基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统及方法，包括变换器控制层、端电压控制层、变电站控制层，变换器控制层用于根据端电压控制层输出的电流参考值Iset，生成变换器控制脉冲信号；端电压控制层用于控制主模式下运行的变换器与相应的母线或风场输入端的电压保持恒定，生成主模式下变换器单元端口的电流参考值Iset；变电站控制层用于实现直流变电站电网侧的功率控制以及变电站内部最低损耗的功率分配。本发明专利技术通过基于不同时间尺度划分的层级结构，能够实现系统的模块化设计，降低端口电压控制、电网潮流分配等多个稳态运行目标之间的互相干扰与耦合，且不涉及单端口变换器内部控制策略，便于标准化生产和系统扩建。

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.

【技术实现步骤摘要】
基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统及方法
本专利技术涉及网状直流输电领域，具体地，涉及基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统及方法。
技术介绍
直流输电被视为远距离电力传输与可再生能源接入的关键技术。现有直流输电形式限于点对点直流输电与多端直流输电。为抑制功率波动，提升系统可靠性，未来网状直流输电的概念成为现在研究热点。实现直流输电网的方式是通过互联输电线直接实现多条直流线路的联接，互联线路上同时配备有直流断路器，实现故障隔离与保护。然而这种连接方式限于同一电压等级的直流系统。由于可能涉及不同制造商建造的直流线路，互联输电线上潮流调配难以实现。此外当直流系统某一处出现故障时，整个直流系统都会受到影响。为实现不同电压等级的变换以及互联线路上潮流主动调配，可以采用DC-DC变换器。该变换器与交流系统中交流变压器功能类似，在直流网中该变换器又被称为直流变压器。该变换器需要具备故障隔离能力，用于限制故障影响区域。然而仅仅依赖于单端口的DC/DC变换器，直流网中将出现过多输电线路。出于本身的通讯延时的存在，正常运行与故障条件下，远距离直流变压器的协调将很困难。与交流系统类似，多端口节点将是互联直流网中关键元件。该节点用于大系统之间分割，分离直流系统之间互联；实现功率的收集与再分配；隔离故障端同时保证其它接入端不受影响。在先前研究中，该节点被称为多端口DC/DC变换器或DCHub。由于与交流变电站功能的相似，本文称该节点为直流变电站。一种直流变电站典型应用如图1所示，通过直流变电站实现多个风力发电厂与多个直流电网之间互联。直流变电站内部包括多组电力电子变压器。综合考虑无母线与共母线两种接法，每个变电站端口连有“直接互联变换器”C11、CNN，与“共母线变换器”Cw11,Cg11等单元。正常情况下，直流变电站通过协调上述内部变换器，实现控制风场端1，2…N侧电压，调节输送到电网1，2…N的功率的目的。当风场侧或直流电网侧出现故障时，通过直流变电站实现故障端隔离，同时维持其它接入端的正常运行。而当直流变电站内部变换器出现故障时，通过拓扑内部重构，提升系统可靠性。综上所述，直流变电站需要实现稳态条件下电压调节、功率分配，以及故障情况下故障端隔离与功率重构。需要说明的是，稳态运行与故障隔离并非完全独立的运行目标。通过变换器自身具备的电力电子开关，往往能够实现直流故障的隔离，节约额外的直流断路器，实现控制与保护的“一体化”。这种情况下直流变电站运行目标更为复杂，涉及多个时间尺度与多种运行状态，运行策略实现手段成为制约直流变电站运行的关键技术挑战。经检索，苗璐、林卫星、姚良忠、等在中国电机工程学报,2015,35(5):1023-1031发表了名称为：“多端口背靠背式直流–直流换流系统”的文章，提出一种多端口背靠背式直流–直流换流系统(multiportback-to-back，MB2B)。其内部由多个电压源型换流器(voltagesourceconverters，VSC)组成，VSC交流侧均连接到MB2B内部公共交流母线。为了使MB2B具有联接不同电压等级直流线路的功能，MB2B内部采用变压器来匹配不同电压等级的直流线路。MB2B的每个端口均可独立调节其潮流。为了减少VSC运行损耗，MB2B内部交流系统运行频率取为工频。详细设计MB2B的稳态控制及故障下功率自动平衡控制。为验证该拓扑的可行性和安全性，在PSCAD/EMTDC上搭建由四端口MB2B构成的实验电网系统的仿真模型，并针对该实验系统进行黑启动、潮流调节、直流故障隔离以及故障下自动功率平衡等仿真。实验系统中所有的控制策略均不需要任何通讯。该文献针对共交流母线四端口直流变电站提出了一种控制策略。该控制策略中，直流变电站控制策略依赖于特定变电站拓扑结构，对图1所示的一般性直流变电站结构不适用。需要获知每一个电力电子变换器具体电路结构，以此为依据设计运行策略。当系统扩建时，控制策略需要重新设计。变电站内部母线故障与变换器故障时，整个变电站系统都需要停止运行，系统可靠性较低。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统及方法。根据本专利技术提供的基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统，包括：变换器控制层，端电压控制层以及变电站控制层，所述变换器控制层，用于根据端电压控制层输出的电流参考值Iset，生成变换器控制脉冲信号，所述脉冲信号能够改变变换器单元的运行状态；所述端电压控制层，用于控制主模式下运行的变换器与相应的母线或风场输入端的电压保持恒定，并生成主模式下变换器单元的电流参考值Iset；所述变电站控制层，用于实现直流变电站电网侧的端口电流控制以及变电站内部最低损耗的功率分配。优选地，所述变换器控制层包括：多个独立的变换器单元以及与之对应的控制单元；具体地，稳态情况下，所述变换器单元具备调节出口侧电流跟随参考电流指令Iset的能力；发生短路故障时，变换器单元具有隔离短路故障的能力；变换器单元接收电流参考指令Iset，上传电压反馈值Vfdk、电流反馈值Ifdk以及变换器单元状态信息。优选地，所述端电压控制层包括：基于FPGA实现的协调控制器，电压控制层接收变电站控制层发送的电压指令Vset、工作在从模式的变换器单元的电流指令Iset以及运行模式指令；生成工作在主模式的变换器单元的电流指令Iset；电压控制层上传各端口电压反馈值Vfdk、电流反馈值Ifdk以及风场运行状态。优选地，所述变电站控制层包括：基于DSP实现的端口电流调节与效率优化控制模块，变电站控制层接收调度中心下发的遥控指令，即选定电网端中的某个或多个作为松弛端，其余作为功率端，风场电压设定值Vset，电网端口电流设定值所述遥控指令经端口电流调节生成端口电流指令Isum，并经效率优化层生成工作在从模式的变换器单元的电流指令Iset，上传遥测信息和遥信信息，其中遥测信息包括：端口电压、电流，遥信信息包括：电站状态、变换器单元状态。根据本专利技术提供的基于控保一体化概念的直流变电站层级运行方法，包括如下步骤：步骤1：构建基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统；步骤2：通过电压端控制层调节所有风场接入端的电压保持恒定，通过变电站控制层调节控制电网端的电流输出恒定；步骤3：协调控制器监测风场或者电网端或者变换器单元是否出现故障，若某一风场端或电网端出现故障，通过变换器控制层断开故障的风场或电网对应的变换器单元；若变换器单元出现故障，通过封锁变换器脉冲信号，停用该变换器；其余变换器单元运行状态正常；若无故障，则所有变换器单元运行状态不变。优选地，所述步骤2包括：通过电压端控制层输出主模式下变换器单元端口的电流参考值Iset，通过效率优化算法计算出从模式下变换器单元端口的电流参考值Iset；其中，主模式是指：变换器负责风场电压调节，则该变换器的电流参考值Iset由电压控制层给出；从模式是指：变换器不负责风场电压调节，仅参与电网端口电流调节，电流参考值Iset由变电站运行层给出；通过调度中心制定N个电网端中需要控制功率的电网端，并确定与该电网端相连的变换器单元的工作模式，假设调度中心遥控指令指定控制第一个电网端输出的电流恒定，则与该电网端相连的C11,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统，其特征在于，包括：变换器控制层，端电压控制层以及变电站控制层，所述变换器控制层，用于根据端电压控制层输出的电流参考值Iset，生成变换器控制脉冲信号，所述脉冲信号能够改变变换器单元的运行状态；所述端电压控制层，用于控制主模式下运行的变换器与相应的母线或风场输入端的电压保持恒定，并生成主模式下变换器单元的电流参考值Iset；所述变电站控制层，用于实现直流变电站电网侧的端口电流控制以及变电站内部最低损耗的功率分配。

【技术特征摘要】
1.一种基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统，其特征在于，包括：变换器控制层，端电压控制层以及变电站控制层，所述变换器控制层，用于根据端电压控制层输出的电流参考值Iset，生成变换器控制脉冲信号，所述脉冲信号能够改变变换器单元的运行状态；所述端电压控制层，用于控制主模式下运行的变换器与相应的母线或风场输入端的电压保持恒定，并生成主模式下变换器单元的电流参考值Iset；所述变电站控制层，用于实现直流变电站电网侧的端口电流控制以及变电站内部最低损耗的功率分配。2.根据权利要求1所述的基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统，其特征在于，所述变换器控制层包括：多个独立的变换器单元以及与之对应的控制单元；具体地，稳态情况下，所述变换器单元具备调节出口侧电流跟随参考电流指令Iset的能力；发生短路故障时，变换器单元具有隔离短路故障的能力；变换器单元接收电流参考指令Iset，上传电压反馈值Vfdk、电流反馈值Ifdk以及变换器单元状态信息。3.根据权利要求1所述的基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统，其特征在于，所述端电压控制层包括：基于FPGA实现的协调控制器，电压控制层接收变电站控制层发送的电压指令Vset、工作在从模式的变换器单元的电流指令Iset以及运行模式指令；生成工作在主模式的变换器单元的电流指令Iset；电压控制层上传各端口电压反馈值Vfdk、电流反馈值Ifdk以及风场运行状态。4.根据权利要求1所述的基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统，其特征在于，所述变电站控制层包括：基于DSP实现的端口电流调节与效率优化控制模块，变电站控制层接收调度中心下发的遥控指令，即选定电网端中的某个或多个作为松弛端，其余作为功率端，风场电压设定值Vset，电网端口电流设定值所述遥控指令经端口电流调节生成端口电流指令Isum，并经效率优化层生成工作在从模式的变换器单元的电流指令Iset，上传遥测信息和遥信信息，其中遥测信息包括：端口电压、电流，遥信信息包括：电站状态、变换器单元状态。5.一种基于控保一体化概念的直流变电站层级运行方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建基于控保一体化概念的直流变电站层级运行系统；步骤2：通过电压端控制层调节所有风场接入端的电压保持恒定，通过变电站控制层调节控制电网端的电流输出恒定；步骤3：协调控制器监测风场或者电网端或者变换器单元是否出现故障，若某一风场端或电网端出现故障，通过变换器控制层断开故障的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱淼，徐莉婷，马建军，蔡旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31