CN104821595A - 一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，对于一个多端柔性直流输电系统，至少有一个换流站采用混合控制：即采用三种控制模式的组合，这三种控制模式为：恒功率控制、恒直流电压控制和直流电压下垂控制；通过混合采用直流电压恒定控制、直流电压斜率控制和直流电压偏差控制以实现上述三种控制模式的组合。本发明能够更好的抑制电压偏差法控制模式切换时直流电压波动程度，并克服了直流电压斜率控制有功潮流不能精确控制的问题，同时还可以通过多换流站的站间和站内混合控制方案配置达到直流电压平滑接管的目的。

Description

一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略

技术领域

本发明涉及电力系统柔性输配电和电力电子领域，特别是一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略。

背景技术

基于电压源型换流器的柔性直流输电技术由于其有功无功解耦独立控制、能够接入弱电网、向无源负荷供电、具备电网黑启动能力、动态响应快、谐波特性优良且占地面积小等诸多优点，在大规模间歇性新能源并网、孤岛无源负荷供电、交流电网互联和城市智能供配电等方面得到了越来越广泛的应用。

多端系统多落点供受电的特性更能充分发挥柔性直流输电的技术优势，而直流电压的协调控制是整个多端柔性直流输电系统的核心。目前典型的直流电压协调控制策略主要是直流电压偏差控制法和直流电压斜率控制法两大类。

直流电压偏差控制法主要是基于协调控制器结构，如图2所示，当系统直流电压发生偏移并达到控制器预先设定的直流电压偏差限值时，协调控制器自动切换到直流电压控制模式对直流电压进行闭环控制，而当系统直流电压落入到预先设定的直流电压偏差限值以内时，协调控制器自动退出直流电压闭环控制模式。该种控制方法的优点在于可靠性高、直流电压工作点固定且不受直流线路电阻的影响、协调控制前电网潮流可以精确调配，缺点是控制模式转换时具有一定的电气冲击，端数多以后直流电压偏差较难进行优化配置。

直流电压斜率控制法通过比例控制器实现直流电压的下垂控制，不存在控制模式转换问题。其优点在于实现简单、直流电压连续调节避免了控制模式切换导致的暂态电气冲击，缺点在于潮流不能精确控制、直流电压工作点不固定且受直流线路电阻的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，用以解决现有技术中单独采用直流电压偏差控制或直流电压斜率控制的缺陷。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，对于一个多端柔性直流输电系统，至少有一个换流站采用混合控制：即采用三种控制模式的组合，这三种控制模式为：恒功率控制、恒直流电压控制和直流电压下垂控制；通过混合采用直流电压恒定控制、直流电压斜率控制和直流电压偏差控制以实现上述三种控制模式的组合。

各换流站分别采用不同的控制模式或控制模式的组合。

所述混合控制的控制器为直流电压混合控制器，由直流电压偏差控制器、直流电压斜率控制器和功率控制器组成。

所述直流电压混合控制器还包括前馈控制环节。

直流电压偏差控制器配置：

       $\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dcH}}=U_{\mathrm{dcref}}+\frac{\mathrm{\ΔP}}{C*U_{\mathrm{dcref}}}*t+U_{\mathrm{drop}}\\ U_{\mathrm{dcL}}=U_{\mathrm{dcref}}-\frac{\mathrm{\ΔP}}{C*U_{\mathrm{dcref}}}*t-U_{\mathrm{drop}}\end{array}\right.$

其中，直流失衡功率为ΔP，多端系统等效直流电容值为C，直流系统额定运行电压为U_dcref，直流线路压降为U_drop，控制系统响应时间为t。

直流电压斜率推荐配置为：

       $K_j=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_i}{2*\mathrm{\Δ}{P}_j}$

其中，偏差控制方式的换流站_i其偏差设定值为ΔU_i，斜率控制方式的换流站j其斜率控制的功率范围为ΔP_j。

本发明提出了一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略。该方法相对于现有方法，能够更好的抑制电压偏差法控制模式切换时直流电压波动程度，并克服了直流电压斜率控制有功潮流不能精确控制的问题，同时还可以通过多换流站的站间和站内混合控制方案配置达到直流电压平滑接管的目的。

附图说明

图1是多端柔性直流输电分层控制系统框图；

图2.1是二阶直流电压偏差控制基本原理图

图2.2是二阶直流电压偏差控制控制器；

图3.1是直流电压斜率控制基本原理图；

图3.2是直流电压斜率控制的控制器；

图4是直流电压偏差斜率控制基本原理图；

图5是换流器直流端口U_d-P_d曲线特性；

图6是换流站间典型直流电压混合控制策略；

图7是换流站内直流电压混合控制策略；

图8是四阶直流电压混合控制器；

图9是退化后的二阶直流电压混合控制器；

图10是仿真系统结构图；

图11是三端柔性输电仿真系统协调控制配置方案；

图12是稳态仿真波形；

图13.1是暂态仿真整流波形；

图13.2是暂态仿真逆变波形；

图14是三端柔性输电仿真系统二阶电压偏差控制对比方案；

图15.1是暂态对比仿真整流波形；

图15.2是暂态对比仿真逆变波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

多端柔性直流输电系统大多采用调节范围宽、扩建灵活、易于控制和可靠性高的并联型接线方式，因此，本发明控制策略也主要是针对并联型多端系统。系统框图如图1所示，其控制系统一般分为系统级控制、换流器级控制、换流阀级控制和子模块级控制4层。本发明直流电压混合控制策略属于系统级控制，用于生成调控直流电压的有功指令，与换流器拓扑方式无关。

现有方法中，经典的二阶电压偏差控制原理及控制器如图2所示。二阶电压偏差控制器当直流电压未超过其设定的高低限值，其运行在功率控制模式，听从换流站功率调度指令闭环运行，当由于定直流电压换流站故障或者系统扰动导致直流电压达到高低限值时，偏差控制器将自动转入直流电压控制模式运行，从而保证多端系统直流电压稳定性。

斜率控制(即下垂控制)常用控制器结构图如图3所示。直流系统的直流电压在有功潮流失衡时将发生偏移，可以根据直流电压偏移特性进行有功协调调节。直流电压下垂控制特性的实现是依赖比例控制器完成的。

直流电压偏差与斜率控制的本质联系为：直流电压偏差法是被分段化的直流电压斜率控制法，其中分段数就是电压偏差法的阶数，阶数越高，偏差法和斜率法的Ud-Pd特性曲线越接近，当阶数为无穷大时，电压偏差法也就等效为电压斜率法，如图4所示。

对于换流器直流端口而言，主要有三种控制模式：分别为恒功率控制、恒直流电压控制和直流电压下垂控制，其U_d-P_d曲线特性如图5所示。

本发明直流电压混合控制策略实质为以上三种U_d-P_d曲线的分段组合，基于换流站应用可分为：1)多端系统换流站间混合控制；2)多端系统换流站内混合控制。

换流站间直流电压混合控制策略的典型配置方式如图6所示。将偏差和斜率在站间进行混合，利用已有的直流电压控制器方案进行多端系统协调控制策略的设计。

换流站内直流电压混合控制策略可以有多种配置方式，典型的配置方式如图7所示。配置方法可分为无直流电压偏差型(a-d)和有直流电压偏差型(e-h)两类，也可按阶数分为二阶控制系统(a,b,e,f)、三阶控制系统(c,d)和四阶控制系统(g,h)。

通过直流电压偏差与直流电压斜率的站间混合，在满足直流电压平滑接管的同时，降低了单个换流站协调控制器的难度，可以沿用传统的协调控制策略；通过直流电压恒定控制、直流电压斜率控制和直流电压偏差控制相结合的换流站内混合，可以使单个换流站兼顾自身潮流控制灵活性、直流电压控制稳定性的双重需求。

具体的，下面给出一种混合控制器，考虑控制器设计的复杂度，本实施例以四阶直流电压混合控制器为例进行设计，如图8。图8、图9中：U_{dc_refL1}、U_{dc_refH1}对应偏差的直流电压控制限值；P_rec1、P_inv1分别对应电压偏差控制时的功率调配能力限值；U_{dc_refL2}、U_{dc_refH2}对应斜率的直流电压偏差限值；P_rec2、P_inv2分别对应电压斜率控制时的功率调配能力限值；为阀侧交流相电压的正序分量，n为换流站编号。四阶直流电压混合控制器主要由直流电压偏差控制器、直流电压斜率控制器和功率控制器三部分组成，为加快直流电压协调控制的响应速度，还使用了电流前馈控制的方法。

该控制器可以直接退化为低阶控制器，以图7(f)为例，其控制器结构如图9所示。由斜率法控制上限和偏差法控制下限的二阶直流电压混合控制系统。可见，本发明提出的四阶直流电压混合控制器具有很强的配置灵活性。

作为其他实施方式，也可以采用其他类型的控制器，由本领域技术人员根据图7和现有技术的控制器的进行相应设计。

直流电压混合控制的配置原则可按站间直流电压混合控制策略和站内直流电压混合控制策略两部分考虑。

对于站间直流电压混合控制策略，推荐使用低阶协调控制器(一般不超过二阶)，控制器结构简单，适用于端数较多的多端系统，主要通过多个换流站站间的协调控制达到多端系统直流电压平滑稳定控制的目的。

对于交流电网强度和稳定性较高的换流站，可以配置成直流电压斜率控制模式或者较低的电压偏差，从而优先对直流电压进行支撑；而对于负荷潮流要求较高的区域，可以通过设置较高的直流电压偏差，从而保证该落点在多端系统直流电压偏差范围内的交流负荷不受直流电压暂态扰动的影响。

对于站内直流电压混合控制策略，可以根据系统需求配置为高阶或者低阶控制器，配置灵活性更高。站内协调控制配置主要是基于直流电压控制优先权处理好恒直流电压控制、直流电压斜率控制和直流电压偏差控制三者之间关系，从而实现直流电压控制权的平滑转移和直流电压最小偏移稳定。

综上所述，直流电压控制策略配置的关键在于处理好换流站间和站内的协调配合关系，核心在于直流电压偏差和直流电压斜率的配合设计：

直流电压偏差的设计原则为：一方面保证多端系统在直流电压超限时及时投入偏差控制，防止直流电压进一步偏移系统失稳；另一方面希望在直流系统的微小暂态扰动下不切入偏差控制，从而最大限度满足其潮流控制能力。这就要求在响应速度和抗扰性方面进行折中考虑。

直流电压波动主要是由于直流功率的失衡而引起，在忽略系统分布参数和控制器响应时间的情况下。可以进行直流电压波动的近似定量计算。

直流电压偏差可以设计为：

       $\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dcH}}=U_{\mathrm{dcref}}+\frac{\mathrm{\ΔP}}{C*U_{\mathrm{dcref}}}*t+U_{\mathrm{drop}}\\ U_{\mathrm{dcL}}=U_{\mathrm{dcref}}-\frac{\mathrm{\ΔP}}{C*U_{\mathrm{dcref}}}*t-U_{\mathrm{drop}}\end{array}\right.$

其中，直流失衡功率为ΔP，多端系统等效直流电容值为_C，直流系统额定运行电压为U_dcref，直流线路压降为U_drop，控制系统响应时间为t。

直流电压斜率直接决定直流电压电压变化后输出的调节功率大小，本发明建议利用直流电压偏差结合换流站功率限制来配置换流站斜率，从而实现站间直流电压的平滑接管。

直流电压斜率推荐配置为：

       $K_j=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_i}{2*\mathrm{\Δ}{P}_j}$

其中，偏差控制方式的换流站i其偏差设定值为ΔU_i，斜率控制方式的换流站j其斜率控制的功率范围为ΔP_j。

由于站间混合主要是二阶电压偏差和直流电压斜率的配合，因此混合控制器阶数设计主要是针对站内混合控制器而言，鉴于控制器的复杂性和具有站间混合协调控制的互补，推荐混合控制器的阶数一般不超过四阶。

站间混合适用于多端系统端数较多的场合，仅通过站间直流电压偏差与斜率控制的配合，就可以较大程度到达潮流控制灵活性、直流电压稳定性的要求。而站内混合由于阶数较高，仅通过站内的配置就能满足以上三种需求，因此推荐用于5端系统以下场合；同时，站间和站内混合也可以同时在多端系统中使用，进一步增加了多端系统协调控制的灵活性。

为了证明该直流电压混合控制策略的可行性，本发明搭建了典型的多端柔性直流输电系统进行系统仿真。仿真模型为并联放射式三端VSC输电系统，如图10所示，VSC1与大电网相连，作为主要的直流电压稳定控制换流站；VSC2与大型风电场相连，风电并网PCC(Point of Common Coupling)点为交流电网和柔性直流共同组成的电力网络，该网络电能由柔性直流优先传输；VSC3落点电网为小型交流电网，需要在一定程度保证该落点电网负荷水平。系统参数如表1所示。

表1.仿真系统主要参数

      

结合仿真系统和本发明直流电压混合控制策略，设计三端系统的直流电压协调控制方案为：VSC1首先通过斜率控制使得直流电压具有一定的下垂特性，从而缩小在VSC1退出时，VSC2接管直流电压变化过大造成的冲击，而当直流电压下垂过多时，再采用偏差控制防止直流电压持续偏移额定值，维护系统稳定性，因此VSC1配置为图7(c)的三阶混合结构；对于VSC2而言，采用电压偏差控制，从而保证在直流电压偏差范围内由柔性直流进行功率调控，最大限度保证风电有柔性直流系统输出，因此VSC2配置为2阶电压偏差结构；对于VSC3而言，为保证该区域负荷水平，需要配置为最低优先级直流压控制，首先通过配置直流电压偏差为功率控制提供条件，然后采用斜率控制平滑接管VSC2的电压偏差控制，同样，当直流电压下垂过多时，再采用偏差控制防止直流电压持续偏移额定值，最大限度增强直流系统的电压稳定性，因此VSC3配置为图7(g)四阶混合结构。

即VSC1和VSC3换流站采用混合控制：即采用三种控制模式的组合，这三种控制模式为：恒功率控制、恒直流电压控制和直流电压下垂控制。如果有更多的换流站，也可以使更多的换流站采用混合控制。

基于直流电压偏差和斜率的计算公式和表1系统参数，设定系统功率控制响应时间为5ms，可以计算在400MW直流功率突变导致的直流电压变化量为7.5％，为防止和减弱VSC3由于VSC1故障导致的交流功率损失，设定VSC3的最终极电压偏差为10％；VSC2可以配置为检查到直流电压偏差超过5％进行协调控制，VSC3为平滑接管直流电压，其初级电压偏差也配置成5％。考虑直流电压压降造成的影响，VSC1的电压偏差可以设置成3％,从而也为VSC2的潮流输送留出直流电压裕度。

在斜率配置方面，VSC1的斜率控制功率可以配置为75％，因此其斜率为-0.04；假设VSC3负荷保证率为50％，则其斜率控制功率可以配置为50％，因此其斜率为-0.01。三端仿真系统协调控制配置如图11所示。

稳态仿真：VSC1控制直流电压，1s时，VSC2、VSC3由额定整流到额定逆变进行功率翻转，功率指令变化速率为1pu/s，观测三端系统潮流调配和直流电压控制情况。仿真结果如图12所示。

在VSC2、VSC3逆变运行时，VSC1按照图11的配置将直流电压稳定控制在3％电压偏差处，在功率逐步翻转的过程中，直流电压首先退出了偏差控制并进入了斜率控制，随着功率增加，直流电压偏移过大时，再退出斜率控制并进入偏差控制，将直流电压控制到-3％电压偏差处。

由此可见，本发明设计的协调控制策略稳定可靠，稳态控制性能良好。

暂态仿真：VSC1分别满功率运行在整流和逆变状态，1s时VSC1换流站网侧发生三相金属性接地故障，接地电阻0.01欧，1.5s网侧接地故障消除，观测三端系统潮流调配和直流电压控制情况。仿真结果如图13所示。

当稳压换流站VSC1若发生故障时，若为整流稳压工况，则多端系统功率不平衡导致直流母线电压下降，本发明控制策略使得VSC2接管直流电压进行控制，直流电压最终被控制在-5％偏差处。在故障初始时刻，直流电压跌落较多，VSC3约提供了40％的功率参与暂态直流电压控制。在VSC1恢复直流电压控制后，VSC2很快退出了直流电压偏差控制并恢复交流侧负荷供电，整个过程平稳可控。逆变稳压工况下，原理相同。

与经典二阶电压偏差的对比仿真：对比方案策略如图14所示。仅将VSC3调整为±10％二阶直流电压偏差控制站，其他不变。仿真工况与暂停仿真相同，结果如图15所示。

本发明推荐的策略使得在直流电压超过±5％后，VSC3通过降低逆变功率来支撑直流电压，从而使其跌幅更小；而经典二阶电压偏差方法需要达到±10％偏差限后，才能进行直流电压支撑。

本发明推荐的策略在直流电压动态特性上有所改善，其改善效果受到换流站潮流调节能力的限制。

仿真验证了本发明推荐策略稳定可靠，稳态控制性能良好，且直流电压动态特性优于现有策略。

本发明提出的多端柔性直流输电系统直流电压混合控制方案，能够更好的抑制电压偏差法控制模式切换时直流电压波动程度，并克服了直流电压斜率控制有功潮流不能精确控制的问题，同时还可以通过多换流站的站间和站内混合控制方案配置达到直流电压平滑接管的目的。

以上给出了本发明的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，其特征在于，对于一个多端柔性直流输电系统，至少有一个换流站采用混合控制：即采用三种控制模式的组合，这三种控制模式为：恒功率控制、恒直流电压控制和直流电压下垂控制；通过混合采用直流电压恒定控制、直流电压斜率控制和直流电压偏差控制以实现上述三种控制模式的组合。

2.根据权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，其特征在于，各换流站分别采用不同的控制模式或控制模式的组合。

3.根据权利要求1或2所述的一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，其特征在于，所述混合控制的控制器为直流电压混合控制器，由直流电压偏差控制器、直流电压斜率控制器和功率控制器组成。

4.根据权利要求3所述的一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，其特征在于，所述直流电压混合控制器还包括前馈控制环节。

5.根据权利要求3所述的一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，其特征在于，直流电压偏差控制器配置：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dcH}}=U_{\mathrm{dcref}}+\frac{\mathrm{\ΔP}}{C*U_{\mathrm{dcref}}}*t+U_{\mathrm{drop}}\\ U_{\mathrm{dcL}}=U_{\mathrm{dcref}}-\frac{\mathrm{\ΔP}}{C*U_{\mathrm{dcref}}}*t-U_{\mathrm{drop}}\end{array}\right.$

其中，直流失衡功率为ΔP，多端系统等效直流电容值为C，直流系统额定运行电压为U_dcref，直流线路压降为U_drop，控制系统响应时间为t。

6.根据权利要求3所述的一种多端柔性直流输电系统的直流电压混合控制策略，其特征在于，直流电压斜率推荐配置为：

$K_j=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_i}{2*\mathrm{\Δ}{P}_j}$

其中，偏差控制方式的换流站i其偏差设定值为ΔU_i，斜率控制方式的换流站j其斜率控制的功率范围为ΔP_j。