一种直流紧急功率控制方法及闭环功率调制模块

摘要

本发明公开了一种直流紧急功率控制方法及闭环功率调制模块，属于电气工程领域，包括：S1判断当前输入功率信号变化量是否达到启动阈值，若达到启动阈值，则转至S2；否则，重复S1；S2将输入功率信号变化量经过低通滤波后，根据直流功率修正量计算曲线，获取直流功率修正量；S3将直流功率修正量与输出直流功率指令值叠加，获取直流功率控制指令值。本发明在直流紧急功率控制器上增加闭环功率调制模块，实现正摆过程中增加功角的减速面积，抑制功角正摆；减小回摆过程的加速面积，增加回摆过程中的减速面积，抑制功角回摆，提高了直流紧急功率控制对功角摆动的抑制效果。

权利要求

1.一种直流紧急功率控制方法，其特征在于，包括：S1：实时接收输入功率信号变化量，并判断输入功率信号变化量是否达到启动阈值，若达到启动阈值，则转至S2；否则，重复S1；

S2：将输入功率信号变化量经过低通滤波后，根据直流功率修正量计算曲线获取直流电流指令，并根据直流电流指令值以及直流系统逆变侧直流电压值，获取直流功率修正量，所述输入功率信号变化量与所述直流电流指令值之间的关系为：其中，ΔP为输入功率信号变化量；ΔIord为直流电流指令值；

S3：将直流功率修正量与输出直流功率指令值叠加，获取直流功率控制指令值。

2.一种闭环功率调制模块，其特征在于，包括依次连接的特高压交流联络线功率测量单元、功率增量计算单元、低通滤波器和功率调制量计算单元；

所述特高压交流联络线功率测量单元用于实时接收输入功率信号；

所述功率增量计算单元用于根据所述输入功率信号，计算输入功率信号变化量；

所述低通滤波器用于对输入功率信号变化量进行低通滤波；

所述功率调制量计算单元用于接收经过低通滤波的输入功率信号变化量，并根据直流功率修正量计算曲线获取直流电流指令，以及根据直流电流指令值以及直流系统逆变侧直流电压值，获取直流功率修正量，所述输入功率信号变化量与所述直流电流指令值之间的关系为：

其中，ΔP为输入功率信号变化量；ΔIord为直流电流指令值。

3.根据权利要求2所述的闭环功率调制模块，其特征在于，所述特高压交流联络线功率测量单元采集输入功率信号的时间间隔Δt为0.02s。

4.根据权利要求2或3所述的闭环功率调制模块，其特征在于，其用于交直流混联电网的机电‑电磁暂态混合仿真模型；

其中，所述机电‑电磁暂态混合仿真模型包括特高压直流的电磁暂态模型和交流系统的机电暂态模型，两者通过数据接口连接。

5.根据权利要求4所述的闭环功率调制模块，其特征在于，所述特高压直流的电磁暂态模型包括直流一次系统模块、直流输电控制模块、等相位间隔触发控制模块和换相失败预测控制模块。

说明书

一种直流紧急功率控制方法及闭环功率调制模块

技术领域

[0001] 本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种直流紧急功率控制方法及闭环功率调制模块。

背景技术

[0002] 特高压直流输电工程的相继投运导致交直流混联电力系统的运行日趋复杂，直流特性对电网安全稳定的影响备受人们关注。直流输电系统具有快速可控性，调节容量大等
特征，利用上述特征在大扰动暂态过程中对交流系统进行紧急功率支援，能够改善和提升
交直流混联电网的暂态和动态稳定性。

[0003] 传统的直流紧急功率控制策略是第二道防线的安控措施，直流紧急功率控制通常由运行人员根据实际运行情况，设置双极功率给定值以及功率提升速率来改变直流输送功
率；而且传统直流紧急功率控制仅能够进行功率提升控制与功率下降控制的其中之一，功
率提升的速度也提前进行了整定计算，将降低直流紧急功率控制对功角摆动的抑制效果。
因此，为了能够充分利用直流紧急功率控制抑制功角摆动，需设计既能抑制功角正摆又可
以抑制功角回摆的改进型直流紧急功率控制器，提升直流紧急功率控制对功角摆动的抑制
效果。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种直流紧急功率控制方法及闭环功率调制模块，旨在解决传统直流紧急功率控制方法因无法同时抑制功角正摆和功角回
摆，导致直流紧急功率控制对功角摆动抑制效果降低的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种直流紧急功率控制方法，包括：

[0006] S1：实时接收直流紧急功率控制器传递的输入功率信号变化量，并判断输入功率信号变化量是否达到启动阈值，若达到启动阈值，则转至步骤 S2；否则，重复步骤S1；

[0007] S2：将输入功率信号变化量经过低通滤波后，根据直流功率修正量计算曲线，获取直流功率修正量；

[0008] S3：将直流功率修正量与直流紧急功率控制器的输出直流功率指令值叠加，获取直流功率控制指令值；

[0009] 优选地，步骤S2具体包括：

[0010] S201将输入功率信号变化量进行低通滤波；

[0011] S202经过低通滤波处理后的输入功率信号变化量根据直流功率修正量计算曲线，获取直流电流指令值；

[0012] S203根据直流电流指令值以及直流系统逆变侧直流电压值，获取直流功率修正量。

[0013] 优选地，输入功率信号变化量与直流电流指令值之间的关系为：

[0014]

[0015] 其中，ΔP为输入功率信号变化量；ΔIord为直流电流指令值。

[0016] 另一方面，本发明提供了一种闭环功率调制模块包括依次连接的特高压交流联络线功率测量单元、功率增量计算单元、低通滤波器和功率调制量计算单元；

[0017] 特高压交流联络线功率测量单元用于实时接收直流紧急功率控制器传递的输入功率信号；

[0018] 功率增量计算单元用于根据输入功率信号，计算输入功率信号变化量；

[0019] 低通滤波器用于对输入功率信号变化量进行低通滤波；

[0020] 功率调制量计算单元用于接收经过低通滤波的输入功率信号变化量，并根据直流功率修正量计算曲线，获取直流功率修正量。

[0021] 优选地，特高压交流联络线功率测量单元采集输入功率信号的时间间隔Δt为0.02s；

[0022] 低通滤波器的时间常数T＝1.7s；

[0023] 闭环功率调制模块用于交直流混联电网的机电‑电磁暂态混合仿真模型，其中，机电‑电磁暂态混合仿真模型包括特高压直流的电磁暂态模型和交流系统的机电暂态模型，
两者通过数据接口连接。

[0024] 优选地，特高压直流的电磁暂态模型包括：直流一次系统模块、直流输电控制模块、等相位间隔触发控制模块和换相失败预测控制模块。

[0025] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

[0026] 本发明在直流紧急功率控制器上增加闭环功率调制模块，通过实时判断输入功率信号变化量是否达到启动阈值，起到对交直流混联电网的功角摆动的实时监控，当输入功
率信号变化量超出一定的阈值，将启动闭环功率调制模块，计算实时的直流功率修正量，进
而修正直流紧急功率控制器的输出直流功率指令，实现正摆过程中特高压直流的电磁暂态
模型紧急下降功率，增加功角的减速面积，抑制功角正摆；回摆过程中使特高压直流的电磁
暂态模型紧急提升直流功率，减小回摆过程的加速面积，增加回摆过程中的减速面积，抑制
功角回摆，整体提高了直流紧急功率控制对功角摆动的抑制效果。

附图说明

[0027] 图1是本发明提供的闭环功率调制模块的调制方法流程图；

[0028] 图2是本发明提供的机电‑电磁暂态混合仿真模型的结构示意图；

[0029] 图3是本发明提供的交直流混联电网的结构示意图；

[0030] 图4(a)是本发明提供的直流紧急功率控制器对交直流混联电网正摆过程中稳定性的影响示意图；

[0031] 图4(b)是本发明提供的直流紧急功率控制器对交直流混联电网回摆过程中稳定性的影响示意图；

[0032] 图5是本发明提供的未增加闭环功率调制模块的直流紧急功率控制方法示意图；

[0033] 图6是本发明提供的直流紧急功率控制器增加闭环功率调制模块的控制方法示意图；

[0034] 图7是本发明提供的一种具体的交直流混联电网结构图；

[0035] 图8(a)是实施例提供的无紧急功率控制下豫晋功角差示意图；

[0036] 图8(b)是实施例提供的无紧急功率控制下鄂晋功角差示意图；

[0037] 图9(a)是实施例增加闭环功率调制模块后的直流电流指令值图；

[0038] 图9(b)是实施例增加闭环功率调制模块后的雅中直流功率指令值图；

[0039] 图10(a)是实施例增加闭环功率调制模块后的豫晋功角差图；

[0040] 图10(b)是实施例增加闭环功率调制模块后的鄂晋功角差图；

[0041] 图11(a)是实施例中未增加与增加闭环功率调制模块的直流功率紧急控制模块输出的直流电流指令值对比图；

[0042] 图11(b)是实施例中未增加与增加闭环功率调制模块的直流功率紧急控制模块输出的直流功率值对比图；

[0043] 图12(a)是实施例中未增加与增加闭环功率调制模块的直流功率紧急控制方法下豫‑晋功角差对比图；

[0044] 图12(b)是实施例中未增加与增加闭环功率调制模块的直流功率紧急控制方法下鄂‑晋功角差对比图；

[0045] 图13是实施例中未增加与增加闭环功率调制模块的直流功率紧急控制时特高压交流联络线长南线有功功率波动对比图。

具体实施方式

[0046] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描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。

[0047] 如图1所示，本发明提供了一种直流紧急功率控制方法，包括：

[0048] S1：实时接收直流紧急功率控制器传递的输入功率信号变化量，并判断输入功率信号变化量是否达到启动阈值，若达到启动阈值，则转至步骤 S2；否则，重复步骤S1；

[0049] S2：将输入功率信号变化量经过低通滤波后，根据直流功率修正量计算曲线，获取直流功率修正量；

[0050] S3：将直流功率修正量与直流紧急功率控制器的输出直流功率指令叠加，获取直流功率控制指令；

[0051] 优选地，步骤S2具体包括：

[0052] S201将输入功率信号变化量进行低通滤波；

[0053] S202经过低通滤波处理后的输入功率信号变化量根据直流功率修正量计算曲线，获取直流电流指令值；

[0054] S203根据直流电流指令值以及直流系统逆变侧直流电压值，获取直流功率修正量。

[0055] 优选地，输入功率信号变化量与直流电流指令值之间的关系为：

[0056]

[0057] 其中，ΔP为输入功率信号变化量；ΔIord为直流电流指令值。

[0058] 另一方面，本发明提供了一种闭环功率调制模块包括特高压交流联络线功率测量单元、功率增量计算单元、低通滤波器和功率调制量计算单元；

[0059] 特高压交流联络线功率测量单元用于实时接收直流紧急功率控制器传递的输入功率信号；

[0060] 功率增量计算单元用于根据输入的功率信号，计算输入功率信号变化量；

[0061] 低通滤波器用于对输入功率信号变化量进行低通滤波；

[0062] 功率调制量计算单元用于接收经过低通滤波的输入功率信号变化量，并根据直流功率修正量计算曲线，获取直流功率修正量。

[0063] 闭环功率调制模块用于交直流混联电网的机电‑电磁暂态混合仿真模型，其中，机电‑电磁暂态混合仿真模型包括特高压直流的电磁暂态模型和交流系统的机电暂态模型，
两者通过数据接口连接。

[0064] 优选地，特高压直流的电磁暂态模型包括：直流一次系统模块、直流输电控制模块、等相位间隔触发控制模块和换相失败预测控制模块。

[0065] 具体地，构建交直流混联电网的机电‑电磁暂态混合仿真模型的步骤为：

[0066] S101建立特高压直流的电磁暂态模型，包括：直流一次系统模块、直流输电控制模块、等相位间隔触发控制模块和换相失败预测控制模块；

[0067] S102建立交流系统的机电暂态仿真模型：在PSASP平台上将交直流混联电力系统的交流部分搭建为详细的机电暂态模型；

[0068] S103基于ADPSS平台提供电磁暂态模型与机电暂态模型的数据接口，利用该接口可以实现机电‑电磁暂态混合仿真模型，机电‑电磁暂态混合仿真模型的结构示意图如图2
所示。

[0069] 本发明基于上述构建的机电‑电磁暂态混合仿真模型，分析直流紧急功率控制对交直流混联电力系统稳定性的影响，确定直流紧急功率控制器对机电‑电磁暂态混合仿真
模型稳定性的决定性因素，最终确定决定性因素为缺乏闭环功率调制模块。具体分析如下：

[0070] 利用扩展等面积法则分析直流紧急功率控制器的工作机理，以机电‑电磁暂态混合仿真模型的特高压直流的电磁暂态模型和交流系统的机电暂态模型同步电网为例，说明
直流紧急功率控制器对机电‑电磁暂态混合仿真模型稳定性的影响机理。

[0071] 同步电网中，第i台发电机的转子运动方程为：

[0072]

[0073] 其中，Mi、ωi、ωN、δi分别是第i台发电机的惯性时间常数、发电机 i的角速度、参考系发电机的角速度与发电机i的相对功角；Pmi、Pei、ΔPi分别为发电机i的机械功率、电磁
功率以及不平衡功率；

[0074] 定义Ji＝ΔPi/ΔP，(i＝1,2,…,n)为第i台发电机不平衡功率ΔPi对于机电‑电磁暂态混合仿真模型不平衡功率的变化量ΔP的灵敏度。根据灵敏度因子Ji，群S(加速机群)
对应Ji＞0(i＝1,2,…,nS)，群A(减速机群)对应 Ji＜0(i＝1,2,…,nA)，(nA+nS≤n)。在发电机
群S与发电机群A的惯性中心坐标系下，等值的两机转子运动方程为：

[0075]

[0076] 其中，MS、MA分别为群S与群A的惯性时间常数，δS、δA分别为群 S与群A的惯性中心等值功角；

[0077] 将上述等值的两机转子运动方程转换为单机无穷大方程：

[0078]

[0079] 其中，δ为单机无穷大系统的功角；δ＝δS‑δA；PmS、PmA和PeS、PeA分别为S群和A群机组的总输入机械功率和总输出电磁功率；

[0080]

[0081] 下面结合单机无穷大方程说明直流紧急功率控制器对机电‑电磁暂态混合仿真模型稳定性的影响，机电‑电磁暂态混合仿真模型的结构示意图如图 3所示，S群系统与A群系
统通过交直流互联，直流输电和交流输电的功率传输方向均为由S群向A群传输。

[0082] 直流功率可以看作S群系统输出的机械功率及A群系统注入的机械功率。若S群系统与A群系统交流输电通道发生故障，S群系统中发电机机械功率过剩，发电机加速，机电‑
电磁暂态混合仿真模型面临功角失稳的风险。直流紧急功率控制可以通过快速提升或回降
直流输电系统传输的功率，快速平抑不平衡功率的影响，防止机电‑电磁暂态混合仿真模型
发生功角失稳。

[0083] 图4为直流紧急功率控制器对机电‑电磁暂态混合仿真模型稳定性影响的示意图，其中，图4(a)为正摆过程示意图；图4(b)为回摆过程示意图；图中，Pe1、Pe2、Pe3分别为正常运
行时的电磁功率、故障切除后的电磁功率、故障发生时的电磁功率；δ1、δ2分别为故障开始时
刻的功角与故障切除时刻的功角；δmin、δmax分别为第一摆过程中的最大功角与最小功角；图
4(a)的正摆过程使直流系统紧急下降功率，相当于降低单机无穷大方程等号右边的第一项
(机械功率)，可以增加功角的减速面积，抑制功角正摆；图4(b)为回摆过程示意图，回摆过
程时使直流系统紧急提升直流功率，相当于增加单机无穷大方程中的机械功率，可以减小
回摆过程的加速面积，增加回摆过程中的减速面积，抑制功角回摆。

[0084] 图5给出未增加闭环功率调制模块的直流紧急功率下降控制的示意图，该控制在检测到机电‑电磁暂态混合仿真模型发生严重故障并延时100ms之后，将直流功率以整定的
下降速率下降0.3p.u。

[0085] 图6给出了直流紧急功率控制器增加闭环功率调制模块后的结构示意图，其核心是在直流紧急功率控制的基础上增加了闭环功率回升调制环节，图中ΔP为长南线输入功
率信号变化量，ΔIord为功率回升调制环节输出的直流电流指令值，Iord0为直流紧急功率控
制器的直流电流指令，Iord为直流电流控制指令值。根据直流电流指令值值及直流系统逆变
侧直流电压值，可获取直流功率修正量ΔPord，直流功率修正量ΔPord与直流紧急功率控制
器的直流功率指令Pord0叠加获取直流功率控制指令值Pord。

[0086] 如图6所示，功率回升调制模块主要由长南特高压交流联络线功率测量单元、功率增量计算单元、低通滤波器和功率调制量计算单元组成。特高压交流联络线功率测量单元
采集输入功率信号的时间间隔Δt为0.02s，低通滤波器的时间常数T＝1.7s，功率调制量计
算单元主要根据输入功率信号变化量ΔP计算直流电流指令值ΔIord，具体如下：

[0087]

[0088] 其中，ΔP为输入功率信号变化量；ΔIord为直流电流指令值；

[0089] 从上述公式可知，当ΔP<2MW时，闭环功率调制模块不动作，避免闭环功率调制模块在小扰动下动作；当2MW≤ΔP≤6MW时，随着输入功率信号变化量增加，直流电流指令值
呈线性增加；当6MW<ΔP时，直流电流指令值达到上限值。

[0090] 如图7所示为华北电网、华中电网和华东电网互相连接的“三华”特高压交直流混联电网。其中，华北电网和华中电网通过1000kV特高压长南线互联，华中电网通过4回±
500kV超高压直流向华东电网送电，川渝电网通过雅中特高压直流向华中电网送电。长南线
传输的功率间接反映华中‑华北两区域交直流混联电网系统间的功角摆动情况，在华中电
网向华北电网输送功率的工况下，长南线功率提升与第一摆功角正摆过程相对应，长南线
功率下降与第一摆功角回摆过程相对应；直流紧急功率控制器控制直流功率下降，从而抑
制交流系统功角正摆；直流功率回升调制部分是检测到长南线功率下降后使直流功率上
升，同时抑制了交流系统功角回摆。

[0091] 图8(a)和图8(b)分别为宜华直流双极闭锁后，雅中直流不进行直流紧急功率控制情况下，豫晋功角差和鄂晋功角差的示意图；从图8(a) 与图8(b)可知，在宜华直流双极闭
锁后，若雅中直流紧急功率控制不动作，华中‑华北系统功角失稳。

[0092] 图9(a)和图9(b)分别为宜华直流闭锁后采用直流紧急功率控制器和闭环功率调制模块时产生的直流电流指令值信号和雅中直流功率指令值信号，由于雅中直流系统逆变
侧电压稳定，直流电流指令标幺值与直流功率的变化基本一致，在直流电流指令值的作用
下，雅中直流功率紧急速降，直流功率从额定的8000MW以下降至4000MW，同时在功角回摆过
程中进行功率调制计算提升雅中直流传输功率。

[0093] 图10(a)和图10(b)分别为增加闭环功率调制模块和直流紧急功率控制器后的豫晋功角差图和鄂晋功角差图；从图10(a)和图10(b)可知，本发明提出的直流紧急功率控制
方法增加了功角正摆过程中和功角回摆过程中的减速面积，可以有效抑制华中‑华北同步
电网功角失稳。

[0094] 图11(a)为宜华直流发生双极闭锁后，增加闭环功率调制模块与未增加闭环功率调制模块两种直流紧急功率控制方法输出的直流电流指令值对比图；图11(b)为宜华直流
发生双极闭锁后，增加闭环功率调制模块与未增加闭环功率调制模块两种直流紧急功率控
制方法输出的直流功率值对比图；从图11(a)与图11(b)可知，两种直流紧急功率控制方法
输出的直流电流指令值下降过程是相同的，但是本发明提供的直流紧急功率控制方法在检
测到长南特高压交流功率回升后，使得直流电流指令回升，在直流电流指令值的作用下，雅
中直流功率先下降，在长南特高压交流功率回升时，直流功率回升。

[0095] 图12(a)为宜华直流发生双极闭锁后，增加闭环功率调制模块与未增加闭环功率调制模块两种直流紧急功率控制方法下豫‑晋功角差对比图；图 12(b)为宜华直流发生双
极闭锁后，增加闭环功率调制模块与未增加闭环功率调制模块两种直流紧急功率控制方法
下鄂‑晋功角差对比图；从图12 (a)与图12(b)可知，两种直流紧急功率控制方法在宜华直
流双极闭锁后均能有效解决华中‑华北功角失稳问题。但是，本发明提供的直流紧急功率控
制方法增加了闭环功率回升调制部分，在华中‑华北功角回摆过程中使天中直流功率回升，
从仿真结果可知，本发明提供的直流紧急功率控制方法可有效抑制华中‑华北功角回摆，而
且功角达到稳定的时间更短。

[0096] 图13为宜华直流发生双极闭锁后，增加闭环功率调制模块与未增加闭环功率调制模块两种直流紧急功率控制方法下长南特高压联络线传输的有功功率，从图13可知，本发
明提供的直流紧急功率控制方法在完善华中‑ 华北功角差波动的同时也可以改善长南特
高压交流联络线传输有功功率波动。

[0097] 本发明公开了一种直流紧急功率控制方法，属于电气工程领域。该方法在传统直流紧急功率控制方法的基础上，在功角回摆过程中增加闭环功率调制模块。通过检测长南
特高压交流联络线有功功率的变化间接反映华中‑华北两区域交直流混联电网系统间的功
角摆动情况，然后根据输入功率信号变化量按照设定的功率调制计算公式进行计算，获取
输出的直流功率修正量，叠加至直流紧急功率控制器的输出直流功率指令值，获取最终的
直流功率控制指令值。

[0098] 本发明提供的直流紧急功率控制方法能够在功角回摆过程中进行功率调制，提升了直流紧急功率控制方法抑制功角摆动的效果，改善了暂态过程中交直流混联电网系统的
波动情况，提高了交直流电力系统运行的安全可靠性。

[0099] 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。