一種vsc-hvdc在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法
2023-05-29 04:57:21 1
一種vsc-hvdc在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種VSC-HVDC在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法，該方法通過檢測VSC的本地電氣量及控制信號來判斷VSC當前的控制模式和所處的運行方式，當發現VSC當前控制模式與VSC所處的運行方式不匹配時，對VSC的控制模式進行快速切換。故本發明方法使得VSC在聯網運行方式時能夠精準控制VSC網側有功功率和無功功率，同時，使VSC在孤島運行方式時能夠為無源孤島提供穩定且高品質的電壓波形，因此，VSC-HVDC在聯網運行方式及孤島運行方式間相互轉換的方法能夠保證VSC-HVDC在兩種運行方式間穩定地切換。
【專利說明】—種VSC-HVDC在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力系統【技術領域】，具體涉及一種VSC-HVDC在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法。
【背景技術】
[0002]VSC-HVDC (voltage source converter based high voltage direct current,電壓源換流器型直流輸電系統)採用可關斷電力電子器件，無需藉助外部電源便可實現換相，因此具備向無源網絡供電的能力。此外，VSC-HVDC技術與傳統直流輸電技術相比，還具有不需要無功補償、無換相失敗問題、諧波水平低、適合構成多端直流輸電系統、佔地面積小等技術優勢，因此VSC-HVDC具有廣闊的工程應用前景。
[0003]電網運行中，為增強重要負荷的供電可靠性，可採用VSC-HVDC和交流線路為重要負荷雙路供電，正常情況下雙路供電，特殊情況下由VSC-HVDC或交流線路單路供電。以我國正在建設的舟山多端柔性直流輸電工程為例，該工程在正常運行時，五個VSC (voltagesource converter,電壓源換流器)與交流電網均有交流線路聯繫(該運行方式稱為聯網運行方式)，但在故障或檢修情況下，舟山電網中將出現無源孤島，因此需要某個或某幾個VSC向無源孤島供電(該運行方式稱為孤島運行方式)，但VSC孤島方式只是臨時運行方式，當交流聯絡線故障清除或檢修完成後，為增強系統供電可靠性，無源孤島仍需通過交流線路重合閘與交流電網的恢復連接，VSC隨之轉入聯網運行方式。在上述情境下，VSC需要具備在聯網運行方式和孤島運行方式間穩定轉換的能力。
[0004]VSC-HVDC連接有源系統的控制策略主要有定直流電壓控制、定有功功率控制、定交流電壓控制、定無功功率控制、定頻率控制等方式。VSC-HVDC向無源網絡供電的控制策略主要包括幅相控制、直接電壓控制、直接電流控制和非線性控制等方式。Zhang L、Harnefors L、Nee H P 在標題為 Modeling and control of VSC-HVDC links connectedto island systems (IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26 (2):783-793)的文獻中指出VSC採用定功率控制方式與弱交流系統連接時存在控制系統穩定性和動態性能較差的問題，並為此提出了一種VSC-HVDC功率同步控制器，該控制器既可用於VSC與強交流系統相連也適用於VSC與弱交流系統相連的情景。王珂、駱健、楊勝春等在標題為向無源網絡供電的VSC-HVDC啟動控制研究(中國電機工程學報，2011，第31卷，277-281)的文獻中設計了向無源網絡供電的級聯型dq解耦比例積分控制器，該控制器的電流響應速度快且能控制交流故障電流；目前實際工程中的VSC控制系統均採用級聯型dq解耦比例積分控制器結構。
[0005]但是，上述研究主要集中於VSC-HVDC處於聯網或向無源孤島供電某單一運行方式下的控制器設計，採用這些控制方法的VSC-HVDC無法在聯網運行方式和無源孤島運行方式間穩定地相互轉換。
【發明內容】
[0006]針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明基於實際工程中採用的級聯型dq解耦比例積分控制器結構，提供了一種VSC-HVDC在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法，可以保證VSC-HVDC在聯網運行方式和孤島運行方式間穩定地轉換。
[0007]一種VSC-HVDC在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法，包括如下步驟:
[0008](I)對於VSC-HVDC中的受端VSC，檢測其控制模式:若其處於聯網控制模式，則執行步驟(2);若其處於孤島控制模式，則執行步驟(4)；
[0009](2)檢測受端VSC是否處於孤島運行方式:若是，則執行步驟(3);若否，則返回步驟(I)執行下一時刻的檢測；
[0010](3)將受端VSC的控制模式由聯網控制模式切換為孤島控制模式；
[0011](4)檢測受端VSC是否處於聯網運行方式:若是，則執行步驟(5);若否，則返回步驟(I)執行下一時刻的檢測；
[0012](5)將受端VSC的控制模式由孤島控制模式切換為聯網控制模式。
[0013]所述的步驟(I)中檢測受端VSC控制模式的標準如下:
[0014]處於聯網控制模式的受端VSC的特徵為:受端VSC控制系統中的d軸控制環採用定交流有功功率為控制目標，q軸控制環採用定交流無功功率或定網側交流電壓有效值為控制目標，abc坐標系/dq坐標系以及dq坐標系/abc坐標系的坐標變換矩陣的參考相位採用受端VSC網側交流電壓的相位；
[0015]處於孤島控制模式的受端VSC的特徵為:受端VSC控制系統中的d軸控制環採用定網側交流電壓d軸分量為控制目標，q軸控制環採用定交流無功功率或定網側交流電壓q軸分量為控制目標。
[0016]所述的步驟(2)中檢測受端VSC是否處於孤島運行方式的標準如下:檢測受端VSC網側交流電壓的頻率是否高於上限頻率fmax持續Ttoldl秒以上或低於下限頻率fmin持續Tht5ld2秒以上:若是，則判定受端VSC處於孤島運行方式；若否，則判定受端VSC非處於孤島運行方式；Thldl和Tht5ld2均為預設的持續時間。
[0017]所述的步驟(3)中將受端VSC的控制模式由聯網控制模式切換為孤島控制模式的具體實現方法如下:
[0018]Al.將受端VSC控制系統中的d軸控制環的控制目標由定交流有功功率改為定網側交流電壓d軸分量，即將控制系統中外環控制器的輸入由交流有功功率偏差值(偏差值為參考值減去實際測量值)改為網側交流電壓d軸分量偏差值；
[0019]A2.將受端VSC控制系統中的q軸控制環的控制目標由定交流無功功率或定網側交流電壓有效值改為定網側交流電壓q軸分量，即將控制系統中外環控制器的輸入由交流無功功率偏差值或網側交流電壓有效值的偏差值改為網側交流電壓q軸分量偏差值；
[0020]A3.將受端VSC控制系統中abc坐標系/dq坐標系以及dq坐標系/abc坐標系的坐標變換矩陣的參考相位設定為θ，Θ =2 π f0t+ Θ 為不同於送端電網額定頻率的參考頻率，Θ add為模式切換時刻受端VSC網側交流電壓的相位，t為時間且從模式切換時刻開始計時。
[0021]所述的步驟(4)中檢測受端VSC是否處於聯網運行方式的標準如下:檢測受端VSC網側交流電流與網側交流電壓的頻率差是否超過頻率閾值fs持續Tht5ld3秒以上:若是，則判定受端VSC處於聯網運行方式；若否，則判定受端VSC非處於聯網運行方式；Thld3為預設的持續時間。
[0022]所述的步驟(5)中將受端VSC的控制模式由孤島控制模式切換為聯網控制模式的具體實現方法如下:
[0023]B1.將受端VSC控制系統中的d軸控制環的控制目標由定網側交流電壓d軸分量改為定交流有功功率，即將控制系統中外環控制器的輸入由網側交流電壓d軸分量偏差值改為交流有功功率偏差值；
[0024]B2.將受端VSC控制系統中的q軸控制環的控制目標由定網側交流電壓q軸分量改為定交流無功功率或定網側交流電壓有效值，即將控制系統中外環控制器的輸入由網側交流電壓q軸分量偏差值改為交流無功功率偏差值或網側交流電壓有效值的偏差值；
[0025]B3.將受端VSC控制系統中abc坐標系/dq坐標系以及dq坐標系/abc坐標系的坐標變換矩陣的參考相位設定為受端VSC網側交流電壓的相位。
[0026]VSC的控制模式必須與其運行方式相匹配。當VSC處於聯網運行方式時，若VSC仍保持孤島控制模式，由於電網中所有同步發電機的調速系統為有差調頻特性，而VSC孤島控制模式為恆定頻率特性，因此VSC將承擔幾乎所有的負荷有功功率變化，如果電網負荷的有功變化超過VSC的有功限制，VSC將失去穩態運行點。反之，當VSC處於孤島運行方式時，若VSC仍保持聯網控制模式，VSC所處的無源孤島電網將出現頻率失穩問題。因此，VSC的運行方式發生變化後，其控制模式需儘快進行相應的切換。
[0027]本發明的方法能夠快速檢測VSC的控制模式與其所處運行方式是否匹配，若發現不匹配，將令VSC迅速切換至適合的控制模式。該方法使得VSC在聯網運行方式時能夠精準控制VSC網側有功功率和無功功率，同時，使VSC在孤島運行方式時能夠為無源孤島提供穩定且高品質的電壓波形，因此，VSC-HVDC在聯網運行方式及孤島運行方式間相互轉換的方法能夠保證VSC-HVDC在兩種運行方式間穩定地切換。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為VSC及其控制系統的結構示意圖。
[0029]圖2為本發明切換控制方法的流程示意圖。
[0030]圖3為VSC-HVDC和交流線路為無源孤島雙路供電的單線圖。
[0031]圖4(a)為交流線路AC12跳開後系統的交流電壓波形圖。
[0032]圖4(b)為交流線路AC12跳開後系統的頻率波形圖。
[0033]圖4(c)為交流線路AC12跳開後系統的有功功率波形圖。
[0034]圖4(d)為交流線路AC12跳開後系統的無功功率波形圖。
[0035]圖4 (e)為交流線路AC12跳開後VSC2的橋臂電流波形圖。
[0036]圖4(f)為交流線路AC12跳開後VSC2的部分子模塊電容電壓波形圖。
[0037]圖5(a)為交流線路AC12重合閘後系統的交流電壓波形圖。
[0038]圖5 (b)為交流線路AC12重合閘後系統的頻率波形圖。
[0039]圖5(c)為交流線路AC12重合閘後系統的有功功率波形圖。
[0040]圖5(d)為交流線路AC12重合閘後系統的無功功率波形圖。
[0041]圖5(e)為交流線路AC12重合閘後VSC2的橋臂電流波形圖。
[0042]圖5 (f)為交流線路AC12重合閘後VSC2的部分子模塊電容電壓波形圖。【具體實施方式】
[0043]為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0044]圖1為VSC及其控制系統基本結構示意圖，其中，Us SVSC網側母線交流電壓有效值，Usj分別為VSC網側母線三相交流電壓,下標j=a, b, c,分別表示a、b、c三相，Usd和Ustl分別為VSC網側母線三相交流電壓的d軸分量和q軸分量，isJ分別為VSC網側出口處三相交流電流，isd和isq分別為VSC網側出口處三相交流電流的d軸分量和q軸分量，R和L分別為VSC交流側等效電阻和電感，V為VSC閥側交流電壓有效值，Vjref分別為VSC閥側輸出三相電壓參考值，Vdref和Vvef分別為VSC閥側輸出三相交流電壓參考值的d軸分量和q軸分量。isdMf、i_f和4為按圖2所示的方法和過程生成的控制信號，其中4是VSC控制系統
所用到的坐標變換矩陣 Tabc/dq 和 TfJq/abc 的參考相位。
[0045]abc/dq變換模塊表達式如下:
[0046]
【權利要求】
1.一種VSC-HVDC在聯網與孤島運行方式間的切換控制方法，包括如下步驟: (1)對於VSC-HVDC中的受端VSC，檢測其控制模式:若其處於聯網控制模式，則執行步驟(2);若其處於孤島控制模式，則執行步驟(4)； (2)檢測受端VSC是否處於孤島運行方式:若是，則執行步驟(3);若否，則返回步驟(1)執行下一時刻的檢測； (3)將受端VSC的控制模式由聯網控制模式切換為孤島控制模式； (4)檢測受端VSC是否處於聯網運行方式:若是，則執行步驟(5);若否，則返回步驟(1)執行下一時刻的檢測； (5)將受端VSC的控制模式由孤島控制模式切換為聯網控制模式。
2.根據權利要求1所述的切換控制方法，其特徵在於:所述的步驟(1)中檢測受端VSC控制模式的標準如下: 處於聯網控制模式的受端VSC的特徵為:受端VSC控制系統中的d軸控制環採用定交流有功功率為控制目標，q軸控制環採用定交流無功功率或定網側交流電壓有效值為控制目標，abc坐標系/dq坐標系以及dq坐標系/abc坐標系的坐標變換矩陣的參考相位採用受端VSC網側交流電壓的相位； 處於孤島控制模式的受端VSC的特徵為:受端VSC控制系統中的d軸控制環採用定網側交流電壓d軸分量為控制目標，q軸控制環採用定交流無功功率或定網側交流電壓q軸分量為控制目標。
3.根據權利要求1所述的切換控制方法，其特徵在於:所述的步驟(2)中檢測受端VSC是否處於孤島運行方式的標準如下:檢測受端VSC網側交流電壓的頻率是否高於上限頻率ffflax持續Thtjldl秒以上或低於下限頻率fmin持續Ttold2秒以上:若是，則判定受端VSC處於孤島運行方式；若否，則判定受端VSC非處於孤島運行方式；Thldl和Tht5ld2均為預設的持續時間。
4.根據權利要求1所述的切換控制方法，其特徵在於:所述的步驟(3)中將受端VSC的控制模式由聯網控制模式切換為孤島控制模式的具體實現方法如下: Al.將受端VSC控制系統中的d軸控制環的控制目標由定交流有功功率改為定網側交流電壓d軸分量，即將控制系統中外環控制器的輸入由交流有功功率偏差值改為網側交流電壓d軸分量偏差值； A2.將受端VSC控制系統中的q軸控制環的控制目標由定交流無功功率或定網側交流電壓有效值改為定網側交流電壓q軸分量，即將控制系統中外環控制器的輸入由交流無功功率偏差值或網側交流電壓有效值的偏差值改為網側交流電壓q軸分量偏差值； A3.將受端VSC控制系統中abc坐標系/dq坐標系以及dq坐標系/abc坐標系的坐標變換矩陣的參考相位設定為θ，θ=2 f0t+ Θ add，f0為不同於送端電網額定頻率的參考頻率，Θ add為模式切換時刻受端VSC網側交流電壓的相位，t為時間且從模式切換時刻開始計時。
5.根據權利要求1所述的切換控制方法，其特徵在於:所述的步驟(4)中檢測受端VSC是否處於聯網運行方式的標準如下:檢測受端VSC網側交流電流與網側交流電壓的頻率差是否超過頻率閾值fs持續Tht5ld3秒以上:若是，則判定受端VSC處於聯網運行方式；若否，則判定受端VSC非處於聯網運行方式；Thld3為預設的持續時間。
6.根據權利要求1所述的切換控制方法，其特徵在於:所述的步驟(5)中將受端VSC的控制模式由孤島控制模式切換為聯網控制模式的具體實現方法如下: B1.將受端VSC控制系統中的d軸控制環的控制目標由定網側交流電壓d軸分量改為定交流有功功率，即將控制系統中外環控制器的輸入由網側交流電壓d軸分量偏差值改為交流有功功率偏差值； B2.將受端VSC控制系統中的q軸控制環的控制目標由定網側交流電壓q軸分量改為定交流無功功率或定網側交流電壓有效值，即將控制系統中外環控制器的輸入由網側交流電壓q軸分量偏差值改為交流無功功率偏差值或網側交流電壓有效值的偏差值； B3.將受端VSC控制系統中abc坐標系/dq坐標系以及dq坐標系/abc坐標系的坐標變換矩陣的參考相位 設定為受端VSC網側交流電壓的相位。
【文檔編號】H02J3/38GK103904677SQ201410120088
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2014年3月27日
【發明者】徐政, 劉昇, 唐庚, 宋鵬程, 于洋 申請人:浙江大學