CN106451515A - 适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制方法，属于电力系统柔性直流输电技术领域。本发明目的是提供一种适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制策略来维持系统直流电压稳定与保证各换流站的功率精确、合理分配的适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制方法。本发明通过控制模式的统一数学模型设计广义下垂控制器，引入信号选择函数并修正，系统中各换流站的外环有功类控制部分均采用广义下垂控制模式，通过协调配合来实现系统直流电压稳定与功率合理分配的方法称为广义下垂控制。本发明不仅增强了狭义下垂控制模式的灵活性，克服了其无法实现换流站的直流电压与功率精准控制等问题，而且降低了电压裕度控制方法切换控制模式时产生的电压波动或震荡等问题，改善了系统的暂态特性。

Description

适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域。

背景技术

随着电力电子器件的不断更新以及人们对解决风电等可再生能源并网问题的研究更加深入，柔性直流输电技术得到了飞速发展；目前，多端柔性直流输电技术被视为风电功率外送的最佳技术方案之一。多端柔性直流输电系统是指含有三个及以上数量的换流站的系统，其是双端柔性直流输电系统的拓展与延伸；与两端柔性直流输电系统相比，多端柔性直流输电系统能够实现多电源供电、多落点受电，具有经济性、灵活性、可靠性等特点。

在多端柔性直流输电系统中，保持系统直流电压稳定和维持各换流站功率在需求值是系统控制的核心。为了实现这一目标，主从控制策略应运而生，其原理是选择系统中的一个换流站作为主站，采取定直流电压控制维持系统直流电压稳定，其余换流站作为从站，采取定功率控制，保持各换流站功率在需求值。然而，该控制策略可靠性较低，一旦主站故障，系统则失稳。为了解决这一问题，人们提出了电压裕度控制策略，其思想是在主从控制策略的基础上选择某一个（或几个）从站作为电压控制预备换流站，当主站故障退出运行时由预备换流站控制系统的直流电压，增加了系统的可靠性；但该策略存在预备换流站接管电压控制时产生波动与振荡等问题。随着相关研究的不断深入，人们提出了下垂控制策略，该策略在控制系统直流电压的同时兼顾换流站功率的控制，最重要的是其将控制系统直流电压的任务分配给多个换流站，并避免了电压裕度控制策略存在的振荡问题，保证了系统的稳定性与可靠性；但该控制策略无法实现换流站的直流电压与功率的精准控制，以至于在特定情况下某些换流站的功率偏移需求值很多。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制策略来维持系统直流电压稳定与保证各换流站的功率精确、合理分配的适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制方法。

本发明步骤是：

①控制模式的统一数学模型为：，其中U _dc 和P分别表示直流电压和功率，α、β、γ为控制方式选择系数；

当时，统一模型中的控制模式为定直流电压控制，

当时，统一模型中的控制模式为定功率控制，

当时，统一模型中的控制模式为下垂控制；

②取U _dc 和P为稳定状态下直流侧的参考电压和功率，、，则得；

③当系统稳定于某一运行点时，必定满足：，式中，U_dc,meas与P_meas为某一稳定运行状态下某一换流站直流侧的电压和功率的测量值；

当β≠0时，由得：，以U_dc,meas作为控制器的输入变量，以该式得出的功率值P_meas作为功率参考值P _ref ，则进一步得偏差信号；

当α≠0时，由得：，以P _meas 作为控制器的输入变量，以该式得出的电压值U_dc，meas作为电压参考值U _dc,ref 进一步可得偏差信号，

④将两者结合，得到广义下垂控制器，该控制器的偏差信号为：

其中，a、b、c为控制模式选择系数的另一种表达形式；

当，控制模式为下垂控制；

当且，控制模式为定直流电压控制；

当且，控制模式为定功率控制；

⑤在β（或b）与α（或a）为0时，将其认为是接近于0的一个很小的数，用β*和a*表示，控制器的偏差信号表示为：

⑥引入信号选择函数和，

修正函数

系统中各换流站的外环有功类控制部分均采用广义下垂控制模式，通过协调配合来实现系统直流电压稳定与功率合理分配的方法称为广义下垂控制。

本发明可维持多端柔性直流输电系统直流电压稳定与保证各换流站功率合理分配的广义下垂控制策略，其特征在于，对于一个多端柔性直流输电系统，每一个换流站都采用广义下垂控制方式，该控制方式将定直流电压控制模式与定功率控制模式融合于狭义下垂控制模式中，只需通过确定控制模式选择系数的值即可根据系统需求选定或改变各换流站的控制模式以及实现三者之间的无缝切换。不仅增强了狭义下垂控制模式的灵活性，克服了其无法实现换流站的直流电压与功率精准控制等问题，而且降低了电压裕度控制方法切换控制模式时产生的电压波动或震荡等问题，改善了系统的暂态特性。

附图说明

图1是三种控制模式下的功率-电压特性曲线；

图2是广义下垂控制模式下的功率-电压特性曲线；

图3是广义下垂控制器；

图4是五端柔性直流输电系统RT-lab仿真模型；

图5a是下垂控制模式自身转换的仿真波形------有功功率波形；

图5b是下垂控制模式自身转换的仿真波形------系统直流电压波形；

图6a是下垂控制模式与定功率控制模式切换的仿真波形-----有功功率波形；

图6b是下垂控制模式与定功率控制模式切换的仿真波形-----系统直流电压波形；

图7a是下垂控制模式与定直流电压控制模式切换的仿真波形-------有功功率波形；

图7b是下垂控制模式与定直流电压控制模式切换的仿真波形-------系统直流电压波形；

图8a是定直流电压控制模式与定功率控制模式切换的仿真波形-------有功功率波形；

图8b是定直流电压控制模式与定功率控制模式切换的仿真波形-------系统直流电压波形；

图9a是某一故障情况下控制模式切换的仿真波形------有功功率波形；

图9b是某一故障情况下控制模式切换的仿真波形------系统直流电压波形。

具体实施方式

本发明步骤是：

①控制模式的统一数学模型为： ，其中U _dc 和P分别表示直流电压和功率，α、β、γ为控制方式选择系数；

当时，统一模型中的控制模式为定直流电压控制，

当时，统一模型中的控制模式为定功率控制，

当时，统一模型中的控制模式为下垂控制；

②取U _dc 和P为稳定状态下直流侧的参考电压和功率，、，则得；

③当系统稳定于某一运行点时，必定满足：，式中，U_dc,meas与P_meas为某一稳定运行状态下某一换流站直流侧的电压和功率的测量值；

当β≠0时，由得：，以U_dc,meas作为控制器的输入变量，以该式得出的功率值P_meas作为功率参考值P _ref ，则进一步得偏差信号；

当α≠0时，由得：，以P _meas 作为控制器的输入变量，以该式得出的电压值U_dc，meas作为电压参考值U _dc,ref 进一步可得偏差信号，

④将两者结合，得到广义下垂控制器，该控制器的偏差信号为：

其中，a、b、c为控制模式选择系数的另一种表达形式；

当，控制模式为下垂控制；

当且，控制模式为定直流电压控制；

当且，控制模式为定功率控制；

⑤在β（或b）与α（或a）为0时，将其认为是接近于0的一个很小的数，用β*和a*表示，控制器的偏差信号表示为：

⑥引入信号选择函数和，

修正函数

系统中各换流站的外环有功类控制部分均采用广义下垂控制模式，通过协调配合来实现系统直流电压稳定与功率合理分配的方法称为广义下垂控制。

下面结合附图与实例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

多端柔性直流输电系统的有功类控制模式主要有三种，即定直流电压控制、定功率控制、下垂控制。

由于这三种常用控制模式的功率-电压特性曲线都可以用直角坐标系下的一条直线来表示（见图1）；其中，定直流电压控制模式下的功率-电压特性曲线是一条平行于横轴的直线，定功率控制模式下的功率-电压特性曲线是一条平行于纵轴的直线，下垂控制模式下的功率-电压特性曲线是一条倾斜的直线。从这一角度出发，可将这些直线在直角坐标系下用一个统一的直线束来表示（见图2），相应的便得到了三种控制模式的统一数学模型。

控制模式的统一数学模型为： 。

其中U _dc 和P分别表示直流电压和功率，α、β、γ为控制方式选择系数，上式可以看成是直角坐标系下的一条任意直线，当α、β、γ取不同值时，就可以分别表示上述三种不同的控制模式。需要注意的是，尽管α、β、γ的选取范围很广，但必须保证各换流站的功率与直流电压在运行范围内且系统安全稳定运行。

当时，统一模型中的控制模式为定直流电压控制，该控制模式下，推荐令，，则。

此时取U_dc为该控制模式下对应换流站在某一稳定状态下直流侧参考电压，即：，则可得。

当时，统一模型中的控制模式为定功率控制，该控制模式下，推荐令，，则。

此时取P为该控制模式下对应换流站在某一稳定状态下直流侧参考功率，即：，则可得。

当 时，统一模型中的控制模式为下垂控制，该控制模式下，推荐令，，则。

②此时，分别取U _dc 和P为该控制模式下对应换流站在某一稳定状态下直流侧的参考电压和功率，即：、，则得；

③当系统稳定于某一运行点时，必定满足：，式中，U_dc,meas与P_meas为某一稳定运行状态下某一换流站直流侧的电压和功率的测量值；

当β≠0时，由得：，基于此，通过调整控制方式选择系数，可实现定功率控制模式和下垂控制模式的选定；以U_dc,meas作为控制器的输入变量，以该式得出的功率值P_meas作为功率参考值P _ref ，则进一步得偏差信号；经过比例积分控制器的调节，可实现定功率控制模式和下垂控制模式的控制；另外，通过改变控制模式选择系数可实现这两种控制模式的切换。

当α≠0时，由得：，基于此，通过调整控制方式选择系数，可实现定直流电压控制模式和下垂控制模式的选定；以P _meas 作为控制器的输入变量，以该式得出的电压值U_dc，meas作为电压参考值U _dc,ref 进一步可得偏差信号，经过比例积分控制器的调节，可实现定直流电压控制模式和下垂控制模式的控制；另外，通过改变控制模式选择系数可实现这两种控制模式的切换。

以上两种情况下，通过调整控制方式选择系数，经过比例积分控制器的调节，皆可实现下垂控制模式的自身转换。

④将两者结合，得到广义下垂控制器（见图3），该控制器的偏差信号为：

其中，a、b、c为控制模式选择系数的另一种表达形式；

当，控制模式为下垂控制；

当且，控制模式为定直流电压控制；

当且，控制模式为定功率控制。

⑤为了使三种控制模式下的偏差信号符合同一个公式，在β（或b）与α（或a）为0时，将其认为是接近于0的一个很小的数，用β*和a*表示，控制器的偏差信号表示为：

。

⑥为了实现下垂控制向定直流电压控制模式或定功率控制模式的转换，引入信号选择函数和，

另外，在不同的控制模式下，所生成的参考电流的原理有所差别，所以需要函数进行修正：

。

系统中各换流站的外环有功类控制部分均采用广义下垂控制模式，通过协调配合来实现系统直流电压稳定与功率合理分配的方法称为广义下垂控制。

本发明提出的广义下垂控制策略，通过上层控制改变各换流站外环有功量控制部分α、β、γ的值，不仅能实现三种控制模式之间的无缝切换，还可实现下垂控制模式自身的转换，克服了传统下垂控制模式下垂系数k固定的单一形式，具有很强的灵活性与选择性；保证在各种情形下，实现系统直流电压稳定与功率合理分配的目的。

本发明在RT-lab环境中搭建了图4所示的基于模块化多电平换流器的五端柔性直流输电系统仿真模型来验证所提广义下垂控制策略的有效性。系统包含陆上电网和海上风电场，换流站1、换流站2、换流站3、换流站4分别与陆上电网（用理想电压源代替）相连，换流站5与海上风电厂群（采用双馈感应风力发电机）相连，各换流站通过地下直流电缆采用并联接线方式相连。所有换流站采用模块化多电平换流器结构且容量相同。具体参数如表1--5所示。

表1 交流侧参数

。

表2 直流侧参数

。

表3 地下直流电缆参数

。

表4 风力发电机参数

。

表5 MMC主要参数

。

各换流站的外环有功量控制部分均采用本发明所设计的改进广义下垂控制器，针对几种场景进行仿真验证。仿真过程中，假定以流入直流电网的功率为正，系统直流电压误差范围设为±7%，有功功率与直流电压均采用标幺值。

下垂控制模式自身的转换：初始时刻，换流站1、换流站2、换流站3采取下垂控制模式且其下垂系数相同，工作于逆变状态，有功功率分别为-0.35pu、-0.40pu、-0.45pu，换流站4和换流站5采取定功率控制模式，工作于整流状态，有功功率分别为0.8pu、0.4pu，系统处于稳态，直流电压稳定在1.0pu；3s时刻，换流站5的功率由0.4pu开始增加到0.8pu，此时，分别改变换流站1和换流站3的（即改变下垂系数）与值，当系统达到新的平衡时，三个换流站各自分担的功率差额不再均等，其中，换流站1分担的功率增加量明显大于换流站3分担的功率增加量，都稳定在0.53pu左右（其仿真波形见图5a、5b）。实现了可用剩余容量较多的换流站承担较多不平衡功率与可用剩余容量较少的换流站承担较少不平衡功率的转变。

下垂控制模式与定功率控制模式的切换：初始时刻，换流站1、换流站2、换流站3采取下垂控制模式且各参数皆相同，工作于逆变状态，有功功率皆为-0.35pu，换流站4和换流站5采取定功率控制模式工作于整流状态，有功功率分别为0.8pu与0.25pu，系统处于稳态，直流电压为1.0pu；3s时刻，通过改变控制模式选择系数将换流站1的控制模式改为定功率控制，功率设定为-0.5pu，-0.15pu的功率缺额由换流站2和换流站3转移，系统直流电压稍有下降（仿真波形见图6a、6b）；该转换实现了在下垂控制模式下无法使功率稳定在需求值的精准控制。

下垂控制模式与定直流电压模式的切换：初始时刻，换流站1、换流站2、换流站3采取下垂控制模式且其各参数皆相同，工作于逆变状态，有功功率皆为-0.35pu，换流站4和换流站5采取定功率控制模式，工作于整流状态，有功功率分别为0.8pu和0.25pu，系统处于稳态，直流电压为1.0pu；3s时刻，分别改变换流站1、换流站2、换流站3的控制模式选择系数，使换流站1运行于定直流电压控制模式，换流站2和换流站3运行于定功率控制模式。4s时刻，将换流站5发出的功率增加到0.6pu，0.35pu的功率差额由换流站1承担（仿真波形见图7a、7b）。可以得出，3s以后，换流站1控制系统直流电压，起到功率平衡节点的作用。

定直流电压控制模式与定功率控制模式的切换：初始时刻，换流站1采用定直流电压控制模式，其余换流站采用定功率控制模式，其中，换流站1、换流站2、换流站3运行于逆变状态，有功功率分别为-0.3pu、-0.4pu、-0.5pu，换流站4和换流站5运行于整流状态，有功功率分别为0.8pu、0.4pu，系统处于稳态，直流电压为1.0pu。3s时刻，分别改变换流站1、换流站2、换流站3的控制模式选择系数，使其皆运行于下垂控制模式，维持系统直流电压稳定，平衡系统中的功率波动。5.5s时刻，将换流站1的控制模式切换到定功率控制，使该站功率精准控制到-0.5pu（仿真波形如图8a、8b所示）。该过程实现了换流站1的控制模式从定直流电压控制到定功率控制的转换。

在上述四种情形中，系统直流电压的变化始终在限定范围内，并且在控制模式切换的过程中均未出现波动与震荡，实现了控制模式间的无缝切换。

故障情况下控制模式切换的仿真波形见图9a、9b。初始时刻，换流站1与换流站2采取下垂控制模式、换流站3采取定功率控制模式且都运行于逆变状态，有功功率分别为-0.5pu、-0.4pu、-0.3pu，换流站4和换流站5采取定功率控制模式运行于整流状态，有功功率分别为0.8pu、0.4pu，系统处于稳定状态，直流电压稳定在1.0pu；3s时刻，换流站2因故障退出运行，系统直流电压开始增加，为了减轻换流站1承担不平衡功率与维持系统直流电压稳定的压力，通过改变控制模式选择系数将换流站3的控制模式切换为下垂控制，系统趋于新的稳定状态；5s时刻，将换流站4发出的功率由0.8pu减小到0.4pu，使系统直流电压稳定在预先设定值附近，防止换流站5的风功率增加导致系统直流电压越限。

可以看出，在故障换流站退出运行后，通过及时地调整其余换流站的控制模式选择系数，可保证系统直流电压在限定范围内达到新的稳定与各换流站的有功功率合理分配。

仿真验证了本发明提出策略的灵活性和可靠性，有很强的适用性。

本发明提出的一种可维持多端柔性直流输电系统直流电压稳定与保证各换流站功率合理分配的广义下垂控制策略。不仅增强了狭义下垂控制模式的灵活性，克服了其无法实现换流站的直流电压与功率精准控制等问题，而且降低了电压裕度控制方法切换控制模式时产生的电压波动或震荡等问题，改善了系统的暂态特性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用来说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化的改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于多端柔性直流输电系统的广义下垂控制方法，其特征在于：其步骤是：

①控制模式的统一数学模型为：，其中U _dc 和P分别表示直流电压和功率，α、β、γ为控制方式选择系数；

当时，统一模型中的控制模式为定直流电压控制，

当时，统一模型中的控制模式为定功率控制，

当时，统一模型中的控制模式为下垂控制；

②取U _dc 和P为稳定状态下直流侧的参考电压和功率，、，则得；

③当系统稳定于某一运行点时，必定满足：，式中，U_dc,meas与P_meas为某一稳定运行状态下某一换流站直流侧的电压和功率的测量值；

当β≠0时，由得：，以U_dc,meas作为控制器的输入变量，以该式得出的功率值P_meas作为功率参考值P _ref ，则进一步得偏差信号；

当α≠0时，由得：，以P _meas 作为控制器的输入变量，以该式得出的电压值U_dc，meas作为电压参考值U _dc,ref 进一步可得偏差信号，

④将两者结合，得到广义下垂控制器，该控制器的偏差信号为：

其中，a、b、c为控制模式选择系数的另一种表达形式；

当，控制模式为下垂控制；

当且，控制模式为定直流电压控制；

当且，控制模式为定功率控制；

⑤在β（或b）与α（或a）为0时，将其认为是接近于0的一个很小的数，用β*和a*表示，控制器的偏差信号表示为：

⑥引入信号选择函数和，

修正函数

系统中各换流站的外环有功类控制部分均采用广义下垂控制模式，通过协调配合来实现系统直流电压稳定与功率合理分配的方法称为广义下垂控制。