一种基于电能潮流变换的柔性调控系统和方法与流程

1.本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于电能潮流变换的柔性调控系统和方法。


背景技术：

2.我国风能、太阳能资源丰富，风力发电、太阳能发电等新能源发电已经规模化发展，发电容量迅速提高。随着新能源发电技术的快速发展及国家对新能源发电政策的扶持和各地方政府的积极推进，新能源发电成为未来电力系统的重要发电形式。我国新能源资源基地主要分布在东部沿海以及西部内陆等较偏远地区，目前，电力通常经过高压直流或交流进行传输。但是因新能源发电并网后，由于其自身的间歇性和波动性，导致多点位多时间周期内的电网潮流变换频繁，对电网形成冲击，对电网电能质量产生影响。因此，随着新能源并网容量的不断增加，未来电力网络应具备消纳大规模可再生能源发电的能力，并且输电系统应能够有效地隔离新能源发电对交流电网造成的不利影响。
3.柔性直流输电技术由于在新能源并网领域的显著优势而成为适合新能源接入电网的电力传输方式。新能源经柔性直流技术向交流系统供电时会解耦新能源和交流电网的频率联系，对电网频率变化体现无阻尼特性，当新能源产生波动时，其频率稳定性很低，接入电网会导致直流系统和交流系统的不稳定运行。因此，柔性直流输电系统需要利用具有良好动态性能的控制方法来提高新能源并网的稳定性和可靠性。
4.如何通过直流电网和低压柔性交直流分配设备的综合应用，平抑可再生能源发电的波动性、间歇性等问题，最大限度的降低其对电网产生的冲击，并可有效的降低目前大量存在的弃风、弃光等问题，实现可再生能源的有效开发利用，实现对电网电能潮流变化的柔性调控，解决因潮流变换对电网形成的冲击和影响，是本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于电能潮流变换的柔性调控系统和方法，具体采用如下技术方案：
6.一种基于电能潮流变换的柔性调控系统，包括：新能源发电设备11、升压设施12、第一变压设备13、第一换流装置14、第二换流装置15、第二变压设备16、电网17；
7.所述新能源发电设备11输出交流电压，由升压设施12升压至220kv交流，通过第一换流装置14进行交直流变换，再通过第二换流装置15进行直交流变换，通第二变压设备16并入电网17；
8.所述第一换流装置14包括正极换流器和负极换流器；所述正极换流器包括正极变压器21、正极电路电阻22、正极电路电抗23、正极vsc24；所述负极换流器包括负极变压器25、负极电路电阻26、负极电路电抗27、负极vsc28；
9.所述第二换流装置15包括第二换流vsc81、第二换流电路电抗82、功率计算模块83、锁相环84、第三dq变换模块85、直流电压控制模块86、第二电流控制模块87、第四dq变换
模块88、第三spwm控制模块89。
10.本发明还涉及一种基于电能潮流变换的柔性调控方法，用于如上所述的基于电能潮流变换的柔性调控系统，包括下列步骤：
11.s1.交流电压up与交流端电压参考值upref之间的误差，进行比例积分运算，其结果作为调制比m，和控制系统给出的设定频率fref共同生成三相电压基波分量的控制目标值uc1a、uc1b、uc1c；
12.s2.根据控制目标值uc1a、uc1b、uc1c，采用spwm方法，控制正极vsc24中igbt的导通和关断；
13.s3.控制系统给出的交流电压up的频率设置值wref进行积分运算，其结果qs作为同步相位信号输出；
14.s4.交流电流ip和交流电压up进行dq变换后，输出upd、upq、ipd、ipq，其中upd为交流电压up的d轴分量，upq为交流电压up的q轴分量，ipd为交流电流ip的d轴分量，ipq为交流电流ip的d轴分量；
15.s5.系统给出交流电压up的d轴分量设置值updr、交流电压up的q轴分量设置值upqr，并将二者通过运算处理得到ipdr、ipqr，其中ipdr为交流电流ip的d轴分量设置值，ipqr为交流电流ip的q轴分量设置值，再将二者通过运算处理得到eds、eqs，其中，eds和eqs分别为第一目标交流电压的d轴及q轴分量；
16.s6.将所述eds、eqs进行dq变换输出控制目标值uc2a、uc2b、uc2c，根据控制目标值uc2a、uc2b、uc2c，采用spwm方法，控制负极vsc28中igbt的导通和关断；
17.s7.ur通过锁相环84输出同步相位qr；交流电压ur、电流ior进行dq变换后，输出urd、urq、iord、iorq，其中，urd为交流电压ur的d轴分量、urq交流电压ur的q轴分量、iord为交流电流ior的d轴分量、iorq为交流电流ior的q轴分量；
18.s8.直流电压udc、根据电压ur和ir计算出的功率qg、系统给出的udc设置值udcr、系统给出的qg设置值qgr、urd、urq共同进行运算处理，得到iord、iorq的设置值iordr、iorqr；
19.s9.iord、iorq、iordr、iorqr共同进行运算处理，得到第二目标交流电压的d轴、q轴分量edr、eqr；
20.s10.将edr、eqr进行dq变换输出控制目标值uc3a、uc3b、uc3c，根据控制目标值uc3a、uc3b、uc3c，采用spwm方法，控制第二换流vsc81中igbt的导通和关断。
21.本发明的技术方案获得了下列有益效果：针对新能源发电并网，通过换流设备实现交直流、直交流的转换，根据控制系统给出的各个设置值，分配有功功率，增强了直流电压稳定性，提高了对有功功率的消纳能力，减少无功功率的波动量的影响，平抑可再生能源发电的波动性、间歇性等问题，降低其对电网产生的冲击，实现对电网电能潮流变化的柔性调控。
附图说明
22.图1为本发明基于电能潮流变换的柔性调控系统的结构示意图。
23.图2为本发明第一换流装置的结构示意图。
24.图3为本发明第一换流装置的另一结构示意图。
25.图4为本发明第一控制模块的结构示意图。
26.图5为本发明第二控制模块的结构示意图。
27.图6为本发明电压控制模块的结构示意图。
28.图7为本发明电流控制模块的结构示意图。
29.图8为本发明第二换流装置的结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。
31.除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
32.参见附图1所示，为本发明基于电能潮流变换的柔性调控系统结构示意图。基于电能潮流变换的柔性调控系统包括风力或太阳能发电等新能源发电设备11、升压设施12、第一变压设备13、第一换流装置14、第二换流装置15、第二变压设备16、电网17。新能源发电设备11输出交流电压，由升压设施12升压至220kv交流，通过第一换流装置14进行交直流变换，再通过第二换流装置15进行直交流变换，通第二变压设备16并入电网17。所述升压设施12可以集成在所述新能源发电设备11中。
33.参见附图2，为本发明的第一换流装置14的结构示意图，第一换流装置14由两套可独立运行与控制的交直流换流网络构成，包括两套独立的正极换流器和负极换流器。正极换流器包括正极变压器21、正极电路电阻22、正极电路电抗23、正极vsc(电压源型换流器，voltage source converter)24。负极换流器包括负极变压器25、负极电路电阻26、负极电路电抗27、负极vsc28。
34.正、负换流器之间接地，接地引线从正极换流器和负极换流器在直流侧的连接点引出，接地点钳制电位。正常工况下，系统采用双极带金属回线单端接地运行方式，两极不平衡电流通过金属回线返回；单极发生故障时，将故障极换流阀闭锁、停运，同时将故障极全部或部分功率转移至正常极，正常极和金属回线转为单极带金属回线运行方式，工作电流通过金属回线返回。
35.在第一换流装置14的交流侧，交流电通过并联的正极变压器21和负极变压器25，分别与正极vsc24、负极vsc28相连，正极vsc24、负极vsc28分别进行独立控制。
36.在第一换流装置14直流侧，金属回流层提供电流通路，正、负极直流网络可以分别与金属回线构成独立的直流电流通路，两极直流回路均可独立运行。
37.由于电路电抗的电抗值远大于电路电阻的电阻值，因此可以将电路电阻忽略。正极电路电抗23的电抗值为xc1，正极电路电抗23的交流端电压为up，正极电路电抗23与正极vsc24连接点电压为uc1，则有：
38.uc1＝up-qs1 xc1/up
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
39.式(1)中，qs1为流入正极vsc24的无功功率。
40.当换流器与新能源电网或无源交流电网相连时，交流电网侧的无功功率波动会传递至正、负极换流器。若正、负极换流器分别采用不同的控制方式，使一极的无功功率保持恒定。无功功率的波动量δqs将全部传递至另一极换流器，交流侧无功功率的波动量可表示为：
41.δqs＝δqs1＝qs
′
1-qs1
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
42.式中：δqs1为一极换流器无功功率波动量；qs
′
1为无功波动后传至一极换流器的无功功率。传递至up处的无功功率波动量将全部传至本极，而不会影响另一极的独立换流器。
43.设up电压波动为δup，表达式为：
44.δup＝up
′‑
up
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
45.式中：u
′
为无功波动后的up处交流电压。
46.此时，电压控制极可以通过改变调制比m来调整vcs交流侧出口处电压uc
′
1，从而改变正电抗上的电压降，维持up参考电压upref，表达式为：
47.upref＝uc
′
1-(qs1 δqs1)xc1/up＝up
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
48.由此，可实现对up电压的稳定控制。
49.参见附图3所示，本发明的第一换流装置14还包括第一控制模块31、第二控制模块32。
50.第一控制模块31如附图4所示，包括第一比例积分模块41、三相正弦波模块42、第一spwm控制模块43。交流端电压up与交流端电压参考值upref之间的误差，输入到所述第一比例积分模块41，通过比例积分计算，得到调制比m。将调制比m和设定频率fref输入到所述三相正弦波模块42，并将所述三相正弦波模块42设定为三相对称。所述三相正弦波模块42输出三相电压基波分量的控制目标值uc1a、uc1b、uc1c到所述第一spwm控制模块43。所述第一spwm控制模块43采用正弦脉宽调制方法控制正极vsc24中igbt的导通和关断，从而实现对正极vsc24的控制。
51.第二控制模块32如附图5所示，包括积分模块51、第一dq变换模块52、电压控制模块53、电流控制模块54、第二dq变换模块55、第二spwm控制模块56。wref为交流电压up的频率设置值，一般取工频频率.qs为wref输入到所述积分模块51积分所得的相位，该相位qs分别输入到所述第一dq变换模块52、电压控制模块53、电流控制模块54、第二dq变换模块55。updr为交流电压up的d轴分量设置值，upqr为交流电压up的q轴分量设置值，二者输入到所述电压控制模块53。ip为负极电路电抗27与负极vsc28连接点处的交流电流。交流电压up和交流电流ip输入到所述第一dq变换模块52，进行dq变换后，输出upd、upq、ipd、ipq，其中upd为交流电压up的d轴分量，upq为交流电压up的q轴分量，ipd为交流电流ip的d轴分量，ipq为交流电流ip的d轴分量。upd、upq输入到所述电压控制模块53，ipd、ipq输入到所述电流控制模块54。所述电压控制模块53输出ipdr、ipqr，其中ipdr为交流电流ip的d轴分量设置值，ipqr为交流电流ip的q轴分量设置值，二者输入到所述电压控制模块54。所述电压控制模块54输出eds、eqs，其中，eds和eqs分别为第一目标交流电压的d轴及q轴分量。eds、eqs输入到所述第二dq变换模块55，所述第二dq变换模块55输出三相电压基波分量的控制目标值uc2a、uc2b、uc2c到所述第二spwm控制模块56，所述第二spwm控制模块56采用正弦脉宽调制
方法控制负极vsc28中igbt的导通和关断，从而实现对负极vsc28的控制。
52.参见附图6，所述电压控制模块53包括第一一阶惯性环节61、第二一阶惯性环节62、第一感抗63、第二感抗64。upd与updr在第一节点求差后，输入到所述第一一阶惯性环节61，upq与upqr在第二节点求差后，输入到所述第二一阶惯性环节62。所述第一一阶惯性环节61输出ipdr，ipdr输入到所述第二感抗64，所述第二感抗64的输出连接第二节点。所述第二一阶惯性环节62输出ipqr，ipqr输入到所述第一感抗63，所述第一感抗63的输出连接第一节点。
53.参见附图7，所述电流控制模块54包括第二比例积分模块71、第三比例积分模块72。ipd与ipdr在第三节点求差后，输入到所述第二比例积分模块71，ipq与ipqr在第四节点求差后，输入到所述第三比例积分模块72。所述第二比例积分模块71、第三比例积分模块72分别输出eds、eqs。
54.参见附图8，为本发明的第二换流装置15的结构示意图，包括第二换流vsc81、第二换流电路电抗82、功率计算模块83、锁相环84、第三dq变换模块85、直流电压控制模块86、第二电流控制模块87、第四dq变换模块88、第三spwm控制模块89。所述第一换流装置(14)输出的直流电压udc输入到所述第二换流vsc81和所述直流电压控制模块86。所述第二换流vsc81与第二变压设备16之间具有第二换流电路电抗82，所述第二换流电路电抗82与所述第二变压设备16之间的电压ur、ir输入到所述功率计算模块83，计算出功率qg，输出到所述直流电压控制模块86。ur还输入到所述锁相环84、第三dq变换模块85。所述锁相环84输出相位qr，分别输出到所述第三dq变换模块85、直流电压控制模块86、第二电流控制模块87、第四dq变换模块88。所述第二换流vsc81和第二换流电路电抗82之间的电流ior输入到所述第三dq变换模块85，所述第三dq变换模块85输出urd、urq、iord、iorq，其中，urd为交流电压ur的d轴分量、urq交流电压ur的q轴分量、iord为交流电流ior的d轴分量、iorq为交流电流ior的q轴分量，urd、urq输入到所述直流电压控制模块86，iord、iorq输入到所述第二电流控制模块87。udc、qg各自的设置值udcr、qgr输入到所述直流电压控制模块86，所述直流电压控制模块86输出iordr、iorqr，分别为iord、iorq的设置值，并输入到所述第二电流控制模块87。所述第二电流控制模块87输出edr、eqr，分别为第二目标交流电压的d轴及q轴分量。edr、eqr输入到所述第四dq变换模块88，所述第四dq变换模块88输出三相电压基波分量的控制目标值uc3a、uc3b、uc3c到所述第三spwm控制模块89，所述第三spwm控制模块89采用正弦脉宽调制方法控制第二换流vsc81中igbt的导通和关断，从而实现对第二换流vsc81的控制。
55.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。