基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統及方法技術方案

本發明專利技術提供了一種基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統及方法，包括變換器控制層、端電壓控制層、變電站控制層，變換器控制層用于根據端電壓控制層輸出的電流參考值Iset，生成變換器控制脈沖信號；端電壓控制層用于控制主模式下運行的變換器與相應的母線或風場輸入端的電壓保持恒定，生成主模式下變換器單元端口的電流參考值Iset；變電站控制層用于實現直流變電站電網側的功率控制以及變電站內部最低損耗的功率分配。本發明專利技術通過基于不同時間尺度劃分的層級結構，能夠實現系統的模塊化設計，降低端口電壓控制、電網潮流分配等多個穩態運行目標之間的互相干擾與耦合，且不涉及單端口變換器內部控制策略，便于標準化生產和系統擴建。

Hierarchical operation system and method of DC substation based on concept of integrated control and maintenance

The invention provides a DC control and protection system of substation operation level and method based on the concept of integration, including the converter voltage control layer, control layer and substation control layer, converter control layer for Iset value according to the current reference voltage output control layer, generating control pulse signal converter; voltage control layer for the main voltage control mode converter and the corresponding bus or wind input is kept constant, the main mode of current reference generation converter unit port value Iset; power distribution substation control layer for DC substation grid side power control and substation minimum loss. The present invention through hierarchical structure of different time scale based on division, can realize the modular design of the system, reduce the port voltage control, power flow distribution between multiple steady-state target interference and coupling, and does not involve the internal control strategy of single port converter, to facilitate the standardization of production and system expansion.

【技術實現步驟摘要】
基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統及方法
本專利技術涉及網狀直流輸電領域，具體地，涉及基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統及方法。
技術介紹
直流輸電被視為遠距離電力傳輸與可再生能源接入的關鍵技術。現有直流輸電形式限于點對點直流輸電與多端直流輸電。為抑制功率波動，提升系統可靠性，未來網狀直流輸電的概念成為現在研究熱點。實現直流輸電網的方式是通過互聯輸電線直接實現多條直流線路的聯接，互聯線路上同時配備有直流斷路器，實現故障隔離與保護。然而這種連接方式限于同一電壓等級的直流系統。由于可能涉及不同制造商建造的直流線路，互聯輸電線上潮流調配難以實現。此外當直流系統某一處出現故障時，整個直流系統都會受到影響。為實現不同電壓等級的變換以及互聯線路上潮流主動調配，可以采用DC-DC變換器。該變換器與交流系統中交流變壓器功能類似，在直流網中該變換器又被稱為直流變壓器。該變換器需要具備故障隔離能力，用于限制故障影響區域。然而僅僅依賴于單端口的DC/DC變換器，直流網中將出現過多輸電線路。出于本身的通訊延時的存在，正常運行與故障條件下，遠距離直流變壓器的協調將很困難。與交流系統類似，多端口節點將是互聯直流網中關鍵元件。該節點用于大系統之間分割，分離直流系統之間互聯；實現功率的收集與再分配；隔離故障端同時保證其它接入端不受影響。在先前研究中，該節點被稱為多端口DC/DC變換器或DCHub。由于與交流變電站功能的相似，本文稱該節點為直流變電站。一種直流變電站典型應用如圖1所示，通過直流變電站實現多個風力發電廠與多個直流電網之間互聯。直流變電站內部包括多組電力電子變壓器。綜合考慮無母線與共母線兩種接法，每個變電站端口連有“直接互聯變換器”C11、CNN，與“共母線變換器”Cw11,Cg11等單元。正常情況下，直流變電站通過協調上述內部變換器，實現控制風場端1，2…N側電壓，調節輸送到電網1，2…N的功率的目的。當風場側或直流電網側出現故障時，通過直流變電站實現故障端隔離，同時維持其它接入端的正常運行。而當直流變電站內部變換器出現故障時，通過拓撲內部重構，提升系統可靠性。綜上所述，直流變電站需要實現穩態條件下電壓調節、功率分配，以及故障情況下故障端隔離與功率重構。需要說明的是，穩態運行與故障隔離并非完全獨立的運行目標。通過變換器自身具備的電力電子開關，往往能夠實現直流故障的隔離，節約額外的直流斷路器，實現控制與保護的“一體化”。這種情況下直流變電站運行目標更為復雜，涉及多個時間尺度與多種運行狀態，運行策略實現手段成為制約直流變電站運行的關鍵技術挑戰。經檢索，苗璐、林衛星、姚良忠、等在中國電機工程學報,2015,35(5):1023-1031發表了名稱為：“多端口背靠背式直流–直流換流系統”的文章，提出一種多端口背靠背式直流–直流換流系統(multiportback-to-back，MB2B)。其內部由多個電壓源型換流器(voltagesourceconverters，VSC)組成，VSC交流側均連接到MB2B內部公共交流母線。為了使MB2B具有聯接不同電壓等級直流線路的功能，MB2B內部采用變壓器來匹配不同電壓等級的直流線路。MB2B的每個端口均可獨立調節其潮流。為了減少VSC運行損耗，MB2B內部交流系統運行頻率取為工頻。詳細設計MB2B的穩態控制及故障下功率自動平衡控制。為驗證該拓撲的可行性和安全性，在PSCAD/EMTDC上搭建由四端口MB2B構成的實驗電網系統的仿真模型，并針對該實驗系統進行黑啟動、潮流調節、直流故障隔離以及故障下自動功率平衡等仿真。實驗系統中所有的控制策略均不需要任何通訊。該文獻針對共交流母線四端口直流變電站提出了一種控制策略。該控制策略中，直流變電站控制策略依賴于特定變電站拓撲結構，對圖1所示的一般性直流變電站結構不適用。需要獲知每一個電力電子變換器具體電路結構，以此為依據設計運行策略。當系統擴建時，控制策略需要重新設計。變電站內部母線故障與變換器故障時，整個變電站系統都需要停止運行，系統可靠性較低。
技術實現思路
針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的是提供一種基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統及方法。根據本專利技術提供的基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統，包括：變換器控制層，端電壓控制層以及變電站控制層，所述變換器控制層，用于根據端電壓控制層輸出的電流參考值Iset，生成變換器控制脈沖信號，所述脈沖信號能夠改變變換器單元的運行狀態；所述端電壓控制層，用于控制主模式下運行的變換器與相應的母線或風場輸入端的電壓保持恒定，并生成主模式下變換器單元的電流參考值Iset；所述變電站控制層，用于實現直流變電站電網側的端口電流控制以及變電站內部最低損耗的功率分配。優選地，所述變換器控制層包括：多個獨立的變換器單元以及與之對應的控制單元；具體地，穩態情況下，所述變換器單元具備調節出口側電流跟隨參考電流指令Iset的能力；發生短路故障時，變換器單元具有隔離短路故障的能力；變換器單元接收電流參考指令Iset，上傳電壓反饋值Vfdk、電流反饋值Ifdk以及變換器單元狀態信息。優選地，所述端電壓控制層包括：基于FPGA實現的協調控制器，電壓控制層接收變電站控制層發送的電壓指令Vset、工作在從模式的變換器單元的電流指令Iset以及運行模式指令；生成工作在主模式的變換器單元的電流指令Iset；電壓控制層上傳各端口電壓反饋值Vfdk、電流反饋值Ifdk以及風場運行狀態。優選地，所述變電站控制層包括：基于DSP實現的端口電流調節與效率優化控制模塊，變電站控制層接收調度中心下發的遙控指令，即選定電網端中的某個或多個作為松弛端，其余作為功率端，風場電壓設定值Vset，電網端口電流設定值所述遙控指令經端口電流調節生成端口電流指令Isum，并經效率優化層生成工作在從模式的變換器單元的電流指令Iset，上傳遙測信息和遙信信息，其中遙測信息包括：端口電壓、電流，遙信信息包括：電站狀態、變換器單元狀態。根據本專利技術提供的基于控保一體化概念的直流變電站層級運行方法，包括如下步驟：步驟1：構建基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統；步驟2：通過電壓端控制層調節所有風場接入端的電壓保持恒定，通過變電站控制層調節控制電網端的電流輸出恒定；步驟3：協調控制器監測風場或者電網端或者變換器單元是否出現故障，若某一風場端或電網端出現故障，通過變換器控制層斷開故障的風場或電網對應的變換器單元；若變換器單元出現故障，通過封鎖變換器脈沖信號，停用該變換器；其余變換器單元運行狀態正常；若無故障，則所有變換器單元運行狀態不變。優選地，所述步驟2包括：通過電壓端控制層輸出主模式下變換器單元端口的電流參考值Iset，通過效率優化算法計算出從模式下變換器單元端口的電流參考值Iset；其中，主模式是指：變換器負責風場電壓調節，則該變換器的電流參考值Iset由電壓控制層給出；從模式是指：變換器不負責風場電壓調節，僅參與電網端口電流調節，電流參考值Iset由變電站運行層給出；通過調度中心制定N個電網端中需要控制功率的電網端，并確定與該電網端相連的變換器單元的工作模式，假設調度中心遙控指令指定控制第一個電網端輸出的電流恒定，則與該電網端相連的C11,本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統，其特征在于，包括：變換器控制層，端電壓控制層以及變電站控制層，所述變換器控制層，用于根據端電壓控制層輸出的電流參考值Iset，生成變換器控制脈沖信號，所述脈沖信號能夠改變變換器單元的運行狀態；所述端電壓控制層，用于控制主模式下運行的變換器與相應的母線或風場輸入端的電壓保持恒定，并生成主模式下變換器單元的電流參考值Iset；所述變電站控制層，用于實現直流變電站電網側的端口電流控制以及變電站內部最低損耗的功率分配。

【技術特征摘要】
1.一種基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統，其特征在于，包括：變換器控制層，端電壓控制層以及變電站控制層，所述變換器控制層，用于根據端電壓控制層輸出的電流參考值Iset，生成變換器控制脈沖信號，所述脈沖信號能夠改變變換器單元的運行狀態；所述端電壓控制層，用于控制主模式下運行的變換器與相應的母線或風場輸入端的電壓保持恒定，并生成主模式下變換器單元的電流參考值Iset；所述變電站控制層，用于實現直流變電站電網側的端口電流控制以及變電站內部最低損耗的功率分配。2.根據權利要求1所述的基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統，其特征在于，所述變換器控制層包括：多個獨立的變換器單元以及與之對應的控制單元；具體地，穩態情況下，所述變換器單元具備調節出口側電流跟隨參考電流指令Iset的能力；發生短路故障時，變換器單元具有隔離短路故障的能力；變換器單元接收電流參考指令Iset，上傳電壓反饋值Vfdk、電流反饋值Ifdk以及變換器單元狀態信息。3.根據權利要求1所述的基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統，其特征在于，所述端電壓控制層包括：基于FPGA實現的協調控制器，電壓控制層接收變電站控制層發送的電壓指令Vset、工作在從模式的變換器單元的電流指令Iset以及運行模式指令；生成工作在主模式的變換器單元的電流指令Iset；電壓控制層上傳各端口電壓反饋值Vfdk、電流反饋值Ifdk以及風場運行狀態。4.根據權利要求1所述的基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統，其特征在于，所述變電站控制層包括：基于DSP實現的端口電流調節與效率優化控制模塊，變電站控制層接收調度中心下發的遙控指令，即選定電網端中的某個或多個作為松弛端，其余作為功率端，風場電壓設定值Vset，電網端口電流設定值所述遙控指令經端口電流調節生成端口電流指令Isum，并經效率優化層生成工作在從模式的變換器單元的電流指令Iset，上傳遙測信息和遙信信息，其中遙測信息包括：端口電壓、電流，遙信信息包括：電站狀態、變換器單元狀態。5.一種基于控保一體化概念的直流變電站層級運行方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：構建基于控保一體化概念的直流變電站層級運行系統；步驟2：通過電壓端控制層調節所有風場接入端的電壓保持恒定，通過變電站控制層調節控制電網端的電流輸出恒定；步驟3：協調控制器監測風場或者電網端或者變換器單元是否出現故障，若某一風場端或電網端出現故障，通過變換器控制層斷開故障的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱淼，徐莉婷，馬建軍，蔡旭，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海,31