王楚扬(1990),男,博士,讲师,研究方向为电力系统中的电力电子装备及电力电子化的电力系统(E-mail:
张秋玥(1999),女,硕士在读,研究方向为电力电子化的电力系统
张犁(1985),男,博士,教授,研究方向为新能源变换器拓扑、控制及可靠性
柔性直流互联技术可有效改善电网电能质量、增强供电可靠性、提升新能源消纳水平。采用主从控制的柔性直流互联系统中,负荷突增和新能源出力短时波动等突发工况易导致主站实际功率超过其容量。传统功率限幅或调度方法难以及时平抑功率波动,进而导致直流侧电压异常,威胁系统正常运行。为此,文中提出一种计及主站容量裕度的主从控制策略。该策略优化了主站的运行机制,将容量裕度因素纳入主站运行模式中,调整了主站电压环的环路结构与变量定义,并增加了基于过容功率的闭合抑制环路,保障了主站对直流母线电压的持续调节能力。由于主站在平衡系统功率时需要从站间的协调运行,因此文中在从站传统运行模式及原有调度基础上引入了从站间的功率支援机制,在系统功率平衡等约束条件下建立了系统经济损失最小、源储设备损耗最小的多目标优化模型,并利用非支配排序遗传算法-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对优化模型进行快速求解。最后通过仿真验证了所提策略能有效防止主站过容,保障柔性直流互联系统稳定、高效运行。
The flexible DC interconnection technology can effectively improve the power quality of the power grid, and enhance the reliability of power supply, thus improving the level of new energy consumption. In a flexible DC interconnection system with master-slave control, sudden load increase and short-term fluctuation in new energy output are likely to cause the actual power of the master station to exceed its capacity. It is difficult to timely suppress power fluctuation through traditional power limiting or scheduling methods, which leads to abnormal DC side voltage and threatens the stable operation of the power system. Therefore, a master-slave control strategy that takes into account the capacity margin of the master station is proposed. The strategy optimizes the operation mechanism of the master station and incorporates the capacity margin factor into the operation mode of the master station to adjust the voltage of the master station. The loop structure and variable definition of the loop are added. A closed suppression loop based on overcapacity power is added, which ensures the continuous regulation ability of the main station to the DC bus voltage. Since the master station needs the coordinated operation among the slave stations when balancing the system power, a power support mechanism among the slave stations is introduced based on the traditional operation mode and original scheduling of the slave stations, and a system under the constraints of system power balance and other constraints is established. The multi-objective optimization model with the smallest system economic loss and the smallest source-storage equipment loss is established, and the non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ (NSGA-Ⅱ) is used to solve the optimization model quickly. Finally, it is verified by simulation that the proposed strategy can effectively prevent the overcapacity of the master station and ensure the stable and efficient operation of the flexible DC interconnection system.
随着电力电子器件与控制技术的快速发展,以电压源换流器为基础的柔性直流技术在输电网层面得到广泛应用[
对柔性直流互联系统的直流侧电压进行稳定控制是保持系统功率平衡的前提条件[
针对主站功率超过其容量的问题,传统方法是对主站进行功率约束,当功率超过其容量时将主站转为定功率模式的从站,将有容量裕度的从站变为主站[
因此,文中基于传统主从控制与功率支援,考虑换流站容量裕度约束,提出一种计及主站容量裕度的主从控制策略。该策略优化了主站的运行机制,将容量裕度因素纳入主站的运行模式中,调整了主站电压环的环路结构与变量定义,并增加了基于过容功率的闭合抑制环路。由于主站在平衡系统功率时需要从站间的协调运行,因此在从站传统运行模式及原有调度方法的基础上引入从站间的功率支援机制,在系统功率平衡等约束条件下建立系统经济损失最小、源储损耗最小的多目标优化模型,并利用非支配排序遗传算法-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对优化模型进行快速求解。最后通过仿真验证了所提策略能有效防止主站过容,保障柔性直流互联系统稳定、高效运行。
模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)可以被拆分为3个独立的、结构相同的单相半桥结构,如
三相MMC中的单相半桥结构
Single-phase half-bridge structure in three-phase MMC
式中:
式中:
三相坐标系下各个电气量均为时变交流量,不利于直观得到有功分量或无功分量。因此须转为两相坐标系,其变换矩阵为:
对式(2)进行坐标变换,并进一步简化得:
式中:
换流站基于
Control strategy of converter station based on
基于柔性直流互联系统的换流站运行模式可分为
此时,交流电流及环流在
其中,环流的交流分量一般限制到0,因此其
换流站的
Operating mode of converter station based on
柔性直流互联系统中,各换流站间的通信可以依托已有的光纤复合架空地线光缆实现,通信延时一般不超过5 ms,能满足主从控制快速响应的要求。主从控制通常选择1个主站运行于
柔性直流互联系统的基本架构
Basic architecture of flexible DC interconnection system
为简化分析,忽略换流站和线路损耗,则根据
此外,主换流站须满足容量约束:
式中:
显然,当
式中:
式中:
考虑
式(13)和式(14)中,由于
此外,为了保证主站始终有调节直流母线电压的能力,同时为了避免电压环路输出饱和导致主站退化为定功率模式,主站必须保留一部分容量裕度。因此主站实际功率
式中:
式中:sgn为符号函数;
计及容量裕度的主站运行模式
Master operating mode with capacity margin
如
第2章在计及主站容量裕度的基础上对主站运行模式进行调整。主站功率根据从站功率需求被动调节,当因突发工况导致个别从站在原有调度基础上产生了功率增量,调度机制无法即时调整,使得主站功率超过其容量裕度,产生过容功率Δ
从站按工作模式可以分为双向和单向从站2类:双向从站对接了大容量的源、储设备,除了从系统输出功率外,还能向系统输入功率以分担主站功率需求;单向从站不具有足量的源、储条件,从系统输出的功率远大于其输入功率。在调度周期内,由于功率波动导致从站源储荷产生的功率变化量与从站功率需求变化量可统一定义为:
式中:Δ
式中:Δ
主站整流运行时向直流母线输入功率。从站因负荷激增、新能源出力骤减等突发工况可能导致系统在原有调度基础上出现功率缺额Δ
在满足功率约束,保证功率平衡、系统稳定的同时使系统经济收益最大化,故以突发工况下系统经济损失最小为优化目标。设置第
根据式(22),源、储设备功率足够支撑突发工况的功率增量时,不调减负荷大小,因此不考虑负荷端成本。当且仅当源、储设备功率不足以满足功率增量需求时,为保证系统功率平衡,要对负荷进行相应调减,同时将负荷端成本纳入考虑。
其次,在系统的功率平衡和成本最小得到保证后,还应尽量减小源、储设备的使用损耗。期望源、储设备运行时的总功率最小,同时二者占各自从站容量比重的总和最小,以避免源、储设备满载运行。因此设立主站整流模式下源、储设备损耗占从站容量比重最小的目标函数
式中:
联立式(22)—式(24)即可得到柔性直流互联系统在主站整流运行时以功率平衡为基础,成本和源、储设备损耗最小的多目标数学模型。
主站逆变运行时从系统输出功率。当从站因突发工况造成负荷骤减、新能源出力激增时,系统在原有调度基础上出现冗余功率量Δ
此模式下负荷端功率不用调减,故不用考虑负荷收益、损失及安全指标系数
为尽快消纳系统的过容功率,必要时须调减从站源设备的发出功率。故取消考虑源功率调整的期望,则逆变模式下储能设备损耗占从站容量比重最小的目标函数
类似地,逆变运行时系统优化模型须满足的约束条件可表示为:
联立式(26)—式(28)即可得到柔性直流互联系统在主站逆变运行时以功率平衡为基础,成本和储能设备损耗最小的多目标数学模型。
对于上述多目标模型,其优化核心是协调各目标函数之间的关系,找出使各目标函数都能逼近最小值的最优解集。为此文中采用能快速解决多目标问题的NSGA-Ⅱ求解模型,具体参见文献[
式中:
明确了从站在主站整流和逆变2种状态下最优功率支援策略后,计及主站容量裕度的从站功率支援策略见
计及主站容量裕度的从站功率支援策略
Slave power support strategy considering master capacity margin
图中,从站的功率基准由从站对接的电网功率需求和考虑主站容量裕度的从站功率支援共同决定。当主站过容功率Δ
为验证文中方法的可行性和有效性,以张北四端柔性直流互联(张北柔直)工程[
系统各换流站参数
Parameters of each converter in the system
参数 | 数值 |
主站A最大输出功率/MW | 3 000 |
整流时主站A平均发电成本/[元·(kW·h)-1] | 0.4 |
逆变时主站A平均供电收益/[元·(kW·h)-1] | 0.6 |
从站B负荷功率需求/MW | 1 500 |
从站B平均负荷收益/[元·(kW·h)-1] | 0.7 |
从站C负荷功率需求/MW | 750 |
从站C平均负荷收益/[元·(kW·h)-1] | 0.5 |
从站C新能源输出功率/MW | 1 237.5 |
从站C新能源平均发电成本/[元·(kW·h)-1] | 0.3 |
从站D负荷功率需求/MW | 975 |
从站D平均负荷收益/[元·(kW·h)-1] | 0.6 |
从站D储能最大输出功率/MW | 750 |
从站D平均储能成本/[元·(kW·h)-1] | 0.9 |
仿真基于多功能系统级电气仿真软件PLECS搭建
多端柔性直流互联系统仿真模型
Multi-terminal flexible interconnection system simulation model
仿真模型包含主站A和从站B、C、D共4台换流站。其中,从站B只包含负荷,从站C包含新能源和负荷,从站D包含储能和负荷。文中以主站A处于整流和逆变2种运行模式进行仿真分析。此外,考虑到文中针对负荷突变、新能源出力波动等突发工况进行优化,仿真还根据文献[
算例1,主站A运行在整流模式,考虑其容量裕度,最大馈入功率为-2 850 MW(
整流状态下各换流站的有功功率及直流侧电压
Active power and DC side voltage of each converter station under rectification state
整流状态下各时间段内不同方法的平均收益
Average return of redundancy in each period under rectification state
时段 | 文中方法收益 | 传统方法收益 | 差值 |
0 min—3 min | 42 187.50 | 39 750.00 | 2 437.50 |
3 min—6 min | 48 750.00 | 40 400.95 | 8 349.05 |
6 min—9 min | 49 237.50 | 40 797.40 | 8 440.10 |
0 min—3 min时段,根据文中优化模型的计算,系统功率由主站A和从站C的新能源共同提供,主站A出力下降,由传统方法需要的-2 475 MW降至-1 987.5 MW。
3 min—6 min时段,从站B负荷功率需求增至3 000 MW。传统方法下,主站A因过容而限额至其最大输出功率-3 000 MW;为了保证系统正常运行,从站B按比例切除负荷169.81 MW,从母线馈出功率2 830.19 MW;从站C的新能源向其负荷提供功率-750 MW;从站D按比例切除负荷55.19 MW,从直流母线馈出功率169.81 MW,其储能装置以最大功率-750 MW输出。使用文中方法后,从站C的新能源和从站D的储能对系统进行功率支援,不用切除负荷。主站A向母线馈入最大功率-2 850 MW;从站B从母线馈出功率3 000 MW;从站C新能源满额输出-1 237.5 MW,供给自身负荷后向母线馈入功率-487.5 MW进行功率支援;从站D储能设施提供功率-637.5 MW,从母线馈出功率337.5 MW。
6 min—9 min时段,从站B负荷功率需求进一步增至3 375 MW。传统方法下,主站A因过容而限额至其最大输出功率-3 000 MW;为了保证系统正常运行,从站B按比例切除负荷465.52 MW,从母线馈出功率2 909.48 MW;从站C的新能源向其负荷提供功率-750 MW;从站D按比例切除负荷134.48 MW,从直流母线馈出功率90.52 MW,其储能装置以最大功率-750 MW输出。使用文中方法,在从站C的新能源和从站D的储能对系统进行功率支援后再切除少量负荷。主站A向母线馈入最大功率-2 850 MW;从站B按比例切除负荷52.5 MW,从母线馈出功率3 322.5 MW;从站C新能源满额输出-1 237.5 MW,切除负荷112.5 MW,向母线馈入功率-600 MW进行功率支援;从站D储能设施提供功率-750 MW,切除负荷97.5 MW,从母线馈出功率127.5 MW。
综上,采用文中方法后,换流站所连接的源、储设备能按照成本最小进行功率支援,在提升系统过负荷情况下稳定性的同时提高系统经济收益。
算例2,主站A运行在逆变模式,从母线馈出功率,安全裕度下最大馈出功率(
逆变状态下各换流站的有功功率及直流侧电压
Active power and DC side voltage of each converter station under inverter state
逆变状态下各时间段内不同方法的平均收益
Average return of redundancy in each period under inverter state
时段 | 文中方法收益 | 传统方法收益 | 差值 |
0 min—3 min | 74 062.5 | 74 062.5 | 0 |
3 min—6 min | 115 125.0 | 97 125.0 | 18 000 |
6 min—9 min | 117 375.0 | 97 125.0 | 20 250 |
0 min—3 min时段,传统方法和文中方法类似,主站A从母线馈出功率1 462.5 MW;从站B从母线馈出功率1 500 MW;从站C向母线馈入功率-3 937.5 MW;从站D从母线馈出功率975 MW。
3 min—6 min时段,从站C新能源出力增至-6 750 MW。传统方法下,主站A因过容而限额至其最大输入功率3 000 MW;从站B由母线馈出功率1 500 MW;从站D储能元件不工作,从直流母线馈出功率975 MW;为了保证系统正常运行,切除新能源出力-525 MW,从站C在供给自身负荷后向母线馈入功率-5 475 MW。使用文中方法,从站D的储能设施对系统进行功率支援,无需切除新能源。主站A从母线馈出最大功率2 850 MW;从站B从母线馈出功率1 500 MW;从站D储能设施充电吸收功率675 MW,从母线馈出功率1 650 MW;从站C新能源输出-6 750 MW,向母线馈入功率-6 000 MW。
6 min—9 min时段,从站C新能源出力增至-7 500 MW。传统方法下,主站A因过容而限额至其最大输入功率3 000 MW;从站B由母线馈出功率1 500 MW;从站D储能元件不工作,从直流母线馈出功率975 MW;为了保证系统正常运行,切除新能源出力-1 275 MW,从站C在供给自身负荷后向母线馈入功率-5 475 MW。使用文中方法,从站D的储能设施对系统进行功率支援,减少切除新能源的量。主站A从母线馈出最大功率2 850 MW;从站B从母线馈出功率1 500 MW;从站D储能设施充电吸收功率750 MW,从母线馈出功率1 725 MW;为了保证系统正常运行,切除新能源出力-675 MW,从站C向母线馈入功率-6 075 MW。
采用文中方法后,主站A和从站D的储能可在从站C新能源出力过大时及时吸收溢出功率,在保证系统稳定性的同时使总体成本最小。
文中以柔性直流互联系统为对象,结合传统主从控制策略和功率支援策略,提出一种计及主站容量裕度的柔性直流互联系统主从控制策略,并得到以下结论:
(1) 在采用主从控制的柔性直流互联系统中,负荷突增和新能源出力短时波动等突发工况会导致主站实际功率超过其容量,而传统的功率限幅或调度方法不仅难以及时平抑功率波动,而且可能导致系统的主从站频繁切换,进而使直流侧电压异常,威胁系统正常运行。
(2) 计及主站容量裕度的主从控制策略调整了主站电压环的环路结构与变量定义,增加了基于过容功率的闭合抑制环路,不仅考虑了容量裕度因素,还有效优化了主站的运行机制,保障了主站对直流母线电压的持续调节能力。
(3) 在从站传统运行模式及原有调度方法的基础上引入的从站功率支援机制,不仅能使主站、从站协调运行,有效平抑突发工况下的系统波动,而且能够利用多目标优化模型使系统在功率平衡等约束条件下保证其经济损失最小、源储损耗最小。
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