CN115603389A - 一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法、介质及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法、介质及系统，包括：实时获取交流电力系统的频率；采用所述交流电力系统的频率计算所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率；根据所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定所述直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率；将所述直流输电系统的调频辅助功率与所述直流输电系统的初始功率相加，得到备选功率；根据所述备选功率与所述直流输电系统的最小运行功率限值和最大运行功率限值的比较结果，确定所述直流输电系统的实际功率。当交流电力系统发生大负荷扰动时，本发明可使直流输电系统最大限度地参与电网调频，减轻交流电力系统调频负担，避免系统频率越限或失稳。

Description

一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法、介质及系统
技术领域
本发明涉及直流输电系统技术领域，尤其涉及一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法、介质及系统。
背景技术
随着“碳达峰，碳中和”双碳目标的推进，近几年以风电、太阳能等为代表的新能源发电得到了大力发展。然而，随着风电、光伏等新能源发电并网容量的日益增加，新能源在电力系统中的渗透率不断提高。由于新能源发电系统主要通过变流器来实现并网，这导致新能发电系统对电网的调频贡献几乎为零。随着新能源发电渗透率的提高，将给电网的频率稳定带来巨大挑战。
目前，现有技术的新能源发电系统参与电网调频的方法，虽能一定程度改善系统的调频能力，但由于新能源发电系统的调频能力易受天气因素影响，因此在实际工程中其改善能力有限。
高压、特高压直流输电系统具有输送容量大、输送距离远、经济性高等特点，在实现西电东送、水火互济、能源资源大范围优化配置等方面发挥着重要作用。当高压、特高压直流送端或受端交流电网为高新能源渗透率交流电力系统时，研究直流参与系统调频的控制技术，对改善交流电力系统的频率稳定有着重要意义。
目前，常规高压、特高压直流输电系统主要通过下垂控制和惯量控制来参与交流电力系统一次调频和惯性响应，然而在较大功率扰动时，直流系统的调频能力仍未得到充分发挥。柔性直流输电系统参与电网频率调节的研究成果较多，包括虚拟惯量控制、虚拟同步发电机控制、构网型换流器控制等，但该类方案只适用于电压源型换流器，无法直接应用到常规高压、特高压直流中。
发明内容
本发明实施例提供一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法、介质及系统，以解决现有缺少常规高压、特高压直流输电系统的参与交流电力系统调频的控制技术的问题。
第一方面，提供一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法，包括：
实时获取交流电力系统的频率；
采用所述交流电力系统的频率计算所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率；
根据所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定所述直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率；
将所述直流输电系统的调频辅助功率与所述直流输电系统的初始功率相加，得到备选功率；
根据所述备选功率与所述直流输电系统的最小运行功率限值和最大运行功率限值的比较结果，确定所述直流输电系统的实际功率。
第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述第一方面实施例所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法。
第三方面，提供一种直流输电系统的快速功率补偿控制系统，包括：如上述第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。
这样，本发明实施例，当交流电力系统发生大负荷扰动时，可使直流输电系统最大限度地参与电网调频，从而减轻交流电力系统调频负担，避免系统频率越限或失稳，更能充分发挥直流输电系统的调频能力，具有响应速度快、调节能力强的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的直流输电系统的快速功率补偿控制方法的流程图；
图2是本发明实施例的高压直流输电系统的原理结构图；
图3是本发明实施例的特高压直流输电系统的原理结构图；
图4是本发明实施例的直流输电系统的快速功率补偿控制方法的原理框图；
图5是本发明实施例的直流输电系统的快速功率补偿控制系统的结构框图。
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取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法。该方法适用于高压、特高压直流输电系统，特别是采用电网换相换流阀的常规高压、特高压直流输电系统。常规高压、特高压直流输电系统的原理结构分别如图2和图3所示，高压和特高压直流输电系统均包括如下的结构：送端交流电网11、送端极I系统12、极I直流输电线路13、受端极I系统14、接地极引线15、接地极16、送端极II系统17、极II直流输电线路18、受端极II系统19和受端交流电网20。高压和特高压直流输电系统主要的区别在于高压直流输电系统每极仅包含一个换流器，而特高压直流输电系统每极包含高端和低端两个换流器。实际工程中，直流输电系统的快速功率补偿控制功能通常在双极层控制系统中实现，通过对交流电力系统的频率检测和直流输电系统的输送功率的直接控制，从而保证其响应的快速性。
基于此，如图1和4所示，本发明实施例的直流输电系统的快速功率补偿控制方法包括如下的步骤：
步骤S101：实时获取交流电力系统的频率。
具体的，本发明实施例所述的交流电力系统的频率是经过滤波处理的频率，并且一般采用标幺化处理后的频率。
以f表示标幺化处理后的频率，f0表示采集的经过滤波处理后的原始的交流电力系统的频率，具体可通过实时采集交流电力系统的电压，然后基于交流电力系统的电压，通过锁相环计算得到交流电力系统的原始的频率f0，滤波器可为一阶惯性滤波器或二阶滤波器，fn表示交流电力系统的频率的额定值，则标幺化处理的计算式为：
Figure BDA0003927784090000041
步骤S102：采用交流电力系统的频率计算交流电力系统的频率的偏差值和变化率。
具体的，交流电力系统的频率的偏差值等于交流电力系统的频率减去交流电力系统的频率的额定值得到的差。以Δf表示交流电力系统的偏差值，则Δf＝f-fn。
具体的，交流电力系统的频率的变化率等于交流电力系统的频率对时间的微分，即变化率为
Figure BDA0003927784090000051
步骤S103：根据交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率。
本发明实施例的直流输电系统的功率控制模式包括：频率控制退出模式、频率下垂控制模式、第一定调频功率控制模式和第二定调频功率控制模式。应当理解的是，确定本发明实施例所述的这几种模式，是为了确定调频辅助功率，不涉及其它参数的调整。
具体的，该步骤包括如下几种情况：
(1)若交流电力系统的频率的偏差值的绝对值小于第一预设偏差值阈值，并且交流电力系统的频率的变化率的绝对值小于第一预设变化率阈值，则确定直流输电系统的功率控制模式为频率控制退出模式，以得到直流输电系统的调频辅助功率为0。
以PFR表示调频辅助功率，OFFSET1表示第一预设偏差值阈值，RATE1表示第一预设变化率阈值，即
Figure BDA0003927784090000052
直流输电系统不参与电网调频，则PFR＝0。第一预设偏差值阈值和第一预设变化率阈值可根据经验设置。
(2)若交流电力系统的频率的偏差值的绝对值不小于第一预设偏差值阈值且小于第二预设偏差值阈值，并且交流电力系统的频率的变化率的绝对值小于第二预设变化率阈值，则确定直流输电系统的功率控制模式为频率下垂控制模式，以得到直流输电系统的调频辅助功率为交流电力系统的频率偏差值与下垂控制系数的乘积。
以KD表示下垂控制系数，OFFSET2表示第二预设偏差值阈值，RATE2表示第二预设变化率阈值，即
Figure BDA0003927784090000061
则直流输电系统参与电网调频，PFR＝KDΔf。第二预设偏差值阈值和第二预设变化率阈值可根据经验设置。
对于下垂控制系数，随着进入频率下垂控制模式之前的功率控制模式的不同，下垂控制系数不同，以实现不同控制模式之间的平滑切换。具体的，下垂控制系数有如下的几种形式：
①若直流输电系统由频率控制退出模式进入频率下垂控制模式，则下垂控制系数等于直流输电系统的额定功率除以虚拟下垂系数得到的商。
以Pdn表示直流输电系统的额定功率，Rvir表示虚拟下垂系数，则
Figure BDA0003927784090000062
②若直流输电系统由第一定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式，则下垂控制系数等于直流输电系统允许提升的最大功率除以直流输电系统由第一定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式的时刻的交流电力系统的频率的偏差值得到的商。
以ΔPupmax表示直流输电系统允许提升的最大功率，ΔfSW1表示直流输电系统由第一定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式的时刻的交流电力系统的频率的偏差值，则
Figure BDA0003927784090000063
应当理解的是，ΔfSW1等于直流输电系统由第一定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式的时刻的交流电力系统的频率减去交流电力系统的频率的额定值得到的差。
③若直流输电系统由第二定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式，则下垂控制系数等于直流输电系统允许降低的最大功率除以直流输电系统由第二定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式的时刻的交流电力系统的频率的偏差值得到的商的相反数。
以ΔPdownmax表示直流输电系统允许降低的最大功率，ΔfSW2表示直流输电系统由第二定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式的时刻的交流电力系统的频率的偏差值，则
Figure BDA0003927784090000071
应当理解的是，ΔfSW2等于直流输电系统由第二定调频功率控制模式进入频率下垂控制模式的时刻的交流电力系统的频率减去交流电力系统的频率的额定值得到的差。
(3)若交流电力系统的频率的偏差值大于第二预设偏差值阈值，或者，交流电力系统的频率的变化率大于第二预设变化率阈值，则确定直流输电系统的功率控制模式为第一定调频功率控制模式，以得到直流输电系统的调频辅助功率为直流输电系统允许提升的最大功率。
即
Figure BDA0003927784090000072
则直流输电系统参与电网调频，PFR＝ΔPupmax。
(4)若交流电力系统的频率的偏差值小于第二预设偏差值阈值的相反数，或者，交流电力系统的频率的变化率小于第二预设变化率阈值的相反数，则确定直流输电系统的功率控制模式为第二定调频功率控制模式，以得到直流输电系统的调频辅助功率为直流输电系统允许降低的最大功率的相反数。
即
Figure BDA0003927784090000073
则直流输电系统参与电网调频，PFR＝-ΔPdownmax。
步骤S104：将直流输电系统的调频辅助功率与直流输电系统的初始功率相加，得到备选功率。
以Pd_ord1表示备选频率，Pd_ord0表示直流输电系统的初始功率，则Pd_ord1＝PFR+Pd_ord0。
步骤S105：根据备选功率与直流输电系统的最小运行功率限值和最大运行功率限值的比较结果，确定直流输电系统的实际功率。
具体的，根据比较结果的不同，有如下几种情况：
(1)若备选功率小于直流输电系统的最小运行功率限值，则确定直流输电系统的实际功率为最小运行功率限值。
以Pdmin表示直流输电系统的最小运行功率限值，Pd_ord表示直流输电系统的实际功率，即Pd_ord1<Pdmin，则进行限幅处理，Pd_ord＝Pdmin。
(2)若备选功率大于直流输电系统的最大运行功率限值，则确定直流输电系统的实际功率为最大运行功率限值。
以Pdmax表示直流输电系统的最大运行功率限值，即Pd_ord1>Pdmax，则进行限幅处理，Pd_ord＝Pdmax。
(3)若备选功率不小于直流输电系统的最小运行功率限值且不大于直流输电系统的最大运行功率限值，则确定直流输电系统的实际功率为备选功率。
即Pdmin≤Pd_ord1≤Pdmax，则Pd_ord＝Pd_ord1。
上述的最大运行功率限值和最小运行功率限值可根据经验确定。例如，本发明具体实施例中，最大运行功率限值为1.0p.u.，最小运行功率限值为0.1p.u.；当直流输电系统具备过负荷运行能力时，直流输电系统的最大运行功率限值还可为直流输电系统的2h过负荷定值。
通过上述的限幅处理，可将直流输电系统的实际功率限定在最大运行功率限值和最小运行功率限值之间。
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法。
本发明实施例还公开了一种直流输电系统的快速功率补偿控制系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。
具体的，如图5所示，该系统包括：检测模块501和控制模块502。
检测模块501，用于实时获取交流电力系统的频率。
具体的，检测模块501包括：交流电力系统的频率滤波和标幺化处理单元，用于进行前述方法中所述的滤波和标幺化处理，在此不再赘述。
控制模块502包括：频率的偏差值和变化率计算单元、调频辅助功率计算单元、直流输电系统实际功率计算单元。
频率的偏差值和变化率计算单元，用于采用交流电力系统的频率计算交流电力系统的频率的偏差值和变化率。
调频辅助功率计算单元，用于根据交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率。
直流输电系统实际功率计算单元，用于将直流输电系统的调频辅助功率与直流输电系统的初始功率相加，得到备选功率；根据备选功率与直流输电系统的最小运行功率限值和最大运行功率限值的比较结果，确定直流输电系统的实际功率。
综上，本发明实施例，用于高压或特高压直流输电系统中，当交流电力系统出现大负荷扰动时，通过快速功率补偿控制，调节直流输电系统输送的有功功率，提高交流电力系统的调频能力，降低系统频率波动速率和幅度；实现对交流电力系统负荷扰动的快速响应，增加所联交流电力系统的等效转动惯量，提高交流电力系统的频率稳定性，保证交流电力系统安全稳定运行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于，包括：
实时获取交流电力系统的频率；
采用所述交流电力系统的频率计算所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率；
根据所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定所述直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率；
将所述直流输电系统的调频辅助功率与所述直流输电系统的初始功率相加，得到备选功率；
根据所述备选功率与所述直流输电系统的最小运行功率限值和最大运行功率限值的比较结果，确定所述直流输电系统的实际功率。
2.根据权利要求1所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于，所述根据所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定所述直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率的步骤，包括：
若所述交流电力系统的频率的偏差值的绝对值小于第一预设偏差值阈值，并且所述交流电力系统的频率的变化率的绝对值小于第一预设变化率阈值，则确定所述直流输电系统的功率控制模式为频率控制退出模式，以得到所述直流输电系统的调频辅助功率为0。
3.根据权利要求1所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于，所述根据所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定所述直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率的步骤，包括：
若所述交流电力系统的频率的偏差值的绝对值不小于第一预设偏差值阈值且小于第二预设偏差值阈值，并且所述交流电力系统的频率的变化率的绝对值小于第二预设变化率阈值，则确定所述直流输电系统的功率控制模式为频率下垂控制模式，以得到所述直流输电系统的调频辅助功率为所述交流电力系统的频率偏差值与下垂控制系数的乘积。
4.根据权利要求1所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于，所述根据所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定所述直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率的步骤，包括：
若所述交流电力系统的频率的偏差值大于第二预设偏差值阈值，或者，所述交流电力系统的频率的变化率大于第二预设变化率阈值，则确定所述直流输电系统的功率控制模式为第一定调频功率控制模式，以得到所述直流输电系统的调频辅助功率为所述直流输电系统允许提升的最大功率。
5.根据权利要求1所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于，所述根据所述交流电力系统的频率的偏差值和变化率，确定所述直流输电系统的功率控制模式，以得到调频辅助功率的步骤，包括：
若所述交流电力系统的频率的偏差值小于第二预设偏差值阈值的相反数，或者，所述交流电力系统的频率的变化率小于第二预设变化率阈值的相反数，则确定所述直流输电系统的功率控制模式为第二定调频功率控制模式，以得到所述直流输电系统的调频辅助功率为所述直流输电系统允许降低的最大功率的相反数。
6.根据权利要求3所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于：
若所述直流输电系统由频率控制退出模式进入所述频率下垂控制模式，则所述下垂控制系数等于所述直流输电系统的额定功率除以虚拟下垂系数得到的商；
若所述直流输电系统由第一定调频功率控制模式进入所述频率下垂控制模式，则所述下垂控制系数等于所述直流输电系统允许提升的最大功率除以所述直流输电系统由所述第一定调频功率控制模式进入所述频率下垂控制模式的时刻的所述交流电力系统的频率的偏差值得到的商；
若所述直流输电系统由第二定调频功率控制模式进入所述频率下垂控制模式，则所述下垂控制系数等于所述直流输电系统允许降低的最大功率除以所述直流输电系统由所述第二定调频功率控制模式进入所述频率下垂控制模式的时刻的所述交流电力系统的频率的偏差值得到的商的相反数。
7.根据权利要求1所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于，所述根据所述备选功率与所述直流输电系统的最小运行功率限值和最大运行功率限值的比较结果，确定所述直流输电系统的实际功率的步骤，包括：
若所述备选功率小于所述直流输电系统的最小运行功率限值，则确定所述直流输电系统的实际功率为所述最小运行功率限值；
若所述备选功率大于所述直流输电系统的最大运行功率限值，则确定所述直流输电系统的实际功率为所述最大运行功率限值；
若所述备选功率不小于所述直流输电系统的最小运行功率限值且不大于所述直流输电系统的最大运行功率限值，则确定所述直流输电系统的实际功率为所述备选功率。
8.根据权利要求1所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法，其特征在于：所述交流电力系统的频率的偏差值等于所述交流电力系统的频率减去所述交流电力系统的频率的额定值得到的差；
所述交流电力系统的频率的变化率等于所述交流电力系统的频率对时间的微分。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的直流输电系统的快速功率补偿控制方法。
10.一种直流输电系统的快速功率补偿控制系统，其特征在于，包括：如权利要求9所述的计算机可读存储介质。
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