一种适用于大规模风电外送的直流输电控制方法

一种适用于大规模风电外送的直流输电控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种适用于大规模风电外送的直流输电控 制方法。
【背景技术】
[0002] 风能是新能源中开发较早、应用较广、技术最成熟、最具大规模开发前景的新能源 之一，因此许多国家都把风电建设作为能源政策中的重要内容。然而，风力发电在整个能源 供应体系中又长期处于从属地位，这是由于其自身固有的缺点造成的：可靠性低，电能质 量不佳，成本偏高，与水火电相比没有竞争力。与水火电机组相比，风能随机性和间歇性的 特点造成风电机组的出力频繁波动，从而风电场的出力可靠性差，为了保证整个系统的安 全、稳定和优质运行，需要增加系统的旋转备用容量和调频机组容量，其后果是增加了系统 的运行成本，如果增加的这部分成本大于风电节省的燃料成本，这会降低电力系统的经济 性。因此，如何采取切实可行的方法来提高风电供电可靠性、增加风电场运行效益、实现可 再生能源的充分利用，具有重要的研宄意义。
[0003] 传统直流输电以其技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和电网互联 两个方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。自1987年舟山直流输电工程以来， 我国已建成投运传统直流输电工程近22项；到2020年，我国将建成15个特高压直流输电 工程，未来我国电网建设将依据交、直流输电相辅相成、共同发展的原则，建成"强交强直" 的特高压混合电网和坚强的送、受端电网，其中直流工程总计达38项，我国即将建设的直 流输电工程占世界直流输电新建工程的一半以上。在未来30年之内，传统直流输电在远距 离大容量输电和电网互联两个方面在我国电网中将占有无可替代的地位。
[0004] 直流输电的功率可以实现快速可控，因此可以考虑直流跟随风电功率波动的输电 技术，来实现风电功率的输送。

【发明内容】

[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于大规模风电外送的直流输 电控制方法，先根据直流系统传输的有功功率和直流系统消耗的无功功率确定直流电流整 定值和直流电压整定值，再通过直流电流整定值对整流侧进行定电流控制，并通过直流电 压整定值对逆变侧进行定电压控制；最后根据直流系统传输的有功功率变动情况调整直流 系统消耗的无功功率，完成直流输电控制。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0007] 本发明提供一种适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，所述方法包括以下 步骤：
[0008] 步骤1 :计算直流电流整定值和直流电压整定值；
[0009] 步骤2 :对整流侧进行定电流控制，并对逆变侧进行定电压控制；
[0010] 步骤3 :根据直流系统传输的有功功率变动情况调整直流系统消耗的无功功率。
[0011] 计算直流电流整定值和直流电压整定值之前包括：直流系统额定有功功率与风电 场输送的额定有功功率相匹配，直流系统额定无功功率为直流系统在输送额定有功功率下 消耗的无功功率，根据风电场输送的额定有功功率和额定无功功率确定直流系统额定有功 功率P dN和额定无功功率Q
[0012] 所述步骤1中，U表示换流站变压器阀侧绕组空载线电压有效值，ud(li表示逆变侧 理想空载直流电压，P d表示直流系统传输的有功功率，Qd表示直流系统消耗的无功功率，S 表示直流系统的视在功率，直流电流整定值和直流电压整定值分别用I dMf和U dMf表示，有：
[0016] 根据式（1)-(3)可得：
[0017]
[0018]
[0019] 所述步骤2中，根据直流电流整定值对整流侧进行定电流控制，并根据直流电压 整定值对逆变侧进行定电压控制，如图3和图4。
[0020] 所述步骤2具体包括以下步骤：
[0021] 步骤2-1 :直流电流测量值和直流电压测量值分别用^和U d表示，整流侧触发角 和逆变侧触发角分别用aJP a ,表示，满足：
[0022]
[0023]
[0024] 其中，Udta表示整流侧理想空在直流电压，U d(li表示逆变侧理想空载直流电压，d " 表示整流侧比换相压降，dxi表示逆变侧比换相压降，L表示直流系统传输线路等值电阻；
[0025] 步骤2-2:在UdQr、UdQi、屯和d xi已知，并控制逆变侧触发角a i不变的条件下，通 过调节整流侧触发角的大小，完成直流电流测量值I d的调整，使I d与直流电流整定值 IdMf相等；
[0026] 步骤2-3:在Ud(li和dxi已知，并控制直流电流测量值I d不变的条件下，通过调节逆 变侧触发角a ,的大小，完成直流电压测量值U d的调整，使U d与直流电压整定值U dMf相等。
[0027] 所述步骤3具体包括以下步骤：
[0028] 步骤3-1 :实时监测风电场输送的实际有功功率，调整直流系统传输的有功功率 Pd，使P d跟随风电场输送的实际有功功率波动；
[0029] 步骤3-2:直流系统传输的有功功率Pd与直流系统消耗的无功功率Q d之间满足：
[0030]
[0031] ^表示功率因数角，且cos炉表示功率因数；
[0032] 1)当风电场输送的实际有功功率为风电场输送的额定有功功率时，直流系统传输 的有功功率Pd即为直流系统额定有功功率P dN，根据式（6)可知，直流系统消耗的无功功率 Qd为直流系统额定无功功率Q _，功率因数C0SP为额定功率因数，外表示额定功率 因数角；
[0033] 2)当风电场输送的实际有功功率波动时，直流系统传输的有功功率Pd随之波动， 直流系统消耗的无功功率％仍为直流系统额定无功功率Q dN，功率因数C0SP发生变化，当 降低到最低限值cos^n或升高到最高限值，根据(^供胃或^仍^对应的直 流系统传输的有功功率乘以即可重新得到直流系统消耗的无功功率；
[0034] 步骤3-3 :直流系统的无功补偿装置跟随直流系统消耗的额定无功功率的变化进 行相应投切，当直流系统消耗的无功功率小于最小交流滤波器补偿的无功功率时，即使功 率因数COS0在设定范围以外，此时直流系统消耗的无功功率不再变化，无功补偿装置不再 进行投切。
[0035] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0036] 本发明提供的适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，采用直流功率跟随风 电功率变化控制策略，根据直流系统传输的有功功率和直流系统消耗的无功功率确定直流 电流整定值和直流电压整定值，再通过直流电流整定值对整流侧进行定电流控制，并通过 直流电压整定值对逆变侧进行定电压控制；最后根据直流系统传输的有功功率变动情况调 整直流系统消耗的无功功率，完成直流输电控制。本发明能有效降低交流系统送端的旋转 备用容量和调频机组容量，节约直流系统的运行成本；根据功率因数变化分阶段调整直流 系统消耗的无功功率曲线，配合无功补偿装置的投切，在保证合理功率因数变化范围的同 时，维持交流母线电压幅值在允许范围内，且降低系统无功补偿装置的投切频次。
【附图说明】
[0037] 图1是本发明实施例中适用于大规模风电外送的直流输电控制方法流程图；
[0038] 图2是本发明实施例中风电场经直流系统外送风电功率示意图；
[0039] 图3是本发明实施例中直流电流整定值和整流侧触发角控制框图；
[0040] 图4是本发明实施例中直流电压整定值和逆变侧触发角控制框图；
[0041]图5是本发明实施例中直流系统传输的有功功率变化曲线图；
[0042]图6是本发明实施例中直流系统消耗的无功功率变化曲线图。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0044] 如图1，本发明提供一种适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，所述方法包 括以下步骤：
[0045] 步骤1 :计算直流电流整定值和直流电压整定值；
[0046] 步骤2 :对整流侧进行定电流控制，并对逆变侧进行定电压控制；
[0047] 步骤3 :根据直流系统传输的有功功率变动情况调整直流系统消耗的无功功率。
[0048] 计算直流电流整定值和直流电压整定值之前包括：直流系统额定有功功率与风电 场输送的额定有功功率相匹配，直流系统额定无功功率为直流系统在输送额定有功功率下 消耗的无功功率，根据风电场输送的额定有功功率和额定无功功率 确定直流系统额定有功 功率P dN和额定无功功率Q
[0049] 所述步骤1中，U表示换流站变压器阀侧绕组空载线电压有效值，Ud(li表示逆变侧 理想空载直流电压，P d表示直流系统传输的有功功率，Qd表示直流系统消耗的无功功率，S 表示直流系统的视在功率，直流电流整定值和直流电压整定值分别用I dMf和U dMf表示，有：
[0053] 根据式（1)-(3)可得：
[0054]
[0055]
[0056] 所述步骤2中，根据直流电流整定值对整流侧进行定电流控制，并根据直流电压 整定值对逆变侧进行定电压控制。
[0057] 所述步骤2具体包括以下步骤：
[0058] 步骤2-1 :直流电流测量值和直流电压测量值分别用、和Ud表示，整流侧触发角 和逆变侧触发角分别用aJP a ,表示，满足：
[0059]
[0060]
[0061] 其中，Udta表示整流侧理想空在直流电压，U d(li表示逆变侧理想空载直流电压，d " 表示整流侧比换相压降，dxi表示逆变侧比换相压降，L表示直流系统传输线路等值电阻；
[0062] 步骤2-2 :在UdQr、UdQi、屯和d xi已知，并控制逆变侧触发角a i不变的条件下，通 过调节整流侧触发角的大小，完成直流电流测量值I d的调整，使I d与直流电流整定值 IdMf相等；
[0063] 步骤2-3 :在Ud(li和dxi已知，并控制直流电流测量值I d不变的条件下，通过调节逆 变侧触发角a ,的大小，完成直流电压测量值U d的调整，使U d与直流电压整定值U dMf相等。
[0064] 所述步骤3具体包括以下步骤：
[0065] 步骤3-1 :实时监测风电场输送的实际有功功率，调整直流系统传输的有功功率 Pd，使P d跟随风电场输送的实际有功功率波动；
[0066] 步骤3-2 :直流系统传输的有功功率Pd与直流系统消耗的无功功率Qd之间满足：
[0067]
[0068] 供表示功率因数角，且cosP表示功率因数；
[0069] 1)当风电场输送的实际有功功率为风电场输送的额定有功功率时，直流系统传输 的有功功率P d即为直流系统额定有功功率P dN，根据式（6)可知，直流系统消耗的无功功率 Qd为直流系统额定无功功率Q dN，功率因数C0SP为额定功率因数~8%，A表示额定功率 因数角；
[0070] 2)当风电场输送的实际有功功率波动时，直流系统传输的有功功率Pd随之波动， 直流系统消耗的无功功率Q d仍为直流系统额定无功功率Q _，功率因数发生变化，当 cos供降低到最低限值cos^min或升高到最高限值cos^^时，根据cos^^cosp max对应的直 流系统传输的有功功率乘以即可重新得到直流系统消耗的无功功率，如图4所示。
[0071] 步骤3-3 :直流系统的无功补偿装置跟随直流系统消耗的额定无功功率的变化进 行相应投切，当直流系统消耗的无功功率小于最小交流滤波器补偿的无功功率时，即使功 率因cosp在设定范围以外，此时直流系统消耗的无功功率不再变化，无功补偿装置不再进 行投切。
[0072] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所 属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者 等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发 明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，其特征在于：所述方法包括以下 步骤： 步骤1 :计算直流电流整定值和直流电压整定值； 步骤2 :对整流侧进行定电流控制，并对逆变侧进行定电压控制； 步骤3 :根据直流系统传输的有功功率变动情况调整直流系统消耗的无功功率。2. 根据权利要求1所述的适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，其特征在于： 计算直流电流整定值和直流电压整定值之前包括：直流系统额定有功功率与风电场输送的 额定有功功率相匹配，直流系统额定无功功率为直流系统在输送额定有功功率下消耗的无 功功率，根据风电场输送的额定有功功率和额定无功功率确定直流系统额定有功功率P dN 和额定无功功率QdN。3. 根据权利要求1所述的适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，其特征在于： 所述步骤1中，U表示换流站变压器阀侧绕组空载线电压有效值，U dtli表示逆变侧理想空载 直流电压，Pd表示直流系统传输的有功功率，Q d表示直流系统消耗的无功功率，S表示直流 系统的视在功率，直流电流整定值和直流电压整定值分别用I^jPU dref表示，有：4. 根据权利要求1所述的适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，其特征在于： 所述步骤2中，根据直流电流整定值对整流侧进行定电流控制，并根据直流电压整定值对 逆变侧进行定电压控制。5. 根据权利要求4所述的适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，其特征在于： 所述步骤2具体包括以下步骤： 步骤2-1 :直流电流测量值和直流电压测量值分别用IjP Ud表示，整流侧触发角和逆 变侧触发角分别用aJP a i表示，满足：Ud=UdciiCosai-ClxiI d (7) 其中，Udto表示整流侧理想空在直流电压，Udtli表示逆变侧理想空载直流电压，表示 整流侧比换相压降，dxi表示逆变侧比换相压降，R1表示直流系统传输线路等值电阻； 步骤2-2:在Udta、Ud(li、d"和dxi已知，并控制逆变侧触发角a ,不变的条件下，通过调节 整流侧触发角的大小，完成直流电流测量值I d的调整，使I d与直流电流整定值I dMf相 等； 步骤2-3 :在Udtli和dxi已知，并控制直流电流测量值I d不变的条件下，通过调节逆变侧 触发角a i的大小，完成直流电压测量值U d的调整，使U d与直流电压整定值U dMf相等。6.根据权利要求5所述的适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，其特征在于： 所述步骤3具体包括以下步骤： 步骤3-1 :实时监测风电场输送的实际有功功率，调整直流系统传输的有功功率Pd，使 Pd跟随风电场输送的实际有功功率波动； 步骤3-2 :直流系统传输的有功功率Pd与直流系统消耗的无功功率Q ,之间满足： Q1I = ρ,ι x lan Ψ (8) 供表示功率因数角，且cos ρ表示功率因数； 1) 当风电场输送的实际有功功率为风电场输送的额定有功功率时，直流系统传输的有 功功率Pd即为直流系统额定有功功率P dN，根据式（6)可知，直流系统消耗的无功功率仏为 直流系统额定无功功率Qtffl，功率因数为额定功率因数COSR v，外表示额定功率因数 角； 2) 当风电场输送的实际有功功率波动时，直流系统传输的有功功率Pd随之波动，直流 系统消耗的无功功率Q d仍为直流系统额定无功功率Q _，功率因数cosp发生变化，当cosp 降低到最低限值^%-或升高到最高限值CQS%-时，根据或~印胃对应的直流系 统传输的有功功率乘以 lanA即可重新得到直流系统消耗的无功功率； 步骤3-3 :直流系统的无功补偿装置跟随直流系统消耗的额定无功功率的变化进行相 应投切，当直流系统消耗的无功功率小于最小交流滤波器补偿的无功功率时，即使功率因 数CQSp在设定范围以外，此时直流系统消耗的无功功率不再变化，无功补偿装置不再进行 投切。
【专利摘要】本发明提供一种适用于大规模风电外送的直流输电控制方法，包括以下步骤：计算直流电流整定值和直流电压整定值；对整流侧进行定电流控制，并对逆变侧进行定电压控制；根据直流系统传输的有功功率变动情况调整直流系统消耗的无功功率。本发明能有效降低交流系统送端的旋转备用容量和调频机组容量，节约直流系统的运行成本；根据功率因数变化分阶段调整直流系统消耗的无功功率曲线，配合无功补偿装置的投切，在保证合理功率因数变化范围的同时，维持交流母线电压幅值在允许范围内，且降低系统无功补偿装置的投切频次。
【IPC分类】H02J3/18, H02J3/36
【公开号】CN104882900
【申请号】CN201510347511
【发明人】郭春义, 李春华, 赵成勇, 范雪峰, 周勤勇, 杨云, 夏懿, 孙玉娇, 宋汶秦, 韩奕, 杨晶
【申请人】华北电力大学, 国家电网公司, 国网甘肃省电力公司, 国网甘肃省电力公司经济技术研究院, 中国电力科学研究院
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月19日