一種多端口直流變電站的拓撲結構及其控制方法
【專利摘要】本發明提出了一種多端口直流變電站的拓撲結構及其控制方法，將不同雙端口DC/DC變換器的功能進行融合，它不僅可以互聯不同類型、多電壓等級的海上直流風電場和高壓直流輸電系統，類似于交流聯網通過交流變電站，直流聯網通過直流變電站，還能進行直流潮流的集中調控，而且可以在一端直流輸電系統故障期間不影響其他端直流輸電系統的正常工作，有高度的可靠性和可延展性，可以根據實際需要增加或者刪減端口數目，具有重大技術、經濟和社會意義。
【專利說明】一種多端口直流變電站的拓撲結構及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力系統【技術領域】，尤其是涉及一種多端口直流變電站的拓撲結構及其控制方法。
【背景技術】
[0002]海上風電作為全球風電的最新技術發展趨勢一直備受關注，是未來最有可能降低風力發電成本的新技術。隨著海上風電場裝機容量及輸電距離的增加，高壓直流輸電技術在海上風電并網中的應用將越來越廣泛。與基于電流源換流器技術的傳統直流輸電(LCC-HVDC)相比，基于電壓源換流器技術的新型直流輸電(VSC-HVDC)在海上風電場并網方面更具優勢。相比于雙端直流輸電(LCC型或VSC型)，多端直流輸電(Mult1-terminalHVDC，MTDC)的成本相對較低，運行靈活，可實現系統向弱交流系統供電，非常適合于連接海上風電場。目前傳統直流輸電技術仍占據著主導地位，為了更有效地利用現有直流輸電技術的特點，有學者提出了混合直流輸電(Hybrid HVDC):Hybrid HVDC是LCC與VSC的結合，可以較方便地新建或者在現有系統上擴建線路，易于構成多端系統，運行穩定。同時，整流側采用VSC、逆變側采用LCC的混合直流輸電結構在遠距離海上風電并網方案中具有獨特的優勢和競爭力，它不僅解決了 LCC連接風電場時需外加換相電壓的問題，也克服了 VSC投資聞、損耗大的缺點。
[0003]采用高壓大功率DC/DC變換器代替低頻變壓器聯接多種類型直流輸出的海上風電場(簡稱直流風電場)是最近研究的熱點:有學者研究了用于直流風電場匯集組網的三種DC/DC變換器拓撲結構；有學者研究了用于海上直流風電場的全橋DC/DC變換器控制策略；有學者研究了用于海上直流風電場的單向諧振型DC/DC變換器的拓撲結構和控制策略。由于目前直流電網尚無統一的電壓標準，采用DC/DC變換器可以實現多電壓等級直流輸電系統的互聯，并提高直流電網的運行靈活性:有學者研究了聯接兩個VSC型高壓直流輸電系統的高壓大功率MMC型雙向DC/DC變換器的拓撲結構和控制策略；有學者研究了傳統火電機組并入多端直流電網的運行控制策略，該直流電網采用多個雙向諧振型DC/DC變換器實現多電壓等級高壓直流輸電系統的互聯。上述研究均采用雙端口 DC/DC變換器實現單一海上風電場內的匯集或多電壓等級高壓直流輸電系統的互聯。
[0004]現有技術問題在于，對于單一直流電壓等級的高壓直流電網，由于現有直流斷路器無法應用于高壓場合，當某處直流線路發生短路故障時，全網的直流電壓均會降低，進而影響與之互聯的交流系統，使得交流系統的電壓降低，功率無法正常輸送。同時，對于多電壓等級直流電網，雖可用多個DC/DC變換器可以實現多電壓等級的互聯，但控制較為復雜，不能進行潮流的集中控制，經濟性較差。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，針對目前直流電網存在的可靠性低、控制復雜、不能進行潮流集中控制、經濟性較差的問題，提出一種多端口直流變電站的拓撲結構及其控制方法。[0006]本發明提出了一種多端口直流變電站的拓撲結構，所述拓撲結構由多條端口電路組成；其中每條端口電路包括一個換流端口、一個LCL濾波器、一個交流斷路器，每一個換流端口依次與該條端口電路上的LCL濾波器、交流斷路器相連，并通過交流變壓器和其他端口電路相連，或每一個換流端口依次通過該條端口電路上的LCL濾波器、交流斷路器和其他端口電路相連。
[0007]所述多端口直流變電站所包含的端口電路數量不少于2，且可根據需要擴展端口電路數目；根據端口電路數量的增加，可采用多個高頻雙繞組交流變壓器連接不同的端口電路；若兩端口直流電壓相差不大，則直接利用端口與端口間的直交直變換連接；建立站內交流母線電壓的端口為主端口，其他端口則為從端口。[0008]所述端口電路若某一條發生永久性故障，則斷開該條端口電路上的交流斷路器，從而不影響其他端口的正常工作。
[0009]所述各個換流端口采用包括但不限于模塊化多電平換流器或者多個小容量變換器模塊串并聯方案；變電站內部交流電路相數包括但不限于單相、兩相、三相、四相等。
[0010]本發明提出了一種多端口直流變電站的控制方法，主要包括:
[0011]步驟1、確定多端口直流電站端口數目和站內交流電壓等級；
[0012]步驟2、建立并分析變電站拓撲結構數學模型；
[0013]步驟3、確定變電站主端口控制方式；
[0014]步驟4、確定變電站從端口控制方式；
[0015]步驟5、判斷各端口狀態，若無故障則按照原先設定的控制方式工作，若有故障則判斷故障端口類型，若為主端口故障則選擇一從端口作為主端口控制站內交流電壓，若為從端口故障則其他控制方式保持不變或重新分配。
[0016]所述步驟I包括:根據多端口直流變電站所連的直流系統的數目，得出多端口直流變電站的端口數目，再根據各端口的直流電壓等級，得出變電站內部交流電壓等級。
[0017]所述步驟2包括:建立多端口直流變電站的端口數學模型，忽略電容耦合項onCf，將LCL濾波器等效為L濾波器進行解耦控制，以簡化控制系統。簡化數學模型如下:
【權利要求】
1.一種多端口直流變電站的拓撲結構，其特征在于，所述拓撲結構由多條端口電路組成；其中每條端口電路包括一個換流端口、一個LCL濾波器、一個交流斷路器，每一個換流端口依次與該條端口電路上的LCL濾波器、交流斷路器相連，并通過交流變壓器和其他端口電路相連，或每一個換流端口依次通過該條端口電路上的LCL濾波器、交流斷路器和其他端口電路相連。
2.根據權利要求1所述的拓撲結構，其特征在于，所述多端口直流變電站所包含的端口電路數量不少于2 ;根據端口電路數量的增加，則采用多個高頻雙繞組交流變壓器連接不同的端口電路；若兩端口直流電壓相差不大，則直接利用端口與端口間的直交直變換連接；建立站內交流母線電壓的端口為主端口，其他端口則為從端口。
3.根據權利要求1所述的拓撲結構,其特征在于,所述端口電路若某一條發生永久性故障，則斷開該條端口電路上的交流斷路器，從而不影響其他端口的正常工作。
4.根據權利要求1所述的拓撲結構，其特征在于，所述各個換流端口采用模塊化多電平換流器或者多個小容量變 換器模塊串并聯方案；變電站內部交流電路相數采用單相、兩相、三相或四相。
5.一種多端口直流變電站的控制方法，主要包括: 步驟1、確定多端口直流電站端口數目和站內交流電壓等級； 步驟2、建立并分析變電站拓撲結構數學模型； 步驟3、確定變電站主端口控制方式； 步驟4、確定變電站從端口控制方式； 步驟5、判斷各端口狀態，若無故障則按照原先設定的控制方式工作，若有故障則判斷故障端口類型，若為主端口故障則選擇一從端口作為主端口控制站內交流電壓，若為從端口故障則其他端口控制方式保持不變或重新分配。
6.根據權利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步驟I包括:根據多端口直流變電站所連的直流系統的數目，得出多端口直流變電站的端口數目，再根據各端口的直流電壓等級，得出變電站內部交流電壓等級。
7.根據權利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步驟2包括:建立多端口直流變電站的端口數學模型，忽略電容耦合項ω nCf，將LCL濾波器等效為L濾波器進行解耦控制，以簡化控制系統，簡化數學模型如下:
8.根據權利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步驟3包括:主端口通過PI控制器控制直流變電站內部交流電壓的頻率和相角為固定值，通過閉環反饋改變調制因子M控制交流電壓的幅值，通過主端口選擇功能，則保證原主端口因故障退出時，迅速選擇一個從端口作為主端口運行，該從端口的控制方式迅速切換為定交流電壓控制； 如果主端口永久性故障,那么直流變電站內部交流電壓建立失敗,各個端口直流電壓或功率控制失敗，直流功率不能正常送出，這時主端口發出一個故障信號，預先設置好的從端口檢測到故障信號后，投入從端口冗余交流電壓控制，替代主端口的功能，保證直流變電站的穩定運行。
9.根據權利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步驟4包括:從端口通過PI控制器控制端口直流電壓或直流功率，若外部直流換流站控制直流電壓，那么與其相連的從端口通過控制方式選擇功能確定其控制方式為直流功率控制，若外部直流換流站控制直流功率，那么與其相連的從端口通過控制方式選擇功能確定其控制方式為直流電壓控制；從端口通過選擇不同的控制方式和被控端口，進行直流潮流的集中調控； 從端口采用雙閉環控制端口直流電壓或直流功率，即外環為直流電壓或直流功率參考值和反饋值的偏差經過PI調節器可得到內環電流d軸分量的參考值，無功功率參考值和反饋值的偏差經過PI調節器得到內環電流q軸分量的參考值，內環為電流誤差經調節后輸出電壓參考值，疊加上補償量，即可得到調制波交流電壓的參考值； 當從端口退出時，原來通過該從端口的直流功率需要通過其他端口進行重新分配，如果這部分直流功率通過主端口后沒有發生端口功率越限，那么這部分直流功率則都通過主端口送出，如果都通過主端口以后功率越限，那么把部分直流功率轉移到其他從端口送出。
【文檔編號】H02J1/00GK103904635SQ201410156432
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月17日 優先權日:2014年4月17日
【發明者】索之聞, 李庚銀, 遲永寧, 王偉勝, 李琰, 孫蔚, 李想 申請人:華北電力大學, 中國電力科學研究院