一种多端柔性直流输电系统的控制系统及其控制方法

摘要

本发明涉及一种多端柔性直流输电（VSC-HVDC）领域，具体涉及一种多端柔性直流输电系统的控制系统及其控制方法，本发明依据换流站交流侧功率需求、换流器及直流线路约束条件，并以整个多端系统运行功率损耗最低为目标，计算直流网络最优潮流，确定直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控制所需下垂系数。多端直流输电系统换流站N-1校验采用其计算多端直流网络潮流并进行分析及制定控制保护策略实现；多端直流输电系统直流线路N-1校验采用其计算多端直流网络潮流并进行分析及预先制定控制保护策略来实现，能够对多端直流网络中潮流和直流电压的灵活、安全控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多端柔性直流输电（VSC-HVDC）领域，具体涉及一种多端柔性直流输 电系统的控制系统及其控制方法。

背景技术

多端柔性直流输电系统发展目标是未来大规模能源的传输网络，可以实现新能源的平滑 接入；实现有功无功的独立控制；实现快速灵活的输电；做到全局功率的调节互济；可长距 离电缆或架空线传输。与两端直流输电系统相比，多端直流输电系统可以提供更高的供电可 靠性和设备的冗余性，适应性更强的供电模式；而要实现灵活和安全的潮流控制是发展多端 直流输电系统所必需首先解决的问题。

目前世界上建设完成的柔性直流工程都为两端直流工程，直流系统的控制系统都是针对 两端系统需求设计的，但它们显然不能满足多端系统控制的要求。因此，相对于传统交流电 网的调度控制策略，含多端柔性直流输电系统的控制及方法目前仍处于技术空白。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多端柔性直流输电系统的控制系统，另 一目的是提供一种多端柔性直流输电系统的控制方法，本发明实现多端直流网络中潮流和直 流电压的灵活、安全控制。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种多端柔性直流输电系统的控制系统，其改进之处在于，所述系统包括直 流上层调度控制子系统及每个换流站的站控子系统；所述直流上层调度控制子系统和每个换 流站的站控子系统之间通过站间通讯网络分别连接。

进一步地，所述直流上层调度控制子系统包括系统决策控制主机、顺序事件记录系统、 现场总线系统和分布式I/O接口；所述系统决策控制主机通过现场总线系统与顺序事件记录 系统和分布式I/O接口分别连接。

进一步地，所述站控系统包括站控主机、顺序事件记录系统、现场总线系统和分布式I/O 接口；所述站控主机通过现场总线系统与顺序事件记录系统和分布式I/O接口分别连接。

本发明基于另一目的提供的一种多端柔性直流输电系统的控制方法，其改进之处在于， 所述控制方法用的系统为多端柔性直流输电系统的控制系统，所述方法包括下述步骤：

（1）确定直流系统的直流电压主控站；

（2）确定直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控制的下垂系数；

（3）直流上层调度控制子系统将直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控 制的下垂系数传递给每个换流站；

（4）直流系统状态估计，判断是否有故障发生；若直流系统运行正常，则直流上层调度 控制子系统根据换流站运行状况重新计算多端直流系统最优潮流，并修正直流系统的公共参 考电压、各换流站功率指令及斜率控制的下垂系数；否则，进行N-1事件校验并发送预定控 制保护动作时序；

（5）换流站的站控系统执行控制，并将采集的换流站信息进行反馈，同时返回步骤（4）。

进一步地，所述步骤（1）中，上层调度控制系统根据各换流站交流侧容量及功率需求， 确定直流系统的直流电压主控站。

进一步地，所述步骤（2）中，以直流系统网络损耗最小为目标，结合各换流站交流侧功 率需求、换流器和直流线路约束条件（如直流线路热稳定极限），计算直流网络最优潮流，确 定直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控制的下垂系数；

基于直流系统公共参考电压的换流站下垂控制模块包括电压比较器、两个功率比较器、 功率放大器、增益单元和比例积分控制单元；所述电压比较器、功率放大器和增益单元依次 连接；增益单元的输出传送至其中一个功率比较器和另一个功率比较器的输出进行比较后， 将比较结果传送至比例积分控制单元；基于直流系统公共参考电压的换流站下垂控制模块的 数学模型用下式表示：

$(P_j-P_j^{\mathrm{ref}})+(U_{\mathrm{DC}\_\mathrm{common}}-U_{\mathrm{dci}}^{\mathrm{ref}})D_j=1$①；

其中：P_j为换流站交流侧PCC处有功功率、为换流站接收的上层调度控制子系统功 率指令、U_{DC_common}为直流电压控制换流站测得的端口直流电压、为上层调度控制子系统 确定的直流系统公共参考电压和D_j换流站下垂控制系数。

进一步地，经过所述步骤（3）使得整个直流系统稳态运行时系统损耗最少，同时换流器 和直流线路不会出现过负荷。

进一步地，所述步骤（4）中，N-1事件校验包括：

<1>直流上层调度控制子系统对换流站的换流器退出运行引起的N-1事件进行校验；

<2>直流上层调度控制系统对直流线路引起的N-1事件进行校验。

进一步地，所述<1>中，直流上层调度控制子系统对换流站的换流器退出运行引起的N-1 事件进行校验包括：

直流上层调度控制子系统根据直流系统中任一换流站退出运行后可能出现的过负荷或换 流器解列，预先制定控制保护动作时序；当某一换流站由于故障或检修需要退出运行时，直 流上层调度控制子系统根据换流站传递的信息，将预先制定的控制保护动作时序传递给各个 换流站站控系统。

进一步地，所述<2>中，直流上层调度控制子系统根据直流系统中任一直流线路发生故障 可能引起的换流站或直流线路过负荷，预先制定控制保护动作时序；当直流上层调度控制系 统根据换流站传递信息确定发生线路N-1情况后，将预先制定的控制保护动作时序传递给各 个换流站站控系统。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、求解出以多端柔性直流输电系统最优潮流，使得系统正常运行时损耗最少；本发明的 目标是对含有多个电压源换流器组成的环型、星型或混合型多端直流系统或直流电网中对系 统潮流和直流电压实现灵活、安全控制。

2、多端柔性直流输电系统直流电压主控站、系统公告参考电压及各换流站功率指令及斜 率控制系数选取方法简单可靠。

3、多端柔性直流输电系统换流站N-1校验，预先制定系统控制保护动作时序，对系统潮 流和直流电压实现灵活、安全可靠地控制。

4、多端柔性直流输电系统线路N-1校验，预先制定系统控制保护动作时序，对系统潮流 和直流电压实现灵活、安全可靠地控制。

附图说明

图1是本发明提供的多端柔性直流输电系统控制系统结构示意图；

图2是本发明提供的换流器直流电压-功率斜率控制示意图；

图3是本发明提供的运行控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种多端柔性直流输电系统控制系统，其结构示意图如图1所示，该系统包 括直流上层调度控制子系统及每个换流站的站控子系统；所述直流上层调度控制子系统和每 个换流站的站控子系统之间通过站间通讯网络分别连接。

直流上层调度控制子系统包括系统决策控制主机、顺序事件记录系统、现场总线系统和 分布式I/O接口；所述系统决策控制主机通过现场总线系统与顺序事件记录系统和分布式I/O 接口分别连接。

站控系统包括站控主机、顺序事件记录系统、现场总线系统和分布式I/O接口；所述站 控主机通过现场总线系统与顺序事件记录系统和分布式I/O接口分别连接。

本发明一种多端柔性直流输电系统的控制方法，其流程图如图3所示，该控制方法用的 系统为多端柔性直流输电系统的控制系统，所述方法包括下述步骤：

（1）确定直流系统的直流电压主控站，采用的控制系统由一个直流上层调度控制系统及 每个换流站的站控系统共同构成，直流系统上层调度控制系统首先根据各换流站交流侧容量 及功率需求，决定直流系统的直流电压主控站；

（2）确定直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控制的下垂系数：以直流 网络损耗最小为目标，结合各换流站交流侧功率需求、换流器和直流线路约束条件（如直流 线路热稳定极限），计算直流网络最优潮流，确定直流系统的公共参考电压、各换流站功率指 令及斜率控制的下垂系数；

基于直流系统公共参考电压的换流站下垂控制模块的结构示意图如图2所示，包括电压 比较器、两个功率比较器、功率放大器、增益单元和比例积分控制单元；所述电压比较器、 功率放大器和增益单元依次连接；增益单元的输出传送至其中一个功率比较器和另一个功率 比较器的输出进行比较后，将比较结果传送至比例积分控制单元；基于直流系统公共参考电 压的换流站下垂控制模块的数学模型用下式表示：

$(P_j-P_j^{\mathrm{ref}})+(U_{\mathrm{DC}\_\mathrm{common}}-U_{\mathrm{dci}}^{\mathrm{ref}})D_j=1$①；

其中：P_j为换流站交流侧PCC处有功功率、为换流站接收的上层调度控制子系统功 率指令、U_{DC_common}为直流电压控制换流站测得的端口直流电压、为上层调度控制子系统 确定的直流系统公共参考电压和D_j换流站下垂控制系数。

（3）直流上层调度控制子系统将直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控 制的下垂系数传递给每个换流站；这样既可以使得整个直流系统稳态运行时系统损耗最少， 同时也保证换流器和直流线路不会出现过负荷；

（4）正常工作时各个换流站站控系统每隔一定时间都会将所测的本站主要电气信息通过 站间通讯传递给上层调度控制系统，上层调度控制系统根据这些信息对整个直流系统运行状 况进行评估，判断是否需要重新计算直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令和下垂系 数，判断直流系统中是否发生换流器或者直流线路N-1故障。

若直流系统运行正常，则直流上层调度控制子系统根据换流站运行状况重新计算多端直 流系统最优潮流，并修正直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控制的下垂系 数；否则，进行N-1事件校验并发送预定控制保护动作时序；

N-1事件校验包括：

<1>直流上层调度控制子系统对换流站的换流器退出运行引起的N-1事件进行校验，具 体如下：

正常运行时，直流上层调度控制系统会对换流器退出运行引起的N-1事件进行校验，针 对换流站退出运行后可能出现的过负荷或换流器解列，预先制定系统控制保护动作时序；当 某一换流站由于故障或检修等需要退出运行时，直流上层调度控制系统根据换流站传递信息， 并立即相应的将预先制定系统控制保护动作时序传递给各个换流站站控系统，各个换流站站 控系统进行相应的动作。

<2>直流上层调度控制系统对直流线路引起的N-1事件进行校验，具体如下：

正常运行时，直流上层调度控制系统会对直流线路引起的N-1事件进行校验，并针对可 能引起的换流站或直流线路过负荷，预先制定控制保护动作时序；当直流上层调度控制系统 根据换流站传递信息确定发生线路N-1故障情况后，立即将相应的预先制定系统控制保护动 作时序传递给各个换流站站控系统，各个换流站站控系统进行相应的动作；

（5）换流站的站控系统执行控制，并将采集的换流站信息进行反馈，同时返回步骤（4）。

本发明提供的多端柔性直流输电系统的控制系统及其控制方法，依据换流站交流侧功率 需求、换流器及直流线路约束条件，并以整个多端系统运行功率损耗最低为目标，计算直流 网络最优潮流，确定直流系统的公共参考电压、各换流站功率指令及斜率控制所需下垂系数。 多端直流输电系统换流站N-1校验采用其计算多端直流网络潮流并进行分析及制定控制保护 策略实现；多端直流输电系统直流线路N-1校验采用其计算多端直流网络潮流并进行分析及 预先制定控制保护策略来实现，能够对多端直流网络中潮流和直流电压的灵活、安全控制。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。