СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СОГЛАСОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD OF CONTROL OF DC VOLTAGE MATCHING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области техники передачи VSC-HVDC (постоянного тока высокого напряжения на основе преобразователей напряжения) энергосистемами и, в частности, относится к способу управления согласованием напряжений постоянного тока.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С развитием силовых электронных устройств и технологии управления пропускная способность и класс напряжения систем VSC-HVDC становятся все выше и выше, и они развиваются в направлении многотерминальных электрических сетей постоянного тока. Многотерминальные системы VSC-HVDC и электрические сети VSC-HVDC обладают большей эксплуатационной гибкостью и надежностью, чем двухтерминальные системы электропередачи VSC-HVDC, и они имеют большие преимущества при создании крупномасштабных электрических сетей VSC-HVDC, которые могут удовлетворять требованиям объединения сетей, энергоснабжения городских сетей, объединения нескольких ветряных электростанций (новая энергия) и т. д. Однако с увеличением масштаба систем VSC-HVDC и увеличением числа преобразователей сложность управления согласованием нескольких преобразователей значительно увеличивается. Гарантирование стабильности напряжения постоянного тока систем VSC-HVDC для создания систем с несколькими преобразовательными станциями становится проблемой масштабного расширения электрических сетей VSC-HVDC.
Широко используемые способы управления согласованием для многотерминальной системы электропередачи VSC-HVDC включают управление задающим и ведомым регуляторами, управление разницей напряжения постоянного тока и управление допустимым отклонением напряжения постоянного тока.  Эти способы управления в основном имеют такие проблемы, как высокая зависимость от канала связи, сложные уставки для крутизны и допустимого отклонения и т. д. С увеличением масштаба системы VSC-HVDC эти проблемы становятся более заметными. С целью решения этих проблем для крупномасштабной системы электропередачи VSC-HVDC требуется хорошо масштабируемая стратегия управления согласованием напряжений постоянного тока для обеспечения управления согласованием нескольких преобразователей и гарантирования хорошей эффективности в установившемся и переходном режимах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является предоставление масштабируемого способа управления согласованием напряжений постоянного тока. Способ реализуют с помощью управления верхнего уровня и управления нижнего уровня. Управление верхнего уровня гарантирует эффективность в установившемся режиме системы, а управление нижнего уровня гарантирует эффективность в переходном режиме и стабильность системы. Во время управления нижнего уровня, поскольку рабочие характеристики преобразователя саморегулируются в соответствии с величиной уставки мощности преобразователя, способ устраняет проблему, заключающуюся в том, что фиксированная крутизна и допустимое отклонение не могут удовлетворять всем эксплуатационным условиям, и подходит для крупномасштабных многотерминальных систем VSC-HVDC и систем электрических сетей VSC-HVDC.
Чтобы достичь вышеизложенной цели, технические решения, принятые в настоящем изобретении, описаны ниже:
способ управления согласованием напряжений постоянного тока, применяемый к многотерминальной системе электропередачи VSC-HVDC или системе электрических сетей VSC-HVDC, включает управление нижнего уровня, с помощью которого формируют опорную величину активной мощности преобразователя в соответствии с режимом управления преобразователя; причем режим управления преобразователя представляет собой режим управления напряжением постоянного тока или режим управления активной мощностью;
некоторые или все преобразователи многотерминальной системы электропередачи VSC-HVDC или системы электрических сетей VSC-HVDC предусматривают управление нижнего уровня, и причем управление нижнего уровня любого преобразователя включает следующие этапы:
1) переход к этапу 2), если режим управления преобразователя представляет собой режим управления напряжением постоянного тока, в противном случае переход к этапу 3);
2) формирование опорной величины активной мощности преобразователя в соответствии с разностью опорного напряжения постоянного тока и напряжения постоянного тока преобразователя и переход к этапу 1);
3) формирование кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя в соответствии с величиной уставки активной мощности преобразователя, затем переход к этапу 4);
4) формирование опорной величины активной мощности преобразователя в соответствии с напряжением постоянного тока преобразователя и кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя, затем переход к этапу 1).
В вышеупомянутом способе управления согласованием напряжений постоянного тока формирование кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя в соответствии с величиной уставки активной мощности преобразователя на этапе 3) управления нижнего уровня включает следующие этапы:
1) определение точки 1 перегиба кривой активной мощности напряжения постоянного тока в соответствии с предельным максимальным напряжением постоянного тока и максимальной активной мощностью в инверторном режиме;
2) определение точки 2 перегиба кривой активной мощности напряжения постоянного тока в соответствии с максимальным напряжением постоянного тока и величиной уставки активной мощности;
3) определение точки 3 перегиба кривой активной мощности напряжения постоянного тока в соответствии с минимальным напряжением постоянного тока и величиной уставки активной мощности;
4) определение точки 4 перегиба кривой активной мощности напряжения постоянного тока в соответствии с предельным минимальным напряжением постоянного тока и максимальной активной мощностью в выпрямительном режиме;
5) формирование посредством ломаной линии кривой активной мощности напряжения постоянного тока, определенной с помощью вышеуказанных точки 1 перегиба, точки 2 перегиба, точки 3 перегиба и точки 4 перегиба, при этом активная мощность представляет собой максимальную активную мощность в инверторном режиме, если напряжение постоянного тока больше, чем предельное максимальное напряжение постоянного тока, и активная мощность представляет собой максимальную активную мощность в выпрямительном режиме, если напряжение постоянного тока меньше, чем предельное минимальное напряжение постоянного тока;
предельное максимальное напряжение постоянного тока, максимальное напряжение постоянного тока, минимальное напряжение постоянного тока и предельное минимальное напряжение постоянного тока являются заданными величинами, определенными согласно исследованию системы, и предельное максимальное напряжение постоянного тока больше или равняется максимальному напряжению постоянного тока, которое больше или равняется минимальному напряжению постоянного тока, которое больше или равняется предельному минимальному напряжению постоянного тока; и максимальная активная мощность в инверторном режиме представляет собой максимальную активную мощность, когда преобразователь работает в инверторном режиме, максимальная активная мощность в выпрямительном режиме представляет собой максимальную активную мощность, когда преобразователь работает в выпрямительном режиме, как максимальную активную мощность в инверторном режиме, так и максимальную активную мощность в выпрямительном режиме определяют согласно исследованию системы;
на этапе 4) управления нижнего уровня опорную величину активной мощности преобразователя получают путем нахождения кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя и определения активной мощности, соответствующей измеренному напряжению постоянного тока преобразователя, как опорной величины активной мощности преобразователя.
В вышеупомянутом способе управления согласованием напряжений постоянного тока на этапе 2) управления нижнего уровня формирование опорной величины активной мощности преобразователя в соответствии с разностью опорного напряжения постоянного тока и напряжения постоянного тока преобразователя обеспечивают путем использования разности, полученной с помощью пропорционально-интегрального регулятора, для получения опорной величины активной мощности преобразователя.
Вышеупомянутый способ управления согласованием напряжений постоянного тока характеризуется тем, что способ дополнительно включает управление верхнего уровня, и причем с помощью управления верхнего уровня регулируют режим управления, относящийся к управлению нижнего уровня, и величину уставки активной мощности, причем управление верхнего уровня включает следующие этапы:
(1) отслеживание состояния режима управления каждого преобразователя; отправка указания переключения в режим управления напряжением постоянного тока на преобразователь с наивысшим приоритетом в соответствии с заданным приоритетом, когда никакие из работающих преобразователей, которые объединены на стороне постоянного тока, не находятся в режиме управления напряжением постоянного тока; отправка указания переключения в режим управления активной мощностью на другие преобразователи, отличные от преобразователя с наивысшим приоритетом, которые работают в режиме управления напряжением постоянного тока, когда множество работающих преобразователей, которые объединены на стороне постоянного тока, находятся в режиме управления напряжением постоянного тока, затем переход к этапу 2);
(2) отслеживание состояния перегрузки преобразователей в режиме управления напряжением и отправка состояния перегрузки на сторону управления нижнего уровня других преобразователей, которые объединены на стороне постоянного тока преобразователей в состоянии перегрузки, затем переход к этапу 1); причем состояние перегрузки представляет собой одно из перегрузки в выпрямительном режиме или перегрузки в инверторном режиме;
когда предусмотрено управление верхнего уровня, управление нижнего уровня дополнительно включает следующие этапы:
a) переход к этапу b) после приема указания переключения в режим управления напряжением постоянного тока со стороны управления верхнего уровня, в противном случае переход к этапу c);
b) переключение режима управления преобразователя в режим управления напряжением постоянного тока, затем переход к этапу c);
c) переход к этапу d) после приема указания переключения в режим управления активной мощностью со стороны управления верхнего уровня, в противном случае переход к этапу e);
d) переключение режима управления преобразователя в режим управления активной мощностью, затем переход к этапу e);
e) после приема состояния перегрузки верхнего уровня, когда состояние перегрузки представляет собой перегрузку в выпрямительном режиме, а величина уставки активной мощности преобразователя представляет собой мощность в инверторном режиме, переход к этапу f); или, когда состояние перегрузки представляет собой перегрузку в инверторном режиме, а величина уставки активной мощности представляет собой мощность в выпрямительном режиме, переход к этапу f), в противном случае переход к этапу a);
f) уменьшение величины уставки активной мощности преобразователя в соответствии с заданным шагом, затем переход к этапу a).
В вышеупомянутом способе управления согласованием напряжений постоянного тока на этапе (1) или этапе (2) управления верхнего уровня объединение на стороне постоянного тока означает то, что сторона постоянного тока преобразователя подключена напрямую или подключена через линии постоянного тока.
В вышеупомянутом способе управления согласованием напряжений постоянного тока на этапе (2) управления верхнего уровня перегрузка в выпрямительном режиме представляет собой перегрузку, которая возникает, когда преобразователь работает в выпрямительном режиме, и перегрузка в инверторном режиме представляет собой перегрузку, которая возникает, когда преобразователь работает в инверторном режиме.
В вышеупомянутом способе управления согласованием напряжений постоянного тока на этапе f) управления нижнего уровня заданный шаг определяют согласно исследованию системы, причем величина находится в диапазоне от 0 МВт до максимальной активной мощности преобразователя; уменьшение величины уставки активной мощности преобразователя означает уменьшение величины уставки активной мощности преобразователя в направлении уменьшения абсолютной величины, относящейся к величине уставки активной мощности преобразователя.
После принятия вышеизложенных решений полезные эффекты настоящего изобретения являются следующими.
(1) Способ управления согласованием напряжений постоянного тока, предоставленный в настоящем изобретении, устраняет проблему, заключающуюся в том, что фиксированная крутизна и допустимое отклонение не могут удовлетворять всем эксплуатационным условиям, путем саморегулирования рабочих характеристик преобразователя в соответствии с величиной уставки мощности преобразователя.
(2) Способ управления согласованием напряжений постоянного тока, предоставленный в настоящем изобретении, может гарантировать эффективность в переходном режиме и стабильность системы в случае отказа канала связи и имеет низкую зависимость от канала связи. В случае отказа канала связи величину уставки мощности также может отрегулировать оператор, чтобы избежать проблем неуправляемости при потере управления верхнего уровня.
(3) Способ управления согласованием напряжений постоянного тока, предоставленный в настоящем изобретении, может применять управление нижнего уровня только для некоторых преобразователей в соответствии с условиями системы, которое подходит для крупномасштабных систем VSC-HVDC и обладает возможностью масштабирования.
(4) Способ управления согласованием напряжений постоянного тока, предоставленный в настоящем изобретении, распределяет степень регулирования активной мощности каждого преобразователя в соответствии с резервной пропускной способностью регулирования преобразователя, так что преобразователь с большой резервной пропускной способностью может регулировать большую активную мощность, что является преимущественным для поддержки стабильности напряжения постоянного тока.
(5) Согласно способу управления согласованием напряжений постоянного тока, предоставленному в настоящем изобретении, регулирование рабочих характеристик преобразователя зависит только от величины уставки мощности преобразователя, так что способ является простым и надежным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 – блок-схема управления верхнего уровня.
Фиг. 2 – блок-схема управления нижнего уровня.
Фиг. 3 – схематическое изображение кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Техническое решение согласно настоящему изобретению будет подробно описано ниже со ссылкой на графические материалы и конкретные варианты осуществления.
Фиг. 1 – блок-схема управления верхнего уровня. Когда предусмотрено управление верхнего уровня, с помощью управления верхнего уровня регулируют режим управления и величину уставки активной мощности, относящиеся к управлению нижнего уровня, а с помощью управления нижнего уровня регулируют внешние рабочие характеристики соответствующего преобразователя, включая два этапа:
этап 101: отслеживание состояния режима управления каждого преобразователя: когда никакие из работающих преобразователей, которые объединены на стороне постоянного тока, не находятся в режиме управления напряжением постоянного тока, в это время нет преобразователя, использующего режим управления напряжением постоянного тока, в объединенной системе для балансировки мощности постоянного тока, таким образом, указание переключения в режим управления напряжением постоянного тока отправляют на преобразователь с наивысшим приоритетом в соответствии с заданным приоритетом; указание переключения в режим управления активной мощностью отправляют на другие преобразователи, отличные от преобразователя с наивысшим приоритетом, которые работают в режиме управления напряжением постоянного тока, когда множество работающих преобразователей, которые объединены на стороне постоянного тока, находятся в режиме управления напряжением постоянного тока, чтобы поддерживать только один преобразователь в объединенной системе в режиме управления напряжением постоянного тока;
этап 102: отслеживание состояния перегрузки преобразователей в режиме управления напряжением: состояние перегрузки отправляют на сторону управления нижнего уровня других преобразователей, которые объединены на стороне постоянного тока преобразователей в состоянии перегрузки, причем состояние перегрузки представляет собой одно из перегрузки в выпрямительном режиме или перегрузки в инверторном режиме, при этом перегрузка в выпрямительном режиме представляет собой перегрузку, которая возникает, когда преобразователь работает в выпрямительном режиме, а перегрузка в инверторном режиме представляет собой перегрузку, которая возникает, когда преобразователь работает в инверторном режиме. После приема состояния перегрузки с помощью управления нижнего уровня регулируют величину уставки активной мощности для обеспечения регулирования внешних рабочих характеристик.
Фиг. 2 – блок-схема управления нижнего уровня. Когда управление согласованием напряжений постоянного тока включает управление верхнего уровня, управление нижнего уровня включает следующие этапы:
этап 201: переход к этапу 202 после приема указания переключения в режим управления напряжением постоянного тока со стороны управления верхнего уровня, в противном случае переход к этапу 203;
этап 202: переключение режима управления преобразователя в режим управления напряжением постоянного тока, затем переход к этапу 203;
этап 203: переход к этапу 204 после приема указания переключения в режим управления активной мощностью со стороны управления верхнего уровня, в противном случае переход к этапу 205;
этап 204: переключение режима управления преобразователя в режим управления активной мощностью, затем переход к этапу 205;
этап 205: после приема состояния перегрузки верхнего уровня, когда состояние перегрузки представляет собой перегрузку в выпрямительном режиме, а величина уставки активной мощности преобразователя представляет собой мощность в инверторном режиме, переход к этапу 206; или, когда состояние перегрузки представляет собой перегрузку в инверторном режиме, а величина уставки активной мощности представляет собой мощность в выпрямительном режиме, переход к этапу 206, в противном случае переход к этапу 207;
этап 206: уменьшение величины уставки активной мощности преобразователя в соответствии с заданным шагом, затем переход к этапу 207; заданный шаг определяют согласно исследованию системы, причем величина находится в диапазоне от 0 МВт до максимальной активной мощности преобразователя, если длина шага составляет 1 МВт, то величину уставки активной мощности будут уменьшать на 1 МВт для каждого исполнительного цикла; уменьшение величины уставки активной мощности преобразователя означает уменьшение величины уставки активной мощности преобразователя в направлении уменьшения абсолютной величины, относящейся к величине уставки активной мощности преобразователя; если величина уставки активной мощности в предыдущем исполнительном цикле составляет 100 МВт, что представляет собой величину в направлении выпрямительного режима, то величина уставки активной мощности в текущем исполнительном цикле составляет 99 МВт; если величина уставки активной мощности в предыдущем исполнительном цикле составляет −100 МВт, что представляет собой величину в направлении инверторного режима, то величина уставки активной мощности в текущем исполнительном цикле составляет −99 МВт, поскольку уменьшается только эта величина;
этап 207: переход к этапу 208, если режим управления преобразователя представляет собой режим управления напряжением постоянного тока, в противном случае переход к этапу 209;
этап 208: формирование опорной величины активной мощности преобразователя в соответствии с разностью указанного напряжения постоянного тока и напряжения постоянного тока преобразователя и переход к этапу 201; на этом этапе используют регулятор напряжения постоянного тока для управления напряжением постоянного тока в качестве целевой величины для формирования опорной величины активной мощности преобразователя;
этап 209: формирование кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя в соответствии с величиной уставки активной мощности преобразователя, затем переход к этапу 210;
этап 210: формирование опорной величины активной мощности преобразователя в соответствии с напряжением постоянного тока преобразователя и кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя, затем переход к этапу 201. Предпочтительно напряжение постоянного тока преобразователя может представлять собой междуэлектродное напряжение преобразователя.
Когда управление верхнего уровня не предусмотрено, этапы 201–206 могут быть опущены.
Управление нижнего уровня предусмотрено на стороне управления преобразователя, которое находится на нижнем уровне управления для повышения надежности системы управления. В распределенной конфигурации с управлением нижнего уровня управление верхнего уровня при необходимости может быть предусмотрено в любом местоположении и может взаимодействовать с управлением нижнего уровня посредством канала связи. При применениях к крупномасштабным системам VSC-HVDC только некоторые преобразователи с возможностями жесткого регулирования предусматривают управление нижнего уровня в соответствии с условиями системы, и некоторые преобразователи, предусматривающие управление нижнего уровня, используют для поддержания стабильности напряжения постоянного тока.
dmax_abs
dmax
dmin_abs
dmin
inv_max
rec_max
dmax_abs
dmax
dmin_abs
dmin
inv_max
rec_max
Фиг. 3 – схематическое изображение кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя, и в сочетании с фигурой дополнительно описаны вышеизложенные этапы 209 и 210. U – предельное максимальное напряжение постоянного тока, U – максимальное напряжение постоянного тока, U – предельное минимальное напряжение постоянного тока, U – минимальное напряжение постоянного тока, P – максимальная активная мощность в инверторном режиме, и P – максимальная активная мощность в выпрямительном режиме, обе из которых определяют согласно исследованию системы. Предпочтительно предельное максимальное напряжение постоянного тока U может быть определено в соответствии с величиной уставки перенапряжения постоянного тока, максимальное напряжение постоянного тока U может быть определено в соответствии с наибольшей величиной напряжения во время работы в установившемся режиме, предельное минимальное напряжение постоянного тока U может быть определено в соответствии с наименьшей величиной уставки напряжения постоянного тока, и минимальное напряжение постоянного тока U может быть определено в соответствии с минимальной величиной напряжения во время работы в установившемся режиме. Максимальную активную мощность в инверторном режиме P определяют на основе максимальной активной мощности, когда преобразователь работает в инверторном режиме. Максимальная активная мощность в выпрямительном режиме P может быть определена на основе максимальной активной мощности, когда преобразователь работает в выпрямительном режиме. Вышеизложенное определение означает принятие соответствующего коэффициента надежности.
set
inv_max
dmax_abs
set
dmax
set
dmin
rec_max
dmin_abs
set
inv_max
dmax_abs
set
dmax
set
dmin
rec_max
dmin_abs
Когда величина уставки активной мощности представляет собой P, кривая 1 активной мощности напряжения постоянного тока может быть определена точками P1, P2, P3 и P4 перегиба, где P1 = (P, U), P2 = (P, U), P3 = (P, U), P4 = (P, U); когда величина уставки активной мощности представляет собой P’, другая кривая 2 активной мощности напряжения постоянного тока может быть определена точками P1, P2’, P3’ и P4 перегиба, где P1 = (P, U), P2’ = (P’, U), P3’ = (P’, U), P4 = (P, U).
d
ref
ref
set
set
ref
set
ref
set
d
Опорная величина активной мощности преобразователя может быть сформирована в соответствии с напряжением постоянного тока преобразователя и кривой активной мощности напряжения постоянного тока преобразователя. Например, когда выборочная величина напряжения постоянного тока представляет собой U, опорная величина активной мощности P может быть получена в соответствии с кривой 1 активной мощности напряжения постоянного тока, опорная величина активной мощности P’ может быть получена в соответствии с кривой 2 активной мощности напряжения постоянного тока.  Для того же преобразователя, когда величину уставки активной мощности регулируют от P до P’, рабочие характеристики преобразователя автоматически регулируются.  В установившемся режиме P = P и P’ = P’; в случае перенапряжения или пониженного напряжения мощность преобразователя изменяют для поддержания баланса мощностей постоянного тока в соответствии с резервной пропускной способностью регулирования. Например, когда перенапряжение достигает напряжения постоянного тока U, степень регулирования указанной величины мощности преобразователя и резервной пропускной способности регулирования преобразователя является пропорциональной, то есть:
set
inv_max
set
set
inv_max
set
set
set
В том числе P−P – резервная пропускная способность регулирования, когда величина уставки активной мощности представляет собой P, и P’−P – резервная пропускная способность регулирования, когда величина уставки активной мощности представляет собой P’. Подобным образом, для двух разных преобразователей, когда величины уставок активной мощности представляют собой P и P’ соответственно, когда возникает перенапряжение или пониженное напряжение, степень регулирования активной мощности каждого преобразователя также может быть распределена в соответствии с резервной пропускной способностью регулирования, так что преобразователь с большой резервной пропускной способностью может регулировать большую активную мощность, чтобы поддерживать стабильность напряжения постоянного тока.
Вышеизложенные варианты осуществления предназначены только для объяснения технической идеи настоящего изобретения и не могут использоваться для ограничения объема правовой охраны настоящего изобретения. Любая модификация, выполненная на основе технического решения в соответствии с технической идеей, предложенной в настоящем изобретении, подпадает под объем правовой охраны настоящего изобретения.