分布式直流耗能装置及其控制方法和控制模块与流程

[0001]
本申请涉及电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及分布式直流耗能装置及其控制方法和控制装置。


背景技术：

[0002]
在高压直流输电系统中，直流耗能装置是至关重要的设备。直流耗能装置主要应用于新能源发电输送的应用场景，如果发电端为与风电类似的惯性电源，当受电端发生故障时，由于功率无法送出，将在直流侧积累能量，造成直流输电线路的电压升高，对设备的安全运行造成危害。
[0003]
分布式直流耗能装置需要对耗能子模块进行均压控制，即当某一耗能子模块电压低于某一下限或高于某一上限时，需要强制退出或投入，以保证耗能子模块电压在正常波动内。当需投入的耗能子模块数目变化较大时，意味着部分耗能子模块电压在未达到电压限值时就需要被强制投入或退出，从而增大了子模块开关频率。
[0004]
现有技术只是简单地将直流电压与目标值的差值做pi控制调节，但是pi参数调节较为麻烦，且一旦选取后基本就不会改变。实际工程中随着输电系统工况或者故障类型不同，容易导致一种工况或者故障类型下表现性能表现良好，在另一种工况或者性能下性能变差的情况。
[0005]
在文献(cn109861269a)中公开的技术方案是检测故障发生时送端功率作为初始值，首先该功率值的获取一般依赖于耗能装置控制系统与上层系统例如pcp的实时通讯，其次将送端功率与单个耗能组件功率的比值作为初始值。该方案一定程度上考虑了不同工况下的调节，但是没有考虑受端功率限制影响，更没有考虑受端不同的故障类型对受端功率限制影响，例如满功率输送负荷时，显然单相短路下，受端系统仍然能够传输原有功率的2/3，采用当前输送功率的1/3会比当前整个输送功率在计算pi控制初值时更为合适，该方案不能实现无差控制直流电压，将提高对电缆绝缘要求。同时将控制放置在送端，由于耗能装置的目的就是保证受端交流故障期间保证送端功率不变，即不同故障下送端功率都是不变的，但不同故障下合适的初值是不一样的，因此为了实现精准切功率需要与受端站进行通信。


技术实现要素：

[0006]
本申请实施例提供一种分布式直流耗能装置的控制方法，包括：基于所述分布式直流耗能装置的消耗功率，计算需投入的耗能子模块的第一数量；基于直流母线电压测量值和直流母线电压控制目标值，计算需投入的耗能子模块的第二数量；将所述第一数量和第二数量之和，作为需投入的耗能子模块的总数量；基于所述需投入的耗能子模块的总数量，控制投入或退出所述耗能子模块。
[0007]
根据一些实施例，所述装置的消耗功率等于所述装置所在支路的电流和直流电压的乘积。
[0008]
根据一些实施例，所述基于所述装置的消耗功率，计算需投入的耗能子模块的第一数量，包括：将所述装置的消耗功率除以单个所述耗能子模块投入时的平均功率，再乘以加权系数，得到所述需投入的耗能子模块的第一数量。
[0009]
根据一些实施例，所述基于直流母线电压测量值和直流母线电压控制目标值，计算需投入的耗能子模块的第二数量，包括：将所述直流母线电压测量值与所述直流母线电压控制目标值相减，得到电压差值；将所述电压差值乘以比例系数，得到所述需投入的耗能子模块的第二数量。
[0010]
根据一些实施例，所述比例系数根据以下步骤进行计算：当u
d
≥u
r
时，当u
d
≤u
r
时，其中，u
d
为所述直流母线电压测量值，u
r
为所述直流母线电压控制目标值，k
u
为比例系数，n为耗能子模块的最低总数量，n
1p
为需投入的耗能子模块的第一数量，u
dmax
为直流母线电压允许上限，u
dmin
为直流母线电压允许下限，n为耗能子模块最低总数量，n＝p
dmax
/p
cm
，p
dmax
为直流最大输送功率，p
cm
为单个耗能子模块投入时的平均功率。
[0011]
根据一些实施例，所述比例系数根据以下步骤进行计算：当u
d
≥u
r
时，当u
d
≤u
r
时，其中，u
d
为所述直流母线电压测量值，u
r
为所述直流母线电压控制目标值，k
u
为比例系数，n为耗能子模块的最低总数量，u
dmax
为直流母线电压允许上限，u
dmin
为直流母线电压允许下限，n为耗能子模块最低总数量，n＝p
dmax
/p
cm
，p
dmax
为直流最大输送功率，p
cm
为单个耗能子模块投入时的平均功率。
[0012]
根据一些实施例，所述基于直流母线电压测量值和直流母线电压控制目标值，计算需投入的耗能子模块的第二数量，包括：将所述直流母线电压测量值与所述直流母线电压控制目标值相减，得到电压差值；将所述电压差值经过比例积分调节器调节，得到所述需投入的耗能子模块的第二数量。
[0013]
根据一些实施例，所述基于所述需投入的耗能子模块的总数量，控制投入或退出所述耗能子模块，包括：对所述耗能子模块的电压进行排序；当所述需投入的耗能子模块的总数量大于实际已投入的耗能子模块的数量时，按照所述电压由大到小依次投入未投入的耗能子模块；当所述需投入的耗能子模块的总数量小于实际已投入的耗能子模块的数量时，按照所述电压由小到大依次退出多投入的耗能子模块。
[0014]
根据一些实施例，所述耗能子模块的电压低于下限阈值或高于上限阈值时，置换所述耗能子模块。
[0015]
根据一些实施例，所述分布式直流耗能装置包括串联连接的多个所述耗能子模块。
[0016]
本申请实施例还提供一种分布式直流耗能装置的控制装置，包括功率计算单元、电压计算单元、总量计算单元、控制单元，所述功率计算单元基于所述分布式直流耗能装置的消耗功率，计算需投入的耗能子模块的第一数量；所述电压计算单元基于直流母线电压测量值和直流母线电压控制目标值，计算需投入的耗能子模块的第二数量；所述总量计算单元将所述第一数量和第二数量之和，作为需投入的耗能子模块的总数量；所述控制单元基于所述需投入的耗能子模块的总数量，控制投入或退出所述耗能子模块。
[0017]
本申请实施例还提供一种分布式直流耗能装置，包括如上所述的控制模块和串联连接的多个耗能子模块。
[0018]
根据本申请实施例提供的技术方案，无须与其它系统通信，将耗能子模块的数量分为基于功率计算的第一数量和基于电压计算的第二数量，基于电压计算的第二数量能保证故障瞬间耗能装置的瞬时调控能力，耗能装置稳态工作期间，基于功率计算的第一数量能够很好地反应耗能装置需实际消耗的富裕功率，确保耗能子模块需投入数量在工作点附近做适当调整，可保证耗能子模块需投入数量变化率维持在一个较小值，从而有效降低耗能子模块的开关控制频率，既能保证故障瞬间耗能装置的瞬时调控能力，也减小了故障稳态期间耗能子模块需投入数量的变化率。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1是本申请实施例提供的一种风电送出直流系统的构成示意图；
[0021]
图2是本申请实施例提供的一种分布式直流耗能装置的构成示意图；
[0022]
图3是本申请实施例提供的一种耗能子模块的构成示意图；
[0023]
图4是本申请实施例提供的一种分布式直流耗能装置的控制模块功能组成框图；
[0024]
图5是本申请实施例提供的一种分布式直流耗能装置的控制方法流程示意图。
具体实施方式
[0025]
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本申请技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。其只是包含了本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本申请的各种变化获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0026]
应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0027]
图1是本申请实施例提供的一种风电送出直流系统的构成示意图。
[0028]
参见图1，海上换流站100将风电由交流电变换为直流电并输送至陆上换流站300。分布式直流耗能装置200安装在靠近陆上换流站300的直流一侧。陆上换流站的交流侧400为受电端。
[0029]
在高压直流输电系统中，分布式直流耗能装置200是至关重要的设备。分布式直流耗能装置200主要应用于新能源发电输送的应用场景，如果发电端为与风电类似的惯性电源，当受电端发生故障时，由于功率无法送出，将在直流侧积累能量，造成直流输电线路的电压升高，对设备的安全运行造成危害。
[0030]
分布式直流耗能装置200需要对耗能子模块进行均压控制，即当某一耗能子模块电压低于某一下限或高于某一上限时，需要强制退出或投入，以保证耗能子模块电压在正常波动内。当需投入的耗能子模块数目变化较大时，意味着部分耗能子模块电压在未达到电压限值时就需要被强制投入或退出，从而增大了子模块开关频率。如何产生一个合适的耗能子模块需投入数目对分布式直流耗能装置控制起到重要作用。
[0031]
图2是本申请实施例提供的一种分布式直流耗能装置的构成示意图。
[0032]
参见图2，分布式直流耗能装置200包括串联连接的多个耗能子模块sm和控制模块210(未示出)，控制模块210的功能组成框图见图4。
[0033]
图3是本申请实施例提供的一种耗能子模块的构成示意图。
[0034]
参见图3，耗能子模块sm包括耗能电阻r
b
、储能电容c以及可控开关q1。可控开关q1并联二极管d2。
[0035]
通过控制可控开关q1的开合可以控制耗能子模块sm的投退。当耗能子模块sm投入时耗能电阻r
b
耗能，耗能子模块电压下降。当耗能子模块退出时通过二极管d2给储能电容c储能，耗能子模块电压上升。所以当电压高于上限阈值时投入耗能子模块，当电压低于下限阈值时退出耗能子模块。
[0036]
图4是本申请实施例提供的一种分布式直流耗能装置的控制模块功能组成框图。
[0037]
参见图4，控制模块210包括功率计算单元211、电压计算单元212、总量计算单元213、控制单元214。
[0038]
功率计算单元211基于分布式直流耗能装置的消耗功率，计算需投入的耗能子模块的第一数量。电压计算单元212基于直流母线电压测量值和直流母线电压控制目标值，计算需投入的耗能子模块的第二数量。总量计算单元213将第一数量和第二数量之和，作为需投入的耗能子模块的总数量。控制单元214基于需投入的耗能子模块的总数量，控制投入或退出耗能子模块。
[0039]
图5是本申请实施例提供的一种分布式直流耗能装置的控制方法流程示意图。
[0040]
参加图5，在s110中，基于分布式直流耗能装置的消耗功率，计算需投入的耗能子模块的第一数量。
[0041]
根据一些实施例，采集分布式直流耗能装置所在支路的电流和直流电压，分布式直流耗能装置的消耗功率等于分布式直流耗能装置的电流和直流电压的乘积。
[0042]
设定直流母线电压为u
d
，允许的直流母线电压变换范围上限为为u
dmax
，下限为u
dmin
，则u
d
<u
dmax
且u
d
>u
dmin
。当前直流输送功率为p
d
，耗能装置当前测得的电流为i
c
。耗能装置子模块总数目为n。则单个耗能子模块平均电压为当一个耗能子模块投入耗能时，耗能子模块的耗能电阻的阻值为r，耗能子模块的平均消耗功率
[0043]
当陆上换流站的交流侧400发生三相故障时，富裕功率不能输送，堆积在直流线路上，造成直流输送电压上升。当该直流母线电压上升u
d
>u
dmax
时，启动分布式直流耗能装置200。
[0044]
根据一些实施例，获取当前耗能装置的消耗功率p
c
＝u
d
·
i
c
。
[0045]
将分布式直流耗能装置的消耗功率p
c
除以单个耗能子模块投入时的平均功率p
cm
，再乘以加权系数k
p
，得到需投入的耗能子模块的第一数量n
1p
。
[0046]
计算公式为：本实施例中k
p
＝1，n
1p
四舍五入取整。
[0047]
根据一些实施例，当倾向于调低直流电压时，基于功率计算需投入的耗能子模块的第一数量的系数k
p
可以取大于1的数，例如k
p
＝1.05。
[0048]
参加图5，在s120中，基于直流母线电压测量值和直流母线电压控制目标值，计算需投入的耗能子模块的第二数量。
[0049]
根据一些实施例，将直流母线电压测量值与直流母线电压控制目标值相减，得到电压差值。将电压差值乘以比例系数k
u
，得到需投入的耗能子模块的第二数量n
1u
。
[0050]
设定直流母线电压控制目标值为u
r
。
[0051]
计算需投入的耗能子模块的第二数量n
1u
＝k
u
(u
d-u
r
)，n
1u
四舍五入取整。
[0052]
根据一些实施例，当u
d
≥u
r
时，
[0053]
直流母线电压测量值大于等于直流母线电压控制目标值，需要投入更多的耗能子模块进行耗能，当直流母线电压达到直流母线电压允许上限时，所有耗能子模块都投入了。
[0054]
当u
d
≤u
r
时，
[0055]
直流母线电压测量值小于等于直流母线电压控制目标值，需要退出耗能子模块减少耗能，当直流母线电压达到直流母线电压允许下限时，所有耗能子模块都退出了。
[0056]
当u
d
＝u
r
时，n
1u
＝0，k
u
可取任意值。
[0057]
其中，u
d
为直流母线电压测量值，u
r
为直流母线电压控制目标值，k
u
为比例系数，n为耗能子模块的最低总数量，n
1p
为需投入的耗能子模块的第一数量，u
dmax
为直流母线电压允许上限，u
dmin
为直流母线电压允许下限，n＝p
dmax
/p
cm
，p
dmax
为直流最大输送功率，p
cm
为单个耗能子模块投入时的平均功率。
[0058]
可选地，根据一些实施例，比例系数k
u
也可以根据以下步骤进行计算。
[0059]
当u
d
≥u
r
时，直流母线电压测量值大于等于直流母线电压控制目标值，需要投入耗能子模块进行耗能，
[0060]
当u
d
≤u
r
时，直流母线电压测量值小于等于直流母线电压控制目标值，需要退出耗能子模块减少耗能，
[0061]
其中，分子取预设定值为耗能子模块最低总数量n。n＝p
dmax
/p
cm
，p
dmax
为直流最大输送功率，p
cm
为单个耗能子模块投入时的平均功率。u
d
为直流母线电压测量值，u
r
为直流母线电压控制目标值，k
u
为比例系数，n为耗能子模块的最低总数量，u
dmax
为直流母线电压允许上限，u
dmin
为直流母线电压允许下限。
[0062]
当(u
d-u
r
)等于0时，n
1u
＝0，k
u
可取任意值。
[0063]
根据k
u
的值计算出需投入的耗能子模块的第二数量n
1u
。
[0064]
根据一些实施例，此处的预设值n也可以根据实际情况选择其他参数，并不以此为限。
[0065]
可选地，根据一些实施例，计算需投入的耗能子模块的第二数量也可以通过pi比例积分控制器进行计算。将直流母线电压测量值与直流母线电压控制目标值相减，得到电
压差值。将电压差值经过比例积分调节器调节，得到需投入的耗能子模块的第二数量。
[0066]
耗能子模块第二数量包括有效子模块数量和冗余子模块数量。该有效子模块数量为可以消耗所要求的最大功率对应的最低子模块数目。该最大功率一般为直流系统最大输送功率。大于号即表示可以选择一定数量的冗余子模块。冗余数目根据裕度要求而定，裕度越大，冗余数目越多。
[0067]
参加图5，在s130中，将需投入的耗能子模块的第一数量和第二数量之和，作为需投入的耗能子模块的总数量。
[0068]
根据一些实施例，根据上述计算结果，可以计算出根据功率得到的需投入的耗能子模块的第一数量n
1p
和根据电压得到的需投入的耗能子模块的第二数量n
1u
。
[0069]
需投入的耗能子模块的总数量n1为二者之和。即：n1＝n
1p
+n
1u
。
[0070]
参加图5，在s140中，基于需投入的耗能子模块的总数量，控制投入或退出耗能子模块。
[0071]
根据一些实施例，对耗能子模块的电压进行排序。当需投入的耗能子模块的总数量大于实际已投入的耗能子模块的数量时，按照电压由大到小依次投入未投入的耗能子模块。当需投入的耗能子模块的总数量小于实际已投入的耗能子模块的数量时，按照电压由小到大依次退出多投入的耗能子模块。
[0072]
具体而言，获取需投入的耗能子模块的总数量后，通过均压控制算法选择耗能子模块进行控制。均压排序原则为优先投入电压较大的耗能子模块，优先退出电压较小的耗能子模块。当某一个耗能子模块电压超过子模块电压上限或低于子模块电压下限时，需进行强制均压置换。
[0073]
耗能子模块的电压低于下限阈值或高于上限阈值时，置换耗能子模块。也就是说退出该耗能子模块，投入另外的耗能子模块。
[0074]
故障刚发生时，分布式直流耗能装置功率为0，此时主要基于电压计算需投入的耗能子模块的第二数量作为瞬时控制。
[0075]
当故障进入稳态后，分布式直流耗能装置功率约等于因故障而损失掉的功率，只要基于功率计算需投入的耗能子模块的第一数量所代表的耗能装置消耗功率能够匹配该损失掉的功率，电压就可以维持在一个稳定的范围内。确保耗能子模块需投入数目在工作点附近做适当调整，保证了耗能子模块需投入数目变化率维持在一个较小值，从而有效降低子模块的开关控制频率。此时基于电压计算需投入的耗能子模块的第二数量仅起到微调作用，以基于功率计算需投入的耗能子模块的第一数量控制为主。既保证了故障瞬间耗能装置的瞬时调控能力，也保证了稳态期间子模块需投入数目调整的范围。
[0076]
根据本申请实施例提供的技术方案，无须与其它系统通信，将耗能子模块的数量分为基于功率计算的第一数量和基于电压计算的第二数量，基于电压计算的第二数量能保证故障瞬间耗能装置的瞬时调控能力，耗能装置稳态工作期间，基于功率计算的第一数量能够很好地反应耗能装置需实际消耗的富裕功率，确保耗能子模块需投入数量在工作点附近做适当调整，可保证耗能子模块需投入数量变化率维持在一个较小值，从而有效降低耗能子模块的开关控制频率，既能保证故障瞬间耗能装置的瞬时调控能力，也减小了故障稳态期间耗能子模块需投入数量的变化率。
[0077]
需要说明的是，以上参照附图所描述的每个实施例仅用以说明本申请而非限制本
申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。