一种基于城市多层直流电网的运行架构及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于城市多层直流电网的运行架构及控制方法，包括两层电压等级的直流电网及DC‑DC变换器，每一层直流电网包括采用直流环网拓扑形式布设的多个VSC换流站，相邻的两个VSC换流站之间设置有DC‑DC变换器；高压直流电网采用直流电压偏差控制，DC‑DC变换器的控制目标采用自由交换功率策略；低压直流电网的若干VSC换流站连接城市中心负荷区和城郊新能源，低压直流电网内部的直流电压由DC‑DC变换器下端的VSC换流站控制，采用定频率控制，保证新能源的完全接纳和对波动负荷的快速响应。

A Running Architecture and Control Method Based on Urban Multilayer DC Power Grid

The invention discloses an operation framework and control method based on urban multi-layer DC power grid, including two-layer voltage-level DC power grid and DC_DC converter. Each layer of DC power grid includes several VSC converter stations arranged in the form of DC loop network topology, and two adjacent VSC converter stations are equipped with DC_DC converters; DC voltage deviation control is adopted in the high-voltage DC power grid, and DC_DC converter is used in the high-voltage DC power grid. The control target of DC converter is free-switching power strategy. Several VSC converter stations in low-voltage DC power grid connect the urban central load area and new energy sources in suburbs. The DC voltage in low-voltage DC power grid is controlled by the VSC converter station at the lower end of DC-DC converter, and fixed frequency control is adopted to ensure the complete acceptance of new energy sources and fast response to fluctuating loads.

【技术实现步骤摘要】
一种基于城市多层直流电网的运行架构及控制方法
本专利技术涉及一种基于城市多层直流电网的运行架构及控制方法。
技术介绍
城市作为社会经济发展和人口聚集的中心，其电网建设至关重要。受限于输电走廊资源的稀缺性和交流线路短路电流超标，城市电网的运行可靠性受到严重影响。另一方面，可再生能源发展迅速。囿于可再生能源具有间歇性、随机性特点，传统的电网结构和运行技术在解决清洁能源接入问题方面越来越力不从心，在城市电网中采用新的输电模式受到越来越多的关注。以电压源型换流器为基础的多端柔性直流输电(VSC-MTDC)技术将是解决上述问题的有效技术手段。多端柔性直流输电技术发展迅速，许多国家建立了多端柔性直流输电的示范工程。多端柔性直流具有潮流精确控制，输电方式灵活等特点，在未来城市电网的增容及改造中具有显著地优势。随着未来VSC-MTDC的不断发展，应用于城市电网的多端柔性直流输电可能与交流电网发展相似，发展成为多电压等级，环网型的多层直流电网(multi-voltage-leveldirectcurrentgrid，MDCG)。参考交流电网结构及功能，未来多层直流电网有可能具备以下几个特点：(1)具备多个电压等级；(2)网络从放射性拓扑扩展为网状拓扑；(3)直流电网之间具备功率交换功能。多层直流电网在提高城市电网的输电能力，提升潮流控制的灵活性，降低短路电流水平，减小输电损耗等方面具有明显的优势，是未来解决城市电网可再生能源接入、解决城市电网输电走廊建设困难，提高城市电网电能质量的有效手段。目前针对单层直流电网的拓扑结构及控制策略问题已有较多研究。已经投入运行的项目，多数是单一电压等级的辐射状多端柔性直流输电。但单层多端柔性直流输电与多层直流电网概念差距较大，针对多层直流电网的拓扑结构及运行控制问题在国内外相对较少。针对多层直流电网应用于城市电网供电的拓扑及控制策略问题的国内外鲜有研究。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于城市多层直流电网的运行架构及控制方法，本专利技术能够适应不同电压等级，不同拓扑形式的多层直流电网控制，适用于未来省级电网，城市电网、区域电网等不同类型电网的直流网络改造及直流电网运行。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于城市多层直流电网的运行架构，包括两层电压等级的直流电网及DC-DC变换器，每一层直流电网包括采用直流环网拓扑形式布设的多个VSC换流站，相邻的两个VSC换流站之间设置有DC-DC变换器；高压直流电网采用直流电压偏差控制，DC-DC变换器的控制目标采用自由交换功率策略，且DC-DC变换器上端的VSC换流站采用定交流电压控制，DC-DC变换器下端的VSC换流站根据其控制目标在DC-DC变换器自由交换功率和限制DC-DC变换器交换功率之间切换；低压直流电网的若干VSC换流站连接城市中心负荷区和城郊新能源，低压直流电网内部的直流电压由DC-DC变换器下端的VSC换流站控制，采用定频率控制，保证新能源的完全接纳和对波动负荷的快速响应。进一步的，高压直流电网的VSC换流站的数目依据城市供电需求及电网建设规划决定。进一步的，高压直流电网内的VSC换流站具有一个定直流电压站，M个定直流电压备用站，N-M-1个定功率站，N为高压直流电网的VSC换流站总数。进一步的，在稳态情况下，为了保证两层直流电网内部功率的自由流动，DC-DC变换器的控制目标采用自由交换功率策略，为了保证DC-DC变换器具备实时响应功率波动的能力，其下端的VSC换流站本地控制策略为定直流电压控制。进一步的，当高压直流电网出现故障或高压交流电网需要高压直流电网提供紧急功率支援的时候，DC-DC变换器将采用限制交换功率策略，通过限流锁定下端的VSC换流站的交换电流，从而达到限制两层电网之间功率交换的目的。进一步的，低压直流电网除连接城市中心负荷区和城郊新能源的换流站之外的换流站采用附加有功信号的定功率控制。基于上述架构的运行模式包括正常运行模式，限流运行模式以及分层运行模式。在稳态情况下，城市多层直流电网采取正常运行模式；当高压交流电网遭遇突发情况，应调度要求，高压直流电网将对其进行功率支援，城市多层直流电网将进入限流运行模式；当DC-DC变换器出现故障退出运行，两层直流电网之间失去网间功率交换能力，城市多层直流电网将进入分层运行模式。当DC-DC变换器下端所连接的低压直流电网出现功率缺额，低压直流电网通过DC-DC变换器实时从高压直流电网获取缺额功率；当低压直流电网出现功率冗余，冗余功率可以通过DC-DC变换器实时输送到高压直流电网。正常运行模式组合控制策略包括本地控制策略和高级控制策略，高级控制在多层直流电网正常运行模式下，每隔一段时间，会基于调度需求和交流电网的运行状态计算有功功率参考值，获得新的有功功率参考值后，高级控制策略利用通信将新的有功功率参考值下发到多层直流电网内的定有功功率站，直到下次调整之前，各换流站将一直维持该参考值运行。在限流运行模式下，多层直流电网将限制高压直流电网经DC-DC向低压电网传递的功率：在正常运行状态下，DC-DC变换器下端换流站有功上下限分别为和，当多层直流电网进入限流运行模式，高压直流电网定直流电压站为保留功率裕度，将通过调度调整DC-DC变换器下端换流站的电流限值，将有功上限由调整为，实现限制DC-DC单向功率的目的。在分层运行模式下，高压直流电网内部直流电压由定直流电压站控制，低压直流电网内部的直流电压由DC-DC变换器下端的定直流电压换流站进行控制，DC-DC变换器因故障退出运行后，低压直流电网内部的直流电压将直接通过附加有功信号的定功率站控制。当低压直流电网内部功率出现不平衡，将导致直流电压上升或降低，当电压上升或降低超过附加有功信号的电压限值，在附加有功信号的定功率站的直流电压-有功功率下垂控制作用下，定功率站出力改变，低压直流电网内部功率逐渐平衡，直流电压稳定在附加信号电压限值附近，保证DC-DC变换器因故障退出运行后，低压直流电网依然能稳定运行。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)本专利技术提出的城市多层直流电网的运行模式及控制方法，解决中国城市电网现有问题，顺应未来直流电网发展趋势，具有技术前瞻性。2)本专利技术提出的正常运行模式、限流运行模式以及分层运行模式，能够适应不同电压等级，不同拓扑形式的多层直流电网控制，适用于未来省级电网，城市电网、区域电网等不同类型电网的直流网络改造及直流电网运行。3)本专利技术提出的城市多层直流电网的运行模式及控制方法，控制结构简单，控制目标全面，为未来城市中可能出现的多层直流电网提供了合适的架构参考和实际的运行控制策略。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术所提出的城市多层直流电网示意图；图2为本专利技术所提出的城市多层直流电网内高压直流电网示意图；图3为本专利技术所提出的城市多层直流电网内DC-DC变换器示意图；图4为本专利技术所提出的城市多层直流电网内低压直流电网示意图；图5为本专利技术所提出的城市多层直流电网三种运行模式示意图；图6为城市多层直流电网正常运行模式对应的组合控制策略示意图；图7为城市多层直流电网限流运行模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于城市多层直流电网的运行架构，其特征是：包括两层电压等级的直流电网及DC‑DC变换器，每一层直流电网包括采用直流环网拓扑形式布设的多个VSC换流站，相邻的两个VSC换流站之间设置有DC‑DC变换器；高压直流电网采用直流电压偏差控制，DC‑DC变换器的控制目标采用自由交换功率策略，且DC‑DC变换器上端的VSC换流站采用定交流电压控制，DC‑DC变换器下端的VSC换流站根据其控制目标在DC‑DC变换器自由交换功率和限制DC‑DC变换器交换功率之间切换；低压直流电网的若干VSC换流站连接城市中心负荷区和城郊新能源，低压直流电网内部的直流电压由DC‑DC变换器下端的VSC换流站控制，采用定频率控制，保证新能源的完全接纳和对波动负荷的快速响应。

【技术特征摘要】
1.一种基于城市多层直流电网的运行架构，其特征是：包括两层电压等级的直流电网及DC-DC变换器，每一层直流电网包括采用直流环网拓扑形式布设的多个VSC换流站，相邻的两个VSC换流站之间设置有DC-DC变换器；高压直流电网采用直流电压偏差控制，DC-DC变换器的控制目标采用自由交换功率策略，且DC-DC变换器上端的VSC换流站采用定交流电压控制，DC-DC变换器下端的VSC换流站根据其控制目标在DC-DC变换器自由交换功率和限制DC-DC变换器交换功率之间切换；低压直流电网的若干VSC换流站连接城市中心负荷区和城郊新能源，低压直流电网内部的直流电压由DC-DC变换器下端的VSC换流站控制，采用定频率控制，保证新能源的完全接纳和对波动负荷的快速响应。2.如权利要求1所述的一种基于城市多层直流电网的运行架构，其特征是：高压直流电网的VSC换流站的数目依据城市供电需求及电网建设规划决定。3.如权利要求1所述的一种基于城市多层直流电网的运行架构，其特征是：高压直流电网内的VSC换流站具有一个定直流电压站，M个定直流电压备用站，N-M-1个定功率站，N为高压直流电网的VSC换流站总数。4.如权利要求1所述的一种基于城市多层直流电网的运行架构，其特征是：在稳态情况下，为了保证两层直流电网内部功率的自由流动，DC-DC变换器的控制目标采用自由交换功率策略，为了保证DC-DC变换器具备实时响应功率波动的能力，其下端的VSC换流站本地控制策略为定直流电压控制。5.如权利要求1所述的一种基于城市多层直流电网的运行架构，其特征是：当高压直流电网出现故障或高压交流电网需要高压直流电网提供紧急功率支援的时候，DC-DC变换器将采用限制交换功率策略，通过限流锁定下端的VSC换流站的交换电流，从而达到限制两层电网之间功率交换的目的。6.如权利要求1所述的一种基于城市多层直流电网的运行架构，其特征是：低压直流电网除连接城市中心负荷区和城郊新能源的换流站之...

【专利技术属性】
技术研发人员：李可军，孙凯祺，王卓迪，王美岩，刘智杰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37