CN112086990B - 一种适用于电压源型换流器的限功率方法 - Google Patents

一种适用于电压源型换流器的限功率方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种适用于电压源型换流器的限功率方法，依据换流站传输功率，在传输功率超出换流站容量时，将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式，限制换流站的传输功率，保证系统功率不越限。当换流站传输功率恢复正常时，换流站重新切换为原始控制策略。本发明方法根据换流站传输容量上限，计算Pcc点和换流站交流出口侧电压的相角差，进而调整换流站交流出口侧电压的相角，保证二者相角同步变化，进而达到限功率作用。本发明能够有效约束功率，解决电压源型换流器采用幅相控制，幅频控制，有功无功耦合控制或定交流电压控制等策略来稳定交流电压时无法约束功率的问题；同时能最大限度利用换流器容量，提高了直流系统的安全性和稳定性。

Description

一种适用于电压源型换流器的限功率方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，涉及一种适用于电压源型换流器的限功率方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，基于电压源换流器的高压直流输电也就是柔性直流输电得到了越来越广泛的应用。柔性直流输电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，广泛地应用于风电汇集等新能源汇集场景。
随着新能源的广泛接入，新能源场景受到了越来越多的关注，风电场的交流电压受负荷影响较大，容易出现波动，在这种情况下压源型换流器采用原有控制策略(如幅相控制、幅频控制、有功无功耦合控制或定交流电压控制等策略)在稳定系统交流电压时无法有效约束线路功率，系统整体稳定性不佳。
发明内容：
为保证电力系统的稳定性，同时能最大限度利用换流器容量，本发明基于换流站容量设置限功率策略，提出一种适用于电压源型换流器的限功率方法，依据换流站传输功率，在传输功率超出换流站容量时，将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式，限制换流站的传输功率，保证系统功率不越限。当换流站传输功率恢复正常时，换流站重新切换为原始控制策略。
为了达到上述目的，本发明提出了一种适用于电压源型换流器的限功率方法，包括以下步骤：
当换流站传输功率超出换流站传输功率上限时，将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式，限制换流站的传输功率；
当换流站传输功率恢复正常时，将换流站重新切换为原始控制策略。
进一步的，所述将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式的过程为：根据换流站传输容量上限，计算在传输容量限值时Pcc点和换流站交流出口侧电压的相角差，进而调整换流站交流出口侧电压的相角，保证二者相角同步变化，从而限制换流站的传输功率。
进一步的，所述将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式的过程具体包括如下步骤：
当原始控制策略为定交流电压控制时，通过给定定交流电压控制器内环输出值实现限功率，包括：
当换流站传输功率Ps超出
Figure BDA0002652028250000021
则切换为限功率控制后，定交流电压控制器输出指令整定为：
Figure BDA0002652028250000022
当传输功率Ps超出
Figure BDA0002652028250000023
则切换为限功率控制后，定交流电压控制器输出指令整定为：
Figure BDA0002652028250000024
当换流站传输功率恢复正常时，即换流站传输功率满足
Figure BDA0002652028250000025
换流站重新切换为原始控制策略；
其中，
Figure BDA0002652028250000026
和
Figure BDA0002652028250000027
为换流站传输功率最大值，其中
Figure BDA0002652028250000028
Figure BDA0002652028250000029
代表整流方向传输功率最大值，即代表有功功率由交流系统注入换流站；
Figure BDA00026520282500000210
Figure BDA00026520282500000211
代表逆变方向传输功率最大值，即有功功率由换流站注入交流系统。Ucd和Ucq是换流站交流侧出口电压的dq轴分量，Xc是换流站的换流电抗，Us是公共连接点处的交流电压幅值，Uc是换流站交流侧出口处的交流电压幅值。
进一步的，当原始控制策略为幅相控制、幅频控制或有功无功耦合控制时，同时给定换流站交流电压的幅值和相角实现限功率，具体包括如下步骤：
当换流站传输功率Ps超出
Figure BDA00026520282500000212
则切换为限功率控制后，Pcc点电压幅值、频率、相角以及交流侧出口电压相角指令整定为：
Figure BDA0002652028250000031
当换流站传输功率Ps超出
Figure BDA0002652028250000032
则切换为限功率控制后，Pcc点电压幅值、频率、相角以及交流侧出口电压相角指令整定为：
Figure BDA0002652028250000033
其中M、f和θsa为Pcc点的电压幅值、频率和相角指令，θca为交流侧出口电压相角(A相)指令，fs为交流系统频率。
进一步的，当采用原始控制策略控制换流站时，在dq旋转坐标系下则交流侧出口电压为：
Figure BDA0002652028250000034
其中s是拉普拉斯算子，Usd和Usq是公共连接点交流电压的dq轴分量，Ucd和Ucq是换流站交流侧出口电压的dq轴分量，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，kp和ki是比例积分器的比例系数和积分系数，Rc和Xc是换流站的等效电阻和换流电抗；
从公共连接点处注入换流器交流侧出口的功率为：
Figure BDA0002652028250000035
其中，Ps和Qs是公共连接点处注入的有功功率和无功功率；Us是公共连接点处的交流电压幅值，Uc是换流站交流侧出口处的交流电压幅值；δ是Us和Uc的相角差。
进一步的，所述当换流站传输功率恢复正常时，指换流站传输功率满足
Figure BDA0002652028250000041
进一步的，所述原始控制策略通过换流器控制所连接交流系统公共连接点处或换流器交流出口处的交流电压的幅值、频率和相位。
进一步的，所述原始控制策略为以下策略中的一种：幅相控制、幅频控制、有功无功耦合控制、定交流电压控制。
进一步的，所述原始控制策略基于系统结构确定。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明方法根据换流站传输容量上限，计算Pcc点和换流站交流出口侧电压的相角差，进而调整换流站交流出口侧电压的相角，保证二者相角同步变化，从而达到限功率作用。本发明方法能够有效约束功率，解决电压源型换流器采用幅相控制，幅频控制，有功无功耦合控制和定交流电压控制等策略来稳定交流电压时无法约束功率的问题；同时能最大限度利用换流器容量，提高了直流系统的安全性和稳定性。
附图说明：
图1为应用本发明方法的单端VSC系统原理图，以定交流电压控制为例。
图2为应用本发明方法的双端VSC系统结构示意图。
图3为定交流电压控制结构图，其中(a)为d轴控制结构图，(b)为q轴控制结构图。
图4为幅相控制结构图。
图5为柔性直流输电系统仿真模型结构图。
图6为换流站传输功率仿真波形。
具体实施方式：
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供的适用于电压源型换流器的限功率方法，应用于如图1、图2所示的系统中，包括如下步骤：
步骤1：针对系统结构，确定系统的原始控制策略；
步骤2：当系统的原始控制策略为幅相控制(控制结构如图4所示)，幅频控制，有功无功耦合控制或定交流电压控制等(上述控制策略通过换流器控制所连接交流系统公共连接点(PCC点)处或换流器交流出口处的交流电压的幅值、频率和相位)时，在dq旋转坐标系下则交流侧出口电压为：
Figure BDA0002652028250000051
其中s是拉普拉斯算子，Usd和Usq是公共连接点交流电压的dq轴分量，Ucd和Ucq是换流站交流侧出口电压的dq轴分量，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，kp和ki是比例积分器的比例系数和积分系数，Rc和Xc是换流站的等效电阻和换流电抗。
从公共连接点(PCC点)处注入换流器交流侧出口的功率为：
Figure BDA0002652028250000052
其中，Ps和Qs是公共连接点(PCC点)处注入的有功功率和无功功率；Us是公共连接点处的交流电压幅值，Uc是换流站交流侧出口处的交流电压幅值；δ是Us和Uc的相角差。
步骤3：根据换流器容量，在传输功率超出换流站容量时，将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式，限制换流站的传输功率，保证系统功率不越限。
对换流站传输功率设置功率传输上限
Figure BDA0002652028250000053
和
Figure BDA0002652028250000054
检测调频换流站的传输功率，若传输功率不满足
Figure BDA0002652028250000055
则换流站切换为限功率控制。
Figure BDA0002652028250000056
和
Figure BDA0002652028250000057
为换流站传输功率最大值，其中
Figure BDA0002652028250000061
Figure BDA0002652028250000062
代表整流方向传输功率最大值，即代表有功功率由交流系统注入换流站；
Figure BDA0002652028250000063
Figure BDA0002652028250000064
代表逆变方向传输功率最大值，即有功功率由换流站注入交流系统。本发明方法根据换流站传输容量上限，计算Pcc点和换流站交流出口侧电压的相角差，进而调整换流站交流出口侧电压的相角，保证二者相角同步变化，从而达到限功率作用。具体的说，包括如下步骤：
1)对于定交流电压控制器，如果换流站传输功率Ps超出
Figure BDA0002652028250000065
即换流站传输功率满足：
Figure BDA0002652028250000066
则切换为限功率控制后，相角差
Figure BDA0002652028250000067
为：
Figure BDA0002652028250000068
控制器输出指令整定为：
Figure BDA0002652028250000069
若换流站传输功率满足：
Figure BDA00026520282500000610
则切换为限功率控制后，
相角差
Figure BDA00026520282500000611
为：
Figure BDA00026520282500000612
交流侧出口电压指令整定为：
Figure BDA00026520282500000613
2)对于幅相控制、幅频控制或有功无功耦合控制时，给定换流站交流Pcc点电压幅值、频率和相角：
Figure BDA0002652028250000071
其中M、f和θsa为Pcc点的电压幅值、频率和相角(A相)指令，fs为交流系统频率。
如果换流站传输功率Ps超过
Figure BDA0002652028250000072
即换流站传输功率满足：
Figure BDA0002652028250000073
在原控制基础上，对交流出口侧电压相角进行整定：
Figure BDA0002652028250000074
若换流站传输功率满足：
Figure BDA0002652028250000075
在原控制基础上，对交流出口侧电压相角进行整定：
Figure BDA0002652028250000076
其中θca分别为交流侧出口电压相角(A相)指令。
步骤4：当换流站传输功率恢复正常时，即换流站传输功率满足
Figure BDA0002652028250000077
换流站重新切换为原始控制策略，即步骤2中的控制策略。
采用图4所示的单端系统为例对本发明提出的限功率控制方法进行具体说明。VSC所连接的交流系统采用幅相控制，换流站的传输功率范围为-750MW≤Ps≤750MW。
初始时刻，VSC换流站传输功率为-450MW。6s时，VSC所连交流系统负荷增加200MW，但未达到换流站传输容量上限
Figure BDA0002652028250000078
16s时，VSC所连交流系统负荷增加150MW，达到换流站传输容量上限
Figure BDA0002652028250000079
26s时，VSC所连交流系统切除200MW负荷。36s时，VSC所连交流系统切除150MW负荷，系统重新回到稳定状态。所搭建的仿真系统中，功率基准值为750MVA，交流电压基准值为500kV，直流电压基准值为500kV，换流电抗的标幺值为0.15。
对于本发明所采取的限功率控制策略：
初始时刻，VSC换流站传输功率为-450MW。
1s时，VSC所连交流系统负荷增加200MW，即传输功率为-650MW，但未达到换流站传输容量上限
Figure BDA0002652028250000081
VSC系统仍采取幅相控制。
11s时，VSC所连交流系统负荷增加150MW，即传输功率为-800MW，达到换流站传输容量上限
Figure BDA0002652028250000082
即
Figure BDA0002652028250000083
此时换流站控制策略切换为限功率控制，保证系统功率不越限。
21s时，VSC所连交流系统切除200MW负荷，换流站传输功率为-600MW。传输功率在换流站容量范围内，此时换流站重新切换为幅相控制。
31s时，VSC所连交流系统切除150MW负荷，换流站传输功率为-450MW，系统重新回到稳定状态。
仿真波形如图5所示，图5代表VSC换流站传输功率。
由图可以看出，对于本发明所提出的限功率策略。当系统负荷发生变化时，能够根据换流站的传输容量选择控制方式，保证系统的功率稳定。在传输功率未达到换流站限值时，换流站仍保持幅相控制。当传输功率超出换流站限值时，换流站自动切换为限功率控制，以保持系统的功率稳定。
以上仿真验证了本发明提出的限功率策略的有效性，在传输功率超出换流站限值时，能够约束换流站传输功率。
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。

Claims (8)

1.一种适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，包括以下步骤：
当换流站传输功率超出换流站传输功率上限时，将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式，限制换流站的传输功率；所述将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式的过程为：根据换流站传输容量上限，计算在传输容量限值时Pcc点和换流站交流出口侧电压的相角差，进而调整换流站交流出口侧电压的相角，保证二者相角同步变化，从而限制换流站的传输功率；
当换流站传输功率恢复正常时，将换流站重新切换为原始控制策略。
2.根据权利要求1所述的适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，所述将换流站由原始控制策略切换为限功率控制方式的过程具体包括如下步骤：
当原始控制策略为定交流电压控制时，通过给定定交流电压控制器内环输出值实现限功率，包括：
当换流站传输功率Ps超出
Figure FDA0003808681270000011
则切换为限功率控制后，定交流电压控制器输出指令整定为：
Figure FDA0003808681270000012
当传输功率Ps超出
Figure FDA0003808681270000013
则切换为限功率控制后，定交流电压控制器输出指令整定为：
Figure FDA0003808681270000014
当换流站传输功率恢复正常时，即换流站传输功率满足
Figure FDA0003808681270000015
换流站重新切换为原始控制策略；
其中，
Figure FDA0003808681270000016
和
Figure FDA0003808681270000017
为换流站传输功率最大值，其中
Figure FDA0003808681270000018
Figure FDA0003808681270000019
代表整流方向传输功率最大值，即代表有功功率由交流系统注入换流站；
Figure FDA00038086812700000110
Figure FDA00038086812700000111
代表逆变方向传输功率最大值，即有功功率由换流站注入交流系统；Ucd和Ucq是换流站交流侧出口电压的dq轴分量，Xc是换流站的换流电抗，Us是公共连接点处的交流电压幅值，Uc是换流站交流侧出口处的交流电压幅值。
3.根据权利要求1所述的适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，当原始控制策略为幅相控制、幅频控制或有功无功耦合控制时，同时给定换流站交流电压的幅值和相角实现限功率，具体包括如下步骤：
当换流站传输功率Ps超出
Figure FDA0003808681270000021
则切换为限功率控制后，Pcc点电压幅值、频率、相角以及交流侧出口电压相角指令整定为：
Figure FDA0003808681270000022
当换流站传输功率Ps超出
Figure FDA0003808681270000023
则切换为限功率控制后，Pcc点电压幅值、频率、相角以及交流侧出口电压相角指令整定为：
Figure FDA0003808681270000024
其中M、f和θsa为Pcc点的电压幅值、频率和相角指令，θca为交流侧出口电压A相相角指令，fs为交流系统频率，Us是公共连接点处的交流电压幅值，Uc是换流站交流侧出口处的交流电压幅值，Xc是换流站的换流电抗，其中
Figure FDA0003808681270000025
Figure FDA0003808681270000026
代表整流方向传输功率最大值，即代表有功功率由交流系统注入换流站；
Figure FDA0003808681270000027
Figure FDA0003808681270000028
代表逆变方向传输功率最大值。
4.根据权利要求1所述的适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，当采用原始控制策略控制换流站时，在dq旋转坐标系下则交流侧出口电压为：
Figure FDA0003808681270000031
其中s是拉普拉斯算子，Usd和Usq是公共连接点交流电压的dq轴分量，Ucd和Ucq是换流站交流侧出口电压的dq轴分量，isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，kp和ki是比例积分器的比例系数和积分系数，Rc和Xc是换流站的等效电阻和换流电抗；
从公共连接点处注入换流器交流侧出口的功率为：
Figure FDA0003808681270000032
其中，Ps和Qs是公共连接点处注入的有功功率和无功功率；Us是公共连接点处的交流电压幅值，Uc是换流站交流侧出口处的交流电压幅值；δ是Us和Uc的相角差。
5.根据权利要求1所述的适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，所述当换流站传输功率恢复正常时，指换流站传输功率满足
Figure FDA0003808681270000033
其中
Figure FDA0003808681270000034
Figure FDA0003808681270000035
代表整流方向传输功率最大值，即代表有功功率由交流系统注入换流站；
Figure FDA0003808681270000036
Figure FDA0003808681270000037
代表逆变方向传输功率最大值。
6.根据权利要求1所述的适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，所述原始控制策略通过换流器控制所连接交流系统公共连接点处或换流器交流出口处的交流电压的幅值、频率和相位。
7.根据权利要求1所述的适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，所述原始控制策略为以下策略中的一种：幅相控制、幅频控制、有功无功耦合控制、定交流电压控制。
8.根据权利要求1所述的适用于电压源型换流器的限功率方法，其特征在于，所述原始控制策略基于系统结构确定。
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