一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法
一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种协调控制方法，尤其是设及一种多端柔性直流电网跨区域平抑风 电波动的协调控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国风电产业发展迅速，据统计，我国2014年风电新增装机容量为1981万 千瓦，累计并网装机容量达到9637万千瓦。然而，我国的绝大部分风电集中分布在远离负荷 中屯、的"Ξ北"（西北、华北和东北)地区，运类地区负荷水平较低，市场规模小，大规模风电 的并网及风电的不确定性给电网调频带来了严峻考验。为提高风电利用率、保证电力系统 的安全稳定运行，有必要加强跨区联网建设，实现风电大规模外送和跨省区调节。尤其是我 国西南区域和华中区域拥有丰富的响应速度快、调节能力强的水电资源，非常适合用来跨 区域调节风电波动。
[0003] 基于可控通断器件（IGBT)的电压源型换流器(VSC)所构成的多端柔性直流输电网 络(MTDC)不仅能够实现有功功率和无功功率的解禪控制，向无源网络供电，而且能实现潮 流快速反转，非常适合可再生能源的并网和跨区域电网的互联。目前，针对多端柔性直流网 络所提出的控制方法主要包括主从控制方法、带电压下垂特性的控制方法及其改进控制。 运些控制方法均侧重于直流侧电压控制与功率平衡，没有考虑各交流系统的响应限制和承 受能力，W及风电在互联网络中的跨区调节。当某端交流系统由于风电剧烈波动而导致频 率大幅偏移时，直流网侧和其他端的交流系统不会对其做出响应。
[0004] 若在电压下垂控制中引入附加有功功率-频率下垂控制m下简称p-f控制），则该 控制能在交流侧电网发生紧急故障时，实现各端交流系统的功率相互支援。然而为了保证 小扰动下各交流系统间互不影响，p-f控制存在启动上下限，不能及时响应风电波动所引起 的频率变化。且p-f控制一旦启动后，所有的交流区域电网无论备用容量是多是少，均会被 迫参与调节。
【发明内容】
[000引本发明的目的在于针对我国能源分布情况，提出一种在多端柔性直流电网各区域 间平抑风电波动的附加控制方法，实现风电波动在互联区域电网之间的定向跨区调节。同 时设计了该风电附加控制方法与p-f控制方法的协调控制策略，在电网频率偏移过大时，可 W按照协调控制策略最大限度地维持系统的稳定。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
[0007] -种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，其特征是包括W下 步骤：
[0008] 步骤1、根据各区域的风电和水电容量W及区域电网调节能力，将多端系统中的区 域划分为X区域、Y区域和Z区域Ξ类;其中X区域风电容量大，超过该区域可调范围，作为待 调节区域;Y区域风电容量小或者无风电，而水电备用充足，作为调节区域;Z区域不符合前 述特征，不参加风电波动的跨区调节；
[0009] 步骤2、在X区域和Y区域的柔性直流换流站的换流站级控制中加入附加控制环节， 当风电波动导致系统频率超过一定范围时，启动该附加控制环节，将X区域由于风电波动产 生的不平衡功率在X区域和Y区域间进行合理分配，抑制X区域系统频率的偏移;其中，附加 控制的实现方法是:在属于X区域的某个交流电网Xi中，通过引入频率偏差量频率偏 差放大倍数巧和风功率波动判断逻辑，修正Xi区域换流站的有功参考值，改变换流站的有 功输出量;各Y区域换流站的有功参考值则根据X区域的有功总附加修正量，按照自身备用 容量的比例碍调节其换流站输出功率，保证直流网内的功率平衡；
[0010] 具体控制方法如下；
[0011] 电网正常运行时，附加控制不启动；当Xi区域风电功率波动过大导致系统频率超 过启动限值
时，系统根据当前时刻Xl区域的风功率波动趋势来进行逻辑判断，若 此时Xi区域的系统频率达到启动上限值或下限值，且风电功率相对于前一时刻的值有增加 或减小的趋势，则附加控制启动;随后，相应频率偏差量通过比例环节巧叠加至其换 流站有功功率指令值上，抑制其频率的继续偏移；同时，为保证直流网内功率平衡，上层控 制系统根据所有X区域的功率附加量之和
在线修正各Υ区域换流站的有功功率指令 值Δ巧在Υ区域内各交流电网按比例巧^分配功率调节量，直至Xl区域频率偏移恢复至启 动限值±公^下，附加控制关闭；
[0012] 由于Z区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，该类区域的VSC换流站采用常 规电压下垂控制；
[0013] 步骤3、极端情况下，当附加控制开始工作后，若某参与风电波动调节的区域频率 偏移至某一限值(该限值的绝对值大于附加控制启动限值的绝对值），该区域的p-f控制启 动，不平衡功率将在所有互联区域中得到平衡，维持系统的稳定运行;所述p-f控制方法的 原理是:在电压下垂控制中引入交流系统的频率偏差量Δ?·/，将其乘W放大系数Kf后作为 换流站有功功率参考值的修正量，修正换流站输出的有功功率;并且p-f控制存在启动限值 产 ef±A。
[0014] 本发明提出的附加控制方法利用柔性直流输电技术快速灵活的控制特性，能够将 某一区域风电波动引起的不平衡功率在整个网络中得到更为合理的分配，避免单个区域电 网承担过大的调频压力。此外，与交流联网相比，直流互联网络可W快速精确地控制换流站 的传输功率并有效维持系统电压的稳定，还能在平抑风电波动的过程中，限制波动及其他 故障的影响范围。
[0015] 在上述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，所述步骤 3中，将P-f控制作为附加控制的后备控制，各Χ，Υ，Ζ区域可通过区域选择开关来选择相应的 跨区调节附加控制策略；
[0016] 对于啦域，当Xl区域频率偏移[4成|达到Β且附加控制启动后，若参与调节的某区 域频率仍波动至超过{:产ef-A，产ef+A}(A>B)，则启动p-f控制，所有互联区域均参与频率控 审IJ，包括Z区域也参与频率控制;共同维持系统稳定;此外，在Xi区域的附加控制中加入上下 限{-(A-B)，（A-B)}，即附加控制正常作用所对应的|Δ尽J区间为{-(A-B)，(A-B)}，当Xi区域 Δ/y超过A后，附加控制的功率叠加量将被保持在|4fxf|为A时所对应的上限值，W确保P-f控制过程中换流站调节功率不受风电波动的影响，从而快速使全网系统恢复稳定；
[0017] 对于Y区域，在Xi区域的风电附加控制启动后，Y返域根据比例巧'J.分配风功率调 节量，并调节相应的换流站有功功率;若在调节过程中Yj区域交流电网的频率超出范围{-(A-B)，（A-B)}，则其P-f控制启动，控制频率稳定。
[0018] 在上述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，所有控制 参数按照如下方法确定：
[0019] 参数组一:协调控制中的限值参数A和B，确定的原则为:在避免附加控制启动太过 频繁的同时保证其响应的及时性，同时为该控制留有充分的作用区间；
[0020] 参数组二:Xi区域的附加控制参数确定的方法为:考虑与P-f控制的配合，在 Xi区域附加控制中引入功率裕度系数α，使得
[0021]
[002引式中，巧f,.为Xi区域的换流站初始功率，巧f"和巧;ax分别为X返域换流站正常运 行的最小和最大输出功率;根据附加控制所对应的频率偏差量的范围{ -(A-B)，（A-Β)}，可得巧養范围：
[00巧]考虑控制的快速性，巧取其允许范围内的最大值，即
[0026]
[0027]参数组区域的附加控制参数，将所有X区域输入到多端柔性直流网的风电跨 区调节附加功率之和按照各Y区域当前的备用容量之比分配，即
[002引
[0029] 式中，巧为Y枢域当前的机组备用容量，可通过本地PMU实时同步采样监测到；
[0030] 参数组四：各区域p-f控制的系数Kf，对于p-f控制中的系数Kf，其数值大小直接决 定了该控制方式下各区域换流站响应其交流侧频率偏差量A f/所产生的功率调整量，即该 区域的不平衡功率量，故综合考虑其交流系统强度和换流站容量裕度来对Kf进行整定。
[0031] 本发明具有如下优点：1、通过引入附加控制，充分利用了调节速度快、调峰能力强 的水电资源，实现风电波动在互联区域电网之间的定向跨区调节;2、将P-f控制作为附加控 制的后备控制，并设计协调控制策略，使得本发明所设计的附加控制能够更好地应用于实 际互联电网，应对更加复杂的运行情况，最大限度地保证互联区域系统的稳定运行。
【附图说明】
[0032] 图1为直接电流控制器结构框图。
[0033] 图2为引入P-f特性的电压下垂控制框图。
[0034] 图3为Xi区域风电附加控制逻辑框图。
[003引图4为Yj区域风电附加控制逻辑框图。
[0036] 图5为风电跨区调节协调控制方法框图。
[0037] 图6为六端柔性直流输电仿真系统结构图。
[0038] 图7为算例1中5#区风电功率波动图。
[0039] 图8为算例1中P-f控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0040] 图9为算例1中协调控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0041 ]图10为算例2中p-f控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0042] 图11为算例2中协调控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0043] 图12为算例3中3#区和5#区风电功率波动图。
[0044] 图13为算例3中P-f控制方法下各区域频率响应曲线图。
[004引图14为算例3中协调控制方法下各区域频率响应曲线图。
【具体实施方式】
[0046] W下结合实施例和说明书附图对本发明进行进一步说明。
[0047] 一、首先介绍下VSC换流站控制原理。
[0048] VSC换流站的控制方式主要有间接电流控制和直接电流控制两种。后者由于快速 的动态响应和优良的控制性能，在实际工程中得到了广泛应用，其控制器如图1所示。外环 控制器根据柔性直流输电上层控制系统所给定的有功类和无功类物理量参考值，产生合适 的参考信号，并传递给内环控电流制器，内环控制器根据该参考信号生成调制波信号和触 发脉冲，控制系统传输的有功和无功功率。
[0049] 在跨区平抑风电波动的过程中，主要考虑对其有功功率的控制。除了跟踪外环控 制器的有功类参考量外，柔性直流输电传输的有功功率Ps还受到最大直流线路电流/晋ax的 限制，即：
[0050]
(1)
[0051 ]式中Ud为换流站直流侧电压。
[0052] 二、P-f下垂特性控制方法。
[0053] 在电压下垂控制的基础上引入P-f下垂特性控制，使直流侧能够在必要时响应交 流侧的频率变化，如图2所示。
[0054] 交流系统的频率偏差会影响换流站输出的有功功率值，使直流网中出现不平衡功 率，其他各区换流站通过电压下垂特性自动调节其输出的有功功率，直到直流网中的功率 达到新的平衡。此外，为了防止交流系统频率的较小波动导致换流站有功指令值的频繁改 变，P-f控制存在启动限值产ef±A。
[00巧]Ξ、风电跨区调节附加控制方法。
[0056] 引入P-f下垂特性的电压下垂控制方法虽然能够在某交流系统由于风电功率波动 引起频率出现较大偏移时，通过直流网络让其他端交流系统来平抑一部分风电功率波动， 但不能按照各区的调节能力来分配其所承担的不平衡功率量，极端情况下可能导致参与调 节的某些交流系统出现大的频率波动。
[0057] 因此，本发明提出一种改进的风电跨区域调节附加控制方法，该方法主要通过修 正区域换流站的有功参考值来改变换流站的有功输出量。参与该附加控制的区域的换流站 控制逻辑如图3和图4所示，具体控制过程描述如下：
[0058] 首先，根据各区域的风电和水电容量W及区域电网调节能力，将多端系统中的区 域划分为X区域、Y区域和Z区域Ξ类;其中X区域风电容量大，超过该区域可调范围，作为待 调节区域;Y区域风电容量小或者无风电，而水电备用充足，作为调节区域;Z区域不符合前 述特征，不参加风电波动的跨区调节；
[0059] 在X区域和Y区域的柔性直流换流站的换流站级控制中加入附加控制环节，当风电 波动导致系统频率超过一定范围时，启动该附加控制环节，将X区域由于风电波动产生的不 平衡功率在X区域和Y区域间进行合理分配，抑制X区域系统频率的偏移;其中，附加控制的 实现方法是:在属于X区域的某个交流电网Xi中，通过引入频率偏差量频率偏差放大 倍数巧^和风功率波动判断逻辑，修正Xi区域换流站的有功参考值，改变换流站的有功输出 量;各Y区域换流站的有功参考值则根据X区域的有功总附加修正量，按照自身备用容量的 比例调节其换流站输出功率，保证直流网内的功率平衡；
[0060] 具体方法是：电网正常运行时，附加控制不启动。当属于X区域的某个交流电网 (Xi)风电功率波动过大导致系统频率超过启动限值+技时，系统根据当前时刻Xi区域 的风功率波动趋势来进行逻辑判断，若此时Xl区域的系统频率达到启动上（下）限值，且风 电功率相对于前一时刻的值有增加(减小）的趋势，贝化ontrol信号由0跃变为1，附加控制启 动。随后，相应频率偏差量Δ通过比例环节/?生成功率附加量Δ巧'；，叠加至其换流站有 功功率指令值上，抑制其频率的继续偏移。同时，为保证直流网内功率平衡，上层控制系统 根据所有X区域的功率附加量之和ΣΔΡ^在线修正各Y区域换流站的有功功率指令值 Δ巧;，在Υ区域内各交流电网按比例分配功率调节量，直至Xl区域频率偏移恢复至启动 限值δ W下，Control信号恢复至0。
[0061] 由于Z区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，该类区域的VSC换流站采用常 规电压下垂控制。
[0062] 四、协调控制策略。
[0063] 前文所提出的附加控制可W在Xi区域风电波动时抑制频率的过大偏移，但其调节 范围仍受Yj区域水电调节能力的限制。若风电波动异常剧烈，或者在附加控制启动的同时Xi 区域又出现了其他使频率偏差过大的故障，则很有可能导致Yj区域的频率超出运行限制。 因此本发明将P-f控制作为附加控制的后备控制，设计了如图5所示的考虑风电跨区调节的 协调控制策略，除风电跨区调节附加控制外，各Χ，Υ，Ζ区域的其他控制部分均采用相同的结 构。各Χ，γ，ζ区域可通过区域选择开关来选择相应的跨区调节附加控制策略。
[0064] 对于X区域，当Xi区域频率偏移|Δ/^达到Β且附加控制启动后，若参与调节的某区 域频率仍波动至超过{fef-A，产ef+A}(A>B)， 则启动该区域的P-f控制，所有互联区域(包括 Z区域）均参与频率控制，共同维持系统稳定。此外，在Xi区域的附加控制中加入上下限{- (八-8)，^-8)}，即附加控制正常作用所对应的|么瓜<|区间为{-^-8)，^-8)}，当乂1区域 Δ/xi I超过A后，附加控制的功率叠加量将被保持在|Δ&|. I为A时所对应的上限值，W确保P-f控制过程中换流站调节功率不受风电波动的影响，从而快速使全网系统恢复稳定。
[006引对于Y区域，在Xi区域的风电附加控制启动后，Y返域根据比例巧^分配风功率调 节量，并调节相应的换流站有功功率;若在调节过程中Yj区域交流电网的频率超出范围{-(A-B)，A-B}，则其P-f控制启动，控制频率稳定。
[0066] 对于Z区域，由于该类区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，区域选择开关 置0。
[0067] 五、控制参数的选择。
[0068] 本发明所提出的控制方法中各参数按照如下步骤来选择和整定：
[0069] 步骤1、确定协调控制中的限值参数A和B。
[0070] 为了保证响应的及时性，同时避免启动太频繁，可将附加控制的启动参数B取 O.lHz。为了使附加控制有充分的作用区间，避免在跨区平抑风电波动的过程中对未参与调 节的区域频率造成影响，可取A等于0.15化，即当系统频率偏移超过0.15化时，启动P-f控 制。
[0071] 步骤2、确定X返域的附加控制参数
[0072] 由于换流站的有功功率不能超过由式(1)确定的正常运行上下限
， 为了考虑与P-f控制的配合，在Xi区域附加控制中引入功率裕度系数α，即
[0073]
(2)
[0074] 式中，巧^为乂返域的换流站初始功率。
[0075] 根据图3所示的附加控制框图，式(2)可改写为式(3)，即
[0076]
城
[0077] 根据步骤1可知，附加控制所对应的频率偏差量的范围{-(Α-Β),(Α-Β)}为Ιο. 0甜Ζ ， 0.05Hz} ， 故对式 (3) 分别取
可得巧围；
[0080] 考虑控制的快速性，?取其允许范围内的最大值，即
[0081]
减
[00对其中，巧/"，巧。X可由式W计算得到。式W中货ax通常取I.2倍的额定直流 电流，且在所提出的控制方法中，直流电压山波动不大，故有功功率上下限 可取为
，其中巧fed为Xi区域换流站的额定功率。
[0083] 步骤3、确定Yj区域的附加控制参数。
[0084] 为了合理利用Y区域的备用及换流站容量裕度，将所有X区域输入到多端柔性直流 网的风电跨区调节附加功率之和按照各Y区域当前的备用容量之比分配，即
[0085]
仍
[0086] 式中，巧f为Y枢域当前的机组备用容量，可通过本地PMU实时同步采样监测到。
[0087] 步骤4、确定各区域P-f控制的系数Kf。
[0088] 对于P-f控制中的系数Kf，其数值大小直接决定了该控制方式下各区域换流站响 应其交流侧频率偏差量A f/所产生的功率调整量，即该区域的不平衡功率量，故综合考虑 其交流系统强度和换流站容量裕度来对Kf进行整定。
[0089] 六、协调控制策略的有效性校验。
[0090] 为了验证本发明所提出的附加控制方法及协调控制策略的有效性，在RTDS平台搭 建了如图6所示的六端柔性直流输电系统。系统参数如表1和表2所示，3#区和5#区系统的风 电渗透率分别达到了 30%和20%，属于X区域;2#区和4#区系统的水电装机比例分别占其总 装机的60%和50%，具有充足的水电调节容量，属于Y区域；1#区和6#区则属于Z区域。取附 加控制的功率裕度系数0 = 0.8,根据前述计算方法可得到3#区和5#区的风电跨区调节附加 控制系数分别为3.2，5.2"P-f控制的特性系数Kf均设为3。
[0091] 表1六端柔性直流网络系统参数
[0092]
[0095] 算例1: t = Os开始，5#区风电功率出现如图7所示大幅波动，波动范围达到风电额 定装机容量的20 %。
[0096] 图8所示为P-f控制方法下各区域频率响应曲线。由图8中的黑色虚线可知，若仅靠 5#区系统自身发电机和负荷的调节能力，该风电波动将导致系统频率振荡超过50.3甜Z。若 加入P-f控制，在5#区系统频率fs上升至50.15Hz后，P-f控制启动，5#区系统将和其他五个 区域共同承担其不平衡功率。过程中所有区域均参与调节，fs被控制在运行限制值50.2化 W下，但是相应地，其他区域的频率均有波动。
[0097] 如果采用本发明提出的风电波动跨区调节协调控制方法，其控制效果如图9所示。 t = 3.5s时，f5升至50. mz，附加控制启动，一部分不平衡功率通过换流站送至2#区和4#区， f5的振荡得到了快速控制，最终未超过50.15Hz，根据协调策略，后备P-f控制未启动。2#区 和4#区的频率出现小幅波动，但由于水电的快速调节能力，其频率偏移未超过允许范围。而 1#区和6#区没有参与调节，其系统频率不会受到任何影响。
[0098] 通过比较图8和图9可知，本发明所提出的风电波动跨区调节附加控制方法不仅能 够有效地抑制风电波动所导致的频率偏移，还充分利用了水电丰富区域的调节能力来跨区 平抑风电波动。与仅有P-f控制时相比，该附加控制方法针对性更强，并且在跨区调节风电 的过程中，可避免调节能力较弱的地区（1#区和6#区）受5#区风电波动的影响。
[0099] 算例2: t = 0S开始，5#区风电仍然按照图7所示波动。t = 7.5S时刻，5#区系统交流 侦佩负荷l〇(MW，t = 9.5s时负荷恢复。
[0100] 系统在仅有P-f控制和在风电跨区调节协调控制方法下的频率响应曲线分别如图 10和图11所示。由仿真结果可知，在仅有P-f控制时，f 5在负荷故障后上升到了 50.3化W上， 超出系统正常运行限制，并且其他五个区域的频率都上升到了近50.2化。若采用本文所提 出的协调控制方法，则能够更早地抑制fs因风电波动产生的偏移，比较图10和图11，协调控 制方法中的附加控制将5#区系统甩负荷前一时刻的频率从50.17Hz降低到了50.1 IHz，并且 使1#区和6#区的频率保持在额定值。在负荷恢复后，由于不平衡功率过多，fs继续上升，上 升过程中附加控制仍在发挥作用，2#区和4#区利用水电优势来分担运部分不平衡功率，直 至帖超过50.15化，P-f控制启动，随后其他区域一起参与调节。协调控制方法下，所有区域 系统的频率偏移都未超过± 0.2Hz，各系统均能够稳定运行。
[0101] 算例3:3#区和5#区风电同时剧烈波动(如图12所示），3#区和5#区的风功率波动范 围分别为19%和20%。
[0102] 图13和图14分别为采取P-f控制方法和本发明提出的风电跨区调节协调控制策略 的控制效果。
[0103] 如图14所示，采用本发明所提出的协调控制策略，t = 0 S开始，3#区和5#区风电功 率同时向上迅速增加，导致其系统频率f3和fs先后达到50. mz，
[0104] 附加控制启动，将大量的不 平衡功率输送到2#区和4#区进行平抑，虽然2#区和4# 区具有大量水电调节容量，但是由于风电功率的波动太大，使得其系统频率急剧上升，直至 2#区频率f2超过50.15Hz时，后备P-f控制启动，将一部分风电功率通过P-f控制分摊至全 网，1#区和6#区也参与调节。对比图13和图14,采用协调控制策略后，既能在几乎不影响1#、 6#两区系统的同时平抑3#、5#两区因大量风电波动导致的频率偏移，又能避免承担过多不 平衡功率的2#区与4#区系统的频率超过安全稳定限制。
[0105] RTDS仿真结果表明，本发明所提出的协调控制方法能够在系统正常运行时实现风 电高渗透率地区短时剧烈风电波动的定向跨区域调节。在风电极端波动或系统故障的情形 下，也可W有效控制整个系统频率。
[0106] 本发明所提出的跨区平抑风电波动的协调控制策略，对于我国风电的未来开发和 利用具有一定的参考价值。仿真算例中的风电波动数据及趋势均W我国东北和西北风电实 测统计数据为依据，符合实际情况。仿真模型中的X区域与我国"Ξ北"地区电网相似，Y区域 的特点则符合西南W及华中等水电资源丰富、调节能力较强的电网，而Z区域则类似于华东 电网。发明具有良好的推广价值和应用前景。
[0107] 本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术 领域的技术人员可W对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式 替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，其特征是包括以下步 骤： 步骤1、根据各区域的风电和水电容量以及区域电网调节能力，将多端系统中的区域划 分为X区域、Y区域和Z区域三类;其中X区域风电容量大，超过该区域可调范围，作为待调节 区域;Y区域风电容量小或者无风电，而水电备用充足，作为调节区域;Z区域不符合前述特 征，不参加风电波动的跨区调节； 步骤2、在X区域和Y区域的柔性直流换流站的换流站级控制中加入附加控制环节，当风 电波动导致系统频率超过一定范围时，启动该附加控制环节，将X区域由于风电波动产生的 不平衡功率在X区域和Y区域间进行合理分配，抑制X区域系统频率的偏移;其中，附加控制 的实现方法是:在属于X区域的某个交流电网Xi中，通过引入频率偏差量频率偏差放 大倍数和风功率波动判断逻辑，修正Xi区域换流站的有功参考值，改变换流站的有功输 出量;各Y区域换流站的有功参考值则根据X区域的有功总附加修正量，按照自身备用容量 的比例调节其换流站输出功率，保证直流网内的功率平衡； 具体控制方法如下： 电网正常运行时，附加控制不启动；当Xi区域风电功率波动过大导致系统频率超过启动 限值/；；β/ ± β时，系统根据当前时刻X1区域的风功率波动趋势来进行逻辑判断，若此时X1E 域的系统频率达到启动上限值或下限值，且风电功率相对于前一时刻的值有增加或减小的 趋势，则附加控制启动；随后，相应频率偏差量通过比例环节M叠加至其换流站有 功功率指令值上，抑制其频率的继续偏移；同时，为保证直流网内功率平衡，上层控制系统 根据所有X区域的功率附加量之和在线修正各Y区域换流站的有功功率指令值在Y区域内各交流电网按比例_分配功率调节量，直至X1区域频率偏移恢复至启动 限值以下，附加控制关闭； 由于Z区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，该类区域的VSC换流站采用常规电 压下垂控制； 步骤3、极端情况下，当附加控制开始工作后，若某参与风电波动调节的区域频率偏移 至某一限值(该限值的绝对值大于附加控制启动限值的绝对值），该区域的p-f控制启动，不 平衡功率将在所有互联区域中得到平衡，维持系统的稳定运行;所述p-f控制方法的原理 是:在电压下垂控制中引入交流系统的频率偏差量A f'，将其乘以放大系数Kf后作为换流 站有功功率参考值的修正量，修正换流站输出的有功功率;并且p-f控制存在启动限值F ef 土A02. 根据权利要求1所述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方 法，其特征是:所述步骤3中，将P-f控制作为附加控制的后备控制，各X，Y，Z区域可通过区域 选择开关来选择相应的跨区调节附加控制策略； 对于X区域，当X1区域频率偏移达到B且附加控制启动后，若参与调节的某区域频 率仍波动至超过{fg-A，严f+A}(A>B)，则启动P-f控制，所有互联区域均参与频率控制，包 括Z区域也参与频率控制;共同维持系统稳定;此外，在Xi区域的附加控制中加入上下限{_ (A-B)，（A- B)}，即附加控制正常作用所对应的区间为{-(A-B)，（A-B)}，当X1区域超过A后，附加控制的功率叠加量将被保持在为A时所对应的上限值，以确保P- f控制过程中换流站调节功率不受风电波动的影响，从而快速使全网系统恢复稳定； 对于Y区域，在X1E域的风电附加控制启动后，Yj区域根据比例分配风功率调节量， 并调节相应的换流站有功功率;若在调节过程中Yj区域交流电网的频率超出范围{-(A-B)， (A-B) }，则其P-f控制启动，控制频率稳定。3.根据权利要求2所述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方 法，其特征是，所有控制参数按照如下方法确定： 参数组一:协调控制中的限值参数A和B，确定的原则为:在避免附加控制启动太过频繁 的同时保证其响应的及时性，同时为该控制留有充分的作用区间； 参数组二:Xi区域的附加控制参数确定的方法为:考虑与P-f控制的配合，在Xi区域 附加控制中引入功率裕度系数α，使得式中，Pi为X1区域的换流站初始功率，：分别为&区域换流站正常运行的 最小和最大输出功率;根据附加控制所对应的频率偏差量的范围{-(A-B)，（A-B)}，可 得馬@范围：考虑控制的快速性，取其允许范围内的最大值，BP参数组三:Yj区域的附加控制参数，将所有X区域输入到多端柔性直流网的风电跨区调 节附加功率之和按照各Y区域当前的备用容量之比分配，即式中，为乃区域当前的机组备用容量，可通过本地PMU实时同步采样监测到； 参数组四：各区域P-f控制的系数Kf，对于P-f控制中的系数Kf，其数值大小直接决定了 该控制方式下各区域换流站响应其交流侧频率偏差量A f'所产生的功率调整量，即该区域 的不平衡功率量，故综合考虑其交流系统强度和换流站容量裕度来对Kf进行整定。
【专利摘要】本发明涉及一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的附加控制方法，以及该附加控制方法与有功功率-频率下垂控制的协调控制方法。本发明针对我国国情，以充分利用调节速度快、调峰能力强的水电资源来跨区平抑风电波动所造成的频率大幅波动为目的，设计了跨区调节风电波动的附加控制方法，并将该附加控制方法和有功功率-频率下垂控制方法相结合，制定了详细的协调控制策略，给出了各控制参数的选择方法。RTDS仿真结果表明，该策略能够有效地使风电波动被其他水电资源丰富的地区所调节，将不平衡功率在整个网络中得到更为合理的分配，维持各互联电网稳定运行。
【IPC分类】H02J3/24, H02J3/38, G06Q50/06
【公开号】CN105490304
【申请号】CN201610058923
【发明人】徐箭, 周密, 孙元章
【申请人】武汉大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月28日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种协调控制方法，尤其是设及一种多端柔性直流电网跨区域平抑风 电波动的协调控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国风电产业发展迅速，据统计，我国2014年风电新增装机容量为1981万 千瓦，累计并网装机容量达到9637万千瓦。然而，我国的绝大部分风电集中分布在远离负荷 中屯、的"Ξ北"（西北、华北和东北)地区，运类地区负荷水平较低，市场规模小，大规模风电 的并网及风电的不确定性给电网调频带来了严峻考验。为提高风电利用率、保证电力系统 的安全稳定运行，有必要加强跨区联网建设，实现风电大规模外送和跨省区调节。尤其是我 国西南区域和华中区域拥有丰富的响应速度快、调节能力强的水电资源，非常适合用来跨 区域调节风电波动。
[0003] 基于可控通断器件（IGBT)的电压源型换流器(VSC)所构成的多端柔性直流输电网 络(MTDC)不仅能够实现有功功率和无功功率的解禪控制，向无源网络供电，而且能实现潮 流快速反转，非常适合可再生能源的并网和跨区域电网的互联。目前，针对多端柔性直流网 络所提出的控制方法主要包括主从控制方法、带电压下垂特性的控制方法及其改进控制。 运些控制方法均侧重于直流侧电压控制与功率平衡，没有考虑各交流系统的响应限制和承 受能力，W及风电在互联网络中的跨区调节。当某端交流系统由于风电剧烈波动而导致频 率大幅偏移时，直流网侧和其他端的交流系统不会对其做出响应。
[0004] 若在电压下垂控制中引入附加有功功率-频率下垂控制m下简称p-f控制），则该 控制能在交流侧电网发生紧急故障时，实现各端交流系统的功率相互支援。然而为了保证 小扰动下各交流系统间互不影响，p-f控制存在启动上下限，不能及时响应风电波动所引起 的频率变化。且p-f控制一旦启动后，所有的交流区域电网无论备用容量是多是少，均会被 迫参与调节。
【发明内容】
[000引本发明的目的在于针对我国能源分布情况，提出一种在多端柔性直流电网各区域 间平抑风电波动的附加控制方法，实现风电波动在互联区域电网之间的定向跨区调节。同 时设计了该风电附加控制方法与p-f控制方法的协调控制策略，在电网频率偏移过大时，可 W按照协调控制策略最大限度地维持系统的稳定。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
[0007] -种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，其特征是包括W下 步骤：
[0008] 步骤1、根据各区域的风电和水电容量W及区域电网调节能力，将多端系统中的区 域划分为X区域、Y区域和Z区域Ξ类;其中X区域风电容量大，超过该区域可调范围，作为待 调节区域;Y区域风电容量小或者无风电，而水电备用充足，作为调节区域;Z区域不符合前 述特征，不参加风电波动的跨区调节；
[0009] 步骤2、在X区域和Y区域的柔性直流换流站的换流站级控制中加入附加控制环节， 当风电波动导致系统频率超过一定范围时，启动该附加控制环节，将X区域由于风电波动产 生的不平衡功率在X区域和Y区域间进行合理分配，抑制X区域系统频率的偏移;其中，附加 控制的实现方法是:在属于X区域的某个交流电网Xi中，通过引入频率偏差量频率偏 差放大倍数巧和风功率波动判断逻辑，修正Xi区域换流站的有功参考值，改变换流站的有 功输出量;各Y区域换流站的有功参考值则根据X区域的有功总附加修正量，按照自身备用 容量的比例碍调节其换流站输出功率，保证直流网内的功率平衡；
[0010] 具体控制方法如下；
[0011] 电网正常运行时，附加控制不启动；当Xi区域风电功率波动过大导致系统频率超 过启动限值
时，系统根据当前时刻Xl区域的风功率波动趋势来进行逻辑判断，若 此时Xi区域的系统频率达到启动上限值或下限值，且风电功率相对于前一时刻的值有增加 或减小的趋势，则附加控制启动;随后，相应频率偏差量通过比例环节巧叠加至其换 流站有功功率指令值上，抑制其频率的继续偏移；同时，为保证直流网内功率平衡，上层控 制系统根据所有X区域的功率附加量之和
在线修正各Υ区域换流站的有功功率指令 值Δ巧在Υ区域内各交流电网按比例巧^分配功率调节量，直至Xl区域频率偏移恢复至启 动限值±公^下，附加控制关闭；
[0012] 由于Z区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，该类区域的VSC换流站采用常 规电压下垂控制；
[0013] 步骤3、极端情况下，当附加控制开始工作后，若某参与风电波动调节的区域频率 偏移至某一限值(该限值的绝对值大于附加控制启动限值的绝对值），该区域的p-f控制启 动，不平衡功率将在所有互联区域中得到平衡，维持系统的稳定运行;所述p-f控制方法的 原理是:在电压下垂控制中引入交流系统的频率偏差量Δ?·/，将其乘W放大系数Kf后作为 换流站有功功率参考值的修正量，修正换流站输出的有功功率;并且p-f控制存在启动限值 产 ef±A。
[0014] 本发明提出的附加控制方法利用柔性直流输电技术快速灵活的控制特性，能够将 某一区域风电波动引起的不平衡功率在整个网络中得到更为合理的分配，避免单个区域电 网承担过大的调频压力。此外，与交流联网相比，直流互联网络可W快速精确地控制换流站 的传输功率并有效维持系统电压的稳定，还能在平抑风电波动的过程中，限制波动及其他 故障的影响范围。
[0015] 在上述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，所述步骤 3中，将P-f控制作为附加控制的后备控制，各Χ，Υ，Ζ区域可通过区域选择开关来选择相应的 跨区调节附加控制策略；
[0016] 对于啦域，当Xl区域频率偏移[4成|达到Β且附加控制启动后，若参与调节的某区 域频率仍波动至超过{:产ef-A，产ef+A}(A>B)，则启动p-f控制，所有互联区域均参与频率控 审IJ，包括Z区域也参与频率控制;共同维持系统稳定;此外，在Xi区域的附加控制中加入上下 限{-(A-B)，（A-B)}，即附加控制正常作用所对应的|Δ尽J区间为{-(A-B)，(A-B)}，当Xi区域 Δ/y超过A后，附加控制的功率叠加量将被保持在|4fxf|为A时所对应的上限值，W确保P-f控制过程中换流站调节功率不受风电波动的影响，从而快速使全网系统恢复稳定；
[0017] 对于Y区域，在Xi区域的风电附加控制启动后，Y返域根据比例巧'J.分配风功率调 节量，并调节相应的换流站有功功率;若在调节过程中Yj区域交流电网的频率超出范围{-(A-B)，（A-B)}，则其P-f控制启动，控制频率稳定。
[0018] 在上述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，所有控制 参数按照如下方法确定：
[0019] 参数组一:协调控制中的限值参数A和B，确定的原则为:在避免附加控制启动太过 频繁的同时保证其响应的及时性，同时为该控制留有充分的作用区间；
[0020] 参数组二:Xi区域的附加控制参数确定的方法为:考虑与P-f控制的配合，在 Xi区域附加控制中引入功率裕度系数α，使得
[0021]
[002引式中，巧f,.为Xi区域的换流站初始功率，巧f"和巧;ax分别为X返域换流站正常运 行的最小和最大输出功率;根据附加控制所对应的频率偏差量的范围{ -(A-B)，（A-Β)}，可得巧養范围：
[00巧]考虑控制的快速性，巧取其允许范围内的最大值，即
[0026]
[0027]参数组区域的附加控制参数，将所有X区域输入到多端柔性直流网的风电跨 区调节附加功率之和按照各Y区域当前的备用容量之比分配，即
[002引
[0029] 式中，巧为Y枢域当前的机组备用容量，可通过本地PMU实时同步采样监测到；
[0030] 参数组四：各区域p-f控制的系数Kf，对于p-f控制中的系数Kf，其数值大小直接决 定了该控制方式下各区域换流站响应其交流侧频率偏差量A f/所产生的功率调整量，即该 区域的不平衡功率量，故综合考虑其交流系统强度和换流站容量裕度来对Kf进行整定。
[0031] 本发明具有如下优点：1、通过引入附加控制，充分利用了调节速度快、调峰能力强 的水电资源，实现风电波动在互联区域电网之间的定向跨区调节;2、将P-f控制作为附加控 制的后备控制，并设计协调控制策略，使得本发明所设计的附加控制能够更好地应用于实 际互联电网，应对更加复杂的运行情况，最大限度地保证互联区域系统的稳定运行。
【附图说明】
[0032] 图1为直接电流控制器结构框图。
[0033] 图2为引入P-f特性的电压下垂控制框图。
[0034] 图3为Xi区域风电附加控制逻辑框图。
[003引图4为Yj区域风电附加控制逻辑框图。
[0036] 图5为风电跨区调节协调控制方法框图。
[0037] 图6为六端柔性直流输电仿真系统结构图。
[0038] 图7为算例1中5#区风电功率波动图。
[0039] 图8为算例1中P-f控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0040] 图9为算例1中协调控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0041 ]图10为算例2中p-f控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0042] 图11为算例2中协调控制方法下各区域频率响应曲线图。
[0043] 图12为算例3中3#区和5#区风电功率波动图。
[0044] 图13为算例3中P-f控制方法下各区域频率响应曲线图。
[004引图14为算例3中协调控制方法下各区域频率响应曲线图。
【具体实施方式】
[0046] W下结合实施例和说明书附图对本发明进行进一步说明。
[0047] 一、首先介绍下VSC换流站控制原理。
[0048] VSC换流站的控制方式主要有间接电流控制和直接电流控制两种。后者由于快速 的动态响应和优良的控制性能，在实际工程中得到了广泛应用，其控制器如图1所示。外环 控制器根据柔性直流输电上层控制系统所给定的有功类和无功类物理量参考值，产生合适 的参考信号，并传递给内环控电流制器，内环控制器根据该参考信号生成调制波信号和触 发脉冲，控制系统传输的有功和无功功率。
[0049] 在跨区平抑风电波动的过程中，主要考虑对其有功功率的控制。除了跟踪外环控 制器的有功类参考量外，柔性直流输电传输的有功功率Ps还受到最大直流线路电流/晋ax的 限制，即：
[0050]
(1)
[0051 ]式中Ud为换流站直流侧电压。
[0052] 二、P-f下垂特性控制方法。
[0053] 在电压下垂控制的基础上引入P-f下垂特性控制，使直流侧能够在必要时响应交 流侧的频率变化，如图2所示。
[0054] 交流系统的频率偏差会影响换流站输出的有功功率值，使直流网中出现不平衡功 率，其他各区换流站通过电压下垂特性自动调节其输出的有功功率，直到直流网中的功率 达到新的平衡。此外，为了防止交流系统频率的较小波动导致换流站有功指令值的频繁改 变，P-f控制存在启动限值产ef±A。
[00巧]Ξ、风电跨区调节附加控制方法。
[0056] 引入P-f下垂特性的电压下垂控制方法虽然能够在某交流系统由于风电功率波动 引起频率出现较大偏移时，通过直流网络让其他端交流系统来平抑一部分风电功率波动， 但不能按照各区的调节能力来分配其所承担的不平衡功率量，极端情况下可能导致参与调 节的某些交流系统出现大的频率波动。
[0057] 因此，本发明提出一种改进的风电跨区域调节附加控制方法，该方法主要通过修 正区域换流站的有功参考值来改变换流站的有功输出量。参与该附加控制的区域的换流站 控制逻辑如图3和图4所示，具体控制过程描述如下：
[0058] 首先，根据各区域的风电和水电容量W及区域电网调节能力，将多端系统中的区 域划分为X区域、Y区域和Z区域Ξ类;其中X区域风电容量大，超过该区域可调范围，作为待 调节区域;Y区域风电容量小或者无风电，而水电备用充足，作为调节区域;Z区域不符合前 述特征，不参加风电波动的跨区调节；
[0059] 在X区域和Y区域的柔性直流换流站的换流站级控制中加入附加控制环节，当风电 波动导致系统频率超过一定范围时，启动该附加控制环节，将X区域由于风电波动产生的不 平衡功率在X区域和Y区域间进行合理分配，抑制X区域系统频率的偏移;其中，附加控制的 实现方法是:在属于X区域的某个交流电网Xi中，通过引入频率偏差量频率偏差放大 倍数巧^和风功率波动判断逻辑，修正Xi区域换流站的有功参考值，改变换流站的有功输出 量;各Y区域换流站的有功参考值则根据X区域的有功总附加修正量，按照自身备用容量的 比例调节其换流站输出功率，保证直流网内的功率平衡；
[0060] 具体方法是：电网正常运行时，附加控制不启动。当属于X区域的某个交流电网 (Xi)风电功率波动过大导致系统频率超过启动限值+技时，系统根据当前时刻Xi区域 的风功率波动趋势来进行逻辑判断，若此时Xl区域的系统频率达到启动上（下）限值，且风 电功率相对于前一时刻的值有增加(减小）的趋势，贝化ontrol信号由0跃变为1，附加控制启 动。随后，相应频率偏差量Δ通过比例环节/?生成功率附加量Δ巧'；，叠加至其换流站有 功功率指令值上，抑制其频率的继续偏移。同时，为保证直流网内功率平衡，上层控制系统 根据所有X区域的功率附加量之和ΣΔΡ^在线修正各Y区域换流站的有功功率指令值 Δ巧;，在Υ区域内各交流电网按比例分配功率调节量，直至Xl区域频率偏移恢复至启动 限值δ W下，Control信号恢复至0。
[0061] 由于Z区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，该类区域的VSC换流站采用常 规电压下垂控制。
[0062] 四、协调控制策略。
[0063] 前文所提出的附加控制可W在Xi区域风电波动时抑制频率的过大偏移，但其调节 范围仍受Yj区域水电调节能力的限制。若风电波动异常剧烈，或者在附加控制启动的同时Xi 区域又出现了其他使频率偏差过大的故障，则很有可能导致Yj区域的频率超出运行限制。 因此本发明将P-f控制作为附加控制的后备控制，设计了如图5所示的考虑风电跨区调节的 协调控制策略，除风电跨区调节附加控制外，各Χ，Υ，Ζ区域的其他控制部分均采用相同的结 构。各Χ，γ，ζ区域可通过区域选择开关来选择相应的跨区调节附加控制策略。
[0064] 对于X区域，当Xi区域频率偏移|Δ/^达到Β且附加控制启动后，若参与调节的某区 域频率仍波动至超过{fef-A，产ef+A}(A>B)， 则启动该区域的P-f控制，所有互联区域(包括 Z区域）均参与频率控制，共同维持系统稳定。此外，在Xi区域的附加控制中加入上下限{- (八-8)，^-8)}，即附加控制正常作用所对应的|么瓜<|区间为{-^-8)，^-8)}，当乂1区域 Δ/xi I超过A后，附加控制的功率叠加量将被保持在|Δ&|. I为A时所对应的上限值，W确保P-f控制过程中换流站调节功率不受风电波动的影响，从而快速使全网系统恢复稳定。
[006引对于Y区域，在Xi区域的风电附加控制启动后，Y返域根据比例巧^分配风功率调 节量，并调节相应的换流站有功功率;若在调节过程中Yj区域交流电网的频率超出范围{-(A-B)，A-B}，则其P-f控制启动，控制频率稳定。
[0066] 对于Z区域，由于该类区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，区域选择开关 置0。
[0067] 五、控制参数的选择。
[0068] 本发明所提出的控制方法中各参数按照如下步骤来选择和整定：
[0069] 步骤1、确定协调控制中的限值参数A和B。
[0070] 为了保证响应的及时性，同时避免启动太频繁，可将附加控制的启动参数B取 O.lHz。为了使附加控制有充分的作用区间，避免在跨区平抑风电波动的过程中对未参与调 节的区域频率造成影响，可取A等于0.15化，即当系统频率偏移超过0.15化时，启动P-f控 制。
[0071] 步骤2、确定X返域的附加控制参数
[0072] 由于换流站的有功功率不能超过由式(1)确定的正常运行上下限
， 为了考虑与P-f控制的配合，在Xi区域附加控制中引入功率裕度系数α，即
[0073]
(2)
[0074] 式中，巧^为乂返域的换流站初始功率。
[0075] 根据图3所示的附加控制框图，式(2)可改写为式(3)，即
[0076]
城
[0077] 根据步骤1可知，附加控制所对应的频率偏差量的范围{-(Α-Β),(Α-Β)}为Ιο. 0甜Ζ ， 0.05Hz} ， 故对式 (3) 分别取
可得巧围；
[0080] 考虑控制的快速性，?取其允许范围内的最大值，即
[0081]
减
[00对其中，巧/"，巧。X可由式W计算得到。式W中货ax通常取I.2倍的额定直流 电流，且在所提出的控制方法中，直流电压山波动不大，故有功功率上下限 可取为
，其中巧fed为Xi区域换流站的额定功率。
[0083] 步骤3、确定Yj区域的附加控制参数。
[0084] 为了合理利用Y区域的备用及换流站容量裕度，将所有X区域输入到多端柔性直流 网的风电跨区调节附加功率之和按照各Y区域当前的备用容量之比分配，即
[0085]
仍
[0086] 式中，巧f为Y枢域当前的机组备用容量，可通过本地PMU实时同步采样监测到。
[0087] 步骤4、确定各区域P-f控制的系数Kf。
[0088] 对于P-f控制中的系数Kf，其数值大小直接决定了该控制方式下各区域换流站响 应其交流侧频率偏差量A f/所产生的功率调整量，即该区域的不平衡功率量，故综合考虑 其交流系统强度和换流站容量裕度来对Kf进行整定。
[0089] 六、协调控制策略的有效性校验。
[0090] 为了验证本发明所提出的附加控制方法及协调控制策略的有效性，在RTDS平台搭 建了如图6所示的六端柔性直流输电系统。系统参数如表1和表2所示，3#区和5#区系统的风 电渗透率分别达到了 30%和20%，属于X区域;2#区和4#区系统的水电装机比例分别占其总 装机的60%和50%，具有充足的水电调节容量，属于Y区域；1#区和6#区则属于Z区域。取附 加控制的功率裕度系数0 = 0.8,根据前述计算方法可得到3#区和5#区的风电跨区调节附加 控制系数分别为3.2，5.2"P-f控制的特性系数Kf均设为3。
[0091] 表1六端柔性直流网络系统参数
[0092]
[0095] 算例1: t = Os开始，5#区风电功率出现如图7所示大幅波动，波动范围达到风电额 定装机容量的20 %。
[0096] 图8所示为P-f控制方法下各区域频率响应曲线。由图8中的黑色虚线可知，若仅靠 5#区系统自身发电机和负荷的调节能力，该风电波动将导致系统频率振荡超过50.3甜Z。若 加入P-f控制，在5#区系统频率fs上升至50.15Hz后，P-f控制启动，5#区系统将和其他五个 区域共同承担其不平衡功率。过程中所有区域均参与调节，fs被控制在运行限制值50.2化 W下，但是相应地，其他区域的频率均有波动。
[0097] 如果采用本发明提出的风电波动跨区调节协调控制方法，其控制效果如图9所示。 t = 3.5s时，f5升至50. mz，附加控制启动，一部分不平衡功率通过换流站送至2#区和4#区， f5的振荡得到了快速控制，最终未超过50.15Hz，根据协调策略，后备P-f控制未启动。2#区 和4#区的频率出现小幅波动，但由于水电的快速调节能力，其频率偏移未超过允许范围。而 1#区和6#区没有参与调节，其系统频率不会受到任何影响。
[0098] 通过比较图8和图9可知，本发明所提出的风电波动跨区调节附加控制方法不仅能 够有效地抑制风电波动所导致的频率偏移，还充分利用了水电丰富区域的调节能力来跨区 平抑风电波动。与仅有P-f控制时相比，该附加控制方法针对性更强，并且在跨区调节风电 的过程中，可避免调节能力较弱的地区（1#区和6#区）受5#区风电波动的影响。
[0099] 算例2: t = 0S开始，5#区风电仍然按照图7所示波动。t = 7.5S时刻，5#区系统交流 侦佩负荷l〇(MW，t = 9.5s时负荷恢复。
[0100] 系统在仅有P-f控制和在风电跨区调节协调控制方法下的频率响应曲线分别如图 10和图11所示。由仿真结果可知，在仅有P-f控制时，f 5在负荷故障后上升到了 50.3化W上， 超出系统正常运行限制，并且其他五个区域的频率都上升到了近50.2化。若采用本文所提 出的协调控制方法，则能够更早地抑制fs因风电波动产生的偏移，比较图10和图11，协调控 制方法中的附加控制将5#区系统甩负荷前一时刻的频率从50.17Hz降低到了50.1 IHz，并且 使1#区和6#区的频率保持在额定值。在负荷恢复后，由于不平衡功率过多，fs继续上升，上 升过程中附加控制仍在发挥作用，2#区和4#区利用水电优势来分担运部分不平衡功率，直 至帖超过50.15化，P-f控制启动，随后其他区域一起参与调节。协调控制方法下，所有区域 系统的频率偏移都未超过± 0.2Hz，各系统均能够稳定运行。
[0101] 算例3:3#区和5#区风电同时剧烈波动(如图12所示），3#区和5#区的风功率波动范 围分别为19%和20%。
[0102] 图13和图14分别为采取P-f控制方法和本发明提出的风电跨区调节协调控制策略 的控制效果。
[0103] 如图14所示，采用本发明所提出的协调控制策略，t = 0 S开始，3#区和5#区风电功 率同时向上迅速增加，导致其系统频率f3和fs先后达到50. mz，
[0104] 附加控制启动，将大量的不 平衡功率输送到2#区和4#区进行平抑，虽然2#区和4# 区具有大量水电调节容量，但是由于风电功率的波动太大，使得其系统频率急剧上升，直至 2#区频率f2超过50.15Hz时，后备P-f控制启动，将一部分风电功率通过P-f控制分摊至全 网，1#区和6#区也参与调节。对比图13和图14,采用协调控制策略后，既能在几乎不影响1#、 6#两区系统的同时平抑3#、5#两区因大量风电波动导致的频率偏移，又能避免承担过多不 平衡功率的2#区与4#区系统的频率超过安全稳定限制。
[0105] RTDS仿真结果表明，本发明所提出的协调控制方法能够在系统正常运行时实现风 电高渗透率地区短时剧烈风电波动的定向跨区域调节。在风电极端波动或系统故障的情形 下，也可W有效控制整个系统频率。
[0106] 本发明所提出的跨区平抑风电波动的协调控制策略，对于我国风电的未来开发和 利用具有一定的参考价值。仿真算例中的风电波动数据及趋势均W我国东北和西北风电实 测统计数据为依据，符合实际情况。仿真模型中的X区域与我国"Ξ北"地区电网相似，Y区域 的特点则符合西南W及华中等水电资源丰富、调节能力较强的电网，而Z区域则类似于华东 电网。发明具有良好的推广价值和应用前景。
[0107] 本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术 领域的技术人员可W对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式 替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方法，其特征是包括以下步 骤： 步骤1、根据各区域的风电和水电容量以及区域电网调节能力，将多端系统中的区域划 分为X区域、Y区域和Z区域三类;其中X区域风电容量大，超过该区域可调范围，作为待调节 区域;Y区域风电容量小或者无风电，而水电备用充足，作为调节区域;Z区域不符合前述特 征，不参加风电波动的跨区调节； 步骤2、在X区域和Y区域的柔性直流换流站的换流站级控制中加入附加控制环节，当风 电波动导致系统频率超过一定范围时，启动该附加控制环节，将X区域由于风电波动产生的 不平衡功率在X区域和Y区域间进行合理分配，抑制X区域系统频率的偏移;其中，附加控制 的实现方法是:在属于X区域的某个交流电网Xi中，通过引入频率偏差量频率偏差放 大倍数和风功率波动判断逻辑，修正Xi区域换流站的有功参考值，改变换流站的有功输 出量;各Y区域换流站的有功参考值则根据X区域的有功总附加修正量，按照自身备用容量 的比例调节其换流站输出功率，保证直流网内的功率平衡； 具体控制方法如下： 电网正常运行时，附加控制不启动；当Xi区域风电功率波动过大导致系统频率超过启动 限值/；；β/ ± β时，系统根据当前时刻X1区域的风功率波动趋势来进行逻辑判断，若此时X1E 域的系统频率达到启动上限值或下限值，且风电功率相对于前一时刻的值有增加或减小的 趋势，则附加控制启动；随后，相应频率偏差量通过比例环节M叠加至其换流站有 功功率指令值上，抑制其频率的继续偏移；同时，为保证直流网内功率平衡，上层控制系统 根据所有X区域的功率附加量之和在线修正各Y区域换流站的有功功率指令值在Y区域内各交流电网按比例_分配功率调节量，直至X1区域频率偏移恢复至启动 限值以下，附加控制关闭； 由于Z区域不参与风电的跨区调节附加控制，因此，该类区域的VSC换流站采用常规电 压下垂控制； 步骤3、极端情况下，当附加控制开始工作后，若某参与风电波动调节的区域频率偏移 至某一限值(该限值的绝对值大于附加控制启动限值的绝对值），该区域的p-f控制启动，不 平衡功率将在所有互联区域中得到平衡，维持系统的稳定运行;所述p-f控制方法的原理 是:在电压下垂控制中引入交流系统的频率偏差量A f'，将其乘以放大系数Kf后作为换流 站有功功率参考值的修正量，修正换流站输出的有功功率;并且p-f控制存在启动限值F ef 土A02. 根据权利要求1所述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方 法，其特征是:所述步骤3中，将P-f控制作为附加控制的后备控制，各X，Y，Z区域可通过区域 选择开关来选择相应的跨区调节附加控制策略； 对于X区域，当X1区域频率偏移达到B且附加控制启动后，若参与调节的某区域频 率仍波动至超过{fg-A，严f+A}(A>B)，则启动P-f控制，所有互联区域均参与频率控制，包 括Z区域也参与频率控制;共同维持系统稳定;此外，在Xi区域的附加控制中加入上下限{_ (A-B)，（A- B)}，即附加控制正常作用所对应的区间为{-(A-B)，（A-B)}，当X1区域超过A后，附加控制的功率叠加量将被保持在为A时所对应的上限值，以确保P- f控制过程中换流站调节功率不受风电波动的影响，从而快速使全网系统恢复稳定； 对于Y区域，在X1E域的风电附加控制启动后，Yj区域根据比例分配风功率调节量， 并调节相应的换流站有功功率;若在调节过程中Yj区域交流电网的频率超出范围{-(A-B)， (A-B) }，则其P-f控制启动，控制频率稳定。3.根据权利要求2所述的一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的协调控制方 法，其特征是，所有控制参数按照如下方法确定： 参数组一:协调控制中的限值参数A和B，确定的原则为:在避免附加控制启动太过频繁 的同时保证其响应的及时性，同时为该控制留有充分的作用区间； 参数组二:Xi区域的附加控制参数确定的方法为:考虑与P-f控制的配合，在Xi区域 附加控制中引入功率裕度系数α，使得式中，Pi为X1区域的换流站初始功率，：分别为&区域换流站正常运行的 最小和最大输出功率;根据附加控制所对应的频率偏差量的范围{-(A-B)，（A-B)}，可 得馬@范围：考虑控制的快速性，取其允许范围内的最大值，BP参数组三:Yj区域的附加控制参数，将所有X区域输入到多端柔性直流网的风电跨区调 节附加功率之和按照各Y区域当前的备用容量之比分配，即式中，为乃区域当前的机组备用容量，可通过本地PMU实时同步采样监测到； 参数组四：各区域P-f控制的系数Kf，对于P-f控制中的系数Kf，其数值大小直接决定了 该控制方式下各区域换流站响应其交流侧频率偏差量A f'所产生的功率调整量，即该区域 的不平衡功率量，故综合考虑其交流系统强度和换流站容量裕度来对Kf进行整定。
【专利摘要】本发明涉及一种多端柔性直流电网跨区域平抑风电波动的附加控制方法，以及该附加控制方法与有功功率-频率下垂控制的协调控制方法。本发明针对我国国情，以充分利用调节速度快、调峰能力强的水电资源来跨区平抑风电波动所造成的频率大幅波动为目的，设计了跨区调节风电波动的附加控制方法，并将该附加控制方法和有功功率-频率下垂控制方法相结合，制定了详细的协调控制策略，给出了各控制参数的选择方法。RTDS仿真结果表明，该策略能够有效地使风电波动被其他水电资源丰富的地区所调节，将不平衡功率在整个网络中得到更为合理的分配，维持各互联电网稳定运行。
【IPC分类】H02J3/24, H02J3/38, G06Q50/06
【公开号】CN105490304
【申请号】CN201610058923
【发明人】徐箭, 周密, 孙元章
【申请人】武汉大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月28日
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