一種vsc-hvdc在聯(lián)網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式間的切換控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式間的切換控制方法，該方法通過(guò)檢測(cè)VSC的本地電氣量及控制信號(hào)來(lái)判斷VSC當(dāng)前的控制模式和所處的運(yùn)行方式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)VSC當(dāng)前控制模式與VSC所處的運(yùn)行方式不匹配時(shí)，對(duì)VSC的控制模式進(jìn)行快速切換。故本發(fā)明方法使得VSC在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式時(shí)能夠精準(zhǔn)控制VSC網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率，同時(shí)，使VSC在孤島運(yùn)行方式時(shí)能夠?yàn)闊o(wú)源孤島提供穩(wěn)定且高品質(zhì)的電壓波形，因此，VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式及孤島運(yùn)行方式間相互轉(zhuǎn)換的方法能夠保證VSC-HVDC在兩種運(yùn)行方式間穩(wěn)定地切換。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式間的切換控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式間的切換控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]VSC-HVDC (voltage source converter based high voltage direct current,電壓源換流器型直流輸電系統(tǒng))采用可關(guān)斷電力電子器件，無(wú)需借助外部電源便可實(shí)現(xiàn)換相，因此具備向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的能力。此外，VSC-HVDC技術(shù)與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，還具有不需要無(wú)功補(bǔ)償、無(wú)換相失敗問(wèn)題、諧波水平低、適合構(gòu)成多端直流輸電系統(tǒng)、占地面積小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此VSC-HVDC具有廣闊的工程應(yīng)用前景。
[0003]電網(wǎng)運(yùn)行中，為增強(qiáng)重要負(fù)荷的供電可靠性，可采用VSC-HVDC和交流線路為重要負(fù)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(guó)正在建設(shè)的舟山多端柔性直流輸電工程為例，該工程在正常運(yùn)行時(shí)，五個(gè)VSC (voltagesource converter,電壓源換流器)與交流電網(wǎng)均有交流線路聯(lián)系(該運(yùn)行方式稱(chēng)為聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式)，但在故障或檢修情況下，舟山電網(wǎng)中將出現(xiàn)無(wú)源孤島，因此需要某個(gè)或某幾個(gè)VSC向無(wú)源孤島供電(該運(yùn)行方式稱(chēng)為孤島運(yùn)行方式)，但VSC孤島方式只是臨時(shí)運(yùn)行方式，當(dāng)交流聯(lián)絡(luò)線故障清除或檢修完成后，為增強(qiáng)系統(tǒng)供電可靠性，無(wú)源孤島仍需通過(guò)交流線路重合閘與交流電網(wǎng)的恢復(fù)連接，VSC隨之轉(zhuǎn)入聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式。在上述情境下，VSC需要具備在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式和孤島運(yùn)行方式間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換的能力。
[0004]VSC-HVDC連接有源系統(tǒng)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(wú)功功率控制、定頻率控制等方式。VSC-HVDC向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(xiàn)中指出VSC采用定功率控制方式與弱交流系統(tǒng)連接時(shí)存在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能較差的問(wèn)題，并為此提出了一種VSC-HVDC功率同步控制器，該控制器既可用于VSC與強(qiáng)交流系統(tǒng)相連也適用于VSC與弱交流系統(tǒng)相連的情景。王珂、駱健、楊勝春等在標(biāo)題為向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC啟動(dòng)控制研究(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，第31卷，277-281)的文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)了向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的級(jí)聯(lián)型dq解耦比例積分控制器，該控制器的電流響應(yīng)速度快且能控制交流故障電流；目前實(shí)際工程中的VSC控制系統(tǒng)均采用級(jí)聯(lián)型dq解耦比例積分控制器結(jié)構(gòu)。
[0005]但是，上述研究主要集中于VSC-HVDC處于聯(lián)網(wǎng)或向無(wú)源孤島供電某單一運(yùn)行方式下的控制器設(shè)計(jì)，采用這些控制方法的VSC-HVDC無(wú)法在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式和無(wú)源孤島運(yùn)行方式間穩(wěn)定地相互轉(zhuǎn)換。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明基于實(shí)際工程中采用的級(jí)聯(lián)型dq解耦比例積分控制器結(jié)構(gòu)，提供了一種VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式間的切換控制方法，可以保證VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式和孤島運(yùn)行方式間穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換。
[0007]一種VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式間的切換控制方法，包括如下步驟:
[0008](I)對(duì)于VSC-HVDC中的受端VSC，檢測(cè)其控制模式:若其處于聯(lián)網(wǎng)控制模式，則執(zhí)行步驟(2);若其處于孤島控制模式，則執(zhí)行步驟(4)；
[0009](2)檢測(cè)受端VSC是否處于孤島運(yùn)行方式:若是，則執(zhí)行步驟(3);若否，則返回步驟(I)執(zhí)行下一時(shí)刻的檢測(cè)；
[0010](3)將受端VSC的控制模式由聯(lián)網(wǎng)控制模式切換為孤島控制模式；
[0011](4)檢測(cè)受端VSC是否處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式:若是，則執(zhí)行步驟(5);若否，則返回步驟(I)執(zhí)行下一時(shí)刻的檢測(cè)；
[0012](5)將受端VSC的控制模式由孤島控制模式切換為聯(lián)網(wǎng)控制模式。
[0013]所述的步驟(I)中檢測(cè)受端VSC控制模式的標(biāo)準(zhǔn)如下:
[0014]處于聯(lián)網(wǎng)控制模式的受端VSC的特征為:受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)采用定交流有功功率為控制目標(biāo)，q軸控制環(huán)采用定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值為控制目標(biāo)，abc坐標(biāo)系/dq坐標(biāo)系以及dq坐標(biāo)系/abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣的參考相位采用受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的相位；
[0015]處于孤島控制模式的受端VSC的特征為:受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)采用定網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量為控制目標(biāo)，q軸控制環(huán)采用定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量為控制目標(biāo)。
[0016]所述的步驟(2)中檢測(cè)受端VSC是否處于孤島運(yùn)行方式的標(biāo)準(zhǔn)如下:檢測(cè)受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的頻率是否高于上限頻率fmax持續(xù)Ttoldl秒以上或低于下限頻率fmin持續(xù)Tht5ld2秒以上:若是，則判定受端VSC處于孤島運(yùn)行方式；若否，則判定受端VSC非處于孤島運(yùn)行方式；Th()ldl和Tht5ld2均為預(yù)設(shè)的持續(xù)時(shí)間。
[0017]所述的步驟(3)中將受端VSC的控制模式由聯(lián)網(wǎng)控制模式切換為孤島控制模式的具體實(shí)現(xiàn)方法如下:
[0018]Al.將受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定交流有功功率改為定網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)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(shí)際測(cè)量值)改為網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量偏差值；
[0019]A2.將受端VSC控制系統(tǒng)中的q軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值改為定網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)控制器的輸入由交流無(wú)功功率偏差值或網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值的偏差值改為網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量偏差值；
[0020]A3.將受端VSC控制系統(tǒng)中abc坐標(biāo)系/dq坐標(biāo)系以及dq坐標(biāo)系/abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣的參考相位設(shè)定為θ，Θ =2 π f0t+ Θ 為不同于送端電網(wǎng)額定頻率的參考頻率，Θ add為模式切換時(shí)刻受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的相位，t為時(shí)間且從模式切換時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)。
[0021]所述的步驟(4)中檢測(cè)受端VSC是否處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式的標(biāo)準(zhǔn)如下:檢測(cè)受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電流與網(wǎng)側(cè)交流電壓的頻率差是否超過(guò)頻率閾值fs持續(xù)Tht5ld3秒以上:若是，則判定受端VSC處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式；若否，則判定受端VSC非處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式；Th()ld3為預(yù)設(shè)的持續(xù)時(shí)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(lián)網(wǎng)控制模式的具體實(shí)現(xiàn)方法如下:
[0023]B1.將受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量改為定交流有功功率，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)控制器的輸入由網(wǎng)側(cè)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(tǒng)中的q軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量改為定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)控制器的輸入由網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量偏差值改為交流無(wú)功功率偏差值或網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值的偏差值；
[0025]B3.將受端VSC控制系統(tǒng)中abc坐標(biāo)系/dq坐標(biāo)系以及dq坐標(biāo)系/abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣的參考相位設(shè)定為受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的相位。
[0026]VSC的控制模式必須與其運(yùn)行方式相匹配。當(dāng)VSC處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式時(shí)，若VSC仍保持孤島控制模式，由于電網(wǎng)中所有同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)為有差調(diào)頻特性，而VSC孤島控制模式為恒定頻率特性，因此VSC將承擔(dān)幾乎所有的負(fù)荷有功功率變化，如果電網(wǎng)負(fù)荷的有功變化超過(guò)VSC的有功限制，VSC將失去穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。反之，當(dāng)VSC處于孤島運(yùn)行方式時(shí)，若VSC仍保持聯(lián)網(wǎng)控制模式，VSC所處的無(wú)源孤島電網(wǎng)將出現(xiàn)頻率失穩(wěn)問(wèn)題。因此，VSC的運(yùn)行方式發(fā)生變化后，其控制模式需盡快進(jìn)行相應(yīng)的切換。
[0027]本發(fā)明的方法能夠快速檢測(cè)VSC的控制模式與其所處運(yùn)行方式是否匹配，若發(fā)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式時(shí)能夠精準(zhǔn)控制VSC網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率，同時(shí)，使VSC在孤島運(yùn)行方式時(shí)能夠?yàn)闊o(wú)源孤島提供穩(wěn)定且高品質(zhì)的電壓波形，因此，VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式及孤島運(yùn)行方式間相互轉(zhuǎn)換的方法能夠保證VSC-HVDC在兩種運(yùn)行方式間穩(wěn)定地切換。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為VSC及其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為本發(fā)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(wú)源孤島雙路供電的單線圖。
[0031]圖4(a)為交流線路AC12跳開(kāi)后系統(tǒng)的交流電壓波形圖。
[0032]圖4(b)為交流線路AC12跳開(kāi)后系統(tǒng)的頻率波形圖。
[0033]圖4(c)為交流線路AC12跳開(kāi)后系統(tǒng)的有功功率波形圖。
[0034]圖4(d)為交流線路AC12跳開(kāi)后系統(tǒng)的無(wú)功功率波形圖。
[0035]圖4 (e)為交流線路AC12跳開(kāi)后VSC2的橋臂電流波形圖。
[0036]圖4(f)為交流線路AC12跳開(kāi)后VSC2的部分子模塊電容電壓波形圖。
[0037]圖5(a)為交流線路AC12重合閘后系統(tǒng)的交流電壓波形圖。
[0038]圖5 (b)為交流線路AC12重合閘后系統(tǒng)的頻率波形圖。
[0039]圖5(c)為交流線路AC12重合閘后系統(tǒng)的有功功率波形圖。
[0040]圖5(d)為交流線路AC12重合閘后系統(tǒng)的無(wú)功功率波形圖。
[0041]圖5(e)為交流線路AC12重合閘后VSC2的橋臂電流波形圖。
[0042]圖5 (f)為交流線路AC12重合閘后VSC2的部分子模塊電容電壓波形圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0043]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0044]圖1為VSC及其控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖，其中，Us SVSC網(wǎng)側(cè)母線交流電壓有效值，Usj分別為VSC網(wǎng)側(cè)母線三相交流電壓,下標(biāo)j=a, b, c,分別表示a、b、c三相，Usd和Ustl分別為VSC網(wǎng)側(cè)母線三相交流電壓的d軸分量和q軸分量，isJ分別為VSC網(wǎng)側(cè)出口處三相交流電流，isd和isq分別為VSC網(wǎng)側(cè)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(cè)等效電阻和電感，V為VSC閥側(cè)交流電壓有效值，Vjref分別為VSC閥側(cè)輸出三相電壓參考值，Vdref和Vvef分別為VSC閥側(cè)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(guò)程生成的控制信號(hào)，其中4是VSC控制系統(tǒng)
所用到的坐標(biāo)變換矩陣 Tabc/dq 和 TfJq/abc 的參考相位。
[0045]abc/dq變換模塊表達(dá)式如下:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種VSC-HVDC在聯(lián)網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式間的切換控制方法，包括如下步驟: (1)對(duì)于VSC-HVDC中的受端VSC，檢測(cè)其控制模式:若其處于聯(lián)網(wǎng)控制模式，則執(zhí)行步驟(2);若其處于孤島控制模式，則執(zhí)行步驟(4)； (2)檢測(cè)受端VSC是否處于孤島運(yùn)行方式:若是，則執(zhí)行步驟(3);若否，則返回步驟(1)執(zhí)行下一時(shí)刻的檢測(cè)； (3)將受端VSC的控制模式由聯(lián)網(wǎng)控制模式切換為孤島控制模式； (4)檢測(cè)受端VSC是否處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式:若是，則執(zhí)行步驟(5);若否，則返回步驟(1)執(zhí)行下一時(shí)刻的檢測(cè)； (5)將受端VSC的控制模式由孤島控制模式切換為聯(lián)網(wǎng)控制模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換控制方法，其特征在于:所述的步驟(1)中檢測(cè)受端VSC控制模式的標(biāo)準(zhǔn)如下: 處于聯(lián)網(wǎng)控制模式的受端VSC的特征為:受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)采用定交流有功功率為控制目標(biāo)，q軸控制環(huán)采用定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值為控制目標(biāo)，abc坐標(biāo)系/dq坐標(biāo)系以及dq坐標(biāo)系/abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣的參考相位采用受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的相位； 處于孤島控制模式的受端VSC的特征為:受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)采用定網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量為控制目標(biāo)，q軸控制環(huán)采用定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量為控制目標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換控制方法，其特征在于:所述的步驟(2)中檢測(cè)受端VSC是否處于孤島運(yùn)行方式的標(biāo)準(zhǔn)如下:檢測(cè)受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的頻率是否高于上限頻率ffflax持續(xù)Thtjldl秒以上或低于下限頻率fmin持續(xù)Ttold2秒以上:若是，則判定受端VSC處于孤島運(yùn)行方式；若否，則判定受端VSC非處于孤島運(yùn)行方式；Th()ldl和Tht5ld2均為預(yù)設(shè)的持續(xù)時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換控制方法，其特征在于:所述的步驟(3)中將受端VSC的控制模式由聯(lián)網(wǎng)控制模式切換為孤島控制模式的具體實(shí)現(xiàn)方法如下: Al.將受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定交流有功功率改為定網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)控制器的輸入由交流有功功率偏差值改為網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量偏差值； A2.將受端VSC控制系統(tǒng)中的q軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值改為定網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)控制器的輸入由交流無(wú)功功率偏差值或網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值的偏差值改為網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量偏差值； A3.將受端VSC控制系統(tǒng)中abc坐標(biāo)系/dq坐標(biāo)系以及dq坐標(biāo)系/abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣的參考相位設(shè)定為θ，θ=2 f0t+ Θ add，f0為不同于送端電網(wǎng)額定頻率的參考頻率，Θ add為模式切換時(shí)刻受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的相位，t為時(shí)間且從模式切換時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換控制方法，其特征在于:所述的步驟(4)中檢測(cè)受端VSC是否處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式的標(biāo)準(zhǔn)如下:檢測(cè)受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電流與網(wǎng)側(cè)交流電壓的頻率差是否超過(guò)頻率閾值fs持續(xù)Tht5ld3秒以上:若是，則判定受端VSC處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式；若否，則判定受端VSC非處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式；Th()ld3為預(yù)設(shè)的持續(xù)時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換控制方法，其特征在于: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(lián)網(wǎng)控制模式的具體實(shí)現(xiàn)方法如下: B1.將受端VSC控制系統(tǒng)中的d軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸分量改為定交流有功功率，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)控制器的輸入由網(wǎng)側(cè)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(tǒng)中的q軸控制環(huán)的控制目標(biāo)由定網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量改為定交流無(wú)功功率或定網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值，即將控制系統(tǒng)中外環(huán)控制器的輸入由網(wǎng)側(cè)交流電壓q軸分量偏差值改為交流無(wú)功功率偏差值或網(wǎng)側(cè)交流電壓有效值的偏差值； B3.將受端VSC控制系統(tǒng)中abc坐標(biāo)系/dq坐標(biāo)系以及dq坐標(biāo)系/abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣的參考相位 設(shè)定為受端VSC網(wǎng)側(cè)交流電壓的相位。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK103904677SQ201410120088
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】徐政, 劉昇, 唐庚, 宋鵬程, 于洋 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)