СПОСОБ СОГЛАСОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОТЕРМИНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02J3/36 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к области средств управления в области систем электропередачи постоянным током высокого напряжения с использованием преобразователей напряжения (VSC-HVDC, от англ. «Voltage Source Converter - High Voltage Direct Current»), в частности к способу согласованного управления многотерминальной VSC-HVDC системой электропередачи.

Уровень техники

С развитием силового электронного оборудования и технологии средств управления уровни мощности и напряжение становятся все и больше и больше. Многотерминальная VSC-HVDC система электропередачи является более предпочтительной, чем двухтерминальная VSC-HVDC система электропередачи вследствие большей операционной гибкости и надежности. При этом создание многотерминальной VSC-HVDC системы электропередачи может удовлетворить потребности в объединении электрических сетей, энергообеспечении городских электрических сетей и объединении нескольких ветряных электростанций (новые природные ресурсы) и так далее, что имеет большое значение. Однако многотерминальная VSC-HVDC система электропередачи более сложна, чем двухтерминальная VSC-HVDC система электропередачи. Сложным аспектом многотерминальной VSC-HVDC системы электропередачи является осуществление согласованного управления каждой станцией такой системы.

В настоящее время в промышленности применяется множество способов согласованного управления многотерминальной VSC-HVDC системой электропередачи, которые перечислены ниже.

Способ одноточечного согласованного управления напряжением постоянного тока

Напряжением постоянного тока управляют посредством только одной преобразовательной станцией, а посредством остальных преобразовательных станций управляют активной мощностью или частотой. На фиг. 1 показана принципиальная схема способа одноточечного согласованного управления трехтерминальной VSC-HVDC системы электропередачи. Упомянутый принцип применим также и для других многотерминальных VSC-HVDC систем электропередачи, в которых напряжением постоянного тока управляют посредством станции 1, которая обеспечивает стабилизацию напряжения постоянного тока и функционирует в качестве балансирующего узла для балансировки мощности. Остальные преобразовательные станции работают в режиме управления активной мощностью или управления частотой.

Недостатком одноточечного способа согласованного управления напряжением постоянного тока является то, что при прекращении работы станции управления напряжением постоянного тока вся многотерминальная VSC-HVDC система электропередачи прекращает работу из-за нестабильности напряжения.

Способ многоточечного согласованного управления напряжением постоянного тока на основе наклона

Множество преобразовательных станций соединены с источником мощности переменного тока и работают в соответствии со способом управления на основе наклона. В трехтерминальной VSC-HVDC системе электропередачи две преобразовательные станции (станция 1 и станция 2) из трех работают в режиме управления напряжением постоянного тока на основе наклона, а станция 3 работает в режиме управления активной мощностью или частотой, как в показанном на фиг. 2 примере. Опорные напряжения постоянного тока станции 1 и станции 2 рассчитывают по формуле (1):

где U_int - номинальное значение напряжения постоянного тока станции 1 и станции 2, k₁ - вольтамперный наклон станции 1, k₂ - вольтамперный наклон станции 2, I_dcl - опорное значение тока станции 1, a I_dc2 - опорное значение тока станции 2. Посредством управления пропорциональным соотношением наклона k₁ и наклона k₂ управляют соотношением поглощаемой или выделяемой активных мощностей двух преобразовательных станций.

Посредством применения способа многоточечного согласованного управления напряжением постоянного тока на основе наклона может быть повышена мощность и устойчивость всей многотерминальной системы в целом. Однако в таком способе качество управления напряжением постоянного тока является низким, при этом напряжение постоянного тока не стабильно, и единственный преобразователь, обеспечивающий управление напряжением постоянного тока, не обеспечивает возможность стабильного управления активной мощностью.

Способ многоточечного согласованного управления напряжением постоянного тока на основе отклонения

В трехтерминальной VSC-HVDC системе электропередачи посредством станции 1 управляют номинальным напряжением постоянного тока, посредством станции 2 управляют мощностью с отклонением постоянного тока и посредством станции 3 управляют номинальной активной мощностью или номинальной частотой, как в показанном на фиг. 3 примере. В штатном режиме работы станция 1 является главной станцией управления напряжением постоянного тока. Когда станция 1 прекращает работу, мощность системы постоянного тока перестает быть сбалансированной, и если вводимая в сеть постоянного тока мощность меньше выводимой из этой сети мощности, напряжение постоянного тока уменьшается. Если станция 2 получает данные о том, что напряжение постоянного тока меньше его порогового значения, станция 2 переключается из текущего режима управления в режим управления номинальным напряжением постоянного тока в допустимых пределах мощности, чтобы стабилизировать напряжение постоянного тока VSC-HVDC системы. Способ многоточечного согласованного управления напряжением постоянного тока на основе отклонения обеспечивает большую стабильность многотерминальной VSC-HVDC системы электропередачи по сравнению со способом одноточечного согласованного управления напряжением постоянного тока. Однако получение данных об уменьшении или увеличении напряжения постоянного тока до его номинального значения происходит дольше, что вызывает колебания напряжения постоянного тока в системе, тем самым чаще вызывая нарушение работы в виде повышенного или пониженного постоянного напряжения.

Чтобы устранить недостатки вышеописанных способов согласованного управления, повысить стабильность и надежность многотерминальной VSC-HVDC системы электропередачи, а также использовать преимущества многотерминальных VSC-HVDC систем электропередачи, необходим способ согласованного управления с большей устойчивостью и гибкостью.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ согласованного управления многотерминальной VSC-HVDC системой электропередачи, обеспечивающий возможность эффективного управления напряжением постоянного тока и в котором при прекращении работы главной станции управления напряжением постоянного тока вследствие неисправности подчиненная станция может перенять управление напряжением постоянного тока, что снижает колебания напряжения постоянного тока в этой системе.

Для решения этой задачи в настоящем изобретении предлагается следующее техническое решение: способ согласованного управления многотерминальной VSC-HVDC системой электропередачи, содержащей главную станцию управления напряжением постоянного тока, по меньшей мере одну подчиненную станцию управления постоянным током и по меньшей мере одну обычную преобразовательную станцию, причем напряжением постоянного тока во всей системе управляют посредством главной станции управления напряжением постоянного тока, а активной мощностью или частотой управляют посредством всех остальных преобразовательных станций; если главная станция управления напряжением постоянного тока прекращает работу, одна подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, а остальные преобразовательные станции продолжают работать в первоначальных режимах управления; при этом операция перенятия управления содержит следующие этапы:

(1) при условии, что межстанционные средства связи действуют, главная станция управления отправляет на подчиненную станцию сигнал о прекращении работы посредством межстанционных средств сообщений, и, когда подчиненная станция получает данные о том, что главная станция управления напряжением постоянного тока прекращает работу, подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока; и

(2) при условии, что межстанционные средства связи отсутствуют или неисправны, подчиненная станция получает данные об изменении напряжения постоянного тока в вышеупомянутой системе, и если разность значения напряжения постоянного тока и его номинального значения превышает определенное пороговое значение, подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока.

Главная станция управления напряжением постоянного тока и подчиненная станция управления напряжением постоянного тока соединены посредством межстанционных средств связи.

На этапе (1) после того, как подчиненная станция управления напряжением постоянного тока получает данные посредством межстанционной связи о том, что главная станция управления напряжением постоянного тока прекращает работу, подчиненная станция быстро перенимает управление напряжением постоянного тока без отклонения, причем заданное значение напряжения постоянного тока представляет собой номинальное значение или текущее рабочее значение.

На этапе (1) сигнал о прекращении работы представляет собой информацию о состоянии прекращения работы, состоянии отключения, размыкании ключа переменного тока или информацию об изоляции электрода.

На этапе (2) посредством подчиненной станции управления напряжением постоянного тока, перенимающей управление напряжением постоянного тока с отклонением, управляют напряжением постоянного тока так, чтобы оно было равно опорному значению, установленному при перенятии управления, или восстанавливают напряжение до его номинального значения в соответствии с наклоном.

На этапе (2) пороговое значение составляет 10-30% от номинального значения напряжения постоянного тока в упомянутой системе.

В упомянутой системе содержится по меньшей мере две подчиненные станции управления напряжением постоянного тока, которые перенимают управление напряжением постоянного тока в соответствии с приоритетом.

После того как подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, при условии прекращения работы на определенный промежуток времени и последующего возобновления штатного режима работы, посредством главной станции управления напряжением постоянного тока управляют активной мощностью или частотой.

После того как подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, при условии прекращения работы на определенный промежуток времени и последующего возобновления штатного режима работы, главная станция управления напряжением постоянного тока работает в качестве новой подчиненной станции управления напряжением постоянного тока.

Посредством упомянутого решения может быть осуществлено эффективное управление напряжением постоянного тока в упомянутой системе. В случае неисправности межстанционных средств связи при прекращении работы главной станции управления напряжением постоянного тока подчиненная станция быстро перенимает управление напряжением постоянного тока без отклонения, при этом колебания напряжения постоянного тока в упомянутой системе очень малы. В случае неисправности межстанционной связи перенятие управления может быть осуществлено посредством способа отклонения. Штатный режим работы может быть осуществлен как с отклонениями, так и без отклонений. Перенятие управления без отклонения является основным способом, а перенятие управления с отклонением является резервным способом, что обеспечивает стабильную работу остальных преобразовательных станций после прекращения работы главной станции управления напряжением постоянного тока и повышает надежность системы.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему известного способа одноточечного согласованного управления напряжением постоянного тока согласно настоящему изобретению,

где все координаты оси X представляют собой постоянный ток, и координаты оси Y представляют собой напряжение постоянного тока; посредством станции 1 управляют напряжением постоянного тока, а посредством станции 2 и станции 3 управляют активной мощностью или частотой.

Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему способа многоточечного согласованного управления напряжением постоянного тока на основе наклона согласно настоящему изобретению (на примере трехтерминальной VSC-HVDC системы),

где все координаты оси X представляют собой постоянный ток, и координаты оси Y представляют собой напряжение постоянного тока; станция 1 и станция 2 работают в режиме управления напряжением постоянного тока на основе наклона, а станция 3 работает в режиме управления активной мощностью или частотой.

Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему способа многоточечного согласованного управления напряжением постоянного тока на основе отклонения напряжения постоянного тока согласно настоящему изобретению (на примере трехтерминальной VSC-HVDC системы),

где все координаты оси X представляют собой постоянный ток, и координаты оси Y представляют собой напряжение постоянного тока; станция 1 является главной станцией управления напряжением постоянного тока и работает в режиме управления напряжением постоянного тока; станция 2 является подчиненной станцией управления напряжением постоянного тока и работает в режиме управления номинальной активной мощностью или номинальной частотой, если напряжение постоянного тока в упомянутой системе является больше нижнего предельного значения U_refl и меньше верхнего предельного значения U_refh, и переключается в режим управления напряжением постоянного тока, если напряжение постоянного тока в упомянутой системе является меньше нижнего граничного значения U_refl или больше верхнего граничного значения U_refh; станция 3 является обычной станцией и работает в режиме управления активной мощностью или частотой.

Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему способа согласованного управления согласно настоящему изобретению (на примере трехтерминальной VSC-HVDC системы).

Осуществление изобретения

Ниже подробно описано предлагаемое техническое решение в сочетании с чертежами и конкретными вариантами осуществления изобретения.

Предлагаемый в настоящем изобретении способ согласованного управления многотерминальной VSC-HVDC системой электропередачи сочетает функцию межстанционного средства связи и способ согласованного управления на основе отклонения напряжения постоянного тока. Система электропередачи постоянным током, как правило, содержит одну главную станцию управления напряжением постоянного тока и по меньшей мере одну подчиненную станцию управления напряжением постоянного тока, остальные станции выполняют функцию обычных преобразовательных станций. Главная станция управления напряжением постоянного тока и подчиненные станции управления напряжением постоянного тока соединены посредством межстанционных средств связи, однако обычные преобразовательные станции могут быть как соединены, так и не соединены посредством межстанционных средств связи с главной станцией управления напряжением постоянного тока или подчиненной станцией управления напряжением постоянного тока. При осуществлении управления посредством главной станции управления напряжением постоянного тока управляют напряжением постоянного тока во всей системе, то есть выполняют управление напряжением постоянного тока, а посредством подчиненных станций управления напряжением постоянного тока и всех обычных преобразовательных станций управляют активной мощностью или частотой. Если главная станция управления напряжением постоянного тока прекращает работу, подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, а остальные преобразовательные станции продолжают работать в первоначальных режимах управления. При наличии двух или более подчиненных станций управления напряжением постоянного тока подчиненные станции управления напряжением постоянного тока перенимают управление напряжением постоянного тока в соответствии с приоритетом, причем операция перенятия управления содержит следующие этапы:

(1) при условии, что межстанционные средства связи действуют, главная станция управления отправляет на подчиненную станцию сигнал о прекращении работы посредством межстанционных средств связи, и, когда подчиненная станция получает данные о том, что главная станция управления напряжением постоянного тока прекратила работу, подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока, причем заданное значение напряжения постоянного тока представляет собой номинальное значение или текущее рабочее значение, и сигнал о прекращении работы представляет собой информацию о состоянии прекращения работы, состоянии отключения, размыкании ключа переменного тока, информацию об изоляции электрода или любую информацию о том, что преобразовательная станция не может работать в штатном режиме; и

(2) при условии, что межстанционные средства связи отсутствуют или неисправны, подчиненная станция получает данные об изменении напряжении постоянного тока в многотерминальной системе постоянного тока, и если разность значения напряжения постоянного тока и его номинального значения превышает определенное пороговое значение (пороговое значение составляет 10-30% от номинального значения напряжения постоянного тока в упомянутой системе), подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока, и посредством подчиненной станции управления напряжением постоянного тока управляют напряжением постоянного тока так, чтобы оно было равно опорному значению, установленному при перенятии управления, или восстанавливают напряжение до его номинального значения в соответствии с наклоном.

Кроме того, благодаря применению предлагаемого способа согласованного управления, при условии прекращения работы на определенный промежуток времени и последующего возобновления штатного режима работы, посредством главной станции управления напряжением постоянного тока, работающей в качестве новой подчиненной станции управления напряжением постоянного тока, управляют активной мощностью или частотой.

Ниже, в сочетании с чертежами и на примере конкретных вариантов осуществления трехтерминальной VSC-HVDC системы электропередачи, подробно описывается конкретный способ согласованного управления. Как показано на фиг. 4, в трехтерминальной VSC-HVDC системе электропередачи в штатном режиме работы посредством станции 1, которая является главной станцией управления напряжением постоянного тока, управляют номинальным напряжением постоянного тока, посредством станции 2, которая является подчиненной станцией управления напряжением постоянного тока, управляют номинальной активной мощностью или номинальной частотой, посредством станции 3, которая является обычной преобразовательной станцией, управляют номинальной активной мощностью или номинальной частотой. Станция 1 и станция 2 взаимодействуют посредством межстанционных средств связи, и станция 1 отправляет на станцию 2 сигнал о прекращении работы посредством межстанционных средств связи.

Если при прекращении работы станции 1 межстанционные средства связи функционируют нормально, станция 2 устанавливает режим перенятия управления напряжением постоянного тока как режим перенятия управления без отклонения посредством переключателя. После получения данных о неработоспособности станции 1 посредством межстанционных средств связи непосредственно станция 2 переключает режим управления с режима управления номинальной мощностью или номинальной частотой в режим управления номинальным напряжением постоянного тока, и опорное значение напряжения постоянного тока перенимает заданное номинальное значение, осуществляя тем самым перенятие управления напряжением постоянного тока без отклонения и сохраняя напряжение постоянного тока VSC-HVDC системы электропередачи неизменным, при этом станция 3 продолжает работать в первоначальном режиме управления.

При прекращении работы станции 1 в случае неисправности межстанционных средств связи станция 2 устанавливает режим перенятия управления напряжением постоянного тока как режим перенятия управления с отклонением посредством переключателя. Прекращение работы станции 1 вызывает колебания напряжения постоянного тока. После получения данных о превышении диапазоном колебаний напряжения постоянного тока порогового значения станция 2 считает, что станция 1 прекратила работу, и переключает режим управления с режима управления номинальной мощностью или номинальной частотой в режим управления номинальным напряжением постоянного тока, а опорное значение напряжения постоянного тока перенимает заданное номинальное значение, осуществляя тем самым перенятие управления напряжением постоянного тока с отклонением и сохраняя напряжение постоянного тока в VSC-HVDC системе электропередачи неизменным.

В настоящем изобретении для раскрытия вариантов его осуществления рассмотрена трехтерминальная VSC-HVDC система электропередачи, однако настоящее изобретение ею не ограничено и применимо для многотерминальных VSC-HVDC систем электропередачи, в состав которых входит более трех терминалов. Любой способ согласованного управления включает в себя сочетание способа согласованного управления с применением межстанционной связи и способа управления напряжением постоянного тока на основе отклонения.

Наконец, следует заметить, что предлагаемое техническое решение описано в сочетании с упомянутыми вариантами его осуществления и этими вариантами оно не ограничивается. Для специалиста в данной области является очевидным, что могут быть осуществлены модификации или эквивалентные замены в упомянутых конкретных вариантах осуществления данного изобретения, и все эти модификации или эквивалентные замены входят в объем защиты следующей формулы изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение стабильности и надежности многотерминальной системы электропередачи. Согласно способу если главная станция управления напряжением постоянного тока прекращает работу, подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, а остальные преобразовательные станции продолжают работать в первоначальных режимах управления. Передача управления содержит следующие этапы: при условии, что межстанционные средства связи действуют, главная станция управления отправляет на подчиненную станцию сигнал о прекращении работы посредством межстанционных средств связи, и когда подчиненная станция получает данные о том, что главная станция управления напряжением постоянного тока прекратила работу, подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока; и при условии, что межстанционные средства связи отсутствуют или неисправны, подчиненная станция получает данные об изменении напряжения постоянного тока в многотерминальной системе постоянного тока, и если разность значения напряжения постоянного тока и его номинального значения превышает определенное пороговое значение, подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ согласованного управления многотерминальной системой электропередачи постоянным током высокого напряжения с преобразователями напряжения (VSC-HVDC), в котором система электропередачи постоянным током содержит: главную станцию управления напряжением постоянного тока, по меньшей мере одну подчиненную станцию управления напряжением постоянного тока и по меньшей мере одну обычную преобразовательную станцию, причем посредством главной станции управления напряжением постоянного тока управляют напряжением постоянного тока во всей системе, а посредством всех остальных преобразовательных станций управляют активной мощностью или частотой,

причем, если главная станция управления напряжением постоянного тока прекращает работу, одна подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, а остальные преобразовательные станции продолжают работать в первоначальных режимах управления; причем перенятие управления содержит следующие этапы:

(1) при условии, что межстанционные средства связи действуют, главная станция управления отправляет на подчиненную станцию сигнал о прекращении работы посредством межстанционных средств связи, и когда подчиненная станция получает данные о том, что главная станция управления напряжением постоянного тока прекращает работу, подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока; и

(2) при условии, что межстанционные средства связи отсутствуют или неисправны, подчиненная станция получает данные об изменении напряжения постоянного тока в многотерминальной системе постоянного тока и, если разность значения напряжения постоянного тока и его номинального значения превышает определенное пороговое значение, подчиненная станция переключается с текущего режима управления в режим управления напряжением постоянного тока.

2. Способ по п. 1, в котором главная станция управления напряжением постоянного тока и подчиненная станция управления напряжением постоянного тока соединены посредством межстанционных средств связи.

3. Способ по п. 1, в котором на этапе (1), после того как подчиненная станция управления напряжением постоянного тока получает данные посредством межстанционных средств связи о том, что главная станция управления напряжением постоянного тока прекратила работу, подчиненная станция быстро перенимает управление напряжением постоянного тока без отклонения, причем заданное значение напряжения постоянного тока представляет собой номинальное значение или текущее рабочее значение.

4. Способ по п. 1, в котором на этапе (1) сигнал о прекращении работы представляет собой информацию о состоянии прекращения работы, состоянии отключения, размыкании ключа переменного тока или информацию об изоляции электрода.

5. Способ по п. 1, в котором на этапе (2) посредством подчиненной станции управления напряжением постоянного тока, перенимающей управление напряжением постоянного тока с отклонением, управляют напряжением постоянного тока так, чтобы оно было равно опорному значению, установленному при перенятии управления, или восстанавливают напряжение до его номинального значения в соответствии с наклоном.

6. Способ по п. 1, в котором на этапе (2) пороговое значение составляет 10-30% от номинального значения напряжения постоянного тока в упомянутой системе.

7. Способ по п. 1, в котором упомянутая система содержит по меньшей мере две подчиненные станции управления напряжением постоянного тока, которые перенимают управление напряжением постоянного тока в соответствии с приоритетом.

8. Способ по п. 1, в котором, после того как подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, при условии прекращения работы на определенный промежуток времени и последующего возобновления штатного режима работы, посредством главной станции управления напряжением постоянного тока управляют активной мощностью или частотой.

9. Способ по п. 1, в котором, после того как подчиненная станция управления напряжением постоянного тока перенимает управление напряжением постоянного тока, при условии прекращения работы на определенный промежуток времени и последующего возобновления штатного режима работы, главная станция управления напряжением постоянного тока работает в качестве новой подчиненной станции управления напряжением постоянного тока.