CN113452060B - Vsc-lcc级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法和系统 - Google Patents

Vsc-lcc级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开VSC‑LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法和系统，属于高压直流输电领域。包括：根据受端换流器运行方式，确定受端直流电压；通过送端LCC直流电流参考给定值，计算对应送端直流电压和送端LCC功率因数角，得到LCC有功功率；将送端LCC和所有VSC均视为等效负荷处理，结合交流滤波器与无功补偿的等值导纳、送端交流系统等值阻抗、LCC有功功率，根据KCL构建等值负荷处理下交流节点PCC电压方程；求解电压方程，满足条件：①存在稳定解；②送端VSC1交流侧基波电流有效值和送端LCC触发角满足安全约束条件，将(送端风电场传输功率，送端VSC1传输功率)作为运行点。本发明得到VSC1能平抑风电场功率波动的工作范围，避免直流电压波动，维持直流系统能量平衡。

Description

VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法和 系统
技术领域
本发明属于高压直流输电技术领域，更具体地，涉及VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法和系统。
背景技术
高压直流输电系统逐渐得到重视和发展，被广泛应用于远距离输电、孤岛输电和异步电网间的互联等场景。高压直流输电系统中换流器种类分为两种类型：基于晶闸管技术的换流器(Line Commutated Converter，LCC)和基于全控型器件IGBT技术的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)。传统的直流输电系统基本采用LCC换流器，虽然其传输容量大、成本低廉、技术成熟，但其也具有以下主要的缺陷：(1)逆变站易换相失败，LCC换流器的开关器件为半控型器件，换相方式为电网换相。当电网电压发生波动和短路故障将会使逆变站的LCC换流器发生换相失败，严重影响电力系统安全稳定运行。(2)不能连接在弱交流系统，传统高压直流输电系统(LCC-HVDC)无法与弱交流系统稳定传输能量。(3)滤波器占地面积大，无功功率消耗大，需要配备大容量滤波器。综上所述，传统高压直流输电系统(LCC-HVDC)的劣势一定程度上限制了它的大规模运用。
随着现代电力电子技术的快速发展，基于电压源换流器(Voltage SourceConverter,VSC)技术发展逐渐成熟。相比于传统LCC换流器，VSC换流器具备的优势有：(1)模块化程度高，可拓展性好和运行维护的难度低；(2)运行灵活，MMC具备独立调控无功功率和有功功率的能力；(3)输出波形畸变率低，无需配备大容量滤波器。但VSC换流器开关损耗较大、造价高的缺点。
混合直流输电系统兼具两者优点，其不仅具有LCC-HVDC传输容量大，而且兼具VSC控制灵活的优点等特点。混合直流输电技术结合了传统直流输电技术和柔性直流输电技术的优势，克服了二者的缺陷。级联混合直流输电拓扑结合了LCC损耗小、运行技术成熟以及VSC可以向无源网络供电、降低LCC发生换相失败概率的优点。由于级联混合直流系统中VSC换流器和LCC换流器相互级联，相互耦合。
由于连接孤岛风场的柔直换流器VSC2均工作在频率-电压下垂运行模式，换流器输入的功率取决于海上风电场所发出的功率，风电功率波动将会造成直流电压波动，需要采用换流器VSC1的电压控制来维持直流系统的能量平衡。换流器VSC2连接风电无源系统具有功率突变特点，VSC1能否始终维持送端直流电压稳定性至关重要。因此，计算出不同工况下的级联混合直流系统中VSC1稳定运行区间，将会大大提高系统稳定运行的可靠性。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法和系统，其目的在于在送端换流站接入无源风机系统的有功功率输出大规模波动情况下，得到换流器VSC1维持混合直流系统电压稳定的运行区间，提高系统稳定可靠运行具有重要的意义。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法，所述VSC-LCC级联型混合直流系统中送端采用LCC和VSC级联，送端多个VSC直流侧并联连接，送端至少一个VSC1采用定直流电压控制，交流侧连接交流电网，至少一个VSC2采用电压-频率下垂控制，交流侧连接风电场，送端LCC采用定直流电流控制，该方法包括：
S1.确定送端风电场的传输功率区间，将传输功率区间的每个有功功率输入送端VSC2作为一种工况；
S2.对于每种工况，进行以下处理：
(1)根据受端换流器的运行方式，确定受端直流电压；
(2)通过送端LCC直流电流参考给定值，计算对应送端直流电压和送端LCC的功率因数角，得到LCC的有功功率；
(3)将送端LCC和所有VSC均视为等效负荷处理，结合交流滤波器与无功补偿的等值导纳、送端交流系统等值阻抗、LCC的有功功率，根据KCL构建等值负荷处理下的交流节点PCC电压方程；
(4)求解上述电压方程，当同时满足以下条件时：①交流节点PCC电压存在稳定解；②送端VSC1交流侧基波电流有效值和送端LCC触发角满足安全约束条件，将(送端风电场的传输功率，送端VSC1传输功率)作为稳定运行点；
S3.所有稳定运行点构成送端VSC1的稳定运行区间。
优选地，送端LCC的有功功率和无功功率计算公式如下：
Figure BDA0003107254320000031
其中，UdR、UdI分别表示送端、受端直流电压，Rd表示直流电阻，Id表示送端LCC直流电流参考给定值，正方向为整流侧向逆变侧，
Figure BDA0003107254320000032
表示送端LCC功率因数角，Ud0表示送端LCC空载直流侧电压，U1表示送端LCC所连接交流母线线电压有效值。
有益效果：本发明通过受端的直流电压、直流电流、送端换流器LCC的相关参数，从而求解出LCC的传输功率。
优选地，根据KCL构建等值负荷处理下的交流节点PCC电压方程：
Figure BDA0003107254320000041
Figure BDA0003107254320000042
其中，A1、M1、C1、A2、M2、C2、B、ρ均为中间变量，没有物理意义，Rsys、Xsys分别表示电力系统等值电阻和电抗，YR、BR分别表示交流滤波器与无功补偿等值导纳的实部和虚部，PLCC表示送端LCC的等值有功功率，PVSC、QVSC分别表示送端所有VSC的等值有功功率和无功功率，Usys表示电力系统等值电压，kd0表示送端LCC交流侧空载电压与PCC电压的比值，Ud表示送端VSC直流侧电压，x表示PCC电压UPCC的实部，y表示PCC电压UPCC的虚部。
有益效果：本发明通过将PCC电压实部和虚部分解，得到一组非线性二元二次方程，从而实现简化PCC的求解难度。
优选地，求解上述电压方程采用牛顿拉夫逊迭代，具体如下：
Figure BDA0003107254320000043
其中，xk、yk分别表示迭代k次的电压UPCC的实部和虚部值。
有益效果：由于上述方程为非线性二元二次方程，直接求解相对困难，本发明通过采用牛顿拉夫逊迭代，把非线性方程求解过程变成反复地对相应的线性方程进行迭代求解，从而得到该方程的解。
优选地，存在稳定解的判据为：
Figure BDA0003107254320000051
其中，ρmin表示相邻两次迭代UPCC幅值差最小值，(xk,yk)、(xk+1,yk+1)分别表示第k、k+1次迭代的方程解，Δρ表示相邻两次求解PCC电压的幅值差。
有益效果：本发明通过两次迭代求解的UPCC幅值的差是否满足迭代退出迭代条件，从而判断该方程是否有稳定解。
优选地，送端VSC1的运行范围约束：
Figure BDA0003107254320000052
其中，m表示送端VSC1调制比，Imax表示送端VSC1交流侧基波电流最大值；PVSC1、QVSC1分别表示送端VSC1的等值有功功率和无功功率，U1表示送端VSC1所连接交流母线线电压有效值。
有益效果：本发明通过判断该工况下是否满足送端VSC1器件本身的运行范围，从而判断该送端VSC1的运行点是否能维持系统电压的稳定工作。
优选地，送端LCC的触发角满足以下约束：
αRmin≤αR≤αRmax
其中，αRmin、αRmax分别表示送端LCC触发角最大值、最小值，αR表示送端LCC的触发角。
有益效果：本发明通过判断该工况下是否满足送端、受端LCC换流器器件本身的运行范围，从而判断该送端VSC1的运行点是否能维持系统电压的稳定工作。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明通过级联混合直流送端等值分析，求解不同工况下的交流系统节点电压方程，以此计算出送端定直流电压的换流器VSC1的传输功率，从而得到换流器VSC1能够平抑风电场功率波动的工作范围，进一步避免直流电压波动，维持直流系统的能量平衡。
附图说明
图1为本发明提供的一种VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法流程图；
图2为本发明提供的级联型混合直流系统模型示意图；
图3为本发明提供的级联混合直流送端等值负荷分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的发明构思如下：由于风电场功率随机突变特性，混合直流系统具备一定灵活的调节能力和维持系统稳定运行区间。分析相关变换器的运行区间和功率特性，先求解出送端直流电压及送端LCC功率因数，通过牛顿-拉夫逊迭代公式计算交流节点的KCL方程组，判断牛顿迭代是否有稳定解。倘若送端直流电压有解，同时换流器VSC的交流侧基波电流有效值和送端LCC的触发角满足约束条件，则说明该运行点为所求混合直流系统中送端稳态运行区间的运行点。每一个输入送端VSC换流器的海上风电场有功功率都重复上述过程，输出所有满足条件的运行点所组成的运行区间，即得到送端定直流电压VSC1和整个直流系统的运行区间。
如图1所示，本发明提供了一种VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法，该分析方法包括：
步骤一：确定送端风电场的传输功率区间，将传输功率区间的每个有功功率Pwind输入送端VSC换流器作为一种工况；对于每种工况，进行下述操作。
步骤二：确定受端直流电压。
级联型混合直流系统如图2所示，所述VSC-LCC级联型混合直流系统中送端采用LCC和VSC级联，送端多个VSC直流侧并联连接，送端至少一个VSC1采用定直流电压控制，交流侧连接交流电网，至少一个VSC2采用电压-频率下垂控制，交流侧连接风电场，送端LCC采用定直流电流控制，受端的换流器的类型不限，LCC、VSC、CCC、PHC等换流器任意组成。
首先需要判断受端级联混合直流换流器LCC的运行方式，VSC换流器和LCC换流器分别采用定直流电压和定熄弧角控制时，需要确定直流电流Id的参考给定值，结合相关约束条件和控制关系，方可求解出受端直流电压；对于两种换流器均采用定直流电压的工作模式，受端直流电压为定值，但其前提是受端VSC换流器交流电压幅值和换流器LCC触发角满足约束条件，否则换流器的运行。本发明假定受端交流系统为理想无穷大电网，其换流器的运行方式始终维持不变。
步骤三：级联混合直流送端直流电压等式求解。
结合交流滤波器与无功补偿的等值导纳、送端交流系统等值阻抗、LCC的有功功率，通过相关计算公式求解送端直流电压和送端变换器LCC的功率。详细求解过程如下：
①首先需要将系统模型等值简化，如图3所示。考虑正常运行的稳态状况下，送端LCC和VSC的有功功率流向均为送出，将LCC和VSC均作为等效负荷处理，并考虑其运行特性和约束。
②图3将连接送端有源交流系统的LCC与VSC均作为等值负荷处理，系统侧等值阻抗为Rsys+jXsys，连接的无功补偿及滤波器等值导纳为YR+jBR。上述LCC与VSC的外特性及约束分别作为负荷特性模型和约束进行处理，将运行区间的求解问题转换为等值负荷处理下的交流系统公共连接点(Point ofCommon Coupling,PCC)电压求解问题。
③根据KCL，得到PCC点电流关系满足：
Figure BDA0003107254320000081
其中，LCC的无功功率表达式为：
Figure BDA0003107254320000082
其中，UdR、UdI分别为送端、受端直流电压，Rd为直流电阻，Id为直流电流，正方向为整流侧向逆变侧，
Figure BDA0003107254320000083
为送端LCC功率因数角，α为送端LCC触发角，XT为交流侧变压器等效阻抗，U1为所连接交流母线线电压有效值，Ud0为空载直流侧电压。
直流电压Ud0的表达式为：
Figure BDA0003107254320000091
其中，kT为LCC换流变压器一二次侧变比，N为换流阀个数。
④化简：假设系统等值戴维南内电势相角为0，设PCC电压的实部为x，虚部为y，上述公式化简得到：
Figure BDA0003107254320000092
上述公式中各项系数分别为：
Figure BDA0003107254320000093
由于上述方程为非线性二元二次方程，本发明拟采用牛顿拉夫逊迭代求解，其迭代形式如下：
Figure BDA0003107254320000094
⑤收敛条件：
Figure BDA0003107254320000095
在公共节点电压采用实际值时，ρmin的典型值可取为10。
令初值为x＝1，y＝0，进行迭代求解，当满足以上收敛条件时迭代停止。
步骤四：判断收敛点是否满足稳定运行点的约束条件：
①考虑柔直换流器的运行范围约束：
Figure BDA0003107254320000101
其中，m为调制比，Imax为MMC网侧基波电流最大值。
②送受端LCC的触发角受到以下约束：
αRmin≤αR≤αRmax
其中，αRmin和αRmax分别为送端触发角最大值和最小值。
倘若该牛顿迭代方程组有解，且满足以上两个约束条件：直流系统的柔直换流器的运行范围和送端LCC的触发角范围，则说明该运动点为所求混合直流系统中送端VSC1稳态工作的运行点，将(送端风电场的传输功率，送端VSC1传输功率)作为稳定运行点，将该运行点储存起来并返回步骤二。若不满足条件则直接返回步骤二。
步骤五：将(送端风电场的传输功率，送端VSC1传输功率)作为稳定运行点，所有稳定运行点构成送端VSC1的稳定运行区间。
本发明的级联型混合直流风电送端接入的运行区间分析方法可以得到混合直流系统换流器LCC在定直流电流参考下，送端VSC1换流器采用定直流电压稳运行范围。根据当前时刻连接风电场的柔直换流器功率输入区间范围，从而得到系统的稳态运行点、与运行极限与稳态运行区间。该分析方法考虑到风电系统运行区间的突变特点，进而为级联型混合直流换流器接入风电系统稳定运行区间范围提供了技术标准，对研究送端换流站接入风电稳定运行具有重要的意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法，其特征在于，所述VSC-LCC级联型混合直流系统中送端采用LCC和VSC级联，送端多个VSC直流侧并联连接，送端至少一个VSC1采用定直流电压控制，交流侧连接交流电网，至少一个VSC2采用电压-频率下垂控制，交流侧连接风电场，送端LCC采用定直流电流控制，该方法包括：
S1.确定送端风电场的传输功率区间，将传输功率区间的每个有功功率输入送端VSC2作为一种工况；
S2.对于每种工况，进行以下处理：
(1)根据受端换流器的运行方式，确定受端直流电压；
(2)通过送端LCC直流电流参考给定值，计算对应送端直流电压和送端LCC的功率因数角，得到LCC的有功功率；
(3)将送端LCC和所有VSC均视为等效负荷处理，结合交流滤波器与无功补偿的等值导纳、送端交流系统等值阻抗、LCC的有功功率，根据KCL构建等值负荷处理下的交流节点PCC电压方程；
(4)求解上述电压方程，当同时满足以下条件时：①交流节点PCC电压存在稳定解；②送端VSC1交流侧基波电流有效值和送端LCC触发角满足安全约束条件，将送端风电场的传输功率及送端VSC1传输功率作为稳定运行点；
S3.所有稳定运行点构成送端VSC1的稳定运行区间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，送端LCC的有功功率和无功功率计算公式如下：
Figure FDA0003703774190000021
其中，UdR、UdI分别表示送端、受端直流电压，Rd表示直流电阻，Id表示送端LCC直流电流参考给定值，正方向为整流侧向逆变侧，
Figure FDA0003703774190000022
表示送端LCC功率因数角，Ud0表示送端LCC空载直流侧电压，U1表示送端LCC所连接交流母线线电压有效值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据KCL构建等值负荷处理下的交流节点PCC电压方程：
Figure FDA0003703774190000023
Figure FDA0003703774190000024
其中，A1、M1、C1、A2、M2、C2、B、ρ均为中间变量，没有物理意义，Rsys、Xsys分别表示电力系统等值电阻和电抗，YR、BR分别表示交流滤波器与无功补偿等值导纳的实部和虚部，PLCC表示送端LCC的等值有功功率，PVSC、QVSC分别表示送端所有VSC的等值有功功率和无功功率，Usys表示电力系统等值电压，kd0表示送端LCC交流侧空载电压与PCC电压的比值，Ud表示送端VSC直流侧电压，x表示PCC电压UPCC的实部，y表示PCC电压UPCC的虚部。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，求解上述电压方程采用牛顿拉夫逊迭代，具体如下：
Figure FDA0003703774190000031
其中，xk、yk分别表示迭代k次的电压UPCC的实部和虚部值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，交流节点PCC电压存在稳定解的判据为：
Figure FDA0003703774190000032
其中，ρmin表示相邻两次迭代UPCC幅值差最小值，(xk,yk)、(xk+1,yk+1)分别表示第k、k+1次迭代的方程解，Δρ表示相邻两次求解PCC电压的幅值差。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，送端VSC1的运行范围约束：
Figure FDA0003703774190000033
其中，m表示送端VSC1调制比，Imax表示送端VSC1交流侧基波电流最大值；PVSC1、QVSC1分别表示送端VSC1的等值有功功率和无功功率，U1表示送端VSC1所连接交流母线线电压有效值。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，送端LCC的触发角满足以下约束：
αRmin≤αR≤αRmax
其中，αRmin、αRmax分别表示送端LCC延迟触发角最大值、最小值，αR表示送端LCC的延迟触发角。
8.一种VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至7任一项所述的VSC-LCC级联型混合直流系统稳定运行区间的分析方法。
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