一種提高電壓穩定性的VSC?HVDC功率控制方法與流程

本發明涉及電力系統分析和控制技術領域，特別是一種提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制方法。

背景技術：

傳統VSC-HVDC是自20世紀90年代發展起來的一種高壓直流輸電技術，其具有可對交流電網進行動態無功補償，為受端系統提供電壓支撐的優點。因此，VSC-HVDC成為一種改善交流系統電壓穩定性的較有潛力的方案。

然而，在直流混聯系統中VSC-HVDC向交流系統輸送的有功功率和無功功率大小均對電壓穩定有影響。一般地說，在無功功率不變前提下，輸送的有功功率越大，電壓穩定性越好；在有功功率不變前提下，輸送的無功功率越大，電壓穩定性越好。而受容量限制，VSC-HVDC向交流系統輸送的有功功率和無功功率是相互制約的，因此在電壓下降過程中，目前VSC-HVDC有功功率和無功功率控制方式可分為以下三種：一是通過減小有功出力為代價獲得較大無功輸出；二是以減小無功出力為代價來獲得較大的有功輸出；三是有功功率和無功功率同比例減小。應該采用何種控制方式對提高系統電壓穩定最有利，以及如何根據交直流電網自身參數來計算基于提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率最佳控制值，現有的技術未能完全揭示。本發明針對上述問題，提出了一種以提高電壓穩定水平為目標的VSC-HVDC功率控制方法，即考慮VSC-HVDC容量限制等約束條件，建立了基于電壓穩定的交直流混合系統VSC-HVDC有功功率、無功功率優化計算模型，通過求解拉格朗日函數，得到VSC-HVDC最佳有功輸送容量、無功出力以及交直流混聯系統最大供電負荷等，用于提高交直流混聯系統電壓穩定性。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制方法，以克服現有技術中存在的缺陷。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制方法，其流程圖如圖1所示，包括如下步驟：

步驟S1：輸入交流、直流電網參數數據，形成節點導納矩陣；

步驟S2：計算交流系統戴維南等值模型參數；

步驟S3：計算VSC-HVDC有功和無功運行范圍；

步驟S4：建立含VSC-HVDC的有功電壓關系式；

步驟S5：計算基于提高電壓穩定的VSC-HVDC最佳功率值；

步驟S6：進行VSC-HVDC功率控制。

進一步地，在所述步驟S1中，所述交流電網參數數據包括：輸電線路的首端、末端節點編號，變壓器變比、阻抗，串聯電阻、電抗以及并聯電導、電納；所述直流網絡參數包括：VSC-HVDC橋臂電抗器阻抗，換流變容量、阻抗，換流器調制比以及最大允許電流I_lim。

進一步地，在所述步驟S2中，獲取交流系統與VSC-HVDC等值電路，如圖2所示，記VSC-HVDC換流站所接入交流母線為交流電網的第i個節點，其電壓相量為換流器輸出的基波電壓相量為換流器與交流母線i之間的等值連接阻抗為Z₁∠θ₁＝R₁+jX₁，且根據該第i節點確定的系統等值阻抗Z₂∠θ₂＝R₂+jX₂，戴維南等值阻抗R₂和X₂可通過PSD-BPA計算軟件獲取交流系統。

進一步地，在所述步驟S3中，獲取交流系統與VSC-HVDC系統等值電路，根據該交流系統與VSC-HVDC系統等值電路，計算直流側功率：

其中：P_dc、Q_dc分別為VSC-HVDC注入節點i的有功與無功功率，δ_ik＝δ_i-δ_k＝δ-δ_k為節點i與節點k的電壓相角差；M為換流器調制比，U_d為換流器直流側電壓，μ是PWM直流電壓利用率；

由上述兩式可推得：

其中，VSC向交流系統輸出無功時，Q_dc為正；

VSC-HVDC運行時最大允許電流限制：

其中，I_lim為VSC-HVDC最大允許電流。

進一步地，在所述步驟S4中，基于潮流方程建立P與P_dc、Q_dc、U的關系方程式。根據該交流系統與VSC-HVDC系統等值電路中的交流支路，計算交流側功率：

其中，P_ac、Q_ac分別為交流支路注入節點i的有功與無功功率，和分別為交流支路兩端電壓，δ_ij＝δ_i-δ_j＝δ；

則可得：

其中，

再根據P_ac+P_dc＝P，Q_ac+Q_dc＝Q，Z_D＝R_D+jX_D，經推導，可得P與P_dc、Q_dc、U、R_D、X_D的關系方程式(交直流混聯系統負荷功率計算公式)：

式中：P、Q分別為交直流混聯電網供電的負荷有功功率和無功功率；Z_D、R_D和X_D為交直流混聯電網供電負荷的等值阻抗、等值電阻和等值電抗。

通常情況下，負荷功率因數短時間內變化不大，可假定為常數，經推導，可得P與P_dc、Q_dc、U的關系方程式：

進一步地，在所述步驟S5中，P為關于P_dc、Q_dc、U、R_D、X_D的函數，即

記拉格朗日函數L(P_dc,Q_dc,U,R_D,X_D)為：

式中，為約束條件；

對上式求偏導，可得方程組

求解上述6個方程可得6個未知數P_dc、Q_dc、U、R_D、X_D和λ，代入方程P＝f(P_dc,Q_dc,U,R_D,X_D)可解得在約束條件下的最大負荷功率P，而P_dc、Q_dc即為基于提高電壓穩定水平的VSC-HVDC最佳功率設置。

進一步地，在所述步驟S6中，VSC-HVDC采用傳統的功率外環、dq解耦電流內環控制方式；受端逆變側采用定有功功率P_dc和定無功功率Q_dc控制。

正常運行情況下，設VSC-HVDC按照系統需求，將有功功率參考值P_ref和無功功率參考值Q_ref分別設定為P_ref0和Q_ref0，即：

P_ref＝P_ref0,Q_ref＝Q_ref0；

當交流系統處于電壓失穩過程，即VSC-HVDC所接交流母線i的電壓幅值U小于越限值U_lim且持續時間大于t_lim(t_lim按避開故障切除時間等進行設定)，VSC-HVDC受端的控制系統切換進入提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制模式。

該模式下，首先根據步驟S1和步驟S2計算得到的網絡等值參數，以及步驟S5的計算方法，計算得出此刻負荷功率下VSC-HVDC的最佳功率設置P_dc、Q_dc；

其次，為減小VSC-HVDC有功功率和無功功率的調節對系統的沖擊，將VSC-HVDC有功功率參考值P_ref和無功功率參考值Q_ref分別由原設定值P_ref0和Q_ref0，通過步進方式過渡到其最佳功率設置P_dc、Q_dc，使功率參考值最終設置為：

P_ref＝P_dc,Q_ref＝Q_dc；

最后，分別經有功和無功功率外環PI控制器輸出產生d、q軸電流參考值i_dref和i_qref，并傳入電流內環控制；經調制和觸發后，VSC-HVDC輸出功率將以步進方式逐漸過渡至P_dc、Q_dc，即為提高電壓穩定水平的VSC-HVDC最佳功率。

相較于現有技術，本發明具有以下有益效果：本發明提出的一種提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制方法，通過VSC-HVDC有功功率、無功出力優化為交直流混合系統的提高電壓穩定性提供了一種可行的方法。為含VSC-HVDC的交直流混合系統電壓穩定性改善和運行控制奠定基礎。

附圖說明

圖1為本發明中一種提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制方法流程圖。

圖2為本發明中含VSC-HVDC交直流混聯系統的等值電路。

圖3為本發明中典型的PV曲線。

圖4為本發明中基于提高電壓穩定性的VSC-HVDC最佳功率控制過程流程圖。

圖5為本發明一實施例中含VSC-HVDC交直流混聯系統示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。

本發明提供一種提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制方法，如圖1所示，包括以下步驟：

(1)輸入交直流電網參數，形成節點導納矩陣。其中交流電網參數數據包括：輸電線路的首端、末端節點編號，變壓器變比、阻抗，串聯電阻、電抗以及并聯電導、電納；直流網絡參數包括：VSC-HVDC橋臂電抗器阻抗，換流變容量、阻抗，換流器調制比以及最大允許電流I_lim。

(2)計算交流系統戴維南等值模型參數。獲取交流系統與VSC-HVDC等值電路，如圖2所示，記VSC-HVDC換流站所接入交流母線為交流電網的第i個節點，其電壓相量為換流器輸出的基波電壓相量為換流器與交流母線i之間的等值連接阻抗為Z₁∠θ₁＝R₁+jX₁，且根據該第i節點確定的系統等值阻抗Z₂∠θ₂＝R₂+jX₂，在本實施例中，戴維南等值阻抗R₂和X₂通過PSD-BPA計算軟件獲取交流系統。

(3)計算VSC-HVDC有功和無功運行范圍

根據圖2，可得直流側功率方程式：

式中：P_dc、Q_dc分別為VSC-HVDC注入節點i的有功與無功功率，δ_ik＝δ_i-δ_k＝δ-δ_k為節點i與節點k的電壓相角差；M為換流器調制比，U_d為換流器直流側電壓，μ是PWM直流電壓利用率；

由式(1)、(2)可推得

其中，VSC向交流系統輸出無功時，Q_dc為正。

同時，考慮VSC-HVDC運行時最大允許電流限制，即：

式中，I_lim為VSC-HVDC最大允許電流。

進一步的，一般情況下VSC-HVDC運行約束中，尤其電壓下降過程中，式(4)約束將起到關鍵作用。

(4)建立含VSC-HVDC的有功(P)電壓(U)關系式。

在為常數的情況下，含VSC-HVDC的有功(P)電壓(U)關系式可以描述成以下形式：

P＝f(P_dc,Q_dc,U) (5)

式中：P為負荷有功功率。對圖2的電路可通過功率方程式推演PV關系式，具體如下。

對圖2中的交流支路，可列出交流側功率方程式：

其中，P_ac、Q_ac分別為交流支路注入節點i的有功與無功功率，和分別為交流支路兩端電壓，δ_ij＝δ_i-δ_j＝δ；。

根據式(6)和(7)可得：

其中，

本實施例中，考慮負荷功率因數短時間內變化不大，即假定為常數，并根據P_ac+P_dc＝P，Q_ac+Q_dc＝Q，經推導，可得P與P_dc、Q_dc、U的關系方程式：

式中：P、Q分別為交直流混聯電網供電的負荷有功功率和無功功率。

根據式(9)，可得交直流混聯電網典型的PV曲線，如圖3所示。

(5)基于電壓穩定的VSC-HVDC最佳功率值計算

P為關于P_dc、Q_dc、U、R_D、X_D的函數，即

定義拉格朗日函數L(P_dc,Q_dc,U,R_D,X_D)為

式中，為約束條件。

對式(11)求偏導，可得方程組

求解上述6個方程可得6個未知數P_dc、Q_dc、U、R_D、X_D和λ，代入方程P＝f(P_dc,Q_dc,U,R_D,X_D)可解得在約束條件下的最大負荷功率P，而P_dc、Q_dc即為基于提高電壓穩定水平的VSC-HVDC最佳功率設置。

(6)功率控制實現

VSC-HVDC采用傳統的功率外環、dq解耦電流內環控制方式；受端逆變側采用定有功功率P_dc和定無功功率Q_dc控制。正常情況下，設VSC-HVDC按照系統需求，將有功功率參考值P_ref和無功功率參考值Q_ref分別設定為P_ref0和Q_ref0，即：

P_ref＝P_ref0,Q_ref＝Q_ref0；

如圖4所示，當交流系統處于電壓失穩過程，即VSC-HVDC所接交流母線i的電壓幅值U小于越限值U_lim且持續時間大于t_lim(t_lim按避開故障切除時間等進行設定)，VSC-HVDC受端的控制系統切換進入提高電壓穩定性的VSC-HVDC功率控制模式。

該模式下，首先根據步驟(1)和步驟(2)計算得到的網絡等值參數，以及步驟(5)中的計算方法，計算得出此刻負荷功率下VSC-HVDC的最佳功率設置P_dc、Q_dc；

其次，為減小VSC-HVDC有功功率和無功功率的調節對系統的沖擊，將VSC-HVDC有功功率參考值P_ref和無功功率參考值Q_ref分別由原設定值P_ref0和Q_ref0通過步進方式過渡到其最佳功率設置P_dc、Q_dc，使功率參考值最終設置為：

P_ref＝P_dc,Q_ref＝Q_dc；

最后，分別經有功和無功功率外環PI控制器輸出產生d、q軸電流參考值i_dref和i_qref，并傳入電流內環控制；經調制和觸發后，VSC-HVDC輸出功率將以步進方式逐漸過渡至P_dc、Q_dc，即為提高電壓穩定水平的VSC-HVDC最佳功率。基于提高電壓穩定性的VSC-HVDC最佳功率控制過程如圖4所示。

下面結合實例對本發明進行詳細的說明。

以圖5所示的含VSC-HVDC的交直流混聯輸電系統為例進行說明，利用該發明所提供的方法對該系統的電壓穩定性進行分析，具體包括以下步驟：

1.計算交直流系統等值電路參數

圖5算例中，柔性直流輸電系統主要參數見表1，其送端采用定直流電壓U_d、定交流無功功率Q控制；受端采用定有功功率P、交流無功功率Q控制。受端最高負荷1998MW，功率因數最大運行方式受端交流電網等值阻抗R₂＝1.587Ω，X₂＝5.766Ω，交流系統等值電勢E_s＝1.1pu(基準電壓230kV)。

表1 VSC-HVDC系統主要參數

根據上述給定數據，將圖5所示的含VSC-HVDC的交直流混聯電網按照圖2進行簡化等值，等值電路各個參數見表2。表2中給出了參數有名值和標么值，為方便起見，以下計算均采用標么值進行。

表2電路參數計算結果

注：基準值分別為，U_B＝230kV,S_B＝100MVA，Z_B＝529Ω。

2.基于電壓穩定的VSC-HVDC最佳功率值計算

將表1和表2中的參數(標幺值)分別代入下式

式中：

(標幺值)

對L(P_dc,Q_dc,U)求偏導，可得方程組

解上述方程組，考慮P_dc、Q_dc、U為大于0的實數解，可得一組有意義的實數解

方程組解P_dc用有名值表示為554.6MW，即為提高電壓穩定性的VSC-HVDC最佳有功功率值。

將上述解代入f(P_dc,Q_dc,U)中，可解得系統最大輸送功率P為

P_max＝f(P_dc,Q_dc,U)＝44.420

P_max用有名值表示為44420MW，即為交直流混聯系統最大可輸送功率。

3.功率控制

本實施例中，VSC-HVDC有功功率參考值P_ref和無功功率參考值Q_ref初始值按系統需求分別設定為800MW和100Mvar；交流母線電壓越限值設為0.9p.u.，持續時間越限值設為1s。當VSC-HVDC監測到所連交流母線電壓幅值小于0.9p.u.且持續時間大于1s時，啟動基于提高電壓穩定性的功率控制，根據計算結果，其基于提高電壓穩定性的最佳有功、無功功率值為554.6MW、518.0Mvar。VSC-HVDC自動將P_ref、Q_ref通過步進方式過渡到其最佳有功、無功功率值554.6MW、518.0Mvar。經VSC-HVDC功率內外環控制后，VSC-HVDC輸出有功功率也將以步進方式逐漸過渡至554.6MW、518.0Mvar，直至系統電壓恢復。

以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的范圍時，均屬于本發明的保護范圍。