CN116646967A - 一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法、装置和系统 - Google Patents

一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法、装置和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法、装置和系统，属于海上风电的柔性直流输电技术领域，本发明通过当海上风电柔直系统中岸上系统发生交流故障后，岸上跟网型换流站快速优化有功与无功指令值使得换流器输出更多的有功功率并实现电压支撑，由此缓解海上风电柔直系统盈余功率引起的过电压、新能源脱网；同时不增加任何硬件成本，仅在换流站现有控制器的基础上优化控制程序，即可实现岸上跟网型换流站向外输出更多的有功功率，由此减少海上的盈余功率。

Description

一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法、装置和系统
技术领域
本发明属于海上风电的柔性直流输电技术领域，更具体地，涉及一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法、装置和系统。
背景技术
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)具有模块化、低谐波、低损耗等特点，是应用于远距离、大容量海上风电直流外送系统直流换流器的主流拓扑。该在拓扑下，由于送端MMC无法控制新能源发电系统注入直流线路的功率，一旦受端交流系统发生短路故障，将导致受端交流侧能量输出通道中断，从而引发直流电网功率盈余。盈余功率将导致直流电网电压或换流站子模块电容电压在几十ms内快速上升至过电压保护水平。一旦换流站因过电压闭锁并跳开交流断路器，将导致新能源机组大面积脱网，极大地降低新能源发电系统的可利用率。
为解决直流电网功率盈余问题，现有研究已经提出可以利用MMC自身子模块的电压裕度来吸收部分盈余功率，然而由于现有方法均将换流站的电流裕度用于输出有功电流，忽视了无功电流对于支撑并网点电压的作用，导致并网点电压过低无法使MMC最大化的输出功率，盈余功率问题并未得到有效解决。目前工程上采取的方法是通过配置耗能装置以耗散盈余功率。但为了确保交流系统短路期间直流电网的安全运行，耗能装置的耗散功率较大，这将给耗能装置带来大量容量成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法、装置和系统，其目的在于，当海上风电柔直系统中岸上系统发生交流故障后，通过岸上跟网型换流站快速优化有功与无功指令值使得换流器输出更多的有功功率并实现电压支撑，由此可缓解海上风电柔直系统盈余功率引起的过电压、新能源脱网的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，应用于海上风电柔直系统，所述海上风电柔直系统包括依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路、岸上跟网型换流站和岸上交流电网；所述暂态无功优化方法包括：
S1：当实时检测到的所述岸上跟网型换流站侧的并网电压跌落预设区间时，执行S2；
S2：计算所述岸上跟网型换流站往后1/4个交流系统周期内输出有功功率的平均值Pn_ave；
S3：将所述岸上跟网型换流站对应的初始化参数中的d轴电流限幅减小一个步长，并计算对应的q轴电流参考值指令以调整输出的无功功率；
S4：等待1/4个所述交流系统周期，计算往后1/4个所述交流系统周期内的输出有功功率的平均值Pn+1_ave；若Pn+1_ave>Pn_ave且所述岸上跟网型换流站的调制比小于阈值则返回S3，否则进入S5；
S5：将所述岸上跟网型换流站当前的d轴电流限幅增加一个步长并计算当前对应的q轴电流参考值指令，保持当前对应的d轴电流参考值指令与q轴电流参考值指令直至故障切除。
在其中一个实施例中，所述S1包括：
当实时检测到的所述并网电压的有效值低落至0.7pu以下且从0.7pu时刻计时5ms后并网电压有效值大于0.1pu，则执行S2。
在其中一个实施例中，所述S5中当检测到并网电压有效值大于0.95pu时代表故障清除。
在其中一个实施例中，所述S3中的所述q轴电流参考值Iqref利用公式计算；其中，Ilim表示总电流限值，Idref表示d轴电流值参考值指令。
在其中一个实施例中，所述S4中调制比Mac表示为：Mac=2UgM/(kTUdc)；
其中，UgM表示并网电压幅值，kT表示所述岸上跟网型换流站变压器变比，Udc表示直流输电线路的直流电压。
在其中一个实施例中，在所述S2-S5过程中检测到故障清除，所述岸上跟网型换流站均切换至初始化参数运行。
在其中一个实施例中，所述初始化参数包括：
d轴电流限值Idlim为1.2pu；
无功参考值Qref为0；
总电流限值Ilim为1.2pu；
算法迭代次数n=0，优化方法的启动信号SRO为0。
按照本发明的另一方面，提供了一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化装置，应用于海上风电柔直系统，所述海上风电柔直系统包括依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路、岸上跟网型换流站和岸上交流电网；所述暂态无功优化装置用于执行上述暂态无功优化方法，包括：启动模块和优化模块；
所述启动模块，用于当实时检测到的所述岸上跟网型换流站侧的并网电压跌落预设区间时，并启用所述优化模块；
所述优化模块，包括：计算单元、调控单元、控制单元和切除单元； 所述计算单元，用于计算所述岸上跟网型换流站往后1/4个交流系统周期内输出有功功率的平均值Pn_ave，并启用所述调控单元；
所述调控单元，用于将所述岸上跟网型换流站对应的初始化参数中的d轴电流限幅减小一个步长，并计算对应的q轴电流参考值指令以调整输出的无功功率，并启用所述控制单元；
所述控制单元，用于等待1/4个所述交流系统周期，计算往后1/4个所述交流系统周期内的输出有功功率的平均值Pn+1_ave；若Pn+1_ave>Pn_ave且所述岸上跟网型换流站的调制比小于阈值则再次启用所述调控单元；否则启用所述切除单元；
所述切除单元，用于将所述岸上跟网型换流站当前的d轴电流限幅增加一个步长并计算当前对应的q轴电流参考值指令，保持当前对应的d轴电流参考值指令与q轴电流参考值指令直至故障切除。
按照本发明的另一方面，提供了一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
（1）当海上风电柔直系统中岸上系统发生交流故障后，通过岸上跟网型换流站快速优化有功与无功指令值使得换流器输出更多的有功功率并实现电压支撑，由此缓解海上风电柔直系统盈余功率引起的过电压、新能源脱网；同时不增加任何硬件成本，仅在换流站现有控制器的基础上优化控制程序，即可实现岸上跟网型换流站向外输出更多的有功功率，由此减少海上的盈余功率。此外，平均功率计算时长采用1/4个交流周期，可实现在岸上发生不对称故障引入二倍频功率分量时保证每次计算平均功率能够反映当前迭代周期内的跟网型换流站输出功率水平，且计算时长最短，保证了优化的速度。
（2）本发明可以使优化算法在合适的并网点电压区间启动，避免因并网点电压过低但启动算法带来的控制效果恶化，以及因并网点电压较高但启动算法带来的控制系统复杂度增加。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种跟网型换流站的暂态无功优化方法框架图。
图2为本发明一实施例中海上风电柔直系统中岸上交流电网故障示意图。
图3为本发明一实施例中跟网型换流站的暂态无功优化方法流程图。
图4a为本发明一实施例中海上换流站控制框图。
图4b为本发明一实施例中岸上换流站控制框图。
图5a和图5b为本发明一实施例中常规能量控制（AEC）与附加本发明暂态无功优化（RO）环节后的能量控制在岸上交流故障下的柔直系统特性仿真图。
图6为本发明一实施例中不同有功电流指令值下岸上换流站输出有功功率对比图。
图7为本发明一实施例不对称故障下暂态无功优化方法的表现特性图。
图8为本发明一实施例中不同的故障程度下常规方法与配置本发明后仅依靠换流站能量裕度实现故障穿越的最短时间示意图。
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。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种面向岸上电网交流故障的跟网型换流站的暂态无功优化方法，应用于海上风电柔直系统，海上风电柔直系统包括：依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路和岸上跟网型换流站、岸上交流电网，其中岸上换流站中主要设备为模块化多电平换流器（MMC）、阀侧交流断路器、换流变压器，海上风电柔直系统中岸上交流电网故障示意图如图2所示，跟网型换流站的暂态无功优化方法流程图如图3所示，一种跟网型换流站的暂态无功优化方法，包括：
S1：海上风电柔直系统中岸上跟网型换流站实时检测其并网电压，暂态无功优化方法启动前换流站保持初始化参数运行，此时迭代次数n=0，当并网电压跌落至暂态无功优化方法启动区间时，优化方法启动；
S2：优化方法启动后，跟网型换流站计算其此刻往后1/4个交流系统周期内的输出有功功率的平均值Pn_ave(n=0)；
S3：换流站的d轴电流限幅按步长值减少一个步长，q轴电流参考值按照与总电流限值与d轴电流值参考值之间的关系进行计算；
S4：n=n+1，等待1/4个交流系统周期后，再计算其此刻往后1/4个交流系统周期内的输出有功功率的平均值Pn_ave，若Pn_ave>Pn-1_ave且换流站调制比小于1则返回S3，否则进入S5；
S5：换流站的d轴电流限幅按步长值增加一个步长，q轴电流参考值按照与总电流限值与d轴电流值参考值之间的关系进行计算，保持此时的d轴与q轴电流参考值，直到检测到故障清除后换流站切换至初始化参数运行。
实施例2
S1包括：暂态无功优化方法的启动区间判据为检测到并网电压有效值低落至0.7pu以下，且从0.7pu时刻计时5ms后并网电压有效值大于0.1pu。
实施例3
S5包括：当检测到并网电压有效值大于0.95pu时代表故障清除。
实施例4
S3包括：d轴电流限幅按步长值为0.04~0.06pu，可以很好的兼顾优化速率有优化精度；q轴电流参考值Iqref按照与总电流限值Ilim与d轴电流值参考值Idref之间的计算关系为。
实施例5
S4中根据检测得到的并网电压幅值UgM、直流电压Udc以及换流变压器变比kT计算换流站调制比Mac=2UgM/(kTUdc)。
实施例6
在S2-S5中任何时刻检测到故障清除，换流站均切换至初始化参数运行。
实施例7
暂态无功优化方法启动前换流站初始化参数设置包括d轴电流限值Idlim为1.2pu，无功参考值Qref为0，总电流限值Ilim为1.2pu，算法迭代次数n=0，优化方法的启动信号SRO为0。
为验证本发明提供方法的有效性，在PSCAD/EMTDC电磁仿真平台上搭建了如图2所示的海上风电柔直系统，如图4a和图4b所示，该系统的换流站基础控制采用主动能量控制方法，将本发明附加在基础控制之上，海上风电柔直系统主要参数如表1所示。
；
仿真设置1：额定运行的海上风电柔直系统在4s时刻岸上交流系统发生三相短路故障，岸上换流站并网点电压跌落至0.5pu，故障在0.1s后清除。分别对比仅采用基础的主动能量控制（AEC）以及配置所提的暂态无功优化（RO）方法的暂态特性，d轴电流限幅按步长值取值为0.05pu，仿真结果如图5a所示。
根据仿真结果：1.RO相较于AEC将并网点电压由0.5pu抬升至0.6pu，输出有功功率由0.6pu抬升至0.67pu左右，增强了系统的功率输出能力；2.RO方法能够根据输出功率的比较动态优化有功（d轴）与无功（q轴）的指令值，证明了本发明的正确性；3.在应用RO后，暂态期间岸上换流器与海上换流器能量的最大值都相较于AEC方法有所下降，证明了RO方法能够缓解海上系统的功率盈余，本发明的有效性得以验证。
图5a和图5b显示，经过RO，优化后的最优的有功（d轴）电流指令值为1.1pu，为进一步验证RO优化结果的正确性，分别在AEC方法中直接设置暂态期间的有功电流指令值分别为1pu、1.05pu、1.1pu、1.15pu、1.2pu，无功电流指令值通过计算，仿真结果如图6所示。可以看到有功（d轴）电流指令值为1.1pu时，岸上换流站确实可以向外输出最多的有功功率，RO优化结果的正确性得以验证。
仿真设置2：额定运行的海上风电柔直系统在4s时刻岸上交流系统发生单相短路接地故障，故障在0.1s后清除。配置所发明的暂态无功优化（RO）方法，仿真结果如图7所示。可以看到，不对称故障将引入1/2交流周期的电压/功率振荡，要反应该2倍频振荡的平均值，采集周期需要至少1/4个交流周期，因此按照本发明采集1/4个交流周期内功率平均值，可以最快的反映出在该优化周期内的有功功率输出平均值。此外，仿真结果也表明，在不对称故障下，本发明仍能正确实现优化过程。
遍历仿真设置：分别设置不同的故障程度（即故障后并网点电压水平），统计常规AEC方法与配置本发明RO后，换流站能够仅利用自身裕度实现，而不启动耗能装置实现故障穿越的最短时间，结果如图8所示。可以看到，RO方法可以在绝大部分故障电压水平下大大提升最短故障穿越时间，即在这个时间内，只要故障清除，无需使用高成本耗能装置即可实现故障穿越。RO的通用性得到验证
本发明可以有效的实现海上系统对岸上电网电压支撑的同时增强，提升海上系统自身的故障容忍能力。
实施例8
本发明还提供了一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化装置，应用于海上风电柔直系统，海上风电柔直系统包括依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路、岸上跟网型换流站和岸上交流电网；暂态无功优化装置用于执行上述暂态无功优化方法，包括：启动模块和优化模块；
启动模块，用于当实时检测到的岸上跟网型换流站侧的并网电压跌落预设区间时，并启用优化模块；
优化模块，包括：计算单元、调控单元、控制单元和切除单元； 计算单元，用于计算岸上跟网型换流站往后1/4个交流系统周期内输出有功功率的平均值Pn_ave，并启用调控单元；
调控单元，用于将岸上跟网型换流站对应的初始化参数中的d轴电流限幅减小一个步长，并计算对应的q轴电流参考值指令以调整输出的无功功率，并启用控制单元；
控制单元，用于等待1/4个交流系统周期，计算往后1/4个交流系统周期内的输出有功功率的平均值Pn+1_ave；若Pn+1_ave>Pn_ave且岸上跟网型换流站的调制比小于阈值则再次启用调控单元；否则启用切除单元；
切除单元，用于将岸上跟网型换流站当前的d轴电流限幅增加一个步长并计算当前对应的q轴电流参考值指令，保持当前对应的d轴电流参考值指令与q轴电流参考值指令直至故障切除。
实施例9
本发明还提供了一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化系统，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
实施例10
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
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 (10)

1.一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，其特征在于，应用于海上风电柔直系统，所述海上风电柔直系统包括依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路、岸上跟网型换流站和岸上交流电网；所述暂态无功优化方法包括：
S1：当实时检测到的所述岸上跟网型换流站侧的并网电压跌落预设区间时，执行S2；
S2：计算所述岸上跟网型换流站往后1/4个交流系统周期内输出有功功率的平均值Pn_ave；
S3：将所述岸上跟网型换流站对应的初始化参数中的d轴电流限幅减小一个步长，并计算对应的q轴电流参考值指令以调整输出的无功功率；
S4：等待1/4个所述交流系统周期，计算往后1/4个所述交流系统周期内的输出有功功率的平均值Pn+1_ave；若Pn+1_ave>Pn_ave且所述岸上跟网型换流站的调制比小于阈值则返回S3，否则进入S5；
S5：将所述岸上跟网型换流站当前的d轴电流限幅增加一个步长并计算当前对应的q轴电流参考值指令，保持当前对应的d轴电流参考值指令与q轴电流参考值指令直至故障切除。
2.如权利要求1所述的岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，其特征在于，所述S1包括：
当实时检测到的所述并网电压的有效值低落至0.7pu以下且从0.7pu时刻计时5ms后并网电压有效值大于0.1pu，则执行S2。
3.如权利要求2所述的岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，其特征在于，所述S5中当检测到并网电压有效值大于0.95pu时代表故障清除。
4.如权利要求1所述的岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，其特征在于，所述S3中的所述q轴电流参考值Iqref利用公式计算；其中，Ilim表示总电流限值，Idref表示d轴电流值参考值指令。
5.如权利要求1所述的岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，其特征在于，所述S4中调制比Mac表示为：Mac=2UgM/(kTUdc)；
其中，UgM表示并网电压幅值，kT表示所述岸上跟网型换流站变压器变比，Udc表示直流输电线路的直流电压。
6.如权利要求1所述的岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，其特征在于，在所述S2-S5过程中检测到故障清除，所述岸上跟网型换流站均切换至初始化参数运行。
7.如权利要求6所述的岸上跟网型换流站的暂态无功优化方法，其特征在于，所述初始化参数包括：
d轴电流限值Idlim为1.2pu；
无功参考值Qref为0；
总电流限值Ilim为1.2pu；
算法迭代次数n=0，优化方法的启动信号SRO为0。
8.一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化装置，其特征在于，应用于海上风电柔直系统，所述海上风电柔直系统包括依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路、岸上跟网型换流站和岸上交流电网；所述暂态无功优化装置用于执行权利要求1至7任一项所述的暂态无功优化方法，包括：启动模块和优化模块；
所述启动模块，用于当实时检测到的所述岸上跟网型换流站侧的并网电压跌落预设区间时，并启用所述优化模块；
所述优化模块，包括：计算单元、调控单元、控制单元和切除单元； 所述计算单元，用于计算所述岸上跟网型换流站往后1/4个交流系统周期内输出有功功率的平均值Pn_ave，并启用所述调控单元；
所述调控单元，用于将所述岸上跟网型换流站对应的初始化参数中的d轴电流限幅减小一个步长，并计算对应的q轴电流参考值指令以调整输出的无功功率，并启用所述控制单元；
所述控制单元，用于等待1/4个所述交流系统周期，计算往后1/4个所述交流系统周期内的输出有功功率的平均值Pn+1_ave；若Pn+1_ave>Pn_ave且所述岸上跟网型换流站的调制比小于阈值则再次启用所述调控单元；否则启用所述切除单元；
所述切除单元，用于将所述岸上跟网型换流站当前的d轴电流限幅增加一个步长并计算当前对应的q轴电流参考值指令，保持当前对应的d轴电流参考值指令与q轴电流参考值指令直至故障切除。
9.一种岸上跟网型换流站的暂态无功优化系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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