CN112086994A - 一种级联型混合直流系统及控制方法 - Google Patents

一种级联型混合直流系统及控制方法 Download PDF

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CN112086994A CN202011007666.1A CN202011007666A CN112086994A CN 112086994 A CN112086994 A CN 112086994A CN 202011007666 A CN202011007666 A CN 202011007666A CN 112086994 A CN112086994 A CN 112086994A
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廖诗武
王大江
解兵
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Abstract

本发明公开了一种级联型混合直流系统及控制方法，包括整流侧LCC换流站、逆变侧高端LCC换流站、逆变侧低端VSC换流站和所述的逆变侧附加控制器。优点：本发明可利用级联型混合直流逆变侧附加频率控制器抑制受端新能源系统的频率波动，提高受端系统频率稳定性，通过VSC1逆变器的定直流电压控制、VSC2逆变器的含后备定直流电压控制的定功率控制、VSC3逆变器的定功率控制进行VSC间的协调控制，可有效提升功率控制范围，实现提升大规模新能源接入系统频率稳定性的效果。

Description

一种级联型混合直流系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种级联型混合直流系统及控制方法，属于高压直流输电混合直流技术领域。
背景技术
典型的混合直流输电一般将两端常规直流的受端LCC(常规高压直流输电)换流站替换为VSC(电压源型换流器)换流站，以消除LCC作为逆变站的换相失败缺陷，同时提升受端系统的电压稳定性。近年来相关学者提出受端级联型混合直流输电技术，即将受端VSC扩展为多个VSC并联后再与高端LCC串联，同时低端VSC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，其多落点结构也同时有利于工程的分期建设。与常规直流系统不同，白鹤滩受端系统采用级联型结构，使得其相关控制策略与常规点对点直流系统不同，尤其是低端VSC系统能够在受送端LCC电流指令控制的同时，独立分配各站的有功功率。在低端VSC直流采取主从控制的情况下，使得逆变侧直流附加控制成为可能。
另一方面，随着以风电为代表的新能源装机容量的不断增加，原有电力系统的惯性及频率稳定性随着降低。由于风电的随机性、波动性，新能源接入系统的频率也随着风能的变化出现随机波动。为了抑制由新能源波动带来的系统频率不稳定问题，除了采取风能预测、联合调度等长期的调控手段，使用直流输电的附加频率控制也是一种常用的手段。但是常规直流的频率控制均在送端，且易引发无功电压稳定性问题；而普通的柔性VSC直流容量较小，在新能源波动较大的情况无法实现有效控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服常规LCC直流控制频率易引发无功电压波动，以及普通点对点VSC直流控制频率难以提升控制规模的问题，提供一种级联型混合直流系统及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种逆变侧交流系统频率波动抑制方法，获取新能源交流系统的频率差；
对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
当VSC逆变器解锁时，附加频率控制启动，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅控制，得到最终的附加有功控制信号Padd；
根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC的外环功率控制参考值Psref，得到新的VSC的外环功率控制参考值；
将新的VSC的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
一种逆变侧附加控制器，包括：
输入端，用于获取新能源交流系统的频率差；
滤波器，用于对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
比例积分控制器，用于对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
解锁环节模块，用于当VSC逆变器解锁时，附加频率控制解锁，启动附加频率控制；
速率限幅模块，用于在启动附加频率控制后，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅环节，以限制调节速度，得到最终的附加有功控制信号Padd；
抑制模块，用于根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC的外环功率控制参考值Psref，得到新的VSC的外环功率控制参考值；
输出模块，用于将新的VSC的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
进一步的，所述滤波器采用一阶低通滤波器。
一种级联型混合直流系统，包括整流侧LCC换流站、逆变侧高端LCC换流站、逆变侧低端VSC换流站和所述的逆变侧附加控制器；
所述整流侧LCC换流站，用于将送端交流系统输出的交流电压Uac整流为直流电压Udc，并输出直流Idc到直流线路；
所述逆变侧高端LCC换流站与逆变侧低端VSC换流站串联构成逆变站，所述逆变站用于将直流线路输出的直流逆变为交流电压Uac1、Uac2、Uac3、Uac4，并分别连接于四个不同的受端交流系统；
所述逆变侧高端LCC换流站承担直流线路输出的直流电压Udc_lcc，并逆变为交流电压Uac1；
所述逆变侧低端VSC换流站包括并联的VSC1逆变器、VSC2逆变器和VSC3逆变器，其中，所述VSC1逆变器、VSC2逆变器和VSC3逆变器均承担直流线路输出的直流电压Udc_VSC，分别逆变为交流电压Uac2、Uac3、Uac4；
所述逆变侧低端VSC换流站总功率与逆变侧高端LCC换流站相等；
所述VSC3逆变器接入的受端交流系统包括新能源交流系统；
所述逆变侧附加控制器与VSC3逆变器连接。
进一步的，所述整流侧LCC换流站采用定电流控制模式；
所述逆变侧高端LCC换流站采用定电压控制模式；
所述VSC1逆变器采用定直流电压控制模式；
所述VSC2逆变器采用含后备定直流电压控制的定功率控制模式；
所述VSC3逆变器采用定功率控制模式。
一种级联型混合直流输电控制方法，包括所述的级联型混合直流系统，还包括如下步骤：
预先设置整流侧LCC换流站为定电流控制、逆变侧高端LCC换流站为定电压控制；设置VSC1逆变器为定直流电压控制、VSC2逆变器为含后备定直流电压控制的定功率控制、VSC3逆变器为定功率控制，并使得低端VSC换流站总功率与高端LCC换流站相等；
在满足上述设置后，解锁整个直流系统，提升系统输送的直流功率达到预先指定水平；
在系统输送的直流功率达到预先指定水平后，获取含新能源交流系统的受端交流系统的频率差Δf；
对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
当VSC3逆变器解锁时，附加频率控制启动，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅控制，得到最终的附加有功控制信号Padd；
根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC3的外环功率控制参考值Psref，更新新的VSC3的外环功率控制参考值；
将新的VSC3的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
本发明所达到的有益效果：
本发明可利用级联型混合直流逆变侧附加频率控制器抑制受端新能源系统的频率波动，提高受端系统频率稳定性，通过VSC1逆变器的定直流电压控制、VSC2逆变器的含后备定直流电压控制的定功率控制、VSC3逆变器的定功率控制进行VSC间的协调控制，可有效提升功率控制范围，实现提升大规模新能源接入系统频率稳定性的效果。
附图说明
图1是本发明具体实例中采用的白鹤滩混合级联直流拓扑结构图；
图2是本发明中各VSC间的在直流侧的有功功率协调控制策略；
图3是本发明中VSC3外环定功率环节设计的附加频率控制器；
图4是本发明验证方案一中风电功率波动示意图；
图5是本发明验证方案一中交流系统频率在有无控制下的对比图；
图6是本发明验证方案一中在有控制是逆变侧各直流换流站功率输出图。
图7是本发明验证方案二中风电功率波动示意图；
图8是本发明验证方案二中交流系统频率在有无控制下的对比图；
图9是本发明验证方案二中在有控制是逆变侧各直流换流站功率输出图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种逆变侧交流系统频率波动抑制方法，
获取新能源交流系统的频率差；
对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
当VSC逆变器解锁时，附加频率控制启动，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅控制，得到最终的附加有功控制信号Padd；
根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC的外环功率控制参考值Psref，得到新的VSC的外环功率控制参考值；
将新的VSC的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
一种逆变侧附加控制器，包括：
输入端，用于获取新能源交流系统的频率差；
滤波器，用于对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
比例积分控制器，用于对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
解锁环节模块，用于当VSC逆变器解锁时，附加频率控制解锁，启动附加频率控制；
速率限幅模块，用于在启动附加频率控制后，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅环节，以限制调节速度，得到最终的附加有功控制信号Padd；
抑制模块，用于根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC的外环功率控制参考值Psref，得到新的VSC的外环功率控制参考值；
输出模块，用于将新的VSC的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
进一步的，所述滤波器采用一阶低通滤波器。
一种级联型混合直流系统，包括整流侧LCC换流站、逆变侧高端LCC换流站、逆变侧低端VSC换流站和所述的逆变侧附加控制器；
所述整流侧LCC换流站，用于将送端交流系统输出的交流电压Uac整流为直流电压Udc，并输出直流Idc到直流线路；
所述逆变侧高端LCC换流站与逆变侧低端VSC换流站串联构成逆变站，所述逆变站用于将直流线路输出的直流逆变为交流电压Uac1、Uac2、Uac3、Uac4，并分别连接于四个不同的受端交流系统；
所述逆变侧高端LCC换流站承担直流线路输出的直流电压Udc_lcc，并逆变为交流电压Uac1；
所述逆变侧低端VSC换流站包括并联的VSC1逆变器、VSC2逆变器和VSC3逆变器，其中，所述VSC1逆变器、VSC2逆变器和VSC3逆变器均承担直流线路输出的直流电压Udc_VSC，分别逆变为交流电压Uac2、Uac3、Uac4；
所述逆变侧低端VSC换流站总功率与逆变侧高端LCC换流站相等；
所述VSC3逆变器接入的受端交流系统包括新能源交流系统；
所述逆变侧附加控制器与VSC3逆变器连接。
进一步的，所述整流侧LCC换流站采用定电流控制模式；
所述逆变侧高端LCC换流站采用定电压控制模式；
所述VSC1逆变器采用定直流电压控制模式；
所述VSC2逆变器采用含后备定直流电压控制的定功率控制模式；
所述VSC3逆变器采用定功率控制模式。
一种级联型混合直流输电控制方法，包括所述的级联型混合直流系统，还包括如下步骤：
预先设置整流侧LCC换流站为定电流控制、逆变侧高端LCC换流站为定电压控制；设置VSC1逆变器为定直流电压控制、VSC2逆变器为含后备定直流电压控制的定功率控制、VSC3逆变器为定功率控制，并使得低端VSC换流站总功率与高端LCC换流站相等；
在满足上述设置后，解锁整个直流系统，提升系统输送的直流功率达到预先指定水平；
在系统输送的直流功率达到预先指定水平后，获取含新能源交流系统的受端交流系统的频率差Δf；
对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
当VSC3逆变器解锁时，附加频率控制启动，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅控制，得到最终的附加有功控制信号Padd；
根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC3的外环功率控制参考值Psref，更新新的VSC3的外环功率控制参考值；
将新的VSC3的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
如图1所示，一种级联型混合直流系统，包括：
送端是2组12脉动LCC串联构成的整流站，用于将送端交流系统输出的500kV交流电压Uac整流为直流电压为Udc，整流站输出到直流线路的电流Idc；受端是1组12脉动LCC和3个VSC并联组串联构成的逆变站，用于分别将直流线路输出的直流逆变为交流电压Uac1、Uac2、Uac3、Uac4并分别连接于四个不同的受端交流系统，其中高端LCC承担直流电压为Udc_lcc，低端VSC的直流电压为Udc_VSC，流入低端VSC的电流为I_VSC，各个MMC站的电流分别为IVSC1、IVSC2、IVSC3。本系统中的VSC由3个半桥型换流阀并联构成。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VSC1换流器、VSC2换流器、VSC3换流器的额定电压与功率均为400kV与677MW。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。同时，海上风电系统通过线路连接到交流系统中。
一种提升大规模新能源接入系统频率稳定性的级联型混合直流输电控制方法，适用于受端级联型多落点混合直流输电系统，包括以下步骤：
步骤1、设置整流侧LCC换流站为定电流控制、逆变侧高端LCC换流站为定电压控制；设置VSC1逆变器为定直流电压控制、VSC2逆变器为含后备定直流电压控制的定功率控制、VSC3逆变器为定功率控制，并使得低端VSC换流站总功率与高端LCC换流站相等；
步骤2、在上述条件下解锁直流，并提升直流功率达到指定水平。
步骤3、选取受端交流系统的频率差Δf作为逆变侧附加控制器输入信号。
步骤4、将输入信号Δf通过所设计的附加频率控制器，频率附加控制器包括用以滤除高频噪声信号的一阶低通滤波器1/(1+sT)，用于获得最终控制信号Padd的比例积分控制器Kp1+Ki1/s，用于启动控制器的解锁环节DBlk，用于限制调节速度的速率限幅环节。其中相关环节中T为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子，Kp1和Ki1为频率附加控制器的增益参数与积分参数，DBlk为触发信号。
步骤5、将上一步通过频率控制器所得到的附加有功控制信号Padd作为VSC3外环有功控制环节的功率附加信号，以抑制所连接交流系统的频率波动。
以图1的白鹤滩级联型混合直流系统为例进行验证，其控制特性如图2所示，在VSC3外环定功率环节设计鲁棒阻尼控制器如图3所示。其中Δf为交流系统AC的频率差。1/(1+sT)为一阶低通滤波器用于滤除高频噪声信号，其中T为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。鲁棒控制框图为所设计出的鲁棒控制器。Padd为控制器输出信号，Psref为VSC3的外环功率控制参考值，Ps为VSC3的外环功率控制测量值。Kp和Ki为VSC3的外环功率控制增益参数与积分参数，idlim为VSC3的外环功率控制限幅值，idref为VSC3的外环有功电流输出信号。
验证方案一：设置图1中风电波动持续小范围波动，波动范围如图4所示，交流系统频率在有控制与无控制的对比效果如图5所示，逆变侧LCC直流、各VSC直流输出功率如图6所示。可以看出，在附加控制作用下，新能源引发的频率波动得到了较好的抑制，直流间相互协调，证明了所提控制策略的有效性。
验证方案二：设置图1中风电波动持续大范围波动，波动范围如图7所示，交流系统频率在有控制与无控制的对比效果如图8所示，逆变侧LCC直流、各VSC直流输出功率如图9所示。可以看出，在附加控制作用下，新能源引发的频率波动得到了较好的抑制，VSC1直流过载导致运行在定直流电压模式下后，VSC2切换为定直流电压模式，继续维持系统稳定，证明了所提控制策略的有效性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种逆变侧交流系统频率波动抑制方法，其特征在于，
获取新能源交流系统的频率差；
对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
当VSC逆变器解锁时，附加频率控制启动，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅控制，得到最终的附加有功控制信号Padd；
根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC的外环功率控制参考值Psref，得到新的VSC的外环功率控制参考值；
将新的VSC的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
2.一种逆变侧附加控制器，其特征在于，包括：
输入端，用于获取新能源交流系统的频率差；
滤波器，用于对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
比例积分控制器，用于对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
解锁环节模块，用于当VSC逆变器解锁时，附加频率控制解锁，启动附加频率控制；
速率限幅模块，用于在启动附加频率控制后，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅环节，以限制调节速度，得到最终的附加有功控制信号Padd；
抑制模块，用于根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC的外环功率控制参考值Psref，得到新的VSC的外环功率控制参考值；
输出模块，用于将新的VSC的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
3.根据权利要求2所述的逆变侧附加控制器，其特征在于，所述滤波器采用一阶低通滤波器。
4.一种级联型混合直流系统，其特征在于，包括整流侧LCC换流站、逆变侧高端LCC换流站、逆变侧低端VSC换流站和权利要求2所述的逆变侧附加控制器；
所述整流侧LCC换流站，用于将送端交流系统输出的交流电压Uac整流为直流电压Udc，并输出直流Idc到直流线路；
所述逆变侧高端LCC换流站与逆变侧低端VSC换流站串联构成逆变站，所述逆变站用于将直流线路输出的直流逆变为交流电压Uac1、Uac2、Uac3、Uac4，并分别连接于四个不同的受端交流系统；
所述逆变侧高端LCC换流站承担直流线路输出的直流电压Udc_lcc，并逆变为交流电压Uac1；
所述逆变侧低端VSC换流站包括并联的VSC1逆变器、VSC2逆变器和VSC3逆变器，其中，所述VSC1逆变器、VSC2逆变器和VSC3逆变器均承担直流线路输出的直流电压Udc_VSC，分别逆变为交流电压Uac2、Uac3、Uac4；
所述逆变侧低端VSC换流站总功率与逆变侧高端LCC换流站相等；
所述VSC3逆变器接入的受端交流系统包括新能源交流系统；
所述逆变侧附加控制器与VSC3逆变器连接。
5.根据权利要求4所述的级联型混合直流系统，其特征在于，
所述整流侧LCC换流站采用定电流控制模式；
所述逆变侧高端LCC换流站采用定电压控制模式；
所述VSC1逆变器采用定直流电压控制模式；
所述VSC2逆变器采用含后备定直流电压控制的定功率控制模式；
所述VSC3逆变器采用定功率控制模式。
6.一种级联型混合直流输电控制方法，其特征在于，包括权利要求4所述的级联型混合直流系统，还包括如下步骤：
预先设置整流侧LCC换流站为定电流控制、逆变侧高端LCC换流站为定电压控制；设置VSC1逆变器为定直流电压控制、VSC2逆变器为含后备定直流电压控制的定功率控制、VSC3逆变器为定功率控制，并使得低端VSC换流站总功率与高端LCC换流站相等；
在满足上述设置后，解锁整个直流系统，提升系统输送的直流功率达到预先指定水平；
在系统输送的直流功率达到预先指定水平后，获取含新能源交流系统的受端交流系统的频率差Δf；
对频率差进行高频噪声信号滤除，得到滤波后的信号；
对滤波后的信号进行比例积分控制，得到附加有功控制信号；
当VSC3逆变器解锁时，附加频率控制启动，对获得的附加有功控制信号进行速率限幅控制，得到最终的附加有功控制信号Padd；
根据最终的附加有功控制信号Padd和预先设置的VSC3的外环功率控制参考值Psref，更新新的VSC3的外环功率控制参考值；
将新的VSC3的外环功率控制参考值与外环功率控制测量值Ps比较后进行比例积分控制，再经过限幅环节，得到外环有功电流输出信号idref。
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