，逆变侧包含逆变侧j个串联LCC，包含逆变侧k个并联VSC，其中，i≧1，j≧1，k≧1；具体包含如下步骤；
步骤1，闭合整流侧和逆变侧LCC交流线路，断开逆变侧各VSC交流线路；
步骤2，选择合适的LCC换流站进行定电流控制，进而限制逆变侧VSC在充电过程中桥臂电流；
步骤3，整流侧LCC中非定电流控制站采取定电圧控制，逆变侧非定电流控制站采取定熄弧角控制，由整流侧LCC对逆变侧LCC和VSC进行充电；
步骤4，对逆变侧各VSC不进行闭锁，各VSC可任意采取定电压控制、幅相控制、定功率控制，对控制器积分器清零，同时对多电平VSC投入电容均压控制或轮触控制；
步骤5，当系统各换流站电压上升至额定值或达到电压上限值，同时闭合逆变侧1个或多个VSC的交流线路，并对逆变侧各VSC的控制器进行初始化赋值；
步骤6，将逆变侧采取或保持定功率控制的VSC功率参考值按斜率上升至额定值，将采取定电流控制的LCC电流参考值按斜率上升至额定值或者安全电流上限，二者参考值上升速度保持相同；
步骤7，将采取幅相控制的VSC所连接交流系统分批投入。
2.根据权利要求1所述的一种混合多端直流输电系统的启动方法，其特征在于：在所述步骤2中，选择合适的LCC换流站进行定电流控制具体如下：
步骤2.1，选取整流侧i个串联LCC中的第1个换流站进行定电流控制；
步骤2.2，选取整流侧i个串联LCC中的第r个换流站进行定电流控制，其中，1﹤r≦i；
步骤2.3，选取逆变侧j个串联LCC中的第s个换流站进行定电流控制，其中，1≦s≦j。
3.根据权利要求1所述的一种混合多端直流输电系统的启动方法，其特征在于：所述步骤3具体如下：
步骤3.1，当选取整流侧i个串联LCC中的第1个换流站进行定电流控制并采取后备定电圧控制，定电圧控制参考值满足
Figure QLYQS_1
其中，UdcR1和UdcRmax分别为整流侧第1个LCC电压参考值和电压上限，Udc(t)和Umax(t)分别为逆变侧第k个VSC当前直流电压和电压上限；
整流侧其他LCC定电圧为额定值，逆变侧LCC定熄弧角为额定值；在充电过程中，逆变侧LCC电压逐渐上升至额定值，此后VSC电压逐渐上升至额定值；
步骤3.2，当选取整流侧i个串联LCC中的第r个换流站进行定电流控制，其中，1﹤r≦i，整流侧第1个采取定电圧控制，电压指令从0按斜率上升至额定值，整流侧其他LCC定电圧为额定值，逆变侧LCC定熄弧角为额定值；在充电过程中，各换流站电压均逐渐上升；
步骤3.3，当选取逆变侧j个串联LCC中的第s个换流站进行定电流控制，其中，1≦s≦j，逆变侧其他LCC定熄弧角为额定值，整流侧第1个采取定电圧控制，电压指令从0按斜率上升至额定值，整流侧其他LCC定电圧为额定值；在充电过程中，各换流站电压均逐渐上升。
4.根据权利要求1所述的一种混合多端直流输电系统的启动方法，其特征在于：所述步骤5具体如下：
步骤5.1，对于保持或切换为定电圧控制的VSC换流站积分值重置为：对于外环比例积分器，相应地整定积分器初值为实际电气量值；
内环控制中积分器重置值为：
Figure QLYQS_2
其中，Uc和Us是换流站交流侧出口的电压有效值和公共连接点的交流电压有效值，vdreset和vqreset是d轴控制中的积分器重置值和q轴控制中的积分器重置值，Rc和Xc是换流站的等效电阻和换流电抗，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，P是注入PCC点的有功功率；
步骤5.2，对于保持或切换为幅相控制的VSC换流站积分值重置为：
Figure QLYQS_3
步骤5.3，对于保持或切换为定有功功率的VSC换流站，功率参考值应初始化为
Figure QLYQS_4
其中，Idc为第t(1≦t≦k)个充电电流，Udc为VSC额定直流电压；
外环控制中积分值重置为：
Figure QLYQS_5
其中，vdreset和vqreset分别为d轴和q轴外环控制中的积分器重置值，Pref和Qref分别为有功功率和无功功率参考值；内环控制中积分器重置值为：
Figure QLYQS_6
其中，vdreset和vqreset分别为d轴和q轴内环控制中的积分器重置值，Usd和Usq是公共连接点交流电压的dq轴分量，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量。
5.根据权利要求1所述的一种混合多端直流输电系统的启动方法，其特征在于：在步骤6中，电流上限值满足：
Figure QLYQS_7
其中，IdcR(r)、Idci(s)和Idc(t)分别为整流侧LCC、逆变侧LCC和逆变侧VSC当前电流值，IdcR(r)max、Idci(s)max和Idc(t)max分别为各换流站相应电流上限。
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