本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)柔性直流輸電技術領域的控制方法，具體涉及一種直流電網(wǎng)分層能量平衡控制方法。

背景技術：

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，可再生能源發(fā)電所占比重不斷增加，海上風電資源亟待有效利用，大型城市電網(wǎng)所面臨的負荷快速增長與輸電走廊緊缺、短路電流超標之間的矛盾也日益突出，給現(xiàn)有電網(wǎng)帶來極大挑戰(zhàn)。電壓源型高壓多端直流輸電以其高度可控、靈活高效的特點，成為解決以上問題的有效技術手段。

作為新一代電壓源型換流器，模塊化多電平換流器采用模塊化設計，結構靈活且易于擴展；因此MMC是構建直流電網(wǎng)的優(yōu)選拓撲。本專利基于MMC的直流電網(wǎng)為對象進行說明。

直流電網(wǎng)是一個具有先進的能量輸送系統(tǒng)，因此直流系統(tǒng)各層次間能量平衡控制對于直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。當前直流電網(wǎng)能量平衡控制主要考慮換流站間的能量平衡控制，而現(xiàn)有直流電網(wǎng)換流站間協(xié)調控制策略，多根據(jù)其直流電流-電壓特性與交流系統(tǒng)的有功-頻率特性的對偶性類比而得，但由于直流電網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲形式、設備特性、動態(tài)響應速度和網(wǎng)絡耦合緊密度與交流系統(tǒng)完全不同，造成現(xiàn)有控制策略控制精度、響應速度不夠，系統(tǒng)的控制效果無法達到最優(yōu)，運行經(jīng)濟性不高。隨著直流電網(wǎng)換流站容量和電壓等級的提升、網(wǎng)絡拓撲形式的多樣化以及聯(lián)結端數(shù)的迅速增加，這種控制策略設計方法的弊端愈加凸顯，亟需根據(jù)直流電網(wǎng)的特點進行合理優(yōu)化。

直流電網(wǎng)的能量平衡控制策略是整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的核心。當前直流系統(tǒng)能量平衡控制策略多根據(jù)其直流電流-電壓特性與交流系統(tǒng)的有功-頻率特性的對偶性類比而得；但由于直流系統(tǒng)的拓撲形式、設備特性、動態(tài)響應速度和網(wǎng)絡耦合緊密度與交流系統(tǒng)完全不同，造成現(xiàn)有控制策略控制精度、響應速度不夠，系統(tǒng)的控制效果無法達到最優(yōu)，運行經(jīng)濟性不高。隨著直流電網(wǎng)中換流器容量和電壓等級的提升、直流網(wǎng)絡拓撲形式的多樣化以及聯(lián)結端數(shù)的迅速增加，這種控制策略設計方法的弊端愈加凸顯，無法適應模塊化多電平型換流器暫穩(wěn)態(tài)能量在更小時間尺度上進行平衡調控的苛刻要求。亟需根據(jù)直流系統(tǒng)的特點進行合理優(yōu)化。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于模塊化多電平換流器的直流電網(wǎng)分層能量平衡控制方法。

本發(fā)明的目的是采用下述技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種直流電網(wǎng)分層能量平衡控制方法，其改進之處在于，所述控制方法包括換流閥級控制、換流站級控制和直流電網(wǎng)系統(tǒng)級控制；

其中換流閥級控制和換流站級控制均是基于換流站本地信息的控制；直流電網(wǎng)系統(tǒng)級控制是基于直流電網(wǎng)中所有換流器信息的控制，實現(xiàn)換流站間的協(xié)調控制。

進一步地，所述直流電網(wǎng)系統(tǒng)級控制采用直流電壓-功率下垂控制策略，所述直流電壓-功率下垂控制策略包括在直流電網(wǎng)中選定一個直流電壓控制主控站和多個下垂控制換流站，共同承擔直流電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡控制；除直流電壓控制主控站外，設定一個換流站為備用直流電壓控制站，即當直流電壓控制主控站不具備功率調節(jié)能力或直流電壓控制主控站調節(jié)能力功率運行點已超過功率運行區(qū)間90％范圍時，將直流電壓控制主控站切換為定功率控制模式，并將備用直流電壓控制站切換為直流電壓控制主控站；下垂控制換流站正常工作時，其直流電壓反饋控制采用直流電壓控制主控站直流端口電壓作為反饋量進行調節(jié)；當下垂控制站失去通信時，其下垂控制電壓反饋量采用本地直流電壓測量量。

進一步地，所述換流站級控制采用電流矢量控制，通過內外環(huán)控制實現(xiàn)對有功功率和無功功率的解耦控制，并通過限幅環(huán)節(jié)，對過電流進行限制，內環(huán)電流控制公式如下：

式中，i^*_sd、i^*_sq分別為有功電流和無功電流的參考值；i_sd、i_sq分別為有功電流和無功電流的實際值；v′_d、v′_q分別為內環(huán)d、q軸電壓指令；K_P1、K_P2為內環(huán)比例調節(jié)系數(shù)；K_I1、K_I2分別為內環(huán)積分調節(jié)系數(shù)。

進一步地，所述換流閥級控制包括在模塊化多電平換流器換流閥級控制引入子模塊電容電壓預估控制，實現(xiàn)對模塊化多電平換流器內部能量平衡的控制，包括：

1)基于橋臂功率補償?shù)淖幽K電容電壓：根據(jù)橋臂功率補償估算各橋臂的子模塊電容電壓，利用最近電平逼近調制方法得到橋臂期望投入的子模塊數(shù)：

根據(jù)式(1)估算得到模塊化多電平換流器第k相上、下橋臂的子模塊電容電壓指令值時，再根據(jù)調制方法(調制方法包括：脈沖寬度調制和最近電平逼近調制)得到模塊化多電平換流器第k相上、下橋臂子模塊期望投入到子模塊數(shù)N_kpref和N_knref：

式中：N為各橋臂子模塊數(shù)；C₀為子模塊電容值，U₀為子模塊額定電壓值；u_dc為直流電壓；i_zk0為流過橋臂的直流電流；u_{ck_dc}、u_{ck_ω}、u_{ck_2ω}分別為橋臂子模塊電容電壓直流分量、交流基頻和二倍頻分量；p_{k_dc}、p_{k_ω}、p_{k_2ω}分別為橋臂瞬時功率中的直流分量、交流基頻和二倍頻分量；E為交流側相電壓幅值；I為交流側電流幅值；ω為交流側相頻率；t表示時間；φ表示交流側電壓與電流功率角；NINT()為取整函數(shù)；為附加調制電壓指令，由環(huán)流控制得到；為模塊化多電平換流器交流側輸出電壓指令值；分別表示表示上、下橋臂子模塊電容電壓參考值；p表示上橋臂，n表示下橋臂。

與最接近的現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的技術方案具有的優(yōu)異效果是：

本發(fā)明提供一種基于模塊化多電平換流器的直流電網(wǎng)分層能量平衡控制方法，該方法能在多時間尺度下實現(xiàn)直流電網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡控制，提高系統(tǒng)運行的靈活性和穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供一種基于模塊化多電平換流器的直流電網(wǎng)分層能量平衡控制方法，可實現(xiàn)換流站間能量和換流站內部能量在不同時間尺度下能量平衡控制，提高系統(tǒng)運行的靈活性和穩(wěn)定性；在調制環(huán)節(jié)通過對子模塊電容電壓進行控制，實現(xiàn)對模塊化多電平換流器能量平衡進行快速調控，避免模塊化多電平換流器內出現(xiàn)過大的電氣應力，擴大模塊化多電平換流器的 運行區(qū)間和調節(jié)能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的直流電網(wǎng)系統(tǒng)級控制邏輯圖；

圖3是本發(fā)明提供的換流站級控制邏輯圖；

圖4是本發(fā)明提供的換流閥級控制邏輯圖；

圖5是本發(fā)明提供的內環(huán)電流控制邏輯圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發(fā)明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發(fā)明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發(fā)明或發(fā)明構思。

將直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)按其功能分為換流閥級控制、換流站級控制和直流電網(wǎng)系統(tǒng)級控制，如圖1所示。其中換流閥級控制和換流站級控制都是基于換流站本地信息的控制；而系統(tǒng)級控制是基于直流電網(wǎng)中所有換流器的信息從而實現(xiàn)換流站間的協(xié)調控制。

直流電網(wǎng)系統(tǒng)級控制：采用直流電壓-功率下垂控制策略。該方法在直流電網(wǎng)中選定一個直流電壓控制主控站和多個下垂控制換流站，共同承擔系統(tǒng)功率平衡控制。除直流電壓控制主控站外，還需要設定一個站為備用直流電壓控制站，即當直流電壓控制主控站不具備功率調節(jié)能力或調節(jié)能力較弱時，將直流電壓控制主控站切換為定功率控制模式，并將備用直流電壓控制站切換為直流電壓主控站。下垂控制站正常工作時，其直流電壓反饋控制采用直流電壓控制主控站直流端口電壓作為反饋量進行調節(jié)；當下垂控制站失去通信時，其下垂控制電壓反饋量采用本地直流電壓測量量。直流電網(wǎng)系統(tǒng)級控制邏輯圖如圖2所示。

換流站級控制：采用電流矢量控制，通過內外環(huán)控制實現(xiàn)對有功功率和無功功率的解耦控制；并通過限幅環(huán)節(jié)，對過電流進行限制。內環(huán)電流控制公式如下：

式中，i^*_sd、i^*_sq分別為有功電流和無功電流的參考值；i_sd、i_sq分別為有功電流和無功電流的實際值；v′_d、v′_q分別為內環(huán)d、q軸電壓指令；K_P1、K_P2為內環(huán)比例調節(jié)系數(shù)；K_I1、K_I2分別為內環(huán)積分調節(jié)系數(shù)。換流站級控制邏輯圖如圖3所示。內環(huán)電流控制邏輯圖如圖5所示。

環(huán)流閥級控制：在MMC換流閥級控制引入子模塊電容電壓預估控制，實現(xiàn)對MMC內部能量平衡的控制。換流閥級控制邏輯圖如圖4所示。

1)基于橋臂功率補償?shù)淖幽K電容電壓：根據(jù)橋臂功率補償估算各橋臂的子模塊電容電壓，利用最近電平逼近調制方法得到各橋臂期望投入的子模塊數(shù)；

式中：N為各橋臂子模塊數(shù)；C₀為子模塊電容值，U₀為子模塊額定電壓值；u_dc為直流電壓；i_zk0為流過橋臂的直流電流；u_{ck_dc}、u_{ck_ω}、u_{ck_2ω}分別為橋臂子模塊電容電壓直流分量、交流基頻和二倍頻分量；p_{k_dc}、p_{k_ω}、p_{k_2ω}分別為橋臂瞬時功率中的直流分量、交流基頻和二倍頻分量；E為交流側相電壓幅值；I為交流側電流幅值；ω為交流側相頻率；t表示時間；φ表示交流側電壓與電流功率角；

根據(jù)式(1)估算得到MMC第k相上、下橋臂的子模塊電容電壓指令值時，再根據(jù)一定的調制方法得到MMC第k相上、下橋臂子模塊期望投入到子模塊數(shù)N_kpref和N_knref：

式中：NINT()為取整函數(shù)；為附加調制電壓指令，由環(huán)流控制得到，具體的如申請公布號CN103095167A、發(fā)明名稱為一種三相模塊化多電平換流器能量平衡控制方法中記載 的計算方法；為模塊化多電平換流器交流側輸出電壓指令值；分別表示表示上、下橋臂子模塊電容電壓參考值；p表示上橋臂，n表示下橋臂。

本發(fā)明提供的一種基于模塊化多電平換流器的直流電網(wǎng)分層能量平衡控制方法，該方法能在多時間尺度下實現(xiàn)直流電網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡控制，提高系統(tǒng)運行的靈活性和穩(wěn)定性。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。