CN112787351B - 一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法，涉及电力系统控制技术领域，该方法首先综合考虑有功功率和无功功率两方面因素，评估各回直流系统对交直流混联电网的影响程度；其次计算各回直流系统换流站之间的无功电压灵敏度；最后基于上述计算结果确定低压限流环节协调控制方法的控制策略及相关参数，本发明考虑了多回直流系统之间的无功交互影响，能有效减小因无功交互而发生换相失败的风险，从而促进多回直流系统协调恢复。

Description

一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法。

背景技术

我国能源中心和负荷重心在地理上呈现逆向分布的特点，为有效解决能源的跨区域传输问题，基于电网换相换流器型的高压直流输电系统因其在大容量远距离传输上的优势得到了广泛的应用。多回直流密集接入同一交流电网，形成复杂得多多馈入系统，对电力系统的安全稳定运行形成了新的挑战。换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，单次换相失败将及连续换相失败对直流线路功率传输、无功电压稳定、暂态稳定等方面造成了不利影响。而多馈入直流系统由于各直流系统间存在复杂的无功相互影响，本回直流恢复过程中的暂态特性会影响其他直流系统的恢复甚至引起额外的换相失败。因此有必要对多回直流系统的低压限流环节进行协调控制，从而减小无功交互引起的直流换相失败风险，促进多回直流协调恢复。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：本发明所采用的技术方案如下：一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法，包括如下步骤：

计算各回直流系统对交直流混联电网的影响程度；

计算各回直流系统换流站之间的无功电压灵敏度；

确定协调控制方法的相关控制策略及参数。

进一步的，计算各回直流系统对交直流混联电网的影响程度，具体包括如下步骤：

1)评估有功功率冲击

直流系统换相失败所造成的有功功率影响与其功率跌幅和持续时间密切相关，故本发明以式(1)来表征直流系统一次换相失败造成的功率冲击大小：

式中：t₀、t₁分别表示换相失败时刻和直流功率恢复至稳态时刻，P_d0、P_d分别表示直流初始功率和实时功率。

另一方面，直流的有功功率影响不仅与功率冲击大小有关，受端交流电网应对潮流转移及电压波动的能力越弱，则受功率冲击影响越严重。发电机作为最广泛有效的有功和无功源，系统整体的开机容量越大，则消纳不平衡能量、减小跨区域功率输送的能力越强。而直流系统换流母线的短路容量在一定程度上反映了系统的开机容量，且亦在一定程度上体现了换相失败的风险水平。因此本文以式(2)评估某回直流系统对受端电网的有功功率冲击影响，其值越大则影响程度越大。

式中：S_i和ΔE_i分别表示第i回直流系统换流母线的短路容量及一次换相失败的功率冲击大小，n为直流工程总回数。

2)评估无功交互影响

直流系统稳态运行时消耗的无功功率越大，则换相失败恢复过程中从交流电网吸收的动态无功越大。因此可以直流系统稳态运行时消耗的无功功率近似衡量其受扰后的无功需求，各回直流系统无功需求占比如式(3)所示：

式中：P_i、Q_i、β_i、γ_i分别表示第i回直流系统稳态运行时的有功功率、无功功率、触发超前角和熄弧角，n为直流工程回数，显然地，η_i越大，直流系统对电网的无功影响程度越大。

为考虑多回直流系统间的无功交互影响，有必要评估各回直流系统之间的耦合程度，其中交流电网内两节点间电气距离如式(4)所示：

Z_l→k＝Z_l1+Z_kk-2Z_lk (4)

式中：Z_1k表示阻抗矩阵中节点l、k的互阻抗，Z₁₁和Z_kk分别表示节点1、k的自阻抗。

进一步地，计算直流工程近区三级断面内所有节点与其他直流换流母线的电气耦合度，如式(5)所示。其值越大，表明本回直流系统对其他直流系统的无功影响程度越大。

式中：m、n分别表示近区节点数和直流工程回数。

值得注意的是，即使某回直流系统无功需求及电气耦合度较大，若其电压支撑能力较强、换相失败风险较小，则综合而言其对整体无功交互特性的影响也是较小的。多馈入有效短路比(multi-infeed effective short circuit ratio，MIESCR)在一定程度上反映了电压支撑能力，其可近似由式(6)计算：

式中：P_dNi、P_dNj分别为第i、j回直流系统的额定功率，S_aci为第i回直流系统换流母线的短路容量，Q_ci为第i回直流系统对应换流站的无功补偿容量，Z_ij表示阻抗矩阵中第i、j回直流系统换流母线节点间的互阻抗，Z_ii表示第i回直流系统换流母线节点的自阻抗。

因此可以式(7)来衡量某回直流系统对多馈入直流系统的无功影响程度。

其值越大则本回直流对其他直流系统的无功交互影响越大。

3)计算最终的影响程度

基于上述分析，本发明综合有功功率和无功交互两方面因素定义了直流系统的影响因子，从而衡量本回直流系统对多馈入直流系统稳定性的影响程度，如式(8)所示：

影响因子表征了直流系统在功率冲击和无功交互2个方面影响程度的比较，其值越大则表明直流系统对交直流混联电网的影响主要是有功功率冲击，反之则由于无功交互而对其他直流系统的恢复有较大影响。

进一步的，计算各回直流系统换流站之间的无功电压灵敏度，具体方法如下：

交流系统的稳态潮流方程为：

式中：ΔP和ΔQ为有功功率和无功功率的修正向量，Δθ和ΔV为电压相角和幅值的修正向量，J_Pδ,J_PV,J_Qδ,J_QV分别为雅可比矩阵的子矩阵。

有功功率的变化主要受电压相位的影响，无功功率的变化则主要受电压幅值的影响，故采用快速解耦法描述的潮流方程为：

对于有n个节点，其中m个PQ节点的系统，潮流方程子矩阵有：

式中B_ij为节点导纳矩阵的虚部。

当直流系统向交流系统注入功率时，需要对雅可比矩阵进行修正。由于直流系统输送的功率与交流系统的相角无关，故交直流混联系统的潮流方程进一步修正为：

换流站的功率只受换流母线电压幅值的影响，故只需要修正矩阵的对角元素。对于直流系统的换流母线i，矩阵相应元素修正如下：

式中，Q_i表示直流系统馈入交流系统的无功功率，V_i表示换流母线电压幅值。

直流系统的理想空载直流电压与换相电压的关系如式(14)所示：

式中，B表示换相桥数，T表示逆变侧变压器变比，V表示换相电压。

直流系统的电压和电流为：

故直流传输功率为：

可得直流系统馈入交流系统的无功功率和换相电压的关系：

故确定交直流混联系统潮流方程中的矩阵元素修正值为：

其逆矩阵即为节点的无功电压灵敏度矩阵。

进一步的，确定协调控制方法的控制策略及相关参数，具体方法如下：

将其他各回直流系统原有低压限流环节的输入电压信号经相应的延时和增益后，求和得到等值输入电压信号，然后与本回直流的原有输入电压信号加权求和后作为附加的低压限流环节输入，其输出与原输出取小后作为最终传递至整流侧的电流指令。显然地，所提控制方法的控制效果与其他各回直流系统输入电压信号的增益系数、本回直流系统的权重系数密切相关。

将影响因子最大的直流权重系数设置为0.9，影响因子最小的直流权重系数设置为0.5。从小到大排序在第x位的直流系统其协调控制策略中的权重系数，如式(19)所示：

第i回直流系统改进后的控制策略中，第j回直流系统电压输入信号的增益系数计算如下：

其中L′表示L的逆矩阵，即为节点的无功电压灵敏度矩阵。

本发明技术效果：本发明提出了一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法。与现有方法相比，考虑了多回直流系统之间的无功交互影响，能有效减小因无功交互而发生换相失败的风险，从而促进多回直流系统协调恢复。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的流程图；

图2为三馈入直流系统示意图；

图3为改进策略前后电气量仿真曲线对比图。

具体实施方式

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作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。

一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法，包括如下步骤：

计算各回直流系统对交直流混联电网的影响程度；

计算各回直流系统换流站之间的无功电压灵敏度；

确定协调控制方法的控制策略及相关参数。

进一步地，计算各回直流系统对交直流混联电网的影响程度主要包括以下步骤：

1)评估有功功率冲击

直流系统换相失败所造成的有功功率影响与其功率跌幅和持续时间密切相关，故本发明以式(1)来表征直流系统一次换相失败造成的功率冲击大小：

式中：t₀、t₁分别表示换相失败时刻和直流功率恢复至稳态时刻，P_d0、P_d分别表示直流初始功率和实时功率。

另一方面，直流的有功功率影响不仅与功率冲击大小有关，受端交流电网应对潮流转移及电压波动的能力越弱，则受功率冲击影响越严重。发电机作为最广泛有效的有功和无功源，系统整体的开机容量越大，则消纳不平衡能量、减小跨区域功率输送的能力越强。而直流系统换流母线的短路容量在一定程度上反映了系统的开机容量，且亦在一定程度上体现了换相失败的风险水平。因此本文以式(2)评估某回直流系统对受端电网的有功功率冲击影响，其值越大则影响程度越大。

式中：S_i和ΔE_i分别表示第i回直流系统换流母线的短路容量及一次换相失败的功率冲击大小，n为直流工程总回数。

2)评估无功交互影响

直流系统稳态运行时消耗的无功功率越大，则换相失败恢复过程中从交流电网吸收的动态无功越大。因此可以直流系统稳态运行时消耗的无功功率近似衡量其受扰后的无功需求，各回直流系统无功需求占比如式(3)所示：

式中：P_i、Q_i、β_i、γ_i分别表示第i回直流系统稳态运行时的有功功率、无功功率、触发超前角和熄弧角，n为直流工程回数，显然地，η_i越大，直流系统对电网的无功影响程度越大。

为考虑多回直流系统间的无功交互影响，有必要评估各回直流系统之间的耦合程度，其中交流电网内两节点间电气距离如式(4)所示：

Z_l→k＝Z_l1+Z_kk-2Z_lk (4)

式中：Z_1k表示阻抗矩阵中节点l、k的互阻抗，Z₁₁和Z_kk分别表示节点1、k的自阻抗。

进一步地，计算直流工程近区三级断面内所有节点与其他直流换流母线的电气耦合度，如式(5)所示。其值越大，表明本回直流系统对其他直流系统的无功影响程度越大。

式中：m、n分别表示近区节点数和直流工程回数。

值得注意的是，即使某回直流系统无功需求及电气耦合度较大，若其电压支撑能力较强、换相失败风险较小，则综合而言其对整体无功交互特性的影响也是较小的。多馈入有效短路比在一定程度上反映了电压支撑能力，其可近似由式(6)计算：

式中：P_dNi、P_dNj分别为第i、j回直流系统的额定功率，S_aci为第i回直流系统换流母线的短路容量，Q_ci为第i回直流系统对应换流站的无功补偿容量，Z_ij表示阻抗矩阵中第i、j回直流系统换流母线节点间的互阻抗，Z_ii表示第i回直流系统换流母线节点的自阻抗。

因此可以式(7)来衡量某回直流系统对多馈入直流系统的无功影响程度。

其值越大则本回直流对其他直流系统的无功交互影响越大。

3)计算最终的影响程度

基于上述分析，本发明综合有功功率和无功交互两方面因素定义了直流系统的影响因子，从而衡量本回直流系统对多馈入直流系统稳定性的影响程度，如式(8)所示：

影响因子表征了直流系统在功率冲击和无功交互2个方面影响程度的比较，其值越大则表明直流系统对交直流混联电网的影响主要是有功功率冲击，反之则由于无功交互而对其他直流系统的恢复有较大影响。

进一步的，计算各回直流系统换流站之间的无功电压灵敏度，具体方法如下：

交流系统的稳态潮流方程为：

式中：ΔP和ΔQ为有功功率和无功功率的修正向量，Δθ和ΔV为电压相角和幅值的修正向量，J_Pδ,J_PV,J_Qδ,J_QV分别为雅可比矩阵的子矩阵。

有功功率的变化主要受电压相位的影响，无功功率的变化则主要受电压幅值的影响，故采用快速解耦法描述的潮流方程为：

对于有n个节点，其中m个PQ节点的系统，潮流方程子矩阵有：

式中B_ij为节点导纳矩阵的虚部。

当直流系统向交流系统注入功率时，需要对雅可比矩阵进行修正。由于直流系统输送的功率与交流系统的相角无关，故交直流混联系统的潮流方程进一步修正为：

换流站的功率只受换流母线电压幅值的影响，故只需要修正矩阵的对角元素。对于直流系统的换流母线i，矩阵相应元素修正如下：

式中，Q_i表示直流系统馈入交流系统的无功功率，V_i表示换流母线电压幅值。

直流系统的理想空载直流电压与换相电压的关系如式(14)所示：

式中，B表示换相桥数，T表示逆变侧变压器变比，V表示换相电压。

直流系统的电压和电流为：

故直流传输功率为：

可得直流系统馈入交流系统的无功功率和换相电压的关系：

故确定交直流混联系统潮流方程中的矩阵元素修正值为：

其逆矩阵即为节点的无功电压灵敏度矩阵。

进一步的，确定协调控制方法的控制策略及相关参数，具体方法如下：

将其他各回直流系统原有低压限流环节的输入电压信号经相应的延时和增益后，求和得到等值输入电压信号，然后与本回直流的原有输入电压信号加权求和后作为附加的低压限流环节输入，其输出与原输出取小后作为最终传递至整流侧的电流指令。显然地，所提控制方法的控制效果与其他各回直流系统输入电压信号的增益系数、本回直流系统的权重系数密切相关。

将影响因子最大的直流权重系数设置为0.9，影响因子最小的直流权重系数设置为0.5。从小到大排序在第x位的直流系统其协调控制策略中的权重系数，如式(19)所示：

第i回直流系统改进后的控制策略中，第j回直流系统电压输入信号的增益系数计算如下：

其中L′表示L的逆矩阵，即为节点的无功电压灵敏度矩阵。

具体的，基于CIGRE标准模型在PSCAD中搭建了如图2所示的三馈入直流系统，其中各回直流传输功率均为1000MW。

设定三回直流系统的换流母线均为PQ节点，受端交流系统AC_1和AC_2的等值发电机母线节点为PV节点，交流系统AC_3的等值发电机母线节点为平衡节点，分别编号为1-6。

根据本发明方法可得潮流方程中的矩阵元素：

根据直流系统各电气量的初始运行参数可进一步求得交直流混联系统潮流方程中修正后的矩阵元素为：

依据本发明方法可进一步计算得到各回直流系统低压限流环节协调控制策略中的相关系数，如下表所示：

表1三馈入测试系统阻抗参数表

直流系统HVDC_3的逆变侧换流母线于1.0s发生三相短路，接地电感0.2H，故障持续时间0.05s。采用不同控制策略的多馈入直流系统各电气量响应曲线如图3所示。原控制策略作用下的直流系统均遭受了连续换相失败。由于HVDC_2对多馈入直流系统的无功交互影响较大，尤其与直流HVDC_3耦合程度较高，故表1中HVDC_2的控制策略中权重系数设置为0.5，其中HVDC_3的增益系数达到0.864，即HVDC_2与HVDC_3之间的无功交互是影响该多馈入直流系统协调恢复的主要因素。由图3中的(a)和(b)可知，本文所提策略有效地抑制了多馈入直流系统的相继换相失败，其内在原因分析如下。对于HVDC_2，由于相邻的故障回直流系统HVDC_3的电压恢复相对滞后，故减小了VDCOL的输入电压信号，所输出的更小电流指令进一步限制了恢复过程中的直流电流，如图3中的(c)所示。对于HVDC_3，虽然其他回直流的电压信号增大了其VDCOL的输入电压，但与原VDCOL输出的取小环节确保了协调控制策略不会增大最终的电流指令。而HVDC_2无功消耗的减小以及换相失败的抑制，改善了交直流系统的无功交互特性，有效提升了交流系统对HVDC_3换流母线电压的支撑能力，如图3中的(d)所示。

对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多回直流系统低压限流环节的协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

计算各回直流系统对交直流混联电网的影响程度；

计算各回直流系统换流站之间的无功电压灵敏度；

确定协调控制方法的控制策略及相关参数；

所述计算各回直流系统对交直流混联电网的影响程度包括以下步骤：

1)评估有功功率冲击

直流系统换相失败所造成的有功功率影响与其功率跌幅和持续时间密切相关，故以式(1)来表征直流系统一次换相失败造成的功率冲击大小：

式中：t₀、t₁分别表示换相失败时刻和直流功率恢复至稳态时刻，P_d0、P_d分别表示直流初始功率和实时功率；

式(2)评估某回直流系统对受端电网的有功功率冲击影响，其值越大则影响程度越大，

式中：S_i和ΔE_i分别表示第i回直流系统换流母线的短路容量及一次换相失败的功率冲击大小，n为直流工程总回数；

2)评估无功交互影响

直流系统稳态运行时消耗的无功功率越大，则换相失败恢复过程中从交流电网吸收的动态无功越大，因此以直流系统稳态运行时消耗的无功功率衡量其受扰后的无功需求，各回直流系统无功需求占比如式(3)所示：

式中：P_i、Q_i、β_i、γ_i分别表示第i回直流系统稳态运行时的有功功率、无功功率、触发超前角和熄弧角，n为直流工程回数，显然地，η_i越大，直流系统对电网的无功影响程度越大；

为考虑多回直流系统间的无功交互影响，评估各回直流系统之间的耦合程度，其中交流电网内两节点间电气距离如式(4)所示：

Z_1→k＝Z₁₁+Z_kk-2Z_1k (4)

式中：Z_1k表示阻抗矩阵中节点1、k的互阻抗，Z₁₁和Z_kk分别表示节点1、k的自阻抗；

进一步计算直流工程近区三级断面内所有节点与其他直流换流母线的电气耦合度，如式(5)所示

式中：m、n分别表示近区节点数和直流工程回数；

多馈入有效短路比在一定程度上反映了电压支撑能力，其可近似由式(6)计算：

式中：P_dNi、P_dNj分别为第i、j回直流系统的额定功率，S_aci为第i回直流系统换流母线的短路容量，Q_ci为第i回直流系统对应换流站的无功补偿容量，Z_ij表示阻抗矩阵中第i、j回直流系统换流母线节点间的互阻抗，Z_ii表示第i回直流系统换流母线节点的自阻抗；

以式(7)来衡量某回直流系统对多馈入直流系统的无功影响程度，

3)计算最终的影响程度

基于上述步骤1)和2)，综合有功功率和无功交互两方面因素定义了直流系统的影响因子，从而衡量本回直流系统对多馈入直流系统稳定性的影响程度，如式(8)所示：

所述计算各回直流系统换流站之间的无功电压灵敏度，其具体方法如下：

交流系统的稳态潮流方程为：

式中：ΔP和ΔQ为有功功率和无功功率的修正向量，Δθ和ΔV为电压相角和幅值的修正向量，J_Pδ,J_PV,J_Qδ,J_QV分别为雅可比矩阵的子矩阵，

采用快速解耦法描述的潮流方程为：

对于有n个节点，其中m个PQ节点的系统，潮流方程子矩阵有：

式中B_ij为节点导纳矩阵的虚部；

当直流系统向交流系统注入功率时，需要对雅可比矩阵进行修正，由于直流系统输送的功率与交流系统的相角无关，故交直流混联系统的潮流方程进一步修正为：

对于直流系统的换流母线i，矩阵相应元素修正如下：

式中，Q_i表示直流系统馈入交流系统的无功功率，V_i表示换流母线电压幅值，

直流系统的理想空载直流电压与换相电压的关系如式(14)所示：

式中，B表示换相桥数，T表示逆变侧变压器变比，V表示换相电压，

直流系统的电压和电流为：

故直流传输功率为：

可得直流系统馈入交流系统的无功功率和换相电压的关系：

故确定交直流混联系统潮流方程中的矩阵元素修正值为：

其逆矩阵即为节点的无功电压灵敏度矩阵；

所述确定协调控制方法的控制策略及相关参数的具体方法如下：

将其他各回直流系统原有低压限流环节的输入电压信号延时和增益，并求和得到等值输入电压信号，将所述等值输入电压信号与回直流的原有输入电压信号加权求和后作为附加的低压限流环节输入，输出与原输出取小后作为最终传递至整流侧的电流指令，影响因子最大的直流权重系数设置为0.9，影响因子最小的直流权重系数设置为0.5，从小到大排序在第x位的直流系统其协调控制策略中的权重系数，如式(19)所示：

第i回直流系统改进后的控制策略中，第j回直流系统电压输入信号的增益系数计算如下：

其中L′表示L的逆矩阵，即为节点的无功电压灵敏度矩阵。

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