CN113659606A - 一种适用于新能源mmc-mtdc系统的改进下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于新能源MMC‑MTDC系统的改进下垂控制方法，属于柔性直流输电技术领域，对传统下垂控制进行改进，提出直流电压裕度跟踪下垂控制。该方法以直流电压裕度跟踪为基础，在下垂系数中加入直流电压裕度校正因子，利用直流电压偏差值实时调整换流站运行工作点的直流电压参考值，并利用该参考值实现换流站的直流电压裕度跟踪，实现了换流站之间的协同控制，保证系统在受到功率扰动或换流站故障时直流电压稳定分布及有功功率合理分配。该方法结构简单，抗干扰能力强，不依赖通讯，可防止系统在扰动工况下的直流电压越限，保证系统稳定运行。

Description

一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法。

背景技术

随着全球能源危机的凸显和环境问题的不断恶化，世界各国已经开始由传统化石能源向绿色可再生能源过渡。发展可再生能源已成为许多国家积极应对气候变化的核心内容和推进能源转型的重要战略途径。

柔性直流输电技术(Voltage-Sourced Converter Based HVDC,VSC-HVDC)可控性强，功率潮流翻转迅速，不受距离限制，无需交流侧提供换相电流。在远距离传输时可实现送端与受端的解耦，减小新能源并网对输电系统的影响。因此，柔性直流输电技术成为新能源接入电网的理想传输方式，其中基于MMC的柔性直流输电技术应用更加广泛。

传统电压下垂控制的思想类似于交流系统的P-f下垂控制特性。换流站采用下垂控制策略时，直流电压和有功功率之间的关系可以简单的用一条直线来表示，利用这一线性关系对电压和功率进行自动平衡调节，保持MMC-MTDC系统的直流电压稳定。通过下垂系数可以确定定直流电压控制和定有功功率控制在换流站控制中所占比例，当并网功率处于连续剧烈波动时，换流站检测到系统直流电压发生波动，按照一定的规律调整其输出功率的大小使系统达到新的平衡。但传统下垂控制策略存在局限性，即无论换流站剩余直流电压裕度有多大，换流站只能按照其初始预设比例承担不平衡功率或直流电压偏差，导致部分换流站接近直流电压极限运行，对新能源的波动失去调节能力。而且单一的下垂系数很难适应复杂的功率波动工况，无法对潮流变化做出灵活响应，造成直流电压严重偏差。若换流站在偏离额定直流电压的状态下工作，将对换流站设备的安全性和可靠性产生不利影响，进而影响MMC-MTDC系统的运行稳定性。现有下垂控制的改进方法主要集中于两个方面，包括对换流站有功功率-电压曲线的改进设计以及从功率裕度角度对下垂系数进行改进。依据上述两个方面所提出的改进下垂控制都实现了系统在受到扰动时的稳定运行，但是忽略了直流电压偏差在系统中的重要作用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种适用于新能源MMC(模块化多电平换流器)-MTDC系统(多端柔性直流输电系统)的改进下垂控制方法，在传统下垂系数中加入直流电压裕度校正因子，通过直流电压偏差值实时调整换流站运行工作点的直流电压参考值，并利用该参考值实现换流站的直流电压裕度跟踪，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，设共有n个换流站，其中采用下垂控制的换流站有m个，其余n-m个换流站采用定有功功率控制，其中m<n；

在MMC-MTDC系统正常运行的情况下，采用下垂控制的m个换流站在其参考点(P_ref,_I,U_ref,_I)运行，P_ref,_I和U_ref,_I分别为其有功功率参考值和直流电压参考值；

当MMC-MTDC系统受到扰动时，采用下垂控制的换流站将按其下垂控制系数的比例承担有功功率冗余与直流电压偏差，并自动移动到新的工作点(P_x,i，U_x,i)，P_x,i和U_x,i分别为m个采用下垂控制换流站的实时有功功率和实时直流电压；

包括如下步骤：

S1、系统处于正常运行时，确定采用下垂控制的换流站的直流电压参考值U_ref,_I和有功功率参考值P_ref,I，得到下垂系数k_i与直流电压参考值U_ref,I和有功功率参考值P_ref,I的关系式；

S2、系统处于扰动工况时，计算采用下垂控制的换流站的直流电压裕度M_i；

S3、系统处于扰动工况时，计算采用下垂控制的换流站的直流电压参考值U_re,I；

S4、根据S2和S3求解得到的直流电压裕度M_i和直流电压参考值U_re,I进一步求解得到直流电压裕度校正因子ζ_i；

S5、根据S4求解得到的直流电压裕度校正因子ζ_i对固定下垂系数k_i进行修正，得到改进后的下垂系数k_i′；

S6、利用改进后的下垂系数k_i′更新直流电压裕度M_i跟踪下垂控制，通过直流电压裕度M_i实时跟踪系统直流电压U_x,i。

进一步地，在S1中，下垂系数k_i与换流站直流电压参考值和有功功率参考值的关系式为：

U_x,i＝-k_i(P_x,i-P_ref,I)+U_ref,I； (1)

进一步地，在S2中，直流电压裕度M_i为：

M_i＝ψ_i-(U_x，i-U_dcn，i)； (2)

其中，ψ_i为电压裕度限幅系数，ψ_i为换流站额定电压的5％～10％；U_dcn,i为换流站的额定电压；U_x,i-U_dcn,i表示换流站的直流电压偏差。

进一步地，在S3中，系统处于扰动工况时，直流电压参考值U_re,I为：

U_re,I＝U_dcn,i-(M_i/λ_i)； (3)

直流电压参考值U_re,I随着实时直流电压U_x,i不断变化，其中，λ_i为评价直流电压裕度M_i的参数，λ_i的取值范围是：0.05≤λ_i≤0.1；

由式(2)和式(3)可以得出，当换流站的实时直流电压U_x,i接近额定电压U_dcn,i时，直流电压裕度M_i持续增大，则直流电压参考值U_re,I减小以防止电压越过额定电压U_dcn,i；当实时直流电压U_x,i等于额定电压U_dcn,i时，通过调节λ_i使直流电压参考值U_re,I等于额定电压U_dcn,i，即U_re,I＝U_dcn,i。

进一步地，在S4中，直流电压裕度校正因子ζ_i为：

其中，0≤ζ_i≤1；

为换流站直流电压裕度上限值，表示换流站直流电压所能达到的最大值，通常情况下电压正负波动值不超过额定电压的10％；

由式(4)可知，系统利用计算得到的新的直流电压参考值U_re,I与直流电压裕度上限值

来实时跟踪换流站直流电压，以实现直流电压裕度跟踪控制。

进一步地，在S5中，改进后的下垂系数k_i′为：

由式(5)可知，当实时直流电压U_x,i越接近换流站直流电压裕度上限值

时，电压裕度校正因子ζ_i逐渐增大，下垂系数k_i′随之减小，换流站承担的不平衡功率增大；当

时，电压裕度校正因子ζ_i增大至1，下垂系数k_i′达到最小，换流站相当于处于定有功功率控制模式，能够合理分配扰动时的系统有功功率冗余。

进一步地，在S6中，将式(5)和式(3)代入式(1)，得到：

上式表明m个采用改进下垂控制的换流站实时直流电压U_x,i和实时有功功率P_x,i之间的关系呈二次分布，不再是线性的；由上式可以得到，随着实时直流电压的增大，电压裕度校正因子也随之增大，使得下垂系数由固定常量转换为变量，实现了对换流站直流电压裕度的跟踪控制。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明在传统下垂控制的基础上加入直流电压裕度校正因子，利用直流电压偏差值实时调整换流器运行工作点的直流电压参考值，再利用该参考值来实现跟踪直流电压，实现换流站的直流电压裕度跟踪，使换流站直流电压在接近电压裕度上限时自动减小。同时改进的下垂系数使得采用下垂控制的换流站能够有效承担系统扰动下的有功功率冗余，可以根据其实际可用的直流电压裕度实现系统换流站之间的协同控制，保障系统稳定运行。

(2)当系统由于功率波动或换流站故障而引起直流电压偏差过大与有功功率冗余时，在改进下垂控制的作用下换流站之间进行自适应调整，达到系统新的稳态运行点，保证换流站在受到功率扰动或者换流站故障时的直流电压稳定分布及有功功率合理分配。

附图说明

图1是本发明一种实施例的四端新能源MMC-MTDC系统图；

图2是本发明一种实施例的直流电压裕度跟踪下垂控制器结构图；

图3是本发明一种实施例的基于直流电压裕度跟踪下垂控制流程图；

图4是本发明一种实施例的直流电压裕度跟踪下垂控制运行特性图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，MTDC系统为四端新能源MTDC系统，共有4个换流站，其中采用下垂控制的换流站有2个，其余2个换流站采用定有功功率控制。系统构成主要包括：风电场与交流系统电压u_sn，其中，n＝1、2、3、4表示换流站的端数；MMC交流侧电感L_n；换流站入口处电压V_n；直流线路的电阻和电感分别为R_dln、L_dln；换流站交流侧电流I_sn；系统交流侧等效电阻R_n；MTDC系统换流站间协调控制方法主要包括主从控制、直流电压裕度控制以及下垂控制；本发明从下垂控制出发，利用直流电压裕度跟踪法对传统下垂控制进行改进。

如图2所示，本发明的控制原理为：首先确定系统稳定运行时的直流电压参考值U_ref,I与额定值U_dcn,i以及有功功率参考值P_ref,I；然后计算系统直流电压裕度M_i，并通过直流电压裕度M_i与系统额定电压U_dcn,i得到系统扰动工况下的直流电压参考值U_re,I；再利用得到的直流电压裕度M_i与其参考值U_re,I，并加入直流电压裕度校正因子ζ_i对下垂系数进行修正，得到改进的下垂控制系数k_i′。最后利用改进下垂系数k_i′更新直流电压裕度跟踪下垂控制，通过直流电压裕度跟踪控制实时跟踪系统直流电压。换流站对实时直流电压进行测量，并基于下垂特性调整功率的指令值，同时进行功率分配，调整后的功率反作用于直流电压以维持电压稳定；该方法通过在下垂系数中加入直流电压裕度校正因子，综合新能源出力波动、换流站故障等直流电压影响因素，结合系统直流电压偏差，利用直流电压偏差值实时调整换流站运行工作点的直流电压参考值，使系统直流电压在接近电压裕度上限时自动减小防止电压越限；图2中k_p+k_i/s表示PI控制器，k_p为比例系数，k_i为积分系数；i_dmax和i_dmin分别表示电流限幅环节的上限值与下限值；该改进下垂控制器的输入值是直流电压与有功功率的参考值以及实际值，输出值为换流器内环电流控制器的d轴电流参考值；通过有功电流参考值i_dref来实现对换流站的控制，达到保证系统稳定运行的目的。

如图3所示，具体实施步骤如下：

一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，设共有4个换流站，其中采用下垂控制的换流站有2个，其余2个换流站采用定有功功率控制；

在MMC-MTDC系统正常运行的情况下，采用下垂控制的2个换流站在其参考点(P_ref,_I,U_ref,_I)运行，P_ref,_I、U_ref,_I分别为其有功功率参考值和直流电压参考值；

当MMC-MTDC系统受到扰动时，采用下垂控制的换流站将按其下垂控制系数的比例承担有功功率冗余与直流电压偏差，并自动移动到新的工作点(P_x,i，U_x,i)，P_x,i、U_x,i分别为m个采用下垂控制换流站的实时有功功率和实时直流电压；

S1、系统处于正常运行时，确定采用下垂控制的换流站的直流电压参考值U_ref,_I和有功功率参考值P_ref,I，得到下垂系数k_i与直流电压参考值U_ref,I和有功功率参考值P_ref,I的关系式：

U_x,i＝-k_i(P_x,i-P_ref,I)+U_ref,I； (1)

S2、系统处于扰动工况时，计算采用下垂控制的换流站的直流电压裕度M_i；

直流电压偏差是评价多端MTDC系统性能的一个重要指标，通常情况下，直流电压裕度M_i由电压裕度限幅系数与换流站实时直流电压及直流电压额定值得到：

M_i＝ψ_i-(U_x，i-U_dcn，i)； (2)

其中，ψ_i为电压裕度限幅系数，ψ_i为换流站额定电压的5％～10％；U_dcn,i为换流站的额定电压；U_x,i-U_dcn,i表示换流站的直流电压偏差；

S3、系统处于扰动工况时，计算采用下垂控制的换流站的直流电压参考值U_re,I；

为了实现电压不越限，换流站直流电压参考值U_re,I由系统直流电压额定值U_dcn,i与直流电压裕度M_i决定：

U_re,I＝U_dcn,i-(M_i/λ_i)； (3)

直流电压参考值U_re,I随着实时直流电压U_x,i不断变化，其中，λ_i为评价直流电压裕度M_i的参数，λ_i的取值范围是：0.05≤λ_i≤0.1；

由式(2)和(3)可以得出，当换流站的实时直流电压U_x,i接近额定电压U_dcn,i时，直流电压裕度M_i持续增大，则直流电压参考值U_re,I减小以防止电压越过额定电压U_dcn,i；当实时直流电压U_x,i等于额定电压U_dcn,i时，通过调节λ_i使直流电压参考值U_re,I等于额定电压U_dcn,i，即U_re,I＝U_dcn,i；

S4、根据S2和S3求解得到的直流电压裕度M_i和直流电压参考值U_re,I进一步求解得到直流电压裕度校正因子ζ_i；

下垂系数可以明确定直流电压控制和定有功功率控制在系统控制中所占的比例，下垂系数越小时对直流电压的控制能力越弱，但对功率的控制能力越强，利用S2和S3所得的直流电压裕度M_i和直流电压参考值U_re,I进一步得到直流电压裕度校正因子ζ_i：

其中，0≤ζ_i≤1；

为换流站直流电压裕度上限值，表示换流站直流电压所能达到的最大值，通常情况下电压正负波动值不超过额定电压的10％；由于系统换流站退出运行与功率波动时，换流站由于注入有功功率过剩，导致直流电压上升，因此本发明只考虑直流电压增大的情况，其能达到的最大值为直流电压裕度上限值；由式(4)可知，系统利用计算得到的新的直流电压参考值U_re,I与直流电压裕度上限值

来实时跟踪换流站直流电压，以实现直流电压裕度跟踪控制；

S5、根据S4求解得到的直流电压裕度校正因子ζ_i对固定下垂系数k_i进行修正，得到改进后的下垂系数k_i′：

由式(5)可知，当实时直流电压U_x,i越接近换流站直流电压裕度上限值

时，电压裕度校正因子ζ_i逐渐增大，下垂系数k_i′随之减小，换流站承担的不平衡功率增大；当

时，电压裕度校正因子ζ_i增大至1，下垂系数k_i′达到最小，换流站相当于处于定有功功率控制模式，能够合理分配扰动时的系统有功功率冗余；

S6、利用改进后的下垂系数k_i′更新直流电压裕度M_i跟踪下垂控制，通过直流电压裕度M_i实时跟踪系统直流电压U_x,i；

将改进后的下垂系数k_i′和直流电压参考值U_re,I代入到式(1)中，则提出的直流电压裕度M_i跟踪下垂控制由下式给出：

改进后的下垂控制器结构如图3所示，将传统下垂控制的下垂系数k_i用改进的下垂系数k_i′更新，使得下垂系数由固定常量转换为变量，实现了对换流站直流电压裕度M_i的跟踪控制；

由上式可以得到，随着实时直流电压U_x,i的增大，直流电压裕度校正因子ζ_i也随之增大，当实际直流电压U_x,i接近直流电压裕度的上限值

时，直流电压裕度校正因子ζ_i不断增大，则直流电压参考值U_re,I进行自我调节以防止直流电压越限，维持换流站直流电压稳定；同时随着直流电压裕度校正因子ζ_i逐渐增大，改进下垂系数k_i′随之减小，换流站承担的不平衡功率增大，换流站相当于处于定有功功率控制模式，将换流站冗余有功功率进行合理分配；改进电压下垂控制运行特性图如图4所示，

及

分别表示系统扰动时换流站直流电压和有功功率能达到的最大值与最小值，同时由S6与特性图表明m个采用改进下垂控制的换流站实时直流电压U_x,i和实时有功功率P_x,i之间的关系呈二次分布，不再是线性的；实时直流电压U_x,i越接近系统直流电压裕度上限值

换流站根据其实际直流电压裕度进行自适应调节，实现换流站之间的协同控制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，设共有n个换流站，其中采用下垂控制的换流站有m个，其余n-m个换流站采用定有功功率控制，其中m＜n；

在MMC-MTDC系统正常运行的情况下，采用下垂控制的m个换流站在其参考点(P_ref，I，U_ref，I)运行，P_ref，I和U_ref，I分别为其有功功率参考值和直流电压参考值；

当MMC-MTDC系统受到扰动时，采用下垂控制的换流站将按其下垂控制系数的比例承担有功功率冗余与直流电压偏差，并自动移动到新的工作点(P_x，i，U_x，i)，P_x，i和U_x，i分别为m个采用下垂控制换流站的实时有功功率和实时直流电压；

包括如下步骤：

S1、系统处于正常运行时，确定采用下垂控制的换流站的直流电压参考值U_ref，I和有功功率参考值P_ref，I，得到下垂系数k_i与直流电压参考值U_ref，I和有功功率参考值P_ref，I的关系式；

S2、系统处于扰动工况时，计算采用下垂控制的换流站的直流电压裕度M_i；

S3、系统处于扰动工况时，计算采用下垂控制的换流站的直流电压参考值U_re，I；

S4、根据S2和S3求解得到的直流电压裕度M_i和直流电压参考值U_re，I进一步求解得到直流电压裕度校正因子ζ_i；

S5、根据S4求解得到的直流电压裕度校正因子ζ_i对固定下垂系数k_i进行修正，得到改进后的下垂系数k_i′；

S6、利用改进后的下垂系数k_i′更新直流电压裕度M_i跟踪下垂控制，通过直流电压裕度M_i实时跟踪系统直流电压U_x，i。

2.根据权利要求1所述的一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，在所述S1中，下垂系数k_i与换流站直流电压参考值和有功功率参考值的关系式为：

U_x，i＝-k_i(P_x，i-P_ref，I)+U_ref，I； (1)。

3.根据权利要求1所述的一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，在所述S2中，直流电压裕度M_i为：

M_i＝ψ_i-(U_x，i-U_dcn，i)； (2)

其中，ψ_i为电压裕度限幅系数，ψ_i为换流站额定电压的5％～10％；U_dcn，i为换流站的额定电压；U_x，i-U_dcn，i表示换流站的直流电压偏差。

4.根据权利要求3所述的一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，在所述S3中，系统处于扰动工况时，直流电压参考值U_re,I为：

U_re,I＝U_dcn,i-(M_i/λ_i)； （3）

所述直流电压参考值U_re,I随着实时直流电压U_x,i不断变化，其中，λ_i为评价直流电压裕度M_i的参数，λ_i的取值范围是：0.05≤λ_i≤0.1；

由式（3）可以得出，当换流站的实时直流电压U_x,i接近额定电压U_dcn,i时，直流电压裕度M_i持续增大，则直流电压参考值U_re,I减小以防止电压越过额定电压U_dcn,i；当实时直流电压U_x,i等于额定电压U_dcn,i时，通过调节λ_i使直流电压参考值U_re,I等于额定电压U_dcn,i，即U_re,I=U_dcn,i。

5.根据权利要求4所述的一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，在所述S4中，直流电压裕度校正因子ζ_i为：

其中，0≤ζ_i≤1；

为换流站直流电压裕度上限值，表示换流站直流电压所能达到的最大值，通常情况下电压正负波动值不超过额定电压的10%；

由式（4）可知，系统利用计算得到的新的直流电压参考值U_re,I与直流电压裕度上限值

来实时跟踪换流站直流电压，以实现直流电压裕度跟踪控制。

6.根据权利要求5所述的一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，在所述S5中，改进后的下垂系数k_i′为：

由式（5）可知，当实时直流电压U_x,i越接近换流站直流电压裕度上限值

时，电压裕度校正因子ζ_i逐渐增大，下垂系数k_i′随之减小，换流站承担的不平衡功率增大；当

时，电压裕度校正因子ζ_i增大至1，下垂系数k_i′达到最小，换流站相当于处于定有功功率控制模式，能够合理分配扰动时的系统有功功率冗余。

7.根据权利要求6所述的一种适用于新能源MMC-MTDC系统的改进下垂控制方法，其特征在于，在所述S6中，将式（5）和式（3）代入式（1），得到：

上式表明m个采用改进下垂控制的换流站实时直流电压U_x,i和实时有功功率P_x,i之间的关系呈二次分布，不再是线性的；由上式可以得到，随着实时直流电压的增大，电压裕度校正因子也随之增大，使得下垂系数由固定常量转换为变量，实现了对换流站直流电压裕度的跟踪控制。

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