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一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统及其功率分配方法

阅读：0发布：2022-08-15

专利汇可以提供一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统及其功率分配方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种适用于高压直流输电弱受端系统的用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统及其功率分配方法。系统包括调相机、电池储能系统、储能双向并网变换器和控制模块；储能有功功率控制、储能无功功率控制、双向并网变换控制和调相机励磁控制分别控制储能输出有功功率参考值、储能输出无功功率参考值、储能输出功率实际值及调相机的励磁电压。本发明能快速同时提供充足的有功无功，以提高直流输电系统发生换相失败故障后受端交流系统电压与频率的最低点并加速恢复过程，满足高压直流输电弱受端交流电网对大容量有功功率与无功功率储备的需求。，下面是一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统及其功率分配方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统，其特征在于，包括调相机、电池储能系统、储能双向并网变换器和控制模块；调相机通过升压变压器连接到高压母线；储能双向并网变换器直流侧连接电池储能系统，交流侧通过变压器连接到高压母线；控制模块包括储能有功功率控制器、储能无功功率控制器、双向并网变换控制器和调相机励磁控制器；储能有功功率控制器和储能无功功率控制器共同连接到双向并网变换控制器；调相机励磁控制器与调相机相连；双向并网变换控制器与储能双向并网变换器相连。
2.一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统的功率分配方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统，包括以下分配方法：
储能有功功率控制：用于实现交流母线的频率调节；
储能无功功率控制：用于参与交流母线电压调节；
双向并网变换控制：用于实现储能系统实际输出功率对参考功率的跟踪；
调相机励磁控制：用于实现对高压母线电压的调节。
3.根据权利要求2所述的一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统的功率分配方法，其特征在于，储能有功功率控制中，当发电量和负荷不匹配时，以及当直流输电系统发生换相失败或直流闭锁时，提供功率出力；使用变参数PI控制；采用的有功功率参考值计算公式如下：
PB,ref＝Kp,P(fG-fG,ref)+Ki,P∫(fG-fG,ref)
式中PB,ref为储能有功功率控制器输出的有功功率参考值，Kp,P和Ki,P分别为有功功率的变参数比例系数和积分系数，fG是电网频率，fG,ref是电网参考频率，ap、ai为有功比例、积分系数的变化率，m为有功比例系数的变化持续时间，ts为调相机输出功率开始进入稳态的时间；各参数根据储能和调相机容量分别进行整定。
4.根据权利要求2所述的一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统的功率分配方法，其特征在于，储能无功功率控制中，当换相失败或发生直流闭锁时，基于变参数PI控制，储能无功功率控制采用的无功功率参考值计算公式如下：
QB,ref＝Kp,Q(UG-UG,ref)+Ki,Q∫(UG-UG,ref)
式中QB,ref为储能无功功率控制器输出无功率参考值，Kp,Q和Ki,Q分别为无功功率的变参数比例系数和积分系数，UG,ref为高压母线电压额定值，UG为高压母线电压实测值，bp、bi为无功比例、积分系数的变化率，n为无功比例系数的变化持续时间，各参数根据储能和调相机容量分别进行整定。
5.根据权利要求2所述的一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统的功率分配方法，其特征在于，双向并网变换控制是基于电网电压定向的矢量控制，在d-q 框架下，已知储能系统的输出有功功率参考值PB,ref和储能系统的输出无功功率参考值QB,ref，则d轴和q轴的电流参考值由以下方程计算
d轴是基于电网电压矢量的，UG,q＝0，从功率参考和UG,d计算出电流参考值，参考电流和估计电流之间的差值被发送到比例-积分控制器以实现无稳态偏差控制，比例-积分控制器的输出经过d-q到α-β坐标变换后，通过空间矢量脉宽调制得到双向并网变换器相应的开关驱动信号Sa、Sb和Sc，实现储能系统实际输出功率对参考功率的跟踪；电网电压矢量的位置通过测量得到；首先检测储能并网变换器低压侧电压瞬时值ua、ub、uc，再由三相静止坐标系abc到两相静止坐标系αβ的坐标变换，获得在α-β坐标下电网电压的表达式uα、uβ，从而获得电压矢量位置，即
6.根据权利要求2所述的一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统的功率分配方法，其特征在于，调相机励磁控制采用的是静止励磁调节器，从高压母线电压测量值和调相机端电压测量值中计算出合适的励磁电压Vf，实现了对高压母线电压的调节；励磁电压信号Vf送至储能无功功率控制器，作为储能无功功率控制方法中下垂系数的加权因子。

说明书全文

一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统及其功率分配

方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统控制与保护技术领域，特别涉及一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统及其功率分配方法。

背景技术

[0002] 随着远距离大容量输电系统的快速发展，直流换相失败对交流系统影响的规模在不断增大。逆变站的换相失败严重影响了受端交流系统的稳定运行，尤其是当受端系统网架结构薄弱时，换相失败的发生频率将明显提高。

[0003] 为减小换相失败所带来的不利影响，主要措施可分为两大类：通过调整逆变站控制器和通过配置额外的无功补偿装置。其中，配置额外无功补偿装置更适合目前实际工程的需要，新一代大容量调相机能满足高压直流输电送端和受端系统对大容量动态有功无功的需求，已在中国西北与华东地区投入使用。它能在强瞬时过载条件下工作，增加弱交流系统的短路容量，提供惯性响应。将储能系统与调相机相结合，能在换相失败故障发生后，对弱交流网络提供更加强有力的功率支撑。因此，为实现调相机与储能系统之间的协调配合，发挥两者的协同增效作用，需要合理可行的控制方法。

[0004] 单次换向失败从发生到恢复的时间尺度通常为数百毫秒，因此响应速度至关重要。目前已有的控制方法或者步骤较多，或者需要依赖调度指令，无法保证快速性。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统及其功率分配方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统，包括调相机、电池储能系统、储能双向并网变换器和控制模块；调相机通过升压变压器连接到高压母线；储能双向并网变换器直流侧连接电池储能系统，交流侧通过变压器连接到高压母线；控制模块包括储能有功功率控制器、储能无功功率控制器、双向并网变换控制器和调相机励磁控制器；储能有功功率控制器和储能无功功率控制器共同连接到双向并网变换控制器；调相机励磁控制器与调相机相连；双向并网变换控制器与储能双向并网变换器相连。

[0008] 进一步的，一种用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统的功率分配方法，包括以下分配方法：

[0009] 储能有功功率控制：用于实现交流母线的频率调节；

[0010] 储能无功功率控制：用于参与交流母线电压调节；

[0011] 双向并网变换控制：用于实现储能系统实际输出功率对参考功率的跟踪；

[0012] 调相机励磁控制：用于实现对高压母线电压的调节。

[0013] 进一步的，储能有功功率控制中，当发电量和负荷不匹配时，以及当直流输电系统发生换相失败或直流闭锁时，提供功率出力；使用变参数PI控制；采用的有功功率参考值计算公式如下：

[0014] PB,ref＝Kp,P(fG-fG,ref)+Ki,P∫(fG-fG,ref)

[0015]

[0016] 式中PB,ref为储能有功功率控制器输出的有功功率参考值，Kp,P和Ki,P分别为有功功率的变参数比例系数和积分系数，fG是电网频率，fG,ref是电网参考频率，ap、ai为有功比例、积分系数的变化率，m为有功比例系数的变化持续时间，ts为调相机输出功率开始进入稳态的时间；各参数根据储能和调相机容量分别进行整定。

[0017] 进一步的，储能无功功率控制中，当换相失败或发生直流闭锁时，基于变参数PI控制，储能无功功率控制采用的无功功率参考值计算公式如下：

[0018] QB,ref＝Kp,Q(UG-UG,ref)+Ki,Q∫(UG-UG,ref)

[0019]

[0020] 式中QB,ref为储能无功功率控制器输出无功率参考值，Kp,Q和Ki,Q分别为无功功率的变参数比例系数和积分系数，UG,ref为高压母线电压额定值，UG为高压母线电压实测值，bp、bi为无功比例、积分系数的变化率，n为无功比例系数的变化持续时间，各参数根据储能和调相机容量分别进行整定。

[0021] 进一步的，双向并网变换控制是基于电网电压定向的矢量控制，在d-q 框架下，已知储能系统的输出有功功率参考值PB,ref和储能系统的输出无功功率参考值QB,ref，则d轴和q轴的电流参考值由以下方程计算

[0022]

[0023]

[0024] d轴是基于电网电压矢量的，UG,q＝0，从功率参考和UG,d计算出电流参考值，参考电流和估计电流之间的差值被发送到比例-积分控制器以实现无稳态偏差控制，比例-积分控制器的输出经过d-q到α-β坐标变换后，通过空间矢量脉宽调制得到双向并网变换器相应的开关驱动信号Sa、Sb和Sc，实现储能系统实际输出功率对参考功率的跟踪；电网电压矢量的位置通过测量得到；首先检测储能并网变换器低压侧电压瞬时值ua、ub、uc，再由三相静止坐标系abc到两相静止坐标系αβ的坐标变换，获得在α-β坐标下电网电压的表达式uα、uβ，从而获得电压矢量位置，即

[0025]

[0026]

[0027] 进一步的，调相机励磁控制采用的是静止励磁调节器，从高压母线电压测量值和调相机端电压测量值中计算出合适的励磁电压Vf，实现了对高压母线电压的调节；励磁电压信号Vf送至储能无功功率控制器，作为储能无功功率控制方法中下垂系数的加权因子。

[0028] 与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

[0029] 本发明通过实时测量获取调相机端电压、换流母线电压、受端电网频率，在换相失败发生后迅速获得调相机和储能的功率出力，能及时地提供电压和频率支撑。且通过合理地设置各子控制器参数，充分考虑了换相失败的不同阶段功率需求、储能与调相机无功容量差异，保证了功率出力目标分配的合理性。本发明通过控制方法将储能系统与调相机相结合，更好地实现在提供充足的有功和无功功率支持方面的协同增效的作用。本控制方法能在故障后发挥储能与调相机各自的优势，提供的动态有功与无功支撑具有速度快、容量大等特点，能满足高压直流输电系统故障时对大容量动态有功功率和无功功率的需求。附图说明

[0030] 图1为高压直流输电系统受端用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统连接图；

[0031] 图2为用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统协同控制总体结构图；

[0032] 图3为储能并网变换器控制原理图；

具体实施方式

[0033] 以下结合附图对本发明进一步描述。

[0034] 为了更加清晰说明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0035] 请参阅图1，高压直流输电系统受端用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统连接图。用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统的功率分配方法，由用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统实施，所述的用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统包括调相机、电池储能系统、储能双向并网变换器和控制模块。调相机通过升压变压器连接到高压母线；储能双向并网变换器直流侧连接电池储能系统，交流侧通过变压器连接到高压母线；控制模块包括储能有功功率控制器、储能无功功率控制器、双向并网变换控制器和调相机励磁控制器；储能有功功率控制器和储能无功功率控制器共同连接到双向并网变换控制器；调相机励磁控制器与调相机相连；双向并网变换控制器与储能双向并网变换器相连。该系统适用于高压直流输电弱受端电网，当发生换相失败或直流闭锁时，储能系统释放有功功率以实现频率响应，同时，储能系统和调相机共同提供大量无功功率以实现电压支撑。

[0036] 请参阅附图2，用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统协同控制总体结构图。所述的用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统功率分配方法，其特征在于，包括储能有功功率控制方法、储能无功功率控制方法、双向并网变换控制方法和调相机励磁控制方法。

[0037] 所述的用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统功率分配方法，其特征在于：所述的储能有功功率控制方法旨在实现交流母线的频率调节。当发电量和负荷不匹配时，电网的频率会发生波动。当直流输电系统发生换相失败或直流闭锁时，受端交流系统会出现大量有功功率缺额，这通常会导致非常严重的频率掉落。为了给系统频率恢复提供有功功率支撑，基于变参数PI控制。采用的有功功率参考值计算公式如下：

[0038] PB,ref＝Kp,P(fG-fG,ref)+Ki,P∫(fG-fG,ref)

[0039]

[0040] 式中PB,ref为储能有功功率控制器输出的有功功率参考值，Kp,P和Ki,P分别为有功功率的变参数比例系数和积分系数，fG是电网频率，fG,ref是电网参考频率，ap、ai为有功比例、积分系数的变化率，m为有功比例系数的变化持续时间，ts为调相机输出功率开始进入稳态的时间。各参数根据储能和调相机容量分别进行整定。

[0041] 所述的用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统功率分配方法，其特征在于：储能无功功率控制中，当换相失败或发生直流闭锁时，基于变参数PI控制，储能无功功率控制采用的无功功率参考值计算公式如下：

[0042] QB,ref＝Kp,Q(UG-UG,ref)+Ki,Q∫(UG-UG,ref)

[0043]

[0044] 式中QB,ref为储能无功功率控制器输出无功率参考值，Kp,Q和Ki,Q分别为无功功率的变参数比例系数和积分系数，UG,ref为高压母线电压额定值，UG为高压母线电压实测值，bp、bi为无功比例、积分系数的变化率，n为无功比例系数的变化持续时间，各参数根据储能和调相机容量分别进行整定。

[0045] 所述的用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统功率分配方法，其特征在于：所述的调相机励磁控制采用的是静止励磁调节器，从高压母线电压测量值和调相机端电压测量值中计算出合适的励磁电压Vf,实现了对高压母线电压的调节。励磁电压信号Vf送至储能无功功率控制器，作为储能无功功率控制方法中下垂系数的加权因子。

[0046] 参阅附图3所示的双向并网变换控制框图。所述的用于HVDC的储能-调相机功率支撑系统功率分配方法，其特征在于：双向并网变换控制方法是基于电网电压定向的矢量控制。在d-q框架下，已知储能系统的输出有功功率参考值PB,ref和储能系统的输出无功功率参考值QB,ref，则d轴和q轴的电流参考值由以下方程计算

[0047]

[0048]

[0049] 由于d轴是基于电网电压矢量的，因而UG,q＝0，从而不考虑其他损耗使时，可以从功率参考和UG,d计算出电流参考值。参考电流和估计电流之间的差值被发送到比例-积分控制器以实现无稳态偏差控制，比例-积分控制器的输出经过d-q到α-β坐标变换后，即可通过空间矢量脉宽调制得到双向并网变换器相应的开关驱动信号Sa、Sb和Sc，实现储能系统实际输出功率对参考功率的跟踪。这种双向并网变换控制方法的控制性能主要取决于电网电压矢量位置的准确获取。本方法中电网电压矢量的位置通过测量得到。首先检测储能并网变换器低压侧电压瞬时值ua、ub、uc，再由三相静止坐标系(abc)到两相静止坐标系(αβ)的坐标变换，获得在α-β坐标下电网电压的表达式uα、uβ，从而获得电压矢量位置，即[0050]

[0051]

[0052] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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