一种两端柔性直流输电系统主回路参数控制方法

摘要

本发明涉及一种两端柔性直流输电系统主回路参数控制方法，其包括以下步骤：计算受端换流站单极直流母线电压U

说明书

技术领域

本发明涉及柔性直流输电领域，特别是关于一种两端柔性直流输电系统主回路参 数控制方法。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流输电系统由于可以向无源电网供电、有功功率和无 功功率独立可控、开关损耗低等特点成为高电压大功率直流输电的重要发展方向。与 传统高压直流输电系统相比，基于电压源换流器的柔性直流输电系统的工作原理完全 不同，原有的传统高压直流输电系统主回路参数控制方法已不适用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种两端柔性直流输电系统主回路参数控制 方法，从而为计算基于电压源换流器的柔性直流输电系统的绝缘水平、暂态电流要求 以及动态性能提供基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种两端柔性直流输电系统主回路 参数控制方法，其包括以下步骤：1）根据交流系统输入到送端换流站的有功功率P_R、 送端换流站单极直流母线电压U_dR、送端和受端换流器的损耗百分比γ以及连接送端和 受端换流站的直流线路电阻R_d，计算得到受端换流站单极直流母线电压U_dI和交流系 统输入到受端换流器的有功功率P_I；2）根据两端柔性直流输电系统的状态变量和结构 参数，采用交流电力系统的经典潮流计算方法，对送端和受端换流站分别进行潮流计 算，求解得到送端和受端换流器输出的交流电压对于没有接地电感的送端 或受端换流站，令对应的送端或受端换流站连接变压器阀侧的接地电感Z_GR或Z_GI为零； 3）根据送端换流站单极直流母线电压U_dR、由步骤1）计算得到的受端换流站单极直 流母线电压U_dI以及由步骤2）计算得到的送端和受端换流器输出的交流电压计算得到两端柔性直流输电系统的控制变量：送端和受端换流站的调制比M_R和M_I分 别为：

$M_R=\frac{\sqrt{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_{1R}\right|}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dR}}},$

$M_I=\frac{\sqrt{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_{1I}\right|}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dI}}};$

4）判断由步骤3）计算得到的送端和受端换流站的调制比M_R和M_I是否在送端和受端 换流站稳态调制比的范围[M_min，M_max]内；若计算得到的送端和受端换流站的调制比M_R和M_I均在送端和受端换流站稳态调制比的范围[M_min，M_max]内，则设定送端和受端换流 站的调制比为步骤3）计算得到的调制比M_R和M_I；若M_R＞M_max，则升高送端换流站 联结变压器的分接头档位，重复步骤2）和步骤3）的计算，使得M_R＜M_max；进一步， 若送端换流站联结变压器的分接头档位升高到Tap_max，仍有M_R＞M_max，则令M_R＝M_max。 若M_R＜M_min，则降低送端换流站联结变压器的分接头档位，重复步骤2）和步骤3） 的计算，使得M_R＞M_min；进一步，若送端换流站联结变压器的分接头档位降低到Tap_min， 仍有M_R＜M_min，则令M_R＝M_min；若M_I＞M_max，则升高受端换流站联结变压器的分接 头档位，重复步骤2）和步骤3）的计算，使得M_I＜M_max；进一步，若受端换流站联 结变压器的分接头档位升高到Tap_max，仍有M_I＞M_max，则令M_I＝M_max。若则降低受端换流站联结变压器的分接头档位，重复步骤2）和步骤3）的计算，使得 M_I＞M_min；进一步，若受端换流站联结变压器的分接头档位降低到Tap_min，仍有 M_I＜M_min，则令M_I＝M_min；5）根据送端和受端换流器输出的交流电压以及 送端和受端换流站交流母线电压计算得到两端柔性直流输电系统的控制变 量：送端和受端换流站的相角差Δδ_R和Δδ_I分别为：

$\Delta {\delta }_R=\angle {\stackrel{·}{U}}_{1R}-\angle {\stackrel{·}{U}}_R,$

$\Delta {\delta }_I=\angle {\stackrel{·}{U}}_{1I}-\angle {\stackrel{·}{U}}_I;$

6）判断由步骤5）计算得到的相角差Δδ_R和Δδ_I是否在送端和受端换流站相角差的范 围[Δδ_min，Δδ_max]内；若计算得到的送端和受端换流站相角差Δδ_R和Δδ_I均在送端和受端 换流站相角差的范围[Δδ_min，Δδ_max]内，则设定送端和受端换流站的相角差为步骤5）计 算得到的相角差Δδ_R和Δδ_I；若送端换流站的相角差Δδ_R大于Δδ_max，则令Δδ_R等于Δδ_max； 若送端换流站的相角差Δδ_R小于Δδ_min，则令Δδ_R等于Δδ_min；若受端换流站的相角差Δδ_I大于Δδ_max，则令Δδ_I等于Δδ_max；若受端换流站的相角差Δδ_I小于Δδ_min，则令Δδ_I等于 Δδ_min；7）根据步骤3）～步骤6），通过调整送端和受端换流站的调制比M_R和M_I、 送端和受端换流站联接变压器的分接头档位以及送端和受端换流站的相角差Δδ_R和 Δδ_I，控制两端柔性直流输电系统中的主回路参数在两端柔性直流输电系统和设备容 许的范围内。

所述步骤1）中，所述受端换流站单极直流母线电压U_dI和交流系统输入到受端换 流器的有功功率P_I通过以下步骤获得：①根据交流系统输入到送端换流站的有功功率 P_R和送端换流器的损耗百分比γ，得到送端换流站双极直流母线送出功率P_dR：

P_dR＝P_R(1-γ)；

②根据送端换流站单极直流母线电压U_dR和步骤①计算得到的双极直流母线送出功率 P_dR，得到连接送端和受端换流站的直流线路电流I_d：

$I_d=\frac{P_{\mathrm{dR}}}{2\times U_{\mathrm{dR}}};$

③根据送端换流站单极直流母线电压U_dR、连接送端和受端换流站的直流线路电阻R_d和步骤②计算得到的直流线路电流I_d，对连接送端和受端换流站的直流线路进行计算， 得到受端换流站单极直流母线电压U_dI：

U_dI＝U_dR-I_dR_d；

④根据步骤②计算得到的直流线路电流I_d和步骤③计算得到的受端换流站单极直流母 线电压U_dI，得到受端换流站双极直流母线接收功率P_dI：

P_dI＝2×U_dI×I_d；

⑤根据受端换流器的损耗百分比γ和根据步骤④计算得到的受端换流站双极直流母线 接收功率P_dI，得到交流系统输入到受端换流器的有功功率P_I：

P_I＝-P_dI/(1+γ)。

所述步骤2）中，两端柔性直流输电系统的状态变量包括送端和受端换流站交流 母线电压交流系统输入到送端换流站的有功功率P_R和无功功率Q_R以及交流 系统输入到送端换流器的有功功率P_I和无功功率Q_I。

所述步骤2）中，两端柔性直流输电系统的结构参数包括送端和受端换流站联结 变压器的额定变比k_R和k_I、送端和受端换流站联结变压器的短路阻抗百分比Z_TR和Z_TI、 送端和受端换流站联结变压器的容量S_TR和S_TI、送端和受端换流站联接变压器阀侧的 接地电感Z_GR和Z_GI以及送端和受端换流站桥臂电抗器电感Z_LR和Z_LI。

所述步骤7）中，两端柔性直流输电系统中的主回路参数包括直流节点的电压、 电流、功率以及交流节点的电压幅值、电压相角、功率。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由本发明的主回路参数控制 方法得到的调制比、换流器输出交流电压与换流站母线电压的相角差（以下简称相角 差）以及联结变压器的分接头档位，用于两端柔性直流输电系统中控制变量的设定， 使得两端柔性直流输电系统能够尽快地跟踪有功和无功传输功率的指令。2、采用本发 明的主回路参数控制方法能够使直流节点的电压、电流和功率以及交流节点的电压幅 值、电压相角、功率等稳态参数在两端柔性直流输电系统和设备容许的范围内。3、本 发明由于通过对主回路的控制可以得到两端柔性直流输电系统在各种稳态运行下的参 数，因此本发明能够为计算两端柔性直流输电系统的绝缘水平、暂态电流要求以及动 态性能提供基础。基于以上优点，本发明可以广泛应用于基于电压源换流器的两端柔 性直流输电系统中。

附图说明

图1是本发明基于电压源换流器的两端柔性直流输电系统主回路示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，基于电压源换流器的两端柔性直流输电系统主回路中，已知两端柔 性直流输电系统的状态变量：送端和受端换流站的交流母线电压交流系统 输入到送端换流站的有功功率P_R、交流系统输入到送端和受端换流站的无功功率Q_R和 Q_I以及送端换流站单极直流母线电压U_dR；两端柔性直流输电系统的结构参数：送端 和受端换流站联结变压器的额定变比k_R和k_I、送端和受端换流站联结变压器的短路阻 抗百分比Z_TR和Z_TI、送端和受端换流站联结变压器的容量S_TR和S_TI、送端和受端换流站 联接变压器阀侧的接地电感Z_GR和Z_GI、送端和受端换流站桥臂电抗器电感Z_LR和Z_LI、 送端和受端换流器的损耗百分比γ以及连接送端和受端换流站的直流线路电阻R_d；两 端柔性直流输电系统控制变量的范围：送端和受端换流站稳态调制比的范围 [M_min，M_max]、送端和受端换流站相角差的范围[Δδ_min，Δδ_max]以及联接变压器的分接头档 位的范围[Tap_min，Tap_max]。

本发明的两端柔性直流输电系统主回路参数控制方法包括以下步骤：

1）根据交流系统输入到送端换流站的有功功率P_R、送端换流站单极直流母线电 压U_dR、送端和受端换流器的损耗百分比γ以及连接送端和受端换流站的直流线路电阻 R_d，计算得到受端换流站单极直流母线电压U_dI和交流系统输入到受端换流器的有功 功率P_I，具体步骤包括：

①根据交流系统输入到送端换流站的有功功率P_R和送端换流器的损耗百分比γ， 得到送端换流站双极直流母线送出功率P_dR：

P_dR＝P_R(1-γ)   （1）

②根据送端换流站单极直流母线电压U_dR和步骤①计算得到的双极直流母线送出 功率P_dR，得到连接送端和受端换流站的直流线路电流I_d：

$I_d=\frac{P_{\mathrm{dR}}}{2\times U_{\mathrm{dR}}}---\left(2\right)$

③根据送端换流站单极直流母线电压U_dR、连接送端和受端换流站的直流线路电 阻R_d和步骤②计算得到的直流线路电流I_d，对连接送端和受端换流站的直流线路进行 计算，得到受端换流站单极直流母线电压U_dI：

U_dI＝U_dR-I_dR_d   （3）

④根据步骤②计算得到的直流线路电流I_d和步骤③计算得到的受端换流站单极直 流母线电压U_dI，得到受端换流站双极直流母线接收功率P_dI：

P_dI＝2×U_dI×I_d   （4）

⑤根据受端换流器的损耗百分比γ和步骤④计算得到的受端换流站双极直流母线 接收功率P_dI，得到交流系统输入到受端换流器的有功功率P_I：

P_I＝-P_dI/(1+γ)   （5）

2）根据两端柔性直流输电系统的状态变量：送端和受端换流站交流母线电压和 交流系统输入到送端换流站的有功功率P_R和无功功率Q_R、由步骤1）计算得到 的交流系统输入到送端换流器的有功功率P_I和已知的无功功率Q_I；两端柔性直流输电 系统的结构参数：送端和受端换流站联结变压器的额定变比k_R和k_I、送端和受端换流 站联结变压器的短路阻抗百分比Z_TR和Z_TI、送端和受端换流站联结变压器的容量S_TR和 S_TI、送端和受端换流站联接变压器阀侧的接地电感Z_GR和Z_GI以及送端和受端换流站 桥臂电抗器电感Z_LR和Z_LI，采用交流电力系统的经典潮流计算方法，对送端和受端换 流站分别进行潮流计算，求解得到送端和受端换流器输出的交流电压和其中， 对于没有接地电感的送端或受端换流站，令对应的送端或受端换流站联接变压器阀侧 的接地电感Z_GR或Z_GI为零。

3）根据送端换流站单极直流母线电压U_dR、由步骤1）计算得到的受端换流站单 极直流母线电压U_dI以及由步骤2）计算得到的送端和受端换流器输出的交流电压和计算得到两端柔性直流输电系统的控制变量：送端和受端换流站的调制比M_R和M_I分别为：

$M_R=\frac{\sqrt{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_{1R}\right|}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dR}}}---\left(6\right)$

$M_I=\frac{\sqrt{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_{1I}\right|}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dI}}}---\left(7\right)$

4）判断由步骤3）计算得到的送端和受端换流站的调制比M_R和M_I是否在送端和 受端换流站稳态调制比的范围[M_min，M_max]内。

若计算得到的送端和受端换流站的调制比M_R和M_I均在送端和受端换流站稳态 调制比的范围[M_min，M_max]内，则设定送端和受端换流站的调制比为步骤3）计算得到 的调制比M_R和M_I。

若M_R＞M_max，则升高送端换流站联结变压器的分接头档位，重复步骤2）和步骤 3）的计算，使得M_R＜M_max；进一步，若送端换流站联结变压器的分接头档位升高到 Tap_max，仍有M_R＞M_max，则令M_R＝M_max。若M_R＜M_min，则降低送端换流站联结变压 器的分接头档位，重复步骤2）和步骤3）的计算，使得M_R＞M_min；进一步，若送端 换流站联结变压器的分接头档位降低到Tap_min，仍有M_R＜M_min，则令M_R＝M_min。

若M_I＞M_max，则升高受端换流站联结变压器的分接头档位，重复步骤2）和步骤 3）的计算，使得M_I＜M_max；进一步，若受端换流站联结变压器的分接头档位升高到 Tap_max，仍有M_I＞M_max，则令M_I＝M_max。若M_I＜M_min，则降低受端换流站联结变压 器的分接头档位，重复步骤2）和步骤3）的计算，使得M_I＞M_min；进一步，若受端 换流站联结变压器的分接头档位降低到Tap_min，仍有M_I＜M_min，则令M_I＝M_min。

5）根据送端和受端换流器输出的交流电压和以及送端和受端换流站交流 母线电压和计算得到两端柔性直流输电系统的控制变量：送端和受端换流站 的相角差Δδ_R和Δδ_I分别为：

$\Delta {\delta }_R=\angle {\stackrel{·}{U}}_{1R}-\angle {\stackrel{·}{U}}_R---\left(8\right)$

$\Delta {\delta }_I=\angle {\stackrel{·}{U}}_{1I}-\angle {\stackrel{·}{U}}_I---\left(9\right)$

6）判断由步骤5）计算得到的相角差Δδ_R和Δδ_I是否在送端和受端换流站相角差 的范围[Δδ_min，Δδ_max]内。

若计算得到的送端和受端换流站相角差Δδ_R和Δδ_I均在送端和受端换流站相角差 的范围[Δδ_min，Δδ_max]内，则设定送端和受端换流站的相角差为步骤5）计算得到的相角 差Δδ_R和Δδ_I。

若送端换流站的相角差Δδ_R大于Δδ_max，则令Δδ_R等于Δδ_max；若送端换流站的相角 差Δδ_R小于Δδ_min，则令Δδ_R等于Δδ_min。

若受端换流站的相角差Δδ_I大于Δδ_max，则令Δδ_I等于Δδ_max；若受端换流站的相角 差Δδ_I小于Δδ_min，则令Δδ_I等于Δδ_min。

7）根据步骤3）～步骤6），通过调整送端和受端换流站的调制比M_R和M_I、送 端和受端换流站联接变压器的分接头档位以及送端和受端换流站的相角差Δδ_R和Δδ_I， 控制两端柔性直流输电系统中的直流节点的电压、电流、功率以及交流节点的电压幅 值、电压相角、功率等主回路参数在两端柔性直流输电系统和设备容许的范围内。

在一个优选的实施例中，已知两端柔性直流输电系统的状态变量：送端和受端换 流站交流母线电压为交流系统输入到送端换流站的有功功率 P_R＝1000MW，交流系统输入到送端和受端换流站的无功功率为Q_R＝Q_I＝-300Mvar， 送端换流站单极直流母线电压为U_dR＝320kV；两端柔性直流输电系统的结构参数：送 端和受端换流站联结变压器的额定变比k_R＝k_I＝230:341.26，送端和受端换流站联结变 压器的短路阻抗百分比为Z_TR＝Z_TI＝15%，送端和受端换流站联结变压器容量为 S_TR＝S_TI＝1023MVA，送端和受端换流站桥臂电抗器电感分别为Z_LR＝Z_LI＝85mH，送端 和受端换流站联接变压器阀侧的接地电感Z_GR和Z_GI为零，直流线路电阻R_d＝1.0877Ω； 两端柔性直流输电系统控制变量的范围：送端和受端换流站调制比的范围均为 [M_min，M_max]=[0.75，0.95]；送端和受端换流站相角差的范围均为[Δδ_min，Δδ_max]=[-63°，63°]； 联接变压器档位的范围为[Tap_min，Tap_max]＝[-8，8]。

本发明的两端柔性直流输电系统主回路参数控制方法包括以下步骤：

1）根据交流系统输入到送端换流站的有功功率P_R、送端换流站单极直流母线电 压U_dR、送端和受端换流器的损耗百分比γ以及连接送端和受端换流站的直流线路电阻 R_d，计算得到受端换流站单极直流母线电压U_dI和交流系统输入到受端换流器的有功 功率P_I为：

根据式（1）有：P_dR＝P_R(1-γ)＝1000×(1-0.01)＝990MW；

根据式（2）有：$I_d=\frac{P_{\mathrm{dR}}}{2\times U_{\mathrm{dR}}}=\frac{990}{2\times 320}=1.5469\mathrm{kA};$

根据式（3）有：U_dI＝U_dR-I_dR_d＝320-1.0877×1.5469＝318.317kV；

根据式（4）有：P_dI＝2×U_dI×I_d＝2×318.317×1.5469＝984.809MW；

根据式（5）有：P_I＝-P_dI/(1+γ)=-984.809/(1+0.01)＝-975.0585kV。

2）根据两端柔性直流输电系统的状态变量：送端和受端换流站交流母线电压和 交流系统输入到送端换流站的有功功率P_R和无功功率Q_R以及由步骤1）计算得 到的交流系统输入到送端换流器的有功功率P_I和已知的无功功率Q_I；两端柔性直流输 电系统的结构参数：送端和受端换流站联结变压器的额定变比k_R和k_I、送端和受端换 流站联结变压器的短路阻抗百分比Z_TR和Z_TI、送端和受端换流站联结变压器的容量S_TR和S_TI、送端和受端换流站联接变压器阀侧的接地电感Z_GR和Z_GI以及送端和受端换流 站桥臂电抗器电感Z_LR和Z_LI，采用交流电力系统的经典潮流计算方法，对送端和受端 换流站分别进行潮流计算，求解得到送端换流器和受端换流器输出的交流电压和 分别为：

3）根据送端换流站单极直流母线电压U_dR、由步骤1）计算得到的受端换流站单 极直流母线电压U_dI以及由步骤2）计算得到的送端和受端换流器输出的交流电压和计算得到两端柔性直流输电系统的控制变量：送端和受端换流站的调制比M_R和M_I分别为：

根据式（6）和式（7）有：$M_R=\frac{\sqrt{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_{1R}\right|}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dR}}}=0.9663;$$M_I=\frac{\sqrt{2}\left|{\stackrel{·}{U}}_{1I}\right|}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dI}}}=0.9700.$

4）由于由步骤3）计算得到的送端和受端换流站的调制比M_R和M_I均大于最大稳 态调制比0.95，因此，升高送端换流站联结变压器分接头档位到+2，重复步骤2）和 步骤3）的计算，得到受端换流站的调制比M_R=0.94536，使得送端换流站的调制比M_R在送端和受端换流站稳态调制比的范围[M_min，M_max]=[0.75，0.95]内；类似地，升高受端 换流站联结变压器分接头档位到+2，此时受端换流站的调制比M_I=0.94900，使得受端 换流站的调制比M_I在送端和受端换流站稳态调制比的范围[M_min，M_max]=[0.75，0.95]内。

5）根据送端和受端换流器输出的交流电压和以及送端和受端换流站交流 母线电压和计算送端和受端换流站的相角差Δδ_R和Δδ_I分别为：

根据式（8）和式（9）有：

6）由于由步骤5）计算得到的送端和受端换流站的相角差Δδ_R和Δδ_I均在送端和 受端换流站相角差的范围[Δδ_min，Δδ_max]=[-63°，63°]内，因此，设定送端和受端换流站的 相角差Δδ_R和Δδ_I分别为13.893°和-13.559°。

7）根据步骤3）～步骤6），通过将送端和受端换流站的调制比M_R和M_I调整为 0.94536和0.94900、送端和受端换流站联接变压器的分接头档位均调整到+2以及送 端和受端换流站的相角差Δδ_R和Δδ_I调整为13.893°和-13.559°，从而控制两端柔性 直流输电系统中的直流节点的电压、电流、功率以及交流节点的电压幅值、电压相角、 功率等主回路参数在两端柔性直流输电系统和设备容许的范围内。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是 在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围 之外。