一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法

1.本发明涉及电力系统保护与控制领域，具体涉及一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法。


背景技术：

2.基于电压源换流器的柔性直流输电系统对所联接系统的电压强度无要求，因此该系统被认为是未来交流电网互联和新能源送出的理想手段。直流电压的安全是保证柔性直流输电系统灵活功率控制和正常运行的基石。然而，当受端电网故障时，受端换流站有功功率减小，导致柔性直流输电系统内产生不平衡功率，直流电压逐步上升；直流过电压可能诱发功率半导体器件损坏甚至柔性直流输电系统闭锁，威胁送受端电网的稳定。因此，如何保证受端电网故障下柔性直流输电系统电压的安全是亟待解决的问题。
3.受端电网故障期间，通过提高受端换流站有功功率可以降低柔性直流输电系统过电压水平；但是故障期间受端换流站常需持续提供无功功率以促进受端电网电压恢复，保证电网安全稳定。近年来，改变送端换流站控制参考值以调节送端电网电源有功功率，从而保证直流电压安全的思路受到关注。技术人员提出在送端换流站交流电压控制外环中引入直流电压偏差项，通过降低并网点电压迫使新能源场站进入低电压穿越，以减小新能源场站的有功功率。也有技术人员提出了直流电压-送端电网频率映射方法，将受端电网故障后直流电压上升自主传递至新能源场站，新能源场站响应频率变化而降低有功功率。然而，降压法或升频法导致新能源场站偏离正常运行状态，可能引发响应超调或同步失稳等问题。
4.直流电压的动态上升由不平衡功率的积蓄产生，直流电压的安全裕度不仅取决于送端换流站和受端换流站有功功率之差，还与功率不平衡时间息息相关。现有直流电压控制手段通过在某一固定门槛值时启动送端换流站有功功率调节或卸荷，以期实现送端换流站和受端换流站有功功率瞬时平衡。由于未考虑直流电压的动态上升过程，且与受端换流站无功功率控制相互独立，现有方法不仅可能因忽略了功率不平衡时间影响下直流电压安全裕度，引起送端换流站有功功率调节的非必要动作；还可能因无法准确评估不同受端换流站无功功率控制下送端换流站和受端换流站有功功率可行范围的变化，导致送端换流站有功功率调节量增加，加重对送端电网的影响。
5.综上所述，如何刻画直流电压安全裕度受功率不平衡时间和受端换流站无功功率控制的影响，制定送端换流站有功功率调节的必要动作判据；送端换流站有功功率调节如何与受端换流站有功和无功功率相配合，以尽可能减弱受端电网故障的影响范围和程度，成为了本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

6.为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，该方法包括：
7.s1：实时监测受端换流站的交流母线电压；
8.s2：设置门槛电压，将交流母线电压与设置的门槛电压进行对比，当交流母线电压小于门槛电压时，则受端电网发生故障，并执行步骤s3，否则返回步骤s1；
9.s3：调整受端换流站有功功率控制参考值和无功功率控制参考值，根据有功功率控制参考值和无功功率控制参考值确定送端换流站控制启动时间；
10.s4：确定当前时刻与送端换流站控制启动时间的大小，若当前时刻大于送端换流站控制启动时间，则采集柔性直流输电系统的直流电压，并执行步骤s5，否则重复步骤s4；
11.s5：计算送端换流站的有功功率调节系数，根据有功功率调节系数计算送端换流站有功功率控制参考值；
12.s6：计算送端换流站控制退出时间；
13.s7：确定当前时刻与送端换流站控制退出时间的大小，若当前时刻大于送端换流站控制退出时间，则执行步骤s8，否则重复步骤s7；
14.s8：将送端换流站有功功率控制参考值设置为送端换流站控制退出时刻的有功功率。
15.优选的，确定送端换流站控制启动时间包括：
[0016][0017]
其中，为送端换流站控制启动时间，ts为故障发生时刻，t
cut
为预期故障最快清除时间，t
msr
为仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间。
[0018]
进一步的，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]
其中，p
sec0
为故障前送端换流站初始有功功率，为受端换流站无功功率，c
eq
为柔性直流输电系统等效电容，u
dc.n
为额定直流电压，ku为最大允许电压系数，ki为受端换流站最大允许交流电流系数，i
rec.n
为受端换流站额定交流电流，rf为等效故障过渡电阻参数，
x
t
为联结变压器等效电抗，xs为受端电网等效电抗，v、p、q、a、b以及c均为中间参数。
[0027]
优选的，计算送端换流站的有功功率调节系数的表达式为：
[0028][0029][0030][0031][0032]
其中，k
ref
为送端换流站有功功率调节系数，c
eq
为柔性直流输电系统等效电容，ku为最大允许电压系数，u
dc.sec
为送端换流站有功功率调节起始时刻的柔性直流输电系统电压，p
sec0
为故障前送端换流站初始有功功率，为受端换流站无功功率，a、b、c、a、b以及c均为中间参数。
[0033]
优选的，计算送端换流站有功功率控制参考值包括：
[0034]
p
rec.f
＝-k
ref
t+p
sec.0
[0035]
其中，p
rec.f
为送端换流站有功功率控制参考值，t为送端换流站有功功率调节时间，p
sec0
为故障前送端换流站初始有功功率。
[0036]
优选的，计算送端换流站控制退出时间包括：
[0037][0038]
其中，为送端换流站控制退出时间，t
reb
为功率再平衡时间，为最大允许送端换流站调节时间。
[0039]
进一步的，功率再平衡时间的表达式为：
[0040][0041]
其中，c
eq
为柔性直流输电系统等效电容，ku为最大允许电压系数，u
dc.sec
为送端换流站有功功率调节起始时刻的柔性直流输电系统电压，k
ref
为送端换流站有功功率调节系数。
[0042]
进一步的，计算最大允许送端换流站调节时间包括：根据送端换流站有功功率调节系数构建基于送端换流站调节时间的不等式；采用牛顿法对不等式进行求解，得到最大允许送端换流站调节时间；其表达式为：
[0043][0044]
[0045][0046][0047][0048]
其中，f
max
为送端电网最大允许频率，tg和rg分别为同步机群的汽轮机时间常数和一次调频系数，f0为送端电网的额定频率，fg为同步机群的等效锅炉再热系数，hn和kn分别为新能源场站的等效虚拟惯量系数和下垂系数，为新能源场站在送端电网的穿透率，ds为送端电网等效阻尼系数，hs为送端电网的等效惯量系数，x1、x2、η、κ和λ均为中间参数。
[0049]
本发明的有益效果：
[0050]
本发明通过比较仅调节受端换流站时能保证直流电压安全的最长时间和预期故障最快清除时间，提出了送端换流站有功功率调节的必要动作判据，可以在保证直流电压安全的前提下尽可能避免送端换流站有功功率调节；本发明通过比较功率再平衡时间和最大允许送端换流站调节时间，提出了送端换流站有功功率线性调节方法，可以在保证送端电网频率安全的前提下最大限度减小送端换流站有功功率调节量；本发明的算法原理简单，易于实现，实用性强。
附图说明
[0051]
图1为本发明的基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法的流程图；
[0052]
图2为本发明的受端电网故障下柔性直流输电系统结构示意图；
[0053]
图3为本发明的效果图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
本发明公开了一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法中，受端换流站交流母线电压跌落时启动控制，根据仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间和预期故障最快清除时间、功率再平衡时间和最大允许送端换流站调节时间，计算送端换流站控制启动时间、有功功率调节系数和控制退出时间；通过线性减小送端换流站有功功率并与受端换流站相配合即可实施控制。本发明能在避免直流过电压的同时最大限度减小送端换流站有功功率调节量，尽可能减弱受端电网故障的影响。
[0056]
一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法的具体实施方式，如图1所示，该方法包括：
[0057]
s1：实时监测受端换流站的交流母线电压；
[0058]
s2：设置门槛电压，将交流母线电压与设置的门槛电压进行对比，当交流母线电压小于门槛电压时，则受端电网发生故障，并执行步骤s3，否则返回步骤s1；
[0059]
s3：调整受端换流站有功功率控制参考值和无功功率控制参考值，根据有功功率
控制参考值和无功功率控制参考值确定送端换流站控制启动时间；
[0060]
s4：确定当前时刻与送端换流站控制启动时间的大小，若当前时刻大于送端换流站控制启动时间，则采集柔性直流输电系统的直流电压，并执行步骤s5，否则重复步骤s4；
[0061]
s5：计算送端换流站的有功功率调节系数，根据有功功率调节系数计算送端换流站有功功率控制参考值；
[0062]
s6：计算送端换流站控制退出时间；
[0063]
s7：确定当前时刻与送端换流站控制退出时间的大小，若当前时刻大于送端换流站控制退出时间，则执行步骤s8，否则重复步骤s7；
[0064]
s8：将送端换流站有功功率控制参考值设置为送端换流站控制退出时刻的有功功率。
[0065]
在本实施例中，步骤s2中设置的电压门槛为额定电压的0.95倍，即当交流母线电压跌落至0.95倍额定电压以下时，判定受端电网发生故障。
[0066]
在本实施例中，步骤s3中受端换流站无功功率控制参考值调节为受端电网要求的最小受端换流站无功功率，受端换流站有功功率控制参考值调节为最大允许交流电流限制下的有功功率最大值。
[0067]
在本实施例中，步骤s3中的根据有功功率控制参考值和无功功率控制参考值确定送端换流站控制启动时间的公式为：
[0068][0069]
其中，为送端换流站控制启动时间；ts为故障发生时刻；t
cut
为预期故障最快清除时间，等于受端电网主保护动作时间；t
msr
为仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间。
[0070]
确定仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的方式为：
[0071][0072]
中间参数v、p和q的计算方式为：
[0073][0074][0075][0076]
式中：p
sec0
为故障前送端换流站初始有功功率；为受端换流站无功功率，等于受端电网要求的最小无功功率；c
eq
为柔性直流输电系统等效电容；u
dc.n
为额定直流电压；ku为最大允许电压系数；中间参数a、b和c的计算方式为：
[0077][0078]
式中：ki为受端换流站最大允许交流电流系数，i
rec.n
为受端换流站额定交流电流，rf为等效故障过渡电阻参数，x
t
为联结变压器等效电抗，xs为受端电网等效电抗。
[0079]
在本实施例中，步骤s5中计算送端换流站的有功功率调节系数的过程包括：
[0080][0081]
式中：k
ref
为送端换流站有功功率调节系数；中间参数a、b和c的计算公式为：
[0082][0083]
其中，u
dc.sec
为送端换流站有功功率调节起始时刻的柔性直流输电系统电压。计算送端换流站有功功率控制参考值的过程包括：
[0084]
p
rec.f
＝-k
ref
t+p
sec.0
[0085]
式中：p
rec.f
为送端换流站有功功率控制参考值，t为送端换流站有功功率调节时间。
[0086]
在本实施例中，步骤s6中计算送端换流站控制退出时间的具体过程包括：获取送端换流站控制启动时间；计算功率再平衡时间和最大允许送端换流站调节时间；从功率再平衡时间和最大允许送端换流站调节时间之间选取最短时间，将送端换流站控制启动时间与最短时间求和，将求和结果作为送端换流站控制退出时间。其公式为：
[0087][0088]
式中：为送端换流站控制退出时间，t
reb
为功率再平衡时间，为最大允许送端换流站调节时间。
[0089]
具体的，计算功率再平衡时间的公式为：
[0090][0091]
计算最大允许送端换流站调节时间为采用牛顿法解得的下式中t
sec
的最大值：
[0092][0093]
式中：f
max
为送端电网最大允许频率，tg和rg分别为同步机群的汽轮机时间常数和一次调频系数，f0为送端电网的额定频率；中间参数x1和x2分别按下式计算：
[0094][0095]
式中，中间参数η、κ和λ分别为：
[0096][0097]
式中：fg为同步机群的等效锅炉再热系数，hn和kn分别为新能源场站的等效虚拟惯量系数和下垂系数，为新能源场站在送端电网的穿透率，ds为送端电网等效阻尼系数，hs为送端电网的等效惯量系数，。
[0098]
为验证本发明方法的有效性，以如图2所示的受端电网故障下柔性直流输电系统结构示意图为例进行分析。柔性直流输电系统采用伪双极结构，额定电压为
±
100kv，额定传输容量为200mva，最大允许电压系数为1.1，最大允许电流系数为1.2。正常运行时，送端换流站采用定有功功率和无功功率控制，有功功率控制参考值为200mw，无功功率控制参考值为0mvar；受端换流站采用定直流电压和无功功率控制，直流电压控制参考值为100kv，无功功率控制参考值为0mvar。受端电网以纵联差动保护为主保护，动作时间为150ms。送端电网最大允许频率偏差为0.5hz。
[0099]
本发明以2.15s时f点发生等效故障过渡电阻为8.5ω的三相短路故障，故障后150ms后清除为场景，验证本发明所公开的基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法的效果。受端电网故障下受端换流站提供的最小无功功率根据交流电压跌落程度确定，无功电流参考值取为1.5(0.9-u
rec
)i
rec.n
。对比组1为在直流电压上升至1.06p.u.后阶跃降低送端换流站有功功率实现直流电压控制。对比组2在直流电压上升至1.1p.u.时投入卸荷。记录并分析直流电压、送端换流站有功功率、受端换流站有功功率、送端电网频率偏差、受端换流站无功功率和受端换流站交流母线电压。
[0100]
在本实施例中，设置送端换流站有功功率调节启动时间为2.15s；送端换流站有功功率调节系数为4.63p.u./s；送端换流站有功功率调节退出时间为2.202s。
[0101]
图3(a)～(f)分别为三相短路故障下柔性直流输电系统的直流电压、送端换流站有功功率、受端换流站有功功率、送端电网频率偏差、受端换流站无功功率和受端换流站交流母线电压的波形图。图中横坐标为时间，纵坐标分别为直流电压、送端换流站有功功率、受端换流站有功功率、送端电网频率偏差、受端换流站无功功率和受端换流站交流母线电压。实线为采用本发明所公开的基于有功无功协同的柔性直流输电系统电压控制方法的曲线，虚线为对比组1的曲线，点线为对比组2的曲线。
[0102]
由图3(a)～(d)可知，对比组1以送端电网频率安全为代价换取直流电压稳定，故
障前后送端换流站有功功率变化量达0.36p.u.，送端电网最大频率偏差达0.55hz，超过了最大允许频率偏差。本发明有效协调了直流电压与送端电网安全，送端电网频率随送端换流站有功功率减小不断上升，并在最大允许送端换流站调节时间下恰好达到最大允许频率，验证了送端换流站有功功率调节自适应退出的必要性。本发明在避免送端电网频率越限的前提下最大限度降低送端换流站有功功率，使直流电压越限时间即卸荷首次投入时间相较于对比组2推迟了27ms。相对较小的不平衡功率也降低了故障持续时间内的卸荷投切次数。本发明下的受端换流站无功功率和交流母线电压与对比组基本一致，表明了本发明在保证送端电网安全的前提下推迟直流电压越限时间，也最大限度支撑了受端电网电压，如图3(e)和(f)。
[0103]
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，该方法包括：s1：实时监测受端换流站的交流母线电压；s2：设置门槛电压，将交流母线电压与设置的门槛电压进行对比，当交流母线电压小于门槛电压时，则受端电网发生故障，并执行步骤s3，否则返回步骤s1；s3：调整受端换流站有功功率控制参考值和无功功率控制参考值，根据有功功率控制参考值和无功功率控制参考值确定送端换流站控制启动时间；s4：确定当前时刻与送端换流站控制启动时间的大小，若当前时刻大于送端换流站控制启动时间，则采集柔性直流输电系统的直流电压，并执行步骤s5，否则重复步骤s4；s5：计算送端换流站的有功功率调节系数，根据有功功率调节系数计算送端换流站有功功率控制参考值；s6：计算送端换流站控制退出时间；s7：确定当前时刻与送端换流站控制退出时间的大小，若当前时刻大于送端换流站控制退出时间，则执行步骤s8，否则重复步骤s7；s8：将送端换流站有功功率控制参考值设置为送端换流站控制退出时刻的有功功率。2.根据权利要求1所述的一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，确定送端换流站控制启动时间包括：其中，为送端换流站控制启动时间，t
s
为故障发生时刻，t
cut
为预期故障最快清除时间，t
msr
为仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间。3.根据权利要求2所述的一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：法，其特征在于，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：法，其特征在于，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：法，其特征在于，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：法，其特征在于，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：法，其特征在于，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：法，其特征在于，计算仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间的公式为：
其中，p
sec0
为故障前送端换流站初始有功功率，为受端换流站无功功率，c
eq
为柔性直流输电系统等效电容，u
dc.n
为额定直流电压，k
u
为最大允许电压系数，k
i
为受端换流站最大允许交流电流系数，i
rec.n
为受端换流站额定交流电流，r
f
为等效故障过渡电阻参数，x
t
为联结变压器等效电抗，x
s
为受端电网等效电抗，v、p、q、a、b以及c均为中间参数。4.根据权利要求1所述的一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，计算送端换流站的有功功率调节系数的表达式为：法，其特征在于，计算送端换流站的有功功率调节系数的表达式为：法，其特征在于，计算送端换流站的有功功率调节系数的表达式为：法，其特征在于，计算送端换流站的有功功率调节系数的表达式为：其中，k
ref
为送端换流站有功功率调节系数，c
eq
为柔性直流输电系统等效电容，k
u
为最大允许电压系数，u
dc.sec
为送端换流站有功功率调节起始时刻的柔性直流输电系统电压，p
sec0
为故障前送端换流站初始有功功率，为受端换流站无功功率，a、b、c、a、b以及c均为中间参数。5.根据权利要求1所述的一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，计算送端换流站有功功率控制参考值包括：p
rec.f
＝-k
ref
t+p
sec.0
其中，p
rec.f
为送端换流站有功功率控制参考值，t为送端换流站有功功率调节时间，p
sec0
为故障前送端换流站初始有功功率。6.根据权利要求1所述的一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，计算送端换流站控制退出时间包括：其中，为送端换流站控制退出时间，t
reb
为功率再平衡时间，为最大允许送端换流站调节时间。7.根据权利要求6所述的一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，功率再平衡时间的表达式为：其中，c
eq
为柔性直流输电系统等效电容，k
u
为最大允许电压系数，u
dc.sec
为送端换流站有功功率调节起始时刻的柔性直流输电系统电压，k
ref
为送端换流站有功功率调节系数。8.根据权利要求6所述的一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，其特征在于，计算最大允许送端换流站调节时间包括：根据送端换流站有功功率调节系数构建基于送端换流站调节时间的不等式；采用牛顿法对不等式进行求解，得到最大允许
送端换流站调节时间；其表达式为：送端换流站调节时间；其表达式为：i＝1或2i＝1或2i＝1或2其中，f
max
为送端电网最大允许频率，t
g
和r
g
分别为同步机群的汽轮机时间常数和一次调频系数，f0为送端电网的额定频率，f
g
为同步机群的等效锅炉再热系数，h
n
和k
n
分别为新能源场站的等效虚拟惯量系数和下垂系数，为新能源场站在送端电网的穿透率，d
s
为送端电网等效阻尼系数，h
s
为送端电网的等效惯量系数，x1、x2、η、κ和λ均为中间参数。

技术总结
本发明涉及电力系统保护与控制领域，具体涉及一种基于送受端换流站协同的柔性直流输电系统电压控制方法，包括：实时监测受端换流站的交流母线电压，当受端换流站交流母线电压跌落时启动控制；根据仅调节受端换流站下能保证直流电压安全的最长时间和预期故障最快清除时间、功率再平衡时间和最大允许送端换流站调节时间，计算送端换流站控制启动时间、有功功率调节系数和控制退出时间；通过线性减小送端换流站有功功率并与受端换流站相配合即可实施控制；本发明能在避免直流过电压的同时最大限度减小送端换流站有功功率调节量，尽可能减弱受端电网故障的影响。减弱受端电网故障的影响。减弱受端电网故障的影响。


技术研发人员：欧阳金鑫 陈纪宇 余建峰
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25