基于混合级联直流输电系统的协调控制方法及系统与流程

1.本发明属于直流输电领域，尤其是涉及一种混合级联直流输电系统的协调控制方法及系统。


背景技术：

2.近年来，混合级联直流输电技术由于其成本低、损耗小和能够实现有功功率及无功功率解耦控制、结构紧凑占地面积小、不存在逆变侧换相失败问题等显著有点，获得了快速的发展。混合级联直流输电系统的拓扑结构包括整流侧采用lcc(电网换相换流器)和逆变侧采用高端lcc换流器串联低端多个电压源换流器vsc，该拓扑方案可以充分发挥lcc换流器和vsc技术优势。基于电压源换流器的柔性直流输电(vsc-hcdv)技术相比于常规直流输电控制灵活，可以向无源或者弱点网供电，可以将分布式能源以经济、环保的方式并入电网，具有广阔的应用前景。
3.然而，混合级联直流输电系统作为新一代直流输电技术，仍有多个关键技术亟需解决。比如，高压/超高压混合级联直流输电系统采用的换流器基本上都由晶闸管构成，但是由晶闸管构成的lcc在逆变侧需要有电源支撑，在逆变侧交流电压跌落或谐波含量增加时容易发生换相失败。如果受端电网同时发生多回直流换相失败，将会引起受端电网频率的大幅波动。此外lcc在运行过程中还需要消耗大量无功功率，在直流运行条件发生变化或直流闭锁时容易导致送端或受端电网电压大幅波动。
4.因此，如何提供一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法和系统，以在保证电网安全运行的同时，减少负荷和发电损失，日益成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
5.需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法和系统，以及及时、有效处理混合级联直流输电系统本身的威胁直流安全稳定运行的故障，在保证电网安全运行的基础上，减少负荷和发电损失。
7.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构包括整流侧、逆变侧以及连接所述整流侧和所述逆变侧的直流输电线路；所述协调控制方法包括以下步骤：
8.s1：构建所述混合级联直流输电系统的仿真模型；
9.s2：计算所述混合级联直流输电系统接入电网后的潮流，通过调整运行方式使其满足n-1法则；
10.s3：构建所述混合级联直流输电系统的预想故障集；
11.s4：在所述运行方式下实时获取电网运行参数，并根据所述电网运行参数，通过所述仿真模型判断在所述预想故障集下电网能否安全稳定运行，若否，执行步骤s5，否则，重复执行步骤s4；
12.其中，所述电网运行参数包括功角、电压和频率；
13.s5：使用所述混合级联直流输电系统的基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧运行，执行步骤s4。
14.可选地，步骤s5中，所述基本控制策略包括所述整流侧和所述逆变侧的lcc换流器均采用定直流电流控制，所述逆变侧的vsc换流器采用定直流电压控制和定交流电压控制。
15.可选地，所述整流侧的lcc换流器采用定直流电流控制的方法包括，
16.在正常电压水平下，所述整流侧的lcc换流器采用定直流电流控制；
17.若直流或交流电压上升，则切换工作方式，采用激活最小触发角控制；
18.若直流电压因系统扰动而下降第一预设阈值时，vdcol控制器投入运行以降低直流电流指令值。
19.可选地，所述逆变侧的lcc换流器采用定直流电流控制的方法，包括，
20.在正常工作时，所述逆变侧的lcc换流器采用定直流电流控制；
21.若所述逆变侧的直流电流下降幅度超过第二预设阈值和/或所述逆变侧的直流电压下降幅度超过第三预设阈值且小于第四预设阈值时，则切换工作方式，启动所述逆变侧的lcc换流器最小熄弧角控制；
22.若所述逆变侧的直流电压超过所述第四预设阈值时，则启动vdcol控制器进行低压限流。
23.可选地，所述逆变侧的vsc换流器采用定直流电压控制和定交流电压控制的方法包括，
24.所述vsc换流器负责平衡系统传输的功率，若两侧产生波动造成功率不平衡，则直流侧电容通过充放电实现电压的平稳变化，直流电压控制器将接收到的直流电压指令值与实际测量的直流电压进行比较得到调制度信号，用以对交流侧电压进行控制，保证交流电压的稳定。
25.可选地，所述逆变侧还包括闭锁控制模块；
26.所述逆变侧的vsc换流器采用定直流电压控制和定交流电压控制的控制方法，还包括，
27.若交流电压低于闭锁设定值，向pwm输入闭锁信号，闭锁所述vsc换流器；
28.若交流电压回升至第五预设阈值，向pwm输入解锁信号，解锁所述vsc换流器。
29.可选地，步骤s5中，还包括，当所述基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧无法满足电网安全稳定运行时，采用切机切负荷和/或故障解列方式以使得电网安全稳定运行。
30.可选地，所述仿真模型包括所述整流侧的等效模型、所述逆变侧的等效模型、换流站的等效模型和控制器的等效模型。
31.可选地，步骤s3中，所述预想故障集包括，常规电网故障和所述混合级联直流输电系统的故障；
32.其中，所述混合级联直流输电系统的故障包括换流阀故障、换流站整流侧故障和/
或逆变侧故障。
33.基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于混合级联直流输电系统的协调控制系统，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构包括整流侧、逆变侧以及连接所述整流侧和所述逆变侧的直流输电线路；所述协调控制系统包括，
34.仿真模型构建单元，被配置为构建所述混合级联直流输电系统的仿真模型；
35.运行方式调整单元，被配置为计算所述混合级联直流输电系统接入电网后的潮流，通过调整运行方式使其满足n-1法则；
36.预想故障集构建单元，被配置为构建所述直流混合级联直流输电系统的预想故障集；
37.安稳运行判断单元，被配置为在所述运行方式下实时获取电网运行参数，并根据所述电网运行参数，通过所述仿真模型判断在所述预想故障集下电网能否安全稳定运行；其中，所述电网运行参数包括功角、电压和频率；
38.基本策略实施单元，被配置为使用所述混合级联直流输电系统的基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧运行。
39.与现有技术相比，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，具有以下有益效果：
40.本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，所述协调控制方法包括以下步骤：构建所述混合级联直流输电系统的仿真模型；计算所述混合级联直流输电系统接入电网后的潮流，通过调整运行方式使其满足n-1法则；构建所述混合级联直流输电系统的预想故障集；在所述运行方式下实时获取电网运行参数，并根据所述电网运行参数，通过所述仿真模型判断在所述预想故障集下电网能否安全稳定运行，若否，使用所述混合级联直流输电系统的基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧运行。由此可见，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，通过仿真模型和预想故障集以及实时获取的电网运行参数，能够提前预判若在预想故障集下电网不能安全稳定运行，通过采用基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧运行，及时、有效处理混合级联直流输电系统本身的威胁直流安全稳定运行的故障，提高了电网系统的稳定性。
41.进一步地，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，所述整流侧的lcc换流器采用定直流电流控制的方法，在正常电压水平下，所述整流侧的lcc换流器采用定直流电流控制；若直流或交流电压上升，则切换工作方式，采用激活最小触发角控制；若直流电压因系统扰动而下降第一预设阈值时，vdcol控制器投入运行以降低直流电流指令值。如此配置，通过最小触发角控制，能够避免电压失控，利于故障的恢复。
42.再进一步地，所述逆变侧的lcc换流器采用定直流电流控制的方法，包括，在正常工作时，所述逆变侧的lcc换流器采用定直流电流控制；若所述逆变侧的直流电流下降幅度超过第二预设阈值和/或所述逆变侧的直流电压下降幅度超过第三预设阈值且小于第四预设阈值时，则切换工作方式，启动所述逆变侧的lcc换流器最小熄弧角控制；若所述逆变侧的直流电压超过所述第四预设阈值时，则启动vdcol控制器进行低压限流。通过启动最小熄弧角控制，能够减少关断角减小过多引起换相失败发生的概率，从而保证电网安全、稳定运行。
43.更进一步地，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，所
述混合级联直流输电系统的基本控制策略优先考虑所述混合级联直流输电系统自身的调节能力，当所述混合级联直流输电系统自身的控制能力不足时，再考虑常规的切机切负荷、故障解列等措施。由此能够在保证系统安全的同时，减小负荷和发电损失。
44.由于本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制系统，与本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，属于同一发明构思，至少具有相同的有益效果，不再一一赘述。
附图说明
45.图1为本发明实施例基于的其中一种混合级联直流输电系统的拓扑结构示意图；
46.图2为本发明实施例提供的其中一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法的流程图；
47.图3为本发明实施例提供的其中一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法的其中一种混合级联直流输电系统的稳态特性曲线示意图；
48.图4为图1中整流侧lcc换流器的控制结构示意图；
49.图5为图1中逆变侧lcc换流器的控制结构示意图；
50.图6为图1中逆变侧vsc换流器的控制结构示意图；
51.图7为添加了整流侧添加了最小触发角α和逆变侧添加了最小媳弧角δ控制的示意图；
52.图8为本发明实施例提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法的启停控制流程示意图；
53.图9为本发明实施例提供的其中一种基于混合级联直流输电系统的协调控制系统的结构示意图；
54.其中，附图标记说明如下：
55.100-仿真模型构建单元、200-运行方式调整单元、300-预想故障集构建单元、400-安稳运行判断单元、500-基本策略实施单元。
具体实施方式
56.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法及系统作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。以及，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
57.在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一
些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
58.在具体说明本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法和系统之前，先简要介绍一下所述混合级联直流输电系统的拓扑结构，参见附图1，为所述混合级联直流输电系统的拓扑结构示意图，从图中可以看出，所述混合级联直流输电系统(柔性直流输电系统)的拓扑结构包括整流侧、逆变侧以及连接所述整流侧和所述逆变侧的直流输电线路。所述整流侧和所述逆变侧均具有lcc换流器，所述逆变侧具有vsc换流器。
59.发明人经研究发现，柔性直流输送的有功功率主要取决于移相角δ、无功功率主要取决于柔直整流侧输出电压的幅值。即从输电原理来看，柔性直流输电原理与交流系统类似。但是由于柔直的控制功能，可能根据需求灵活调整移相角和交流侧幅值，从而调整柔性直流线路的有功和无功功率的大小和方向。
60.经过不断深入的研究和反复时间，本技术的发明人总结得出柔性直流输电控制系统分为三级控制：分别为系统级控制、换流站级控制以及阀组级控制。其中，所述系统级控制可以实现有功、无功功率指令值的改变，从而控制输出功率的变化。柔性直流输电系统不仅不需要交流侧提供无功功率，还可根据电网的无功需求灵活地调节无功功率，动态补偿交流母线的无功功率，有利于稳定交流母线电压。同时，柔性直流输电系统可快速灵活地调整有功功率的大小和方向，可在电网发生故障时向系统提供有功和无功紧急支撑。基于此，柔性直流可通过合理灵活调节线路有功和无功功率，提高电力系统的安全稳定。
61.柔性直流输电系统的最大特点是柔性直流有功无功解耦控制及其快速可调特性。与常规直流不同的是，柔性直流在紧急调整有功功率的同时，无需交流系统提供大量的无功支撑。
62.基于上述研究，本技术的发明人创造性地得出在制定协调控制策略时，应将柔性直流自身的调节能力作为首选措施，在保证系统安全稳定运行的同时，减小负荷和发电损失。
63.具体地，所述安全稳定运行包括功角稳定性和电压稳定性，分别说明如下：
64.1.功角稳定特性
65.在故障发生后，柔性直流通过本身快速功率调节能力，减小了送受端的功率差异，有利于系统功角稳定。通过柔性直流输电系统对有功功率的调节，改变交流线路潮流分布，抑制了交流线路两端功角的快速变化。
66.2.电压稳定性
67.常规直流运行时需要系统提供较大的无功支撑，扰动过程中系统需要为常规直流提供更多的无功支撑；而柔直可以实现有功无功解耦控制，扰动发生后其需要的无功基本保持不变，柔直可以为系统提供更多的无功支撑作用，电压跌落较小，有利于系统恢复正常运行。
68.具体地，请参见附图2，为本发明实施例提供的其中一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法的流程示意图，所述协调控制方法包括以下步骤：
69.s1：构建所述混合级联直流输电系统的仿真模型。
70.s2：计算所述混合级联直流输电系统接入电网后的潮流，通过调整运行方式使其满足n-1法则。
71.s3：构建所述混合级联直流输电系统的预想故障集。
72.s4：在所述运行方式下实时获取电网运行参数，并根据所述电网运行参数，通过所述仿真模型判断在所述预想故障集下电网能否安全稳定运行，若否，执行步骤s5，否则，重复执行步骤s4。其中，所述电网运行参数包括功角、电压和频率。
73.s5：使用所述混合级联直流输电系统的基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧运行；执行步骤s4。
74.由此可见，本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，通过仿真模型和预想故障集以及实时获取的电网运行参数，能够提前预判若在预想故障集下电网不能安全稳定运行，通过采用基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧运行，及时、有效处理混合级联直流输电系统本身的威胁直流安全稳定运行的故障。
75.参见附图3，为本发明实施例提供的其中一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法的其中一种混合级联直流输电系统的稳态特性曲线示意图，从图中可以看出，定直流电流控制(bg段)和定直流电压控制(ce段)为正常状态下所述整流侧和所述逆变侧的工作状态。当故障发生导致直流侧电压上升时，为保证整流器在一定范围内维持正常工作，lcc将自动转入最小触发角α控制(ab段)，另外，vdcol环节会在直流电压大幅下降时投入运行，以达到降低直流电流指令值的目的，从而有助于故障的恢复；而当所述逆变侧发生故障时，直流电流会与直流电压一同下降，若降幅超过
△idref
，为避免系统失控，所述逆变侧转入定直流电流控制(cf段)状态，此时直流电压若继续降低，则与所述整流侧类似，也会启动低压限流环节，用来限制持续的过电流(短路电流)，以保证系统安全、稳定运行。
76.优选地，在其中一种示例性实施方式中，步骤s5中，所述基本控制策略包括所述整流侧和所述逆变侧的lcc换流器均采用定直流电流控制，所述逆变侧的vsc换流器采用定直流电压控制和定交流电压控制。
77.优选地，在其中一种示例性实施方式中，从附图3可以看出，所述整流侧的lcc换流器采用定直流电流控制的方法包括，在正常电压水平下，所述整流侧的lcc换流器采用定直流电流控制；若直流或交流电压上升，则切换工作方式，采用激活最小触发角控制；若直流电压因系统扰动而下降第一预设阈值时，vdcol控制器投入运行以降低直流电流指令值。具体地，参见附图4，为整流侧lcc换流器的控制结构示意图。即：在正常电压水平下，其工作状态为定直流电流控制，若直流或交流电压上升，则切换控制方式，否则会导致系统进一步恶化，因此激活最小触发角控制，以此避免电压失控；当直流电压因系统扰动而大幅下降时，vdcol控制器投入运行，主动降低直流电流的参考指令值来帮助故障的恢复，最后通过最小选择器，将最小电流指令输入pi控制器。
78.优选地，在其中一种示例性实施方式中，所述逆变侧的lcc换流器采用定直流电流控制的方法，包括，在正常工作时，所述逆变侧的lcc换流器采用定直流电流控制；若所述逆变侧的直流电流下降幅度超过第二预设阈值和/或所述逆变侧的直流电压下降幅度超过第三预设阈值且小于第四预设阈值时，则切换工作方式，启动所述逆变侧的lcc换流器最小熄弧角控制；若所述逆变侧的直流电压超过所述第四预设阈值时，则启动vdcol控制器进行低压限流。具体地，请参见附图5，为所述逆变侧的lcc换流器的控制结构示意图，正常工作时，与整流器一样，所述逆变侧的lcc换流器也处于定直流电流控制状态，当故障发生时，启动lcc换流器最小媳弧角控制，避免关断角减小过多引起换相失败，此外vdcol环节在系统故障导致电压下降时投入使用，最终，两种控制器通过pi环节输入最大值选择器，由此生成
lcc换流器的控制触发角。
79.优选地，在其中一种示例性实施方式中，所述逆变侧的vsc换流器采用定直流电压控制和定交流电压控制的方法包括，所述vsc换流器负责平衡系统传输的功率，若两侧产生波动造成功率不平衡，则直流侧电容通过充放电实现电压的平稳变化，直流电压控制器将接收到的直流电压指令值与实际测量的直流电压进行比较得到调制度信号，用以对交流侧电压进行控制，保证交流电压的稳定。具体地，请参见附图6，为逆变侧vsc换流器的控制结构示意图，从图中可以看出，采用定直流电压控制，因此相当于系统中的有功功率平衡点，负责平衡系统传输的功率。若其两侧产生波动造成功率不平衡，则会破坏直流电压稳定，此时直流侧电容通过充放电实现电压的平稳变化，直流电压控制器接收到上级控制中的直流电压指令值u
dcref
，与实际测量的直流电压进行比较后得到调制度信号。由于vsc换流器有两个可控制量，因此还能够对交流侧电压进行控制，保证交流电压的稳定。
80.优选地，在其中一种示例性实施方式中，所述逆变侧还包括闭锁控制模块。所述逆变侧的vsc换流器采用定直流电压控制和定交流电压控制的控制方法，还包括，若交流电压低于闭锁设定值，向pwm输入闭锁信号，闭锁所述vsc换流器；若交流电压回升至第五预设阈值，向pwm输入解锁信号，解锁所述vsc换流器。请继续参见附图6，作为保护措施，在该控制器中添加了闭锁控制模块，当交流侧故障导致直流电压急剧下降时，直流电容会瞬间放电，此时电力电子器件或因过电流而受损。因此当交流电压低于闭锁设定值时，向pwm输入闭锁信号以达到保护电力电子器件的目的；当交流电压回升至设定范围时，向pwm输入解锁信号，此时vsc解锁并重新恢复正常运行。
81.参见附图7，整流侧lcc换流器除基本控制外还添加了最小触发角α控制和vdcol控制器低压限流控制，逆变侧lcc换流器除基本控制外也添加了最小媳弧角δ控制和vdcol环节。
82.优选地，在其中一种示例性实施方式中，步骤s5中，还包括，当所述基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧无法满足电网安全稳定运行时，采用切机切负荷和/或故障解列方式以使得电网安全稳定运行。
83.优选地，在其中一种示例性实施方式中，所述仿真模型包括但不限于所述整流侧的等效模型、所述逆变侧的等效模型、换流站的等效模型和控制器的等效模型。
84.优选地，在其中一种示例性实施方式中，步骤s3中，所述预想故障集包括，常规电网故障和所述混合级联直流输电系统的故障。其中，所述混合级联直流输电系统的故障包括换流阀故障、换流站整流侧故障和/或逆变侧故障。
85.进一步地，在其中一种示例性实施方式中，所述基本控制策略的启停控制方法，包括，对于所述整流侧，与常规特高压直流工程一致，采用定直流电流控制；对于所述逆变侧，高端lcc换流器采用定电压控制，底端的多个vsc换流器，其中一个采用定电流电压控制，其他采用定有功功率控制。
86.具体地，参见附图8，在启动所述基本控制策略控制时，包括如下步骤：
87.所述逆变侧的vsc换流器定电压解锁；所述逆变侧的lcc换流器定电压解锁；所述整流侧的高低端lcc换流器定电流解锁。
88.与此相对应，在停运所述基本控制策略控制时，包括如下步骤：
89.所述整流侧的高低端lcc换流器移相降电流；所述逆变侧的lcc换流器正常闭锁；
所述逆变侧的vsc换流器正常闭锁。
90.基于同一发明构思，本发明的其他实施例还提供了一种基于混合级联直流输电系统的协调控制系统，其中，所述混合级联直流输电系统的拓扑结构包括整流侧、逆变侧以及连接所述整流侧和所述逆变侧的直流输电线路。
91.参见附图9，所述基于混合级联直流输电系统的协调控制系统包括：仿真模型构建单元100、运行方式调整单元200、预想故障集构建单元300、安稳运行判断单元400和基本策略实施单元500。具体地，所述仿真模型构建单元100被配置为构建所述混合级联直流输电系统的仿真模型；所述运行方式调整单元200被配置为计算所述混合级联直流输电系统接入电网后的潮流，通过调整运行方式使其满足n-1法则；所述预想故障集构建单元300，被配置为构建所述直流混合级联直流输电系统的预想故障集；所述安稳运行判断单元400，被配置为在所述运行方式下实时获取电网运行参数，并根据所述电网运行参数，通过所述仿真模型判断在所述预想故障集下电网能否安全稳定运行；其中，所述电网运行参数包括功角、电压和频率；所述基本策略实施单元，被配置为使用所述混合级联直流输电系统的基本控制策略控制所述整流侧和/或所述逆变侧运行。
92.由于本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制系统，与本发明提供的一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法，属于同一发明构思，至少具有相同的有益效果，不再一一赘述。
93.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
94.综上，上述实施例对一种基于混合级联直流输电系统的协调控制方法及系统的不同构型进行了详细说明，当然，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。