CN112086985B - 考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略,包括建立了混合双馈入系统LCC‑HVDC直流电流与VSC‑HVDC无功功率的关联表达式,以混合双馈入系统总有功传输最大值为求解目标,得到在不同换流母线电压跌落值下的系统最佳运行点,最后基于拟合曲线法,得到混合双馈入系统控制曲线斜率,提出一种混合双馈入直流输电系统协调控制方法。本发明提高了混合双馈入系统的连续换相失败免疫能力,有效抑制了LCC‑HVDC逆变侧交流电压跌落后的后续换相失败,与此同时最大限度的维持了系统总有功功率传输量最大。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域,尤其涉及一种考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略。
背景技术
电网换相换流器的高压直流输电(Line Commutated Converter based HighVoltage Direct Current,LCC-HVDC)具有传输容量大,建设成本低等优势,在远距离大容量输电场合应用广泛,但因其采用半控型电力电子器件,其也存在容易发生换相失败、需要大量无功补偿和滤波装置等缺点。20世纪90年代以来,电压源型换流器高压直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)技术迅速发展,其以自关断能力的全控型半导体绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,IGBT)为开关器件,具有有功无功独立控制、动态补偿交流无功缺额和支撑交流电压等优点,能够弥补传统直流输电的缺陷,将其与LCC-HVDC结合,同时馈入同一交流电网时便构成了混合多馈入直流输电系统(HMIDC)。
换相失败是LCC-HVDC系统最常见的典型故障,一旦发生换相失败,将会引起直流电压下降,传输功率降低和电流上升等不利影响,在受端交流系统较弱的情况下,系统存在的风险将更为突出。再者,我国存在由多条LCC-HVDC组成的多馈入系统,若不及时抑制后续换相失败,将可能导致换流阀组闭锁甚至多个直流系统发生级联闭锁故障,威胁整个系统的安全稳定运行。
针对抑制LCC-HVDC换相失败的研究一直是直流输电系统研究的重点。利用无功补偿装置,如SVC、STATCOM等可以快速提高受端交流母线电压,增大系统有效短路比,提供一定的无功支撑。但无功补偿装置投资成本高、动态响应速度较慢,在母线压降较大的情况下难以及时抑制换相失败。采用改进的低压限流控制(voltage dependent current orderlimiter,VDCOL)来抑制直流故障电流的上升也是抑制后续换相失败的有效方案之一。有学者提出一种基于模糊控制的低压限流控制策略,该策略考虑了无功功率、直流电流和系统电压恢复速度之间的关系。还有学者提出一种自适应低压限流控制,可以基于交流母线电压的跌落程度动态调节限流曲线斜率,达到加快系统恢复速度,提高系统暂态稳定性的目的。
在混合双馈入系统中,利用VSC-HVDC的动态无功补偿能力抑制LCC-HVDC换相失败具有较好的效果和应用价值。研究表明,VSC-HVDC对LCC-HVDC具有较强的无功功率支撑能力,能有效调节交流电压的稳定性,改善系统的动态性能,减小了换向失败的几率和抑制了后续换相失败的风险。但是单一的改进LCC-HVDC低压限流控制或VSC-HVDC无功功率可能无法达到最佳的效果。因为孤立调节单一直流线路均会加剧混合双馈入系统的受端有功功率缺额,进而对母线电压的稳定性产生不利影响,加剧后续换相失败的可能性。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略,通过分析LCC-HVDC与VSC-HVDC之间的相互作用关系,综合利用了直流系统的有功传输能力和无功支撑能力,主要解决单一的改进LCC-HVDC低压限流控制或VSC-HVDC定无功功率控制可能会无法达到抑制后续换相失败的最佳效果,且最大限度的增加了系统总有功功率传输量。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
步骤一,建立混合双馈入系统LCC-HVDC的直流电流与VSC-HVDC的无功功率的关联模型,通过所述关联模型得到所述直流电流与所述无功功率的关联表达式;
步骤二,在初始的换流母线电压跌落值下,令系统的总有功功率传输量取得最大值,计算并记录满足约束条件的所述直流电流与所述无功功率的取值;
步骤三,以所述初始的换流母线电压跌落值为初始值,设置固定步长向下叠加产生换流母线电压跌落值等差数列,从所述等差数列中选取不同的所述换流母线电压跌落值重复所述步骤二,得到在不同的换流母线电压跌落值下的直流电流和无功功率,根据所述步骤二和步骤三的结果输出系统最佳运行点;
步骤四,通过拟合曲线法将所述系统最佳运行点中对应的换流母线电压跌落值和LCC-HVDC直流电流、换流母线电压跌落值和VSC-HVDC无功功率转化为相应的直流系统控制曲线,并计算出换流母线电压跌落值和直流电流的拟合曲线斜率K1、换流母线电压跌落值和无功功率的拟合曲线斜率K2,设计协调控制策略;
步骤五,LCC-HVDC采用AC-VDCOL控制直流电流,以所述斜率K1作为控制曲线斜率,用于抑制LCC-HVDC的直流电流增长;VSC-HVDC采用无功-电压下垂控制,以所述斜率K2作为下垂控制曲线斜率,用于为混合双馈入系统提供无功支撑。
本发明的有益效果为:提高了混合双馈入系统的连续换相失败免疫能力,有效抑制了LCC-HVDC逆变侧交流电压跌落后的后续换相失败,与此同时最大限度的维持了系统总有功功率传输量最大。
附图说明
图1为本发明实施例中公开的考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略的流程图;
图2为混合双馈入直流输电系统结构图;
图3为LCC-HVDC直流电流与VSC-HVDC无功功率的关系函数图;
图4为换流站母线电压跌落值与LCC-HVDC直流电流的拟合曲线;
图5为换流站母线电压跌落值与VSC-HVDC无功功率的的拟合曲线;
图6为LCC-HVDC低压限流控制曲线;
图7为VSC-HVDC无功-电压下垂控制曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1所示,本实施例提出了一种考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略,包括以下步骤,
步骤一,建立混合双馈入系统LCC-HVDC的直流电流与VSC-HVDC的无功功率的关联模型,通过所述关联模型得到所述直流电流与所述无功功率的关联表达式;
步骤二,在初始的换流母线电压跌落值下,令系统的总有功功率传输量取得最大值,计算并记录满足约束条件的所述直流电流与所述无功功率的取值;
步骤三,以所述初始的换流母线电压跌落值为初始值,设置固定步长向下叠加产生换流母线电压跌落值等差数列,从所述等差数列中选取不同的所述换流母线电压跌落值重复所述步骤二,得到在不同的换流母线电压跌落值下的直流电流和无功功率,根据所述步骤二和步骤三的结果输出系统最佳运行点;
步骤四,通过拟合曲线法将所述系统最佳运行点中对应的换流母线电压跌落值和直流电流、换流母线电压跌落值和无功功率转化为相应的直流系统控制曲线,并计算出换流母线电压跌落值和直流电流的拟合曲线斜率K1、换流母线电压跌落值和无功功率的拟合曲线斜率K2,设计协调控制策略;
步骤五,LCC-HVDC采用AC-VDCOL控制直流电流,以所述斜率K1作为控制曲线斜率,用于抑制LCC-HVDC的直流电流增长;VSC-HVDC采用无功-电压下垂控制,以所述斜率K2作为下垂控制曲线斜率,用于为混合双馈入系统提供无功支撑。
通过以上的协调控制策略计算、控制直流电流与无功功率后,提高了混合双馈入系统的连续换相失败免疫能力,有效抑制了LCC-HVDC逆变侧交流电压跌落后的后续换相失败,与此同时最大限度的维持了系统总有功功率传输量最大。
1.建立混合双馈入系统LCC-HVDC直流电流Id与VSC-HVDC无功功率Qv关联模型
1.1LCC-HVDC逆变站模型
式中:Us为逆变侧变压器母线线电压有效值;Id为LCC-HVDC直流电流;N为逆变站每极中6脉动换流器数;β为逆变站触发超前角;k为变压器变比;Xc为换流变压器阀侧的等值电抗。LCC-HVDC逆变站有功功率,无功功率可分别表示为:
Pd=UdId (4)
则LCC-HVDC注入受端交流系统的无功功率可表示为换流站母线上的无功补偿值和逆变站消耗无功之和:
其中:Bc为站内交流滤波器和无功补偿电容的等效电纳。
1.2VSC-HVDC逆变站模型
VSC-HVDC采用全控型电力电子器件,能够实现有功功率和无功功率的解耦控制,其控制器包含内环电流和外环控制器。正常工况下,VSC-HVDC逆变侧采用定有功功率和定无功功率控制。当混合双馈入系统交流母线电压跌落时,要求VSC-HVDC能够提供一定的无功功率支撑,此时,其逆变侧输出的无功功率Qv和有功功率Pv关系为:
1.3混合双馈入系统关联模型
根据图2混合双馈入直流输电系统结构图所示,并联的LCC-HVDC和VSC-HVDC馈入同一条换流母线。当交流电网母线f处发生三相短路故障时,电压跌落到Uf。由于高压线路中电抗远大于电阻,因此忽略电阻的影响,由潮流计算原理,电压降落主要由电压纵分量决定,可以得到换流母线电压Us为:
式中:XL为换流母线s与故障母线f间的等值电抗。Qs为双馈入直流输电系统馈入受端电网的无功功率,等于LCC-HVDC注入电网无功功率与VSC-HVDC输出无功功率之和,即:
更进一步的,结合公式(2)、(8)、(9)并进一步化简,所述步骤一具体为:在确定的故障电压Uf和关断角目标γ*=15°的基础上,所述LCC-HVDC直流电流Id和VSC-HVDC的无功功率QV的关系函数为:
其中:a、b、c、D为化简式子的假设的系数,无实际物理意义;经变换后有:
式中,XL为换流母线s与故障母线f间的等值电抗;Xc为换流变压器阀侧的等值电抗;N为逆变站每极中6脉动换流器数;Bc为站内交流滤波器和无功补偿电容的等效电纳;为功率因素角;K为LCC-HVDC换流变压器变比。
根据图3的LCC-HVDC直流电流与VSC-HVDC无功功率的关系函数图所示,直流电流Id同时满足LCC-HVDC运行中所允许的最大工作电流Id,max和最小工作电流Id,min,VSC-HVDC的无功功率Qv小于换流站无功输出极限无功Qvmax和大于换流站无功输出最小无功Qvmax,即约束条件为:
而且从图3可以看出,在一定的电压跌落Uf下,为了保持混合双馈入系统的电压稳定性,抑制后续换相失败,在VSC-HVDC发出一定无功Qv1时,LCC-HVDC应保持直流电流在Id1以下,且在约束条件外的运行点将不满足控制条件。混合双馈入系统的总有功功率传输量Ps等于LCC-HVDC系统有功传输量PL与VSC-HVDC系统有功传输量Pv之和,即:
其中,γ为关断角;Us为逆变侧变压器母线线电压有效值;S为VSC-HVDC逆变站额定容量。
图4、5是换流站母线电压跌落值与LCC-HVDC直流电流的拟合曲线、换流站母线电压跌落值与VSC-HVDC无功功率的的拟合曲线,具体说明如下:首先在初始的换流母线电压跌落值下,令系统的总有功功率传输量取得最大值,计算并记录满足约束条件的所述直流电流与所述无功功率的取值;然后以所述初始的换流母线电压跌落值为初始值,设置固定步长向下叠加产生换流母线电压跌落值等差数列,从所述等差数列中选取不同的所述换流母线电压跌落值重复上述过程,得到在不同的换流母线电压跌落值下的直流电流和无功功率,认为此时为满足系统控制条件且可以维持系统总有功功率传输量最大的运行点。以LCC-HVDC采用CIGRE标准直流测试系统的主电路参数,VSC-HVDC主电路参数如表1所示的混合双馈入系统为例,得到的计算结果如表2所示:
表1 VSC-HVDC主电路参数
表2不同电压跌落下系统最佳运行点
根据表2所示的数据,基于拟合曲线法得到换流站母线电压跌落值与LCC-HVDC直流电流、换流站母线电压跌落值与VSC-HVDC无功功率的拟合曲线如图4、5所示,其斜率分别为K1和K2。
根据图6的LCC-HVDC低压限流控制曲线所示,LCC-HVDC逆变侧配有低压限流控制AC-VDCOL,在交流电压发生跌落后起控制作用。设置低压限流控制的启动区间为[Ul,UH],其中,Ul=0.2pu,UH=0.8pu,控制曲线斜率KL为换流站母线电压跌落值与LCC-HVDC直流电流拟合曲线斜率K1。
根据图7的VSC-HVDC无功-电压下垂控制曲线所示,VSC-HVDC逆变侧采用无功-电压下垂控制,设定下垂控制曲线斜率Kv为换流站母线电压跌落值与VSC-HVDC无功功率的拟合曲线斜率K2。因此,下垂曲线表达式为QVref=Q0-K2Uf。当受端电网电压下降至Uf1时,无功-电压下垂控制使得VSC-HVDC无功功率自动调节到QV1。
工作原理:LCC-HVDC采用AC-VDCOL控制直流电流,以所述斜率K1作为控制曲线斜率,用于抑制LCC-HVDC的直流电流增长;VSC-HVDC采用无功-电压下垂控制,以所述斜率K2作为下垂控制曲线斜率,用于为混合双馈入系统提供无功支撑,所述协调控制方法可以抑制后续换相失败并最大限度的维持系统总有功功率传输量最大。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点,其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略,其特征在于,包括以下步骤,
步骤一,建立混合双馈入系统LCC-HVDC的直流电流与VSC-HVDC的无功功率的关联模型,通过所述关联模型得到所述直流电流与所述无功功率的关联表达式;
步骤二,在初始的换流母线电压跌落值下,令系统的总有功功率传输量取得最大值,计算并记录满足约束条件的所述直流电流与所述无功功率的取值;
步骤三,以所述初始的换流母线电压跌落值为初始值,设置固定步长向下叠加产生换流母线电压跌落值等差数列,从所述等差数列中选取不同的所述换流母线电压跌落值重复所述步骤二,得到在不同的换流母线电压跌落值下的直流电流和无功功率,根据所述步骤二和步骤三的结果输出系统最佳运行点;
步骤四,通过拟合曲线法将所述系统最佳运行点中对应的换流母线电压跌落值和直流电流、换流母线电压跌落值和无功功率转化为相应的直流系统控制曲线,并计算出换流母线电压跌落值和直流电流的拟合曲线斜率K1、换流母线电压跌落值和无功功率的拟合曲线斜率K2,设计协调控制策略;
步骤五,LCC-HVDC采用AC-VDCOL控制直流电流,以所述斜率K1作为控制曲线斜率,用于抑制LCC-HVDC的直流电流增长;VSC-HVDC采用无功-电压下垂控制,以所述斜率K2作为下垂控制曲线斜率,用于为混合双馈入系统提供无功支撑。
2.如权利要求1所述的考虑有功传输能力的混合双馈入系统的协调控制策略,其特征在于,所述步骤一具体为:在确定的故障电压Uf和关断角目标γ*=15°的基础上,所述LCC-HVDC直流电流Id和VSC-HVDC的无功功率QV的关系函数为:
其中:
式中,XL为换流母线s与故障母线f间的等值电抗;Xc为换流变压器阀侧的等值电抗;N为逆变站每极中6脉动换流器数;Bc为站内交流滤波器和无功补偿电容的等效电纳;为功率因素角;K为LCC-HVDC换流变压器变比;
直流电流Id同时满足LCC-HVDC运行中所允许的最大工作电流Id,max和最小工作电流Id,min,VSC-HVDC的无功功率Qv小于等于换流站无功输出极限无功Qvmax和大于等于换流站无功输出最小无功Qvmin,即约束条件为:
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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