CN103414179A - 一种适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于“多受多送”运行方式下的多端柔性直流输电系统的下垂控制方法，柔性直流输电系统包括功率受端和功率送端，在一类型直流端采用具有斜率控制的定直流电压控制方法，另一类型直流端采用定功率控制方法，多端柔性直流输电系统正常运行时，通过斜率实现各定直流电压换流站对功率的自动分担。当某一换流站由于故障退出运行时，定直流电压换流站在直流电压保持恒定的同时，通过斜率的自动调整功率自动重新分配，保证柔性直流输电系统的稳定运行。本发明只需将斜率引入某一类型功率端，使得直流线路上的功率在该类型功率端间按既定斜率进行分配。这种多端柔性直流输电系统的斜率整定依据明确，无需换流站之间进行通信，实现简单。

Description

一种适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及多端柔性直流输电系统领域，更具体地，涉及一种适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法，特别适用于“多受多送“运行方式下的多端柔性直流输电系统。 

背景技术

随着电压源换流器的快速发展，基于电压源换流器VSC(Voltage Source Converter)的柔性直流输电系统（VSC-HVDC）成为直流输电技术的主流趋势。由多个VSC构成的多端柔性直流输电系统（VSC Multi-terminal HVDC，VSC-MTDC）成为研究的热点。多端柔性直流输电系统指的是，同一直流网架下含有多个VSC换流站的高压直流输电系统。多端柔性直流输电系统相对于常规直流输电系统具有经济灵活，更易构成的优点，但它的控制策略也变得更加复杂。多端柔性直流输电系统稳定运行的前提是直流电压的稳定。相对于传统直流输电技术，柔性直流输电技术一个很重要的优势就是不需要各端之间保持通信，因此，研究无通信情况下多端柔性直流输电系统的协同控制，保证某一个换流站因故障退出运行的情况下，其余换流站抵御一定的扰动之后，仍能过渡的一个新的稳定运行点。 

目前无通信的多端柔性直流输电系统的协同控制可分为直流电压偏差控制和直流电压斜率控制两种。直流电压偏差控制器的实质是在定直流电压主站退出运行后，后备定直流电压从站能够检测到定直流电压偏差并转入定直流电压运行模式，保证直流电压的稳定。运用直流电压斜率控制的VSC-MTDC各个换流站有独立的功率和直流电压曲线，以实现不同运行情况下，各个功率的快速平衡和匹配，这种斜率控制方法要求同时对每个换流站的功率和电压的斜率进行整定，实现较难。 

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的多端柔性直流输电系统的协同控制方法的不足，提出一种适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法。 

一种适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法，对于功率受端和功率送端固定的多端柔性直流输电系统，其中某一类型功率端采用具有下垂特性定直流电压控制方法；另一类型功率端采用定功率控制方法，采用具有下垂特性定直流电压控制功率端的功率分配由其设定的斜率决定，保证柔性直流输电系统的稳定运行。 

设定的斜率值应能实现定直流电压控制类型换流站容量越大，出力越多的目的。这种下垂控制方法只需将斜率引入某一类型功率端，使得直流线路上的功率在该类型功率端间按既定斜率进行分配。 

所述多端柔性直流输电系统正常运行时，通过斜率的作用，实现各定直流电压换流站对直流功率的自动分担；当某一换流站由于故障退出运行时，定直流电压换流站在直流电压保持恒定的同时，通过斜率的自动调整，使得功率在剩余的直流电压控制端之间自动重新分配。 

所述定直流电压端的斜率值与换流站的额定容量和直流线路的阻值相关，设有n个定直流电压控制类型换流站，每个定直流电压控制类型换流站的斜率整定值为k_i，i=1,2,3...n，应使以下公式成立， 

S₁:S₂:...S_i...:S_n=I_dc1:I_dc1:...I_dci...:I_dcn

式中I_dci为定直流电压控制类型换流站的电流，S_i为对应换流站的额定容量，满足上述保证能够实现定直流电压控制类型换流站容量越大，出力越多的目的。 

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是： 

对于功率受端和功率送端固定的多端柔性直流输电系统，其中某一类型功率端（功率受端或送端）采用具有下垂特性定直流电压控制方法；另一类型功率端（功率送端或受端）采用定功率控制方法。多端柔性直流输电系统正常运行时，通过斜率的作用，实现各定直流电压换流站对直流功率的自动分担；当某一换流站由于故障退出运行时，定直流电压换流站在直流电压保持恒定的同时，通过斜率的自动调整，使得功率在剩余的直流电压控制端之间自动重新分配，保证柔性直流输电系统的稳定运行。斜率整定值主要由换流站的额定运行容量和直流线路的电阻值等因素决定，其整定值应能实现定直流电压控制类型，换流站容量越大，出力越多的目的。这种下垂控制方法只需将斜率引入某一类型功率端，使得直流 线路上的功率在该类型功率端间按既定斜率进行分配，斜率整定依据明确，无需换流站之间进行通信，实现简单。 

附图说明

图1是柔性直流输电系统定直流电压控制端引入斜率方法流程图。 

图2（a）、图2（b）是四端柔性直流输电系统“两送两受”运行方式示意图。 

图3是引入斜率后，柔性直流输电系统的直流侧U-I特性曲线图。 

图4（a）至图4（d）为实施例1中仿真一的曲线图。 

图5（a）至图5（d）为实施例1中仿真二的曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。 

柔性直流输电系统定直流电压控制端引入斜率的方法如图1所示，将该端柔性直流输电系统的直流电流I_dc与增益k相乘，乘积作为基准直流电压的反馈量，与直流电压基准值U_dcref作差之后，形成该端柔性直流输电系统的实际直流电压参考量，与该端实际直流电压测试值U_dc作比较，送入外环控制器，实现柔性直流输电系统的下垂控制。 

下面以四端柔性直流输电系统为例，对该方法的具体实现方案进行说明。 

对于如图2(a)所示的四端柔性直流输电系统，根据运行需要，定义两个功率受端T1和T2采用定直流电压控制方法，引入斜率之后，T1端和T2端的实际电压参考值为： 

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dcref}1}=U_{\mathrm{dcref}}-k_1{I}_{\mathrm{dc}1}\\ U_{\mathrm{dcref}2}=U_{\mathrm{dcref}}-k_2{I}_{\mathrm{dc}2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

U_dcref1为功率受端T1的实际电压参考值，U_dcref2为功率受端T2的实际电压参考值，U_dcref为基准直流电压参考值，I_dc1和I_dc2分别为T1换流站和T2换流站直流侧电流，以流向换流站为正，流向直流线路为负。可见引入斜率后，功率受端实际直流电压参考值随着直流电流的增大而减小，而当功率送端采用定直流电压控制方法时刚好相反，其实际直流电压参考值随着直流电流的增大而增大。以A作为电压参考点，引入斜率之后，对功率受端T1来说，A点电压为： 

U_A=U_dcref-(k₁+R₁)I_dc1      （2） 

对功率受端T2来说，A点电压为： 

U_A=U_dcref-k₂I_dc2       （3） 

联立两个公式可得： 

$\frac{I_{\mathrm{dc}1}}{I_{\mathrm{dc}2}}=\frac{k_2}{(k_1+R_1)}---\left(4\right)$

可见引入斜率之后，两个功率受端的功率分配与斜率及直流线路电路阻值有关。若功率送端T3和T4采用定功率控制方法，送到直流线路的功率由于定直流电压端的斜率作用，在T1和T2按照公式所示的比例进行分配。 

考虑到在实际运行中，希望容量越大，分配到的功率越多，则可将容量作为确定两个受端系统斜率的主要依据 

$\frac{k_2}{(k_1+R_1)}=\frac{S_1}{S_2}---\left(5\right)$

图3所示的是柔性直流输电系统引入斜率之后的U-I特性曲线，图中I_dc1max和I_dc2max为额定容量S₁和S₂下对应的额定电流值。对功率受端T1和功率受端T2的U-I特性曲线进行合成，即保持纵坐标(直流电压)不变，将两者的横坐标相加，就得到功率受端T1和功率受端T2的U-I特性的合成曲线。 

当柔性直流输电系统运行时，斜率的作用使得直流电压不断下降，直至当功率送端注入到直流线路上的功率与合成U-I特性曲线A对应的电流相等时，柔性直流输电系统稳定运行，此时的直流电压为U_A。由图可以看出，此时功率受端T1和功率受端T2分配到的电流为 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{dc}1}=\frac{U_{\mathrm{dcref}}-U_A}{k_1+R_1}\\ I_{\mathrm{dc}2}=\frac{U_{\mathrm{dcref}}-U_A}{k_2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

显然为把系统电压稳定在U_A，功率受端T1和功率受端T2投入的容量与它们各自的斜率成反比，即 

$\frac{I_{\mathrm{dc}1}}{I_{\mathrm{dc}2}}=\frac{k_2}{k_1+R_1}=\frac{S_1}{S_2}=\frac{I_{\mathrm{dc}1\max }}{I_{\mathrm{dc}2\max }}---\left(7\right)$

由式（7）可知：通过四端柔性直流系统中各个斜率的整定，定直流电压各端吸收的直流电流与各自的最大容量成正比，即实现容量越大，输出越大，出力 越多的目的。 

对于如图2(b)所示的“两送两受”柔性直流输电系统，引入斜率之后，对功率受端T1来说，A点电压为 

U_A=U_dcref-k₁I_dc1               （8） 

对功率受端T2来说，A点电压为 

U_A=U_dcref-k₂I_dc2-(I_dc1-I_dc3)R₂ （9） 

联立两个公式可得 

(k₁-R₂)I_dc1=k₂I_dc2-R₂I_dc3     （10） 

再由公式：I_dc4+I_dc3=I_dc1+I_dc2可得 

$\frac{I_{\mathrm{dc}1}}{I_{\mathrm{dc}2}}=\frac{k_2(I_{\mathrm{dc}3}+I_{\mathrm{dc}4})-R_2{I}_{\mathrm{dc}3}}{k_1(I_{\mathrm{dc}3}+I_{\mathrm{dc}4})-R_2{I}_{\mathrm{dc}4}}---\left(11\right)$

显然，对已建成的柔性直流输电系统，I_dc1max和I_dc2max，I_dc3和I_dc4是已知的，令 

$\frac{I_{\mathrm{dc}1}}{I_{\mathrm{dc}2}}=\frac{S_1}{S_2}=\frac{I_{\mathrm{dc}1\max }}{I_{\mathrm{dc}2\max }}---\left(12\right)$

将式（12）代入式（11），则可求得k₁和k₂是呈一定的线性关系。通过合理整定k₁和k₂的值就可以确定I_dc1和I_dc2的比值关系，即可通过斜率的合理配置，使得功率在T1和T2实现合理分配。 

对于“两送两受”的四端柔性直流输电系统，当某一定直流电压控制端因故障退出运行时，另外一个定直流电压端一方面稳定直流测电压，同时承担两个定功率控制端的全部功率；当某一定功率控制端因故障退出运行时，两个定直流电压控制端在稳定直流电压的同时，在斜率的作用下对未退出运行的定功率端注入直流线路的功率按既定比例关系进行分配。 

对于四端系统，任意功率受端和功率送端的接线方式都可以转化成图2(a)、2(b)所示的多端柔性直流输电系统，通过斜率调节使得各直流电压控制端的功率得到合理分配。 

同理可知，对于多端柔性直流输电系统，可以参考上述整定依据确定斜率，便可实现多端柔性直流输电系统的下垂控制。 

实施例1 

为了验证本发明采取的实施方案的可行性和有效性，利用电力系统电磁暂态 仿真软件PSCAD/EMTDC对四端柔性直流输电系统的下垂控制方法进行仿真。该四端柔性直流输电系统采用“两送两受”运行方式，功率受端T1和功率受端T2采用带有下垂控制的定直流电压控制方法，功率送端T3和功率送端T4采用定有功功率控制方法。仿真参数为：功率送端和功率受端交流系统的额定电压等级分别为110kV，额定直流电压为±160kV；功率送端T3和功率送端T4输送的功率都为60MW；受端T1的额定容量为240MW，设定的斜率值为0.01，功率受端2的额定容量为120MW，设定的斜率值为0.02。 

仿真一：系统稳态运行时段内，斜率的作用使得功率送端T3和功率送端T4注入直流系统的120MW功率在功率受端T1和功率受端T2之间得到合理分配，其中功率受端T1分配到的功率为80MW，功率受端T1分配到的功率为40MW，这样就实现额定容量越大，出力越多的目的。 

系统运行至5s，功率受端T2由于故障退出运行，由图4仿真结果可以看出，功率受端T1在保持直流电压稳定的同时，将功率送端T3和功率送端T4注入直流系统的120MW功率全部接收。可见，在该四端柔性直流输电系统中，当某一个定直流电压端退出运行时，通过另一个定直流电压端的有效控制，保证剩余的三端柔性直流输电系统稳定运行。 

图4(a)为直流电压仿真示意图，4(b)功率受端T1、T2的功率趋势图，4(c)为功率送端T3、T4的功率趋势图。 

仿真二：系统运行至5s，功率受端T4由于故障退出运行，由图5仿真结果可以看出，功率受端T1和T2在保持直流电压稳定的同时，将功率送端T3注入直流系统的60MW功率分担接收，其中T1端接收的功率为40MW，T2端接收的功率为20MW。可见，在该四端柔性直流输电系统中，当某一个定功率端退出运行时，两个定直流电压端一方面维持直流电压的稳定，另一方面，使得定功率端注入直流系统的功率，得到合理的分配，保证剩余的三端柔性直流输电系统稳定运行。 

图5(a)为直流电压仿真示意图，5(b)功率受端T1、T2的功率趋势图，5(c)为功率送端T3、T4的功率趋势图。 

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法，其特征在于，对于功率受端和功率送端固定的多端柔性直流输电系统，其中某一类型功率端采用具有下垂特性定直流电压控制方法；另一类型功率端采用定功率控制方法，采用具有下垂特性定直流电压控制功率端的功率分配由其设定的斜率决定。

2.根据权利要求1所述的适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法，其特征在于，所述多端柔性直流输电系统正常运行时，通过斜率的作用，实现各定直流电压换流站对直流功率的自动分担；当某一换流站由于故障退出运行时，定直流电压换流站在直流电压保持恒定的同时，通过斜率的自动调整，使得功率在剩余的直流电压控制端之间自动重新分配。

3.根据权利要求2所述的适用于多端柔性直流输电系统的下垂控制方法，其特征在于，所述定直流电压端的斜率值与换流站的额定容量和直流线路的阻值相关，设有n个定直流电压控制类型换流站，每个定直流电压控制类型换流站的斜率整定值为k_i，i=1,2,3...n，应使以下公式成立，

S₁:S₂:...S_i...:S_n=I_dc1:I_dc1:...I_dci...:I_dcn

式中I_dci为定直流电压控制类型换流站的电流，S_i为对应换流站的额定容量。

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