一种柔性直流输电系统从并列转为孤岛运行的平滑切换方法

摘要

本发明公开了一种柔性直流输电系统从并列转为孤岛运行的平滑切换方法，通过提取交流系统的相位和频率等电气量信息，提出了一种综合考虑系统相位和频率的自适应孤岛检测方法，并在检测到系统处于孤岛运行状态时将换流站控制系统自动切换为孤岛控制策略。本发明避免了柔性直流输电系统转为孤岛运行状态时导致的频率崩溃，能根据交流输电线路传输功率的不同而采用不同的检测方法，可以准确、快速地识别系统处于何种运行方式，并保证整个切换过程中两端系统的稳定运行，不会出现电气量的大范围波动，同时也可以避免由于控制策略切换而引起的风电机组的大规模切机，可广泛应用于新能源并网、孤岛送电等多个场合。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种柔性直流输电系统从 交直流并列运行转换为孤岛运行的平滑控制切换方法。

背景技术

随着风能、太阳能等可再生能源的大力发展，新能源的并网问题日益受到关 注，而基于电压源换流器的柔性直流输电技术能很好的解决新能源并网问题，并 且电力电子器件的迅速发展也为柔性直流输电技术的发展提供了良好的基础，近 年来柔性直流输电技术得到了广泛应用。

柔性直流输电系统的运行方式通常有三种：（1）风电场通过柔性直流输电线 路和交流线路并列与受端交流系统相连，即交直流并列运行方式；（2）风电场仅 通过柔性直流输电线路与受端交流系统相连，即孤岛运行方式；（3）柔性直流输 电系统不参与有功潮流传输，仅参与交流系统的电压和无功调节。

目前，对于柔性直流输电系统在上述各种运行方式下所采取的控制策略已有 广泛研究，但是对于各种运行方式之间的控制切换方法尚无文献报道，也没有针 对不同运行方式之间进行转换时所采取的切换依据的相关研究。直流系统正常运 行时为交直流并列运行，但是运行过程中可能会发生交流线路因事故跳闸，当其 中一条或几条交流线路因事故突然跳闸停电时，由于柔性直流输电系统采用了定 有功功率控制，系统输出的功率将会在交流线路上进行重新分配，潮流由故障线 路转移到健全线路；但是当所有交流线路全部跳闸时，此时系统处于孤岛运行模 式，送端系统只能通过柔性直流输电线路向受端系统注入功率，而由于柔性直流 输电系统采用了定有功功率控制，导致大部分电能不能外送，从而产生“窝电” 现象，若系统长期处于孤岛运行方式，系统的频率将持续上升，最终导致频率崩 溃，这将对系统及设备带来极为严重的影响，因此如何准确、及时地判断出系统 处于孤岛运行状态，然后进行相应控制方式的平滑切换，以保证系统发出的电能 通过柔性直流输电线路源源不断地往外输送，这对整个电网系统的安全稳定运行 至关重要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种柔性直流输电系统从交直流并列运行 转为孤岛运行的平滑切换方法，保证柔性直流输电系统能根据系统电气量变化特 征自动实现从交直流并列运行方式的控制策略到孤岛运行控制策略的平滑切换， 并保证整个切换过程中系统安全稳定运行。

设柔性直流输电系统包括2个柔性直流换流站，1条柔性直流输电线路和N 条交流并联运行线路。

柔性直流输电系统正常运行时，送端系统通过柔性直流输电线路和N条并 列运行的交流线路向受端系统送电，即系统处于交直流并列运行方式；当N条 交流线路全部跳闸或者其中某N-1条线路处于停电检修状态下另一条线路因事 故跳闸时，送端系统只能通过柔性直流线路向受端系统送电，此时柔性直流输电 系统处于孤岛运行方式。

柔性直流输电系统所采取的控制策略与上述工作方式相对应，分为交直流并 列运行方式下的控制策略和柔性直流孤岛运行方式下的控制策略。其中，交直流 并列运行方式下采用的控制策略为：送端换流站采用定有功功率控制和定交流电 压控制，受端换流站采用定直流电压控制和定交流电压控制；孤岛运行方式下采 用的控制策略为：送端换流站采用定频率控制和定交流电压控制，受端换流站采 用定直流电压控制和定交流电压控制。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种柔性直流输电系统从并列转为孤岛运行的平滑切换方法，通过系统电气 量变化特征检测柔性直流输电系统处于交直流并列运行模式还是孤岛运行模式， 并在判断系统处于孤岛运行方式后自动将控制模式切换到与之对应的控制策略；

所述根据系统电气量变化的检测切换方法具体为：

1）当交流线路输送的额定功率较大时，通过检测系统相位偏移来判断系统 是否处于孤岛运行状态，当检测到相位偏移Δθ大于设定的相位偏移门槛值 Δθ_max，即Δθ>Δθ_max时，判断系统处于孤岛运行方式，直流系统的控制策略切换 到孤岛运行方式所对应的控制；

2）当交流线路输送的额定功率较小时，在一定时间内通过相位偏移Δθ无 法判断出系统是否处于孤岛运行状态，此时通过频率变化来检测系统状态，并且 在检测过程中通过调整直流系统输送的功率定值来加速频率变化，从而检测出系 统运行状态；

3）当交流线路输送的额定功率很小时，由于交流线路的跳闸，对整个系统 输送的功率影响并不大，因此在一定时间内让柔性直流系统的控制策略仍保持为 交直流并列运行下的控制，待一段时间后再切换到孤岛运行方式下的控制策略。

本发明的检测方法无检测死区，即当系统中一条或某几条交流线路跳闸，但 系统仍有交流线路保持连接时，检测装置不会误判；当送端交流系统由于功率不 平衡而导致负荷波动时，检测装置不会误判；当交流系统由于接地等故障引起相 关电气量的剧烈变化时，检测装置不会误判。

切换方法能保证系统在孤岛运行方式下通过柔性直流输电线路向受端系统 源源不断地输送电能，并且在整个切换过程中能保持系统安全稳定运行。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明可以通过系统电气 量变化及时准确地判断出柔性直流输电系统处于交直流并列运行还是孤岛运行 模式，并在判断系统处于孤岛运行方式后能自动将控制模式切换到与之对应的控 制策略。本发明所采用的切换方法无需在柔性直流换流站之间交换信息，因此不 需要装设复杂的通讯设备，由于不涉及通信因此也在一定程度上提高了控制切换 的可靠性。

附图说明

图1为本发明柔性直流输电系统的结构示意图。

图2为本发明柔性直流输电系统从交直流并列转为孤岛运行方式的控制切 换流程图。

图3为本发明送端换流站采取的控制策略图。

图4为本发明受端换流站采取的控制策略图。

图5(a)为本发明不采取控制切换策略时，送端交流系统的频率变化波形示意 图。

图5(b)为本发明不采取控制切换策略时，交流线路1、2和柔性直流线路的 有功功率变化波形示意图。

图6(a)为本发明采取控制切换策略时，送端交流系统的频率变化波形示意 图。

图6(b)为本发明采取控制切换策略时，交流线路1、2和柔性直流线路的有 功功率变化波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图2所示，一种柔性直流输电系统从交直流并列运行转为孤岛运行的平滑 切换方法，包括如下步骤：

本实施方式中，柔性直流输电系统的组成结构如图1所示，风电场发出的电 能分别通过柔性直流输电线路和并联运行的交流线路1，…，N向受端交流系统 输送。正常运行时，送端交流系统通过柔性直流输电线路和N条并列运行的交 流线路向受端系统送电，即系统处于交直流并列运行方式；当N条交流线路全 部跳闸或者其中N-1条交流线路处于停电检修状态下另一条线路因事故跳闸时， 送端交流系统只能通过柔性直流输电线路向受端系统送电，此时柔性直流输电系 统处于孤岛运行方式。

（1）获取系统运行参数

运行参数主要有交流系统的频率f、电压u、电流i和系统电压相位θ等实时 信号；交流线路1、2、…、N的额定输送功率P₁，P₂，…，P_N，柔性直流输电 线路的额定输送功率P_d和送端交流系统的额定输送功率P。

（2）孤岛检测

本实施方式以交流系统的相位偏移和送端交流系统的频率变化来综合判断 柔性直流输电系统处于何种运行方式，检测流程如图2所示。

相位偏移角Δθ是频率变化Δf引起的累计值，其大小由频率变化的大小和检 测持续的时间决定，它们之间的关系可表示如下：

$\mathrm{\Delta \theta }=2\pi \underset{t_1}{\overset{t_2}{\int }}\mathrm{\Delta fdt}$

式中：t₁、t₂为孤岛检测时间；Δf为频率变化瞬时值，Δf=f-f_N，其中f为系 统频率瞬时值，f_N为系统正常运行时的频率。

1）设置系统相位偏移的门槛值Δθ_max，当检测到相位偏移Δθ>Δθ_max时，即 判断系统处于孤岛运行方式，并将控制策略进行切换。考虑到系统的负荷扰动也 会引起相位偏移，为了避免该情况造成误判，在本检测方法中相位偏移的门槛值 Δθ_max一般取的较大。

2）当交流线路输送的功率较小时，在规定时间内仅通过相位偏移可能无法 判断出系统是否处于孤岛运行状态，此时通过频率检测来进行判定。检测系统在 一定时间内的频率变化的累计值∑Δf，表示如下：

∑Δf=∑（f-f_N）

设置两个门槛值∑Δf_min和∑Δf_max，并且∑Δf_min<∑Δf_max。

当∑Δf_min<∑|Δf|<∑Δf_max时，此时通过不断更新功率设置定值来快速检测 系统的运行状态，具体原理为：由于送端换流站采用定有功功率和定交流电压的 控制策略，此时通过调整送端换流站的有功功率定值来加速系统频率变化值，以 达到类似控制系统中的正反馈效果，从而使系统频率快速变化，功率定值P_ref设 定公式为：

P_ref=P_ref0-K∑Δf

式中：P_ref为新设的功率定值；P_ref0为系统交直流并列运行方式下的功率定 值；K为调整系数。

下面分两种情况进行分析：

①当系统交流线路全部跳闸后，由于柔性直流输电系统采用定有功功率控 制，风电场发出的功率将大于柔性直流输电线路输送的功率，系统频率f将上升。 在该检测方法中，由于设置了功率调整环节，使得柔性直流线路输送的功率减小， 从而系统发出的功率和直流线路输送的功率差额将进一步增大，导致系统频率f 急剧上升，当检测到∑|Δf|超过阈值∑Δf_max时，判断系统处于孤岛运行状态；

②假设系统通过两条交流线路与受端系统相连，当其中一条交流线路a跳 闸后，系统频率上升使得∑Δf_min<∑|Δf|<∑Δf_max，此时由于系统中仍有一条交 流线路b运行，系统处于交直流并列运行方式，此时系统中的潮流将重新分配， 交流故障线路上的潮流将会转移到健全的交流线路上，一段时间后频率又会回降 到系统稳定值，因此系统频率偏差∑|Δf|将会逐步减小直至小于∑Δf_min，系统继 续保持交直流并列运行方式。

当∑|Δf|>∑Δf_max时，判定系统已处于孤岛运行状态，并自动将控制策略进 行切换；

当∑|Δf|<∑Δf_min时，判定系统处于交直流并列运行状态，或者是因为跳闸 的交流线路所输送的功率很小，这种情况下交流线路的跳闸对整个柔性直流输电 系统的影响并不大，因此控制策略暂时不进行切换，仍采取交直流并列运行方式 的控制。

可见该检测方法能准确检测出系统是否处于孤岛运行模式，不存在检测死 区。同时也满足以下要求：

当系统中单条或某几条交流线路跳闸，但系统中仍有交流线路保持连接时， 检测装置不会误判；当送端交流系统由于风速变化引起的风电机组随机切机和投 入而导致的负荷波动时，检测装置不会误判；当交流系统发生接地等故障引起相 关电气量的剧烈变化时，检测装置不会误判。

（3）确定柔性直流输电系统的相应控制策略

根据步骤（2）的孤岛检测，可以确定系统处于交直流并列运行还是孤岛运 行模式，然后分别采取相应的控制策略：

当检测到系统处于交直流并列运行模式时，此时换流站的控制系统采取交直 流并列运行方式下的控制策略，即送端换流站采用定有功功率控制和定交流电压 控制，受端换流站采用定直流电压控制和定交流电压控制，具体控制策略分别如 图3和图4所示；

当检测到系统处于孤岛运行模式时，此时风电场的功率只能通过柔性直流线 路输出，由于柔性直流输电系统采用定有功功率的控制模式，风电场将会有大部 分残余的功率无法外送，形成“窝电”现象，从而导致系统频率持续上升，应立 即将换流站的控制策略切换到孤岛运行方式下的控制策略，即送端换流站采取定 频率控制和定交流电压控制，受端换流站采用定直流电压控制和定交流电压控 制，具体控制策略分别如图3和图4所示。

为了验证本发明采取的实施方案的可行性和有效性，利用电力系统电磁暂态 仿真软件PSCAD/EMTDC对一种基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel  Converter，MMC）的柔性直流输电系统的切换方式进行仿真，仿真参数为：送 端和受端交流系统的额定电压等级分别为110kV；模块化多电平单元采用100个 子模块；柔性直流输电线路的额定直流电压为±160kV；交流输电线路共2条， 交流线路1、2的额定输送功率为30MW和30MW；柔性直流输电线路的额定输 送功率为80MW。换流站的控制系统采用前文所述的控制策略，其中控制切换方 法采用本发明所提出的方案。

假定系统稳态运行至3.5s，发生交流线路1的突然跳闸，4.5s时发生交流线 路2的跳闸。图5(a)为不采取控制切换策略时，送端交流系统的频率变化波形示 意图；图5(b)为不采取控制切换策略时，交流线路1、2和柔性直流线路的有功 功率变化波形示意图。

从图5中各电气量变化图中可以看出，在3.5s时刻，系统切除交流线路1， 随后由于柔性直流换流站采用定有功功率控制，系统有功潮流由线路1转到线路 2，转移过程中送端交流系统频率略有抬升，交流线路1的功率降为0，线路2 的功率抬升，换流站交流侧电气量几乎保持不变，在持续一段时间扰动后，整个 系统趋于稳定。在4.5s时刻，由于故障将另外一条交流线路切断，此时系统仅 由直流系统输送有功功率，但是由于柔性直流输电系统采用了定有功功率控制方 式，传输的有功功率一直维持在80MW，使送端换流站无法将风电场发出的电能 完全送出，从而产生“窝电”现象，送端换流站交流侧频率飙升，最终达到56Hz， 系统几近崩溃。

图6(a)为采取控制切换策略时，送端交流系统的频率变化波形示意图；图6(b) 为采取控制切换策略时，交流线路1、2和柔性直流线路的有功功率变化波形示 意图。

从图6中各电气量变化图中可以看出，3.5s时刻，系统切除交流线路1，仿 真结果与图5是相似的。4.5s时刻，另外一条交流线路被切断，经过一段时间后 检测出系统处于孤岛运行状态，柔性直流输电的控制系统将控制策略由交直流并 列运行方式下的控制切换到孤岛运行方式下的控制，送端换流站由定有功功率控 制切换为定频率控制，可见送端交流系统频率经过一段时间波动后稳定在50Hz 左右，交流线路1、2的功率都降为0，柔性直流输电线路输送的有功功率上升 至140MW，可以将风电场产生的全部有功功率通过柔性直流线路输送至受端系 统，从而使岛内电网保持稳定，保证风机和负荷的正常工作。

由仿真波形来看，本实施方式能根据系统电气量变化特征及时准确地判断出 柔性直流输电系统处于交直流并列运行还是孤岛运行模式；在检测到系统处于孤 岛运行方式后，能够自动将柔性直流输电系统的控制策略进行切换，切换时两端 柔性直流换流站之间无需通信设备，切换过程中系统各电气量没有剧烈的波动， 能保证风机和负荷的正常工作，保持系统的稳定运行；切换判据能躲过系统单条 交流线路跳闸、负荷波动和交流系统故障等原因导致的电气量变化干扰，不会误 判；整个控制切换策略具有较高的可靠性。

本实施方式具有原理简单、可靠性高、实施性强等优点，在风电和太阳能等 新能源并网、孤岛送电等多个领域具有广阔的发展前景，值得大力推广。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。