CN115001044A - 一种换流器自主功率共享控制方法 - Google Patents

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CN115001044A CN202210850577.6A CN202210850577A CN115001044A CN 115001044 A CN115001044 A CN 115001044A CN 202210850577 A CN202210850577 A CN 202210850577A CN 115001044 A CN115001044 A CN 115001044A
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李扬
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Abstract

本发公开了一种换流器自主功率共享控制方法，涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种基于VSC换流站的自主功率共享控制方法。目前分层控制是管理变流器之间的功率共享的主流方法之一，然而由于分层控制是基于全局潮流或中央控制器，需要一级和二级控制层之间的通信，若通信丢失则无法运行，影响MTDC系统的稳定性。本发提出了一种换流器自主功率共享控制方法，在不制定和直流潮流调度的情况下，基于VSC换流器功率裕度实现比例功率共享，无需进行一级和二级控制层之间的通信，只需一级控制层内的换流器之间的通信；在一级控制层内换流器之间的通信也中断时，换流器可以自主采用等功率共享控制；大大降低了计算成本和通信需求，提高了MTDC网络的稳定性。

Description

一种换流器自主功率共享控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种基于VSC换流站的自主功率共享控制方法。
背景技术
基于电压源换流器(VSC)的高压直流(HVDC)输电系统已被广泛接受为远距离大规模可再生能源发电的一种使能技术。由电压源换流器(VSC)技术实现的直流电网具有许多优势，例如提高效率、提高可靠性和减少换流站数量等。较新的功率变换器技术，即模块化多电平变换器(MMC)，由于其在性能、可扩展性和可控性方面的突出优点，已经取代了传统的用于HVDC应用的两电平或三电平变换器技术。此外，多端HVDC(MTDC)系统是一种新兴技术，与点到点VSC HVDC系统相比，它在降低资本成本、实际配电灵活性和增强系统可靠性方面具有多项优势。
一般来说，直流电网中的直流电压控制有三种主要方案，即主从控制、电压裕度控制和下垂控制。对于主从控制，直流平衡节点的中断可能会导致整个直流电网断电。电压裕度控制被视为主从控制的扩展，但在主变流器的过渡过程中可能会出现较大的振荡。相比之下，下垂控制被认为是MTDC系统更可靠的控制方案，因为多个换流器可以共同参与直流电压调节。
由于新能源的灵活性与不确定性，在发生如变流器停运、直流输电线路或电缆故障、可再生能源发电引起的功率变化等意外事件后，如何在稳态下管理变流器之间的功率共享以避免过载对于系统的运行至关重要。在基于下垂的MTDC系统中，稳态下的事故后功率分配取决于下垂常数和电压变化。目前，分层控制是管理变流器之间的功率共享的主流方法之一。对于分层控制策略，在二级控制层中，系统收集稳态测量和应急信息并求解交直流电网最优潮流；通过通信系统将所得到最优潮流结果传输至一级控制层中，作为一级控制层中VSC换流站的自适应参数；一级控制层中的VSC换流站根据收到的自适应参数，设置其参考功率为基于最优潮流的参数值，并对注入功率进行控制。然而由于分层控制是基于全局潮流或中央控制器，需要一级和二级控制层之间的通信，若通信丢失，则无法运行，影响MTDC系统的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
分层控制是管理变流器之间的功率共享的主流方法之一。对于分层控制策略，在二级控制层中，系统收集稳态测量和应急信息并求解交直流电网最优潮流；通过通信系统将所得到最优潮流结果传输至一级控制层中，作为一级控制层中VSC换流站的自适应参数；一级控制层中的VSC换流站根据收到的自适应参数，设置其参考功率为基于最优潮流的参数值，并对注入功率进行控制。然而由于分层控制是基于全局潮流或中央控制器，需要一级和二级控制层之间的通信，若通信丢失，则无法运行，影响MTDC系统的稳定性。如何在一层和二层控制间通信中断时，对突发事故后出现的功率不匹配进行准确的功率共享是本发明需要解决的关键技术问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明提出了一种换流器自主功率共享控制方法，其特征在于可以在不制定和直流潮流调度的情况下，基于VSC换流器功率裕度实现比例功率共享，无需进行一级和二级控制层之间的通信，只需一级控制层内的换流器之间的通信，大大降低了计算成本和通信需求。其具体步骤包括：
1.建立直流电网的线性化模型，主要步骤包括：
假设节点控制类型分为恒定有功功率控制与下垂控制，其功率与电压关系可以用统一的方程表示如下：
Figure BDA0003753892600000021
其中Pc，i与Pc，i *分别为从交流电网注入VSC换流站的实际功率和参考功率；Vpp，i与
Figure BDA0003753892600000022
分别为对应直流节点的实际电压和参考电压；Ri为对应换流站下垂系数，定义为：
Figure BDA0003753892600000023
Figure BDA0003753892600000024
与
Figure BDA0003753892600000025
是第i个VSC的额定功率和电压；ki是第i个VSC的下垂系数标幺值；
设置一初始稳态条件，计算该条件下的网络潮流，并将潮流解设置为网络各节点参考功率与参考电压；
利用计算得到的参考功率与参考电压，突发事故后，部分节点参考功率发生变化，MTDC网络稳态工作状态可以表示为：
Figure BDA0003753892600000026
Figure BDA0003753892600000027
其中ΔPloss是突发事故前后的传输损失差异；ΔP*是突发事故前后参考功率的变化；Pc，i为从交流电网注入VSC换流站的实际功率；
Figure BDA0003753892600000028
为对应直流节点参考电压；ΔVpp与ΔPc，i分别为突发事故前后直流节点实际电压差与实际功率差；Ri为对应换流站下垂系数；
2.判断换流器间通信是否丢失，若通信丢失则进入步骤3，否则进入步骤4；
3.建立突发事故发生时等自主功率共享模型，计算突发事故发生前后节点参考功率变化导致的其余节点换流器注入有功变化，计算步骤如下：
忽略突发事故前后的有功输损失差异ΔPloss，根据所建立的直流网络模型，MTDC网络稳态工作状态可表示为：
Figure BDA0003753892600000031
Figure BDA0003753892600000032
其中ΔVpp与ΔPc，i分别为突发事故前后直流节点实际电压差与实际功率差；
Figure BDA0003753892600000033
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；
对于忽略突发事故前后传输损失差异ΔPloss的理想模型，突发事故发生时等功率共享模型可表示为：
Figure BDA0003753892600000034
其中
Figure BDA0003753892600000035
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；Pv可由下式给出：
Figure BDA0003753892600000036
其中Vpp，i为直流节点的实际电压；Vnominal为直流电压标称值；Ri为对应换流站下垂系数；计算结束后进入步骤5；
4.基于VSC换流器功率裕度，建立比例自主功率共享模型，计算突发事故发生前后节点参考功率变化导致的其余节点换流器注入有功变化，计算步骤如下：
定义功率裕度为：
Figure BDA0003753892600000037
其中Hi与
Figure BDA0003753892600000038
分别为第i个VSC功率裕度空间和额定功率；Pc，i为从交流电网注入VSC换流站的实际功率；基于VSC换流器功率裕度计算突发事故发生时各节点换流器功率共享的计算公式可表示为：
Figure BDA0003753892600000041
其中
Figure BDA0003753892600000042
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；Hi为第i个VSC功率裕度空间；Pv可由下式给出：
Figure BDA0003753892600000043
其中Vpp，i为直流节点的实际电压；Vnominal为直流电压标称值；Ri为对应换流站下垂系数；
5.计算基于反馈下垂控制的电压参考设定值，结果由下式给出：
Figure BDA0003753892600000044
其中
Figure BDA0003753892600000045
为预想事件前后功率共享差异的参考值；
Figure BDA0003753892600000046
为预想事件前后功率共享差异的实际值；Kp为是比例调节系数；Ki为积分调节系数；
Figure BDA0003753892600000047
为突发事故前后直流节点参考电压的变化。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：可以在不制定和直流潮流调度的情况下，基于VSC换流器功率裕度实现比例功率共享，无需进行一级和二级控制层之间的通信，只需一级控制层内的换流器之间的通信；在一级控制层内换流器之间的通信也中断时，换流器可以自主采用等功率共享控制；大大降低了计算成本和通信需求，提高了MTDC网络的稳定性。
附图说明
图1是带MMC换流站的5节点MTDC网络结构图；
图2是本发明提出的一种换流器自主功率共享控制方法流程图；
图3中的(a)、(b)、(c)分别是VSC-2停运时在固定下垂控制(无内部电流和电压控制器的限制)、固定下垂控制(有内部电流和电压控制器的限制)和自主控制下各VSC的直流功率变化；
图4中的(a)和(b)分别是VSC-2停运时在固定下垂控制(有内部电流和电压控制器的限制)和自主控制下各VSC的直流电压变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明在Matlab/Simulink/SimPowerSystems Toolbox中实现了一个五端MTDC系统的EMT仿真以验证所提出的分层和自主控制策略。
如图1所示，五端MTDC系统的MMC换流站采用平均值建模技术，直流传输线长度和参数分别见表1和表2。当有功功率从交流侧流到直流侧时，假设功率为正。VSCs-1、2和4在下垂控制模式下工作，初始电压参考为标称电压，即640kV，而VSCs-3和-5在恒定有功功率控制模式下工作，其下垂系数为零。交流电网由交流电等效电路表示。(2)中的额定功率、单位功率下降系数和功率参考值见表3。
表1直流传输线长度
支路 1-2 1-3 1-4 2-3 3-4 4-5
长度(km) 80 200 125 160 160 250
表2直流传输线参数
参数 R(Ω/km) L(mH/km) C(μF/km)
阻抗 0.01 0.15 0.27
表3 VSC换流站额定功率、单位功率下降系数和参考功率
VSC 1 2 3 4 5
额定功率(MW) 650 650 850 650 750
单位功率下降系数k<sub>i</sub> 20 20 0 20 0
参考功率(MW) -400 -400 700 -600 500
如图2所示，具体计算步骤包括：
1.建立直流电网的线性化模型，主要步骤包括：
假设节点控制类型分为恒定有功功率控制与下垂控制，其功率与电压关系可以用统一的方程表示如下：
Figure BDA0003753892600000051
其中Pc，i与Pc，i *分别为从交流电网注入VSC换流站的实际功率和参考功率；Vpp，i与
Figure BDA0003753892600000052
分别为对应直流节点的实际电压和参考电压；Ri为对应换流站下垂系数，定义为：
Figure BDA0003753892600000053
Figure BDA0003753892600000054
与
Figure BDA0003753892600000055
是第i个VSC的额定功率和电压；ki是第i个VSC的下垂系数标幺值；
设置一初始稳态条件，计算该条件下的网络潮流，并将潮流解设置为网络各节点参考功率与参考电压；
利用计算得到的参考功率与参考电压，突发事故后，部分节点参考功率发生变化，MTDC网络稳态工作状态可以表示为：
Figure BDA0003753892600000061
Figure BDA0003753892600000062
其中ΔPloss是突发事故前后的传输损失差异；ΔP*是突发事故前后参考功率的变化；Pc，i为从交流电网注入VSC换流站的实际功率；
Figure BDA0003753892600000063
为对应直流节点参考电压；ΔVpp与ΔPc，i分别为突发事故前后直流节点实际电压差与实际功率差；Ri为对应换流站下垂系数；
2.判断换流器间通信是否丢失，若通信丢失则进入步骤3，否则进入步骤4；
3.建立突发事故发生时等自主功率共享模型，计算突发事故发生前后节点参考功率变化导致的其余节点换流器注入有功变化，计算步骤如下：
忽略突发事故前后的有功输损失差异ΔPloss，根据所建立的直流网络模型，MTDC网络稳态工作状态可表示为：
Figure BDA0003753892600000064
Figure BDA0003753892600000065
其中ΔVpp与ΔPc，i分别为突发事故前后直流节点实际电压差与实际功率差；
Figure BDA0003753892600000066
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；
对于忽略突发事故前后传输损失差异ΔPloss的理想模型，突发事故发生时等功率共享模型可表示为：
Figure BDA0003753892600000067
其中
Figure BDA0003753892600000068
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；Pv可由下式给出：
Figure BDA0003753892600000071
其中Vpp，i为直流节点的实际电压；Vnominal为直流电压标称值；Ri为对应换流站下垂系数；计算结束后进入步骤5；
4.基于VSC换流器功率裕度，建立比例自主功率共享模型，计算突发事故发生前后节点参考功率变化导致的其余节点换流器注入有功变化，计算步骤如下：
定义功率裕度为：
Figure BDA0003753892600000072
其中Hi与
Figure BDA0003753892600000073
分别第i个VSC功率裕度空间和额定功率；Pc，i为从交流电网注入VSC换流站的实际功率；基于VSC换流器功率裕度计算突发事故发生时各节点换流器功率共享的计算公式可表示为：
Figure BDA0003753892600000074
其中
Figure BDA0003753892600000075
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；Hi为第i个VSC功率裕度空间；Pv可由下式给出：
Figure BDA0003753892600000076
其中Vpp，i为直流节点的实际电压；Vnominal为直流电压标称值；Ri为对应换流站下垂系数；
5.计算基于反馈下垂控制的电压参考设定值，结果由下式给出：
Figure BDA0003753892600000077
其中
Figure BDA0003753892600000078
为预想事件前后功率共享差异的参考值；
Figure BDA0003753892600000079
为预想事件前后功率共享差异的实际值；Kp为是比例调节系数；Ki为积分调节系数；
Figure BDA00037538926000000710
为突发事故前后直流节点参考电压的变化。
采用本发明所提出的控制方案结果如下所示：在这种情况下，下垂控制的VSC-2在t＝0.2时被强制停机。假设一二层控制层的通信中断，分层控制策略无法工作。在这种情况下，激活本发明所述自主控制，根据剩余下垂控制的VSCs，即VSCs-1和-4之间的可用净空间按比例共享功率不匹配。值得注意的是，VSC之间的等功率共享可以看作是比例功率共享的一种特殊情况。因此，下面的研究将显示出成比例的功率共享
从图3的(a)中可以观察到，在VSC-2断电后，当消除内部电流和电压控制器的限制时，VSC-4的直流功率超过了其额定功率(650MW)。当施加控制器限制时，VSC-4的直流功率达到650MW的功率极限，而VSC-1仍有很多剩余空间。因此，如果VSC-1能够从VSC-4中分担更多的电力负担。从图3的(c)可以看出，在VSC-2停机后，自主控制立即被激活。根据VSC-1和-4之间可用的裕度空间，进行比例功率自主共享。VSC间的直流功率均在其额定值范围内。将精确的功率共享结果作为基准，表4中的将本发明所提出的不同自主控制和固定控制的结果进行了比较。从表4中可以看出，功率变化与其裕度空间的比率ΔPci/Hi在使用固定的下垂控制的等功率分配下并不理想，而反馈下垂控制的自主控制结果则非常接近精确结果。
假设直流电压边界在标称直流电压的±2％范围内，即0.98×640kV，1.02×640kV。固定下垂控制下的直流电压分布如图4中的(a)所示，其中应急前的最低直流电压小于0.97×640kV。VSC-2停机后，直流电压进一步下降。另一方面，图4中的(b)显示，在自主控制下，所有VSCs的直流电压都围绕标称值进行调节。
表4自主控制的比例功率共享结果
Figure BDA0003753892600000081

Claims (6)

1.一种换流器自主功率共享控制方法，其特征在于，所述自主功率共享控制方法在不制定和直流潮流调度的情况下，基于VSC换流器功率裕度实现比例功率共享，无需进行一级和二级控制层之间的通信，只需一级控制层内的换流器之间的通信；在一级控制层内换流器之间的通信也中断时，换流器自主采用等功率共享控制；降低计算成本和通信需求，提高MTDC网络的稳定性；其具体步骤包括：
步骤S1：建立直流电网的线性化模型；
步骤S2：判断换流器间通信是否丢失，若通信丢失则进入步骤S3，否则进入步骤S4；
步骤S3：建立突发事故发生时等自主功率共享模型，计算突发事故发生前后节点参考功率变化导致的其余节点换流器注入有功变化，计算结束后进入步骤S5；
步骤S4：基于VSC换流器功率裕度，建立比例自主功率共享模型，计算突发事故发生前后节点参考功率变化导致的其余节点换流器注入有功变化；
步骤S5：基于反馈下垂控制进行自主功率共享控制。
2.根据权利要求1所述的一种换流器自主功率共享控制方法，其特征在于，所述直流电网的线性化模型建立步骤如下：
步骤S11：假设节点控制类型分为恒定有功功率控制与下垂控制，其功率与电压关系用统一的方程表示如下：
Figure FDA0003753892590000011
其中Pc，i与Pc，i *分别为从交流电网注入VSC换流站的实际功率和参考功率；Vpp，i与
Figure FDA0003753892590000012
分别为对应直流节点的实际电压和参考电压；Ri为对应换流站下垂系数，定义为：
Figure FDA0003753892590000013
Figure FDA0003753892590000014
与
Figure FDA0003753892590000015
是第i个VSC的额定功率和电压；ki是第i个VSC的下垂系数标幺值；
步骤S12：设置一初始稳态条件，计算该条件下的网络潮流，并将潮流解设置为网络各节点参考功率与参考电压；
步骤S13：利用步骤S12中计算得到的参考功率与参考电压，突发事故后，部分节点参考功率发生变化，MTDC网络稳态工作状态表示为：
Figure FDA0003753892590000016
Figure FDA0003753892590000017
其中ΔPloss是突发事故前后的传输损失差异；ΔP*是突发事故前后参考功率的变化；Pc，i为从交流电网注入VSC换流站的实际功率；
Figure FDA0003753892590000021
为对应直流节点参考电压；ΔVpp与ΔPc，i分别为突发事故前后直流节点实际电压差与实际功率差；Ri为对应换流站下垂系数。
3.根据权利要求1所述的一种换流器自主功率共享控制方法，其特征在于，所述突发事故考虑三种突发事故：第一种为有源功率控制变流器的功率变化，适用于海上风电场或负荷的功率增减的情况；第二种为有源电源控制的VSC的中断；第三种为处于下垂控制VSC的停机。
4.根据权利要求1所述的一种换流器自主功率共享控制方法，其特征在于，所述突发事故发生时等功率共享模型建立具体步骤包括：
步骤S31：忽略突发事故前后的有功输损失差异ΔPloss，根据所建立的直流网络模型，MTDC网络稳态工作状态表示为：
Figure FDA0003753892590000022
Figure FDA0003753892590000023
其中ΔVpp与ΔPc，i分别为突发事故前后直流节点实际电压差与实际功率差；
Figure FDA0003753892590000024
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；
步骤S32：对于忽略突发事故前后传输损失差异ΔPloss的理想模型，突发事故发生时等功率共享模型表示为：
Figure FDA0003753892590000025
其中
Figure FDA0003753892590000026
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；Pv由下式给出：
Figure FDA0003753892590000027
其中Vpp，i为直流节点的实际电压；Vnominal为直流电压标称值；Ri为对应换流站下垂系数。
5.根据权利要求1所述的一种换流器自主功率共享控制方法，其特征在于，所述基于VSC换流器功率裕度计算突发事故发生时各节点换流器功率共享的步骤包括：
步骤S41：定义功率裕度为：
Hi＝Pi r-1 (9)
其中Hi与Pi r分别为第i个VSC功率裕度空间和额定功率；Pc，i为从交流电网注入VSC换流站的实际功率；
步骤S42：基于VSC换流器功率裕度计算突发事故发生时各节点换流器功率共享的计算公式表示为：
Figure FDA0003753892590000031
其中
Figure FDA0003753892590000032
与ΔP*是突发事故前后直流节点参考电压与参考功率的变化；Ri为对应换流站下垂系数；Hi为第i个VSC功率裕度空间；Pv由下式给出：
Figure FDA0003753892590000033
其中Vpp，i为直流节点的实际电压；Vnominal为直流电压标称值；Ri为对应换流站下垂系数。
6.根据权利要求1所述的一种换流器自主功率共享控制方法，其特征在于，所述基于反馈下垂控制的电压参考设定值由下式给出：
Figure FDA0003753892590000034
其中
Figure FDA0003753892590000035
为预想事件前后功率共享差异的参考值；
Figure FDA0003753892590000036
为预想事件前后功率共享差异的实际值，Kp为是比例调节系数；Ki为积分调节系数；
Figure FDA0003753892590000037
为突发事故前后直流节点参考电压的变化。
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