多端柔性直流輸電(VSC—HVD)系統(tǒng)直流電壓下垂控制

1、 多端柔性直流輸電(VSCHVD)系統(tǒng)直流電壓下垂控制 學 院： 姓 名： 學 號： 組員： 指 導 老 師： 日 期： 摘要： 多端柔性直流輸電系統(tǒng)(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)與傳統(tǒng)的電網(wǎng)換相換流器構成的多端直流輸電系統(tǒng)相比，具有控制靈活、能夠與短路容量較小的弱交流系統(tǒng)甚至無源交流系統(tǒng)相連、擴建容易等諸多優(yōu)點直流電壓的穩(wěn)定直接影響到直流潮流的穩(wěn)定，因此直流電壓控制是多端柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素之一。下垂控制策略具有無需

2、通訊、可靠性較高等優(yōu)點，但存在直流電壓質(zhì)量較差、功率分配不獨立、參數(shù)設計困難等問題。本文首先介紹了多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法的分類比較，然后重點介紹了下垂控制數(shù)學模型，分析MTDC 系統(tǒng)中下垂控制參數(shù)對直流電壓與電流(功率)的影響機理，研究滿足MTDC 系統(tǒng)功率平衡和直流電壓穩(wěn)定的V-I(V-P)下垂特性曲線。 關鍵詞： VSC-MTDC 下垂控制 模塊化多電平換流器1、 引言 基于電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）的高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）技術（HVDC based on VSC，VSC-HVDC

3、，也稱柔性直流輸電技術）系統(tǒng)以其靈活性、經(jīng)濟性和可靠性，在新能源并網(wǎng)、城市直流配電網(wǎng)、孤島供電等領域有著廣泛的應用前景。MTDC 系統(tǒng)接線方式分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等，目前主要采用并聯(lián)式1。并聯(lián)接線的MTDC 系統(tǒng)中所有VSC 工作于相同直流母線電壓下，因此直流電壓控制是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵，類似于交流系統(tǒng)中的頻率控制。 多端柔性直流輸電系統(tǒng)級直流電壓控制策略可以分為三大類，分別是單點直流電壓控制策略、多點直流電壓控制策略以及直流電壓斜率控制策略。單點直流電壓控制策略將一個換流站作為直流電壓控制站，其余換流站負責控制其他的變量，例如交流功率、交流頻率、交流電壓等，系統(tǒng)中僅有一個換流站對直流電壓進行

4、控制，如果這個換流站失去了直流電壓的控制能力，整個柔性直流輸電系統(tǒng)的潮流將失穩(wěn)，因此單點直流電壓控制策略的適用性較差。多點直流電壓控制策略是使直流輸電系統(tǒng)中的多個換流站具備直流電壓控制能力。按照是否需要換流站間通信設備進行分類，多點直流電壓控制策略又可分為主從控制策略和直流電壓偏差控制策略。 主從控制策略是一種需要換流站間通信的控制策略，這種控制方式利用換流站間的通信系統(tǒng)實現(xiàn)了直流電壓的穩(wěn)定，具有控制特性好、直流電壓質(zhì)量高等優(yōu)點，但系統(tǒng)可靠性依賴于換流器控制器與系統(tǒng)控制器之間的高速通訊，這嚴重制約了多端直流輸電尤其是長距離輸電系統(tǒng)可靠性的提高。直流電壓偏差控制策略是一種無需站問通信的控制策略，

5、這種控制策略的實質(zhì)是在定直流電壓站故障退出運行后，后備定直流電壓站能夠檢測到直流電壓的較大偏移并轉(zhuǎn)入定直流電壓運行模式，保證了直流電壓的穩(wěn)定性；同時其設計簡單、可靠性強。 下垂控制策略為多點控制，控制器通過測量本地直流母線電壓對功率分配進行調(diào)節(jié)，因而不依賴于換流站間的高速通訊，系統(tǒng)可靠性較高。2、 多端柔性直流輸電系統(tǒng)的直流電壓控制策略 2.1柔性直流輸電系統(tǒng)概述 總體上來看，目前的多端直流輸電系統(tǒng)接線方式主要有串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型 3 種類型。由于并聯(lián)型多端系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)范圍寬、擴建靈活、易于控制和可靠性高等突出優(yōu)點，成為研究的熱點和應用的重點。本文設計的直流電壓混合控制策略主要是針對并聯(lián)型

6、多端系統(tǒng)。多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制是一個龐大復雜且相互耦合的多輸入、多輸出系統(tǒng)，為滿足系統(tǒng)控制的快速性和高可靠性，一般可以分為系統(tǒng)級控制、換流器級控制、換流閥級控制和子模塊級控制4 層。多端柔性直流輸電分層控制系統(tǒng)框圖如圖 1 所示： 圖 1 中，系統(tǒng)級控制除完成順控功能以外，主要是產(chǎn)生換流器級控制所需的有功及無功功率指令；換流器控制是系統(tǒng)控制的核心，目前電壓源型換流器一般采用直接電流矢量控制策略，最終生成換流閥級控制所需的調(diào)制信號；換流閥級控制主要是根據(jù)調(diào)制波生成功率器件的直接控制信號；子模塊級控制主要完成功率器件的最終觸發(fā)控制。 本文的直流電壓混合控制策略屬于系統(tǒng)級控制，與換流器拓撲方式無

7、關。圖1 多端柔性直流輸電分層控制系統(tǒng)框圖圖1中：圖中 AGC(automatic generation control)為自動發(fā)電控制AVC(automatic voltage control)為自動電壓控制；和分別為換流器交流側相電壓、相電流；為換流器交流側相電壓同步角；，和，分別為換流器交流側相電壓、相電流經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后的 d、q 軸分量；、和 分別為換流器有功功率、無功功率和直流電壓指令； 和分別為換流器實際有功功率、無功功率和直流電壓； 為外環(huán)控制器計算得到的內(nèi)環(huán)電流控制器 d、q 軸電流指令值；為僅電流單閉環(huán)控制時的電流控制器 d、q 軸電流指令值。 2.2控制策略分類比較由于MTD

8、C系統(tǒng)控制中需協(xié)調(diào)控制多個換流站，對于串聯(lián)型MTDC系統(tǒng)，需保持各換流站直流電壓的平衡；對于并聯(lián)型MTDC系統(tǒng)，需保持各換流站直流電流的協(xié)調(diào)分配。選擇適合的運行模式和控制方式是MTDC正常運行的基礎。MTDC的控制模式與換流器類型、系統(tǒng)規(guī)模、運行要求等密切相關，并決定了MTDC的上層協(xié)調(diào)與上層控制器設計。MTDC系統(tǒng)控制最基本的要求是需要滿足-1原則，即任一換流站退出都不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。目前MTDC的控制方式按照直流電壓控制方式主要分為單點直流電壓控制方式和多點直流電壓控制方式，常見的多端直流輸電控制方法分類如圖2所示，其中各方式的優(yōu)缺點對比如表2所示。圖2 MTDC系統(tǒng)控制方式分類圖3

9、各方式的優(yōu)缺點對比 1 主從控制：主從控制器控制方法優(yōu)點是控制簡單，缺點是對換流站間的通信要求較高通信故障后系統(tǒng)難以控制。2 電壓裕度控制：是主從控制的一種擴展，相當于一種改進的具有多個可選擇功率平衡節(jié)點的定直流電壓控制，當一端功率平衡節(jié)點故障或達到系統(tǒng)限制時，電壓調(diào)節(jié)控制由另一換流站接替。電壓裕度控制并用于直流電網(wǎng)，該控制是定直流電壓和定有功電流控制的結合，換流站正常運行在定有功電流控制下，當直流電壓偏差達到電壓裕度的限制后，換流站切換為定直流電壓控制，使直流電壓保持在電壓裕度限制值以內(nèi)，防止直流電壓偏差進一步增大，但該控制方法在主控制器切換時會引起系統(tǒng)振蕩。3 電壓下垂控制：基本思想是基于

10、功率一頻率下垂控制。各換流站通過測量自身功率的大小，基于電壓下垂特性，將功率轉(zhuǎn)換為以輸出電壓為指令的控制信號，再根據(jù)調(diào)整后的功率反作用于輸出電壓信號，達到自我調(diào)節(jié)、自動分配功率的目的。系統(tǒng)中各個換流站共同承擔功率平衡，通過調(diào)節(jié)直流電壓來控制功率的大小。因為下垂控制中多個換流站共同參與功率的平衡和直流電壓的調(diào)節(jié)，因此，其相對于主從控制具有更高的可靠性，且不會造成電壓振蕩。 當某一個換流站發(fā)生故障停運時，系統(tǒng)剩余部分通過調(diào)整各個換流站功率分配和直流電壓參考值，仍能維持直流網(wǎng)絡電壓相對穩(wěn)定。直流電壓下垂控制策略根據(jù)控制量的不同，分為電流特性(V-I)和功率特性(V-P)，其中電流特性下垂控制的MTD

11、C 系統(tǒng)中，直流電容的充放電基于線性的電壓電流關系，具有直觀的物理含義；而在功率特性下垂控制中，受控量為有功功率，直流電容的充放電為非線性關系(雙曲線)，系統(tǒng)的功率傳輸特性更為直觀。合理設計下垂系數(shù)是MTDC 系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行的前提。在傳統(tǒng)下垂控制基礎上，增加上層系統(tǒng)控制器，求解各換流器直流電壓和有功功率參考值的最優(yōu)解，以提高系統(tǒng)的運行效率和動態(tài)性能；但這類方法依賴于換流站與上層系統(tǒng)控制器間的高速通訊，降低了系統(tǒng)可靠性。通過引入公共直流參考電壓提高了系統(tǒng)動態(tài)響應速度。傳統(tǒng)下垂控制策略中，下垂特性曲線為正比例函數(shù)，直流電壓質(zhì)量與功率分配特性是一對相互制約的因素：若下垂斜率較小，則直流電壓剛性較

12、好，但功率分配特性較差；若下垂斜率較大，則功率分配特性好，但直流電壓對傳輸功率變化敏感，系統(tǒng)電壓偏差較大。此外，所有參與下垂控制的換流站均需要根據(jù)各自的設計容量、運行工況等條件預先設定各自的下垂系數(shù)，應用于大規(guī)模MTDC 系統(tǒng)時控制器參數(shù)設計難度較大。而采用固定下垂系數(shù)的MTDC 系統(tǒng)在復雜工況下的靈活性和經(jīng)濟性也會降低。 4 分段下垂控制：結合了電壓裕度控制和下垂控制的優(yōu)點，以兩階分段下垂控制為例，改進的電壓-功率下垂控制，在下垂控制中增加兩條線段，同時在有功和直流電壓控制的切換過程中加入滯環(huán)控制，避免模式之間的頻繁切換。 3、 MTDC 系統(tǒng)結構 3.1換流器電路拓撲模塊化多電平換流器(m

13、odular multilevelconverter，MMC)是近年來應用于HVDC 和MTDC的VSC 熱門拓撲之一。圖4 為MMC的主電路拓撲，每橋臂由n 個功率模塊(sub-module，SM)和橋臂電感 組成，上下兩個橋臂構成一個相元。為MMC 交流輸出電壓；為直流電壓；N、P 為直流母線連接點圖4 MMC 電路拓撲 要關注其外特性，采用簡化等效模型對MMC 的電氣特性進行分析。MMC 在交流側等效為受控電壓源，直流側等效為受控電流源，如圖5圖5 MMC直流側簡化模型3.2 MTDC 系統(tǒng)拓撲結構 以連接海上風力發(fā)電場的MTDC 系統(tǒng)為例，其拓撲結構主要取決于海上風電場的地理位置、岸上

14、交流電網(wǎng)的連接點以及海底電纜的分布。一種典型的連接海上風電場MTDC 系統(tǒng)拓撲結構如圖6(a)所示。系統(tǒng)由n 個風機側換流站(wind farmconverters，WFCs)，m 個網(wǎng)側換流站(grid sideconverters，GSCs)以及直流網(wǎng)絡構成。此外，通常還以增加直流連接線的方式將已有HVDC 系統(tǒng)拓展為MTDC 系統(tǒng)，如圖6(b)。 圖6 連接海上風電場的MTDC 系統(tǒng)拓撲3.3 MTDC 系統(tǒng)模型直流電壓下垂控制 直流電壓下垂控制通過檢測直流電壓與設定參考值的差值控制輸入直流網(wǎng)絡的有功功率，實現(xiàn)功率平衡和電壓穩(wěn)定。本文以V-I 特性下垂控制為例進行分析，采用V-P 特性下

15、垂控制可用類似方法分析。對下垂控制節(jié)點，下垂系數(shù)為，設定運行參考點的直流電壓、電流和功率，滿足。以電流流出直流網(wǎng)絡為正方向，直流電壓與直流電流 關系: 有功功率P 與直流電壓 的關系為： 由式(1)、(2)可得，多端系統(tǒng)的直流電壓控制和功率分配特性取決于下垂系數(shù)，亦或V-I 特性曲線的斜率。設計良好的下垂系數(shù)能夠使多端系統(tǒng)穩(wěn)定運行；當傳輸功率變化或某一換流站檢修或故障停運時，系統(tǒng)能夠從當前運行點平穩(wěn)過渡于新的穩(wěn)態(tài)運行點。3.2.2 MTDC 下垂控制模型 對圖6(a)所示MTDC 系統(tǒng)進行建模。系統(tǒng)正常運行時，WFCs 將有功功率實時輸入直流網(wǎng)絡，稱作輸入節(jié)點；GSCs 承擔直流電壓控制和功率

16、分配，稱作輸出節(jié)點。利用p 型等效電路對直流電纜建模，支路阻抗簡化為電阻。對圖7 所示輸入輸出節(jié)點與直流網(wǎng)絡模型，列寫電壓電流方程： 圖7 MTDC 系統(tǒng)直流網(wǎng)絡模型1） 輸入節(jié)點模型。 式中： 和分別為輸入節(jié)點i 和j 的直流電壓；、和、分別為輸入節(jié)點i、j 連接支路的直流電流和線路阻抗；分別為輸出節(jié)點k 對應的直流電壓測量值、直流電壓參考值、線路阻抗和下垂系數(shù)，如圖7(a)所示。2） 輸出節(jié)點模型。 式中：分別為輸入節(jié)點k 的直流電壓、連接支路的直流電流和線路阻抗；、和、分別為輸出節(jié)點i、j 的直流電壓參考值、連接支路的直流電流、線路阻抗和下垂系數(shù)，如圖7(b)所示。當節(jié)點i 與節(jié)點j 直

17、流電壓參考值相等，即 時，等效為支路并聯(lián)：3）直流網(wǎng)絡模型。當m 個輸出節(jié)點直流電壓參考值相等，由式(3)(5)可得圖7(c） 式中： 其中輸出節(jié)點： 式中：為節(jié)點直流電壓； 為支路直流電流；為支路線路阻抗；i i=1,2,., n+m；為m 個采用下垂控制的輸出節(jié)點下垂系數(shù)，其直流電壓參考值均為u0；j=n+1, n+2,., n+m；為中間連接支路線路阻抗；如圖7(c)所示。式(6)、(7)構成的MTDC 系統(tǒng)數(shù)學模型可以簡化等效為兩端HVDC 系統(tǒng)。對圖6(d)所示增加直流連接線擴展而來的MTDC 系統(tǒng)，采用類似的方法可得其下垂控制等效模型為： 式中：為節(jié)點直流電壓；為支路直流電流；為支

18、路線路阻抗i=1,2,3,4；為采用下垂控制節(jié)點的下垂系數(shù)，其直流電壓參考值為；j=3,4；為直流連接線線路阻抗；如圖7(d)所示。式(6)(8)為MTDC 系統(tǒng)節(jié)點電壓與輸入電流方程構成的下垂控制數(shù)學模型。包含復雜直流網(wǎng)絡的大規(guī)模MTDC 系統(tǒng)可由上述模型拓展而得。3.4 直流電壓自適應下垂控制策略3.4.1系統(tǒng)描述 對圖8所示MMC-MTDC 系統(tǒng)，問題描述如下： 圖8 MTDC 系統(tǒng)下垂控制策略 其中表示n個輸入節(jié)點和m 個輸出節(jié)點的直流電壓和電流；G為MTDC 直流網(wǎng)絡導納矩陣；表示下垂控制的MMC 換流站(輸出節(jié)點)V-I 特性曲線。3.4.2 約束條件 MTDC 下垂控制策略的約束

19、條件包括：直流電壓、直流電流、換流器容量等。以額定直流電壓、額定直流電流為基值，采用標幺制表示，如圖9所示。圖9 下垂控制約束條件 1）直流電壓等級。主要由換流器拓撲、開關器件和直流電纜的耐壓等級等決定。MTDC 系統(tǒng)直流電壓偏差通常限定在 ±10%以內(nèi)。在V-I 特性曲線中，電壓限制表現(xiàn)為雙橫線。 2）換流器容量。主要由換流器拓撲和開關器件額定電流決定。在V-I 特性曲線中，容量限制表現(xiàn)為雙曲線。 3）直流電流限制與直流電纜最大電流、開關器件額定電流等有關。在V-I 特性曲線中，電流限制表現(xiàn)為雙豎線。 3.4.3 自適應下垂控制在滿足上述約束條件情況下，當MTDC 系統(tǒng)中所有VSC

20、 的V-I 特性曲線滿足為連續(xù)且單調(diào)遞增函數(shù)時，即能維持系統(tǒng)功率平衡： 傳統(tǒng)下垂控制策略中，所有換流站下垂系數(shù)均為預先單獨設定。其中第k 個換流站： 式中：、 為換流站k 的直流電壓實際值和參考值；、為換流站k 的直流電流實際值和參考值。當傳輸功率波動或直流網(wǎng)絡拓撲變化(例如換流站停運退出等)時，傳統(tǒng)下垂控制有直流電壓質(zhì)量低、功率分配不獨立等缺點，影響系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、靈活性。針對上述問題，提出一種改進的自適應下垂控制策略。通過測量本地電氣量，引入功率影響因子：式中Pm,k 為換流站k 的設計額定容量。則換流站k的V-I 特性曲線為將式(14)代入式(15)可得： 由式(15)、(16)可得，

21、功率影響因子對V-I 特性曲線斜率的影響與直流電流成正比。換流站k 直流母線電壓偏差值與直流電流成拋物線關系。通常設定MTDC 系統(tǒng)運行參考點為：傳輸功率為零時，直流母線電壓為系統(tǒng)額定電壓；即， 為額定直流母線電壓。因此，由傳輸功率變化引起的直流電壓偏差與直流電流的二次方成正比。與傳統(tǒng)下垂控制的直流電壓偏差值 Du'k 相比：同時，換流站直流電流滿足： (19)代入式(18)有： 由式(19)、(20)可得，與傳統(tǒng)下垂控制策略相比，采用本文提出的自適應下垂控制策略的MTDC 系統(tǒng)，直流電壓偏差較小。對式(17)求導可得，直流電壓對輸入電流的變化率為分析在不同工況下的系統(tǒng)運行特性。1）

22、工況1，換流站有功功率較低，直流電流 。下垂系數(shù)滿足： 此時自適應下垂控制側重于直流電壓調(diào)節(jié)，實際直流電壓相對額定直流電壓偏差較小。2） 工況2，換流站有功功率較高，接近額定容量，直流電流。下垂系數(shù)滿足： 此時自適應下垂控制側重于功率分配以避免MMC 換流站功率超限或橋臂電流過流，功率分配特性較好。由上述分析可得，本文提出的自適應下垂控制策略，能夠減小傳輸功率變化造成的直流電壓偏差，同時在不增加通訊的情況下適用于各種工況并提高系統(tǒng)運行特性?？刂破髟O計如圖7 所示。自適應下垂控制檢測換流站當前運行狀態(tài)，通過功率影響因子對下垂系數(shù)實時修正，實現(xiàn)V-I 特性曲線的閉環(huán)控制。其中外環(huán)采用自適應下垂控制

23、，內(nèi)環(huán)采用傳統(tǒng)dq 軸電流解耦控制?？刂仆猸h(huán)根據(jù)測量本地直流電壓和直流電流，在自適應下垂控制作用下計算相應的d 軸電流參考值；根據(jù)無功功率測量值Q 和參考值，在PI 調(diào)節(jié)器作用下計算相應的q 軸電流參考值。在電流內(nèi)環(huán)作用下，生成MMC 三相參考電壓、，經(jīng)過均壓和調(diào)制環(huán)節(jié)，產(chǎn)生換流器中開關器件IGBT 觸發(fā)脈沖。圖7中，、分別為直流電流和直流電壓；、分別為交流電網(wǎng)三相電流和三相電壓；q 為鎖相環(huán)(phase lock loop，PLL)輸出的相位角；交流電網(wǎng)三相電壓 和三相電流 分別進行dq 變換后得到、。圖10 MMC 換流站自適應下垂控制策略4、 總結 本文分析了MMC-MTDC 系統(tǒng)的數(shù)學

24、模型，推導了多端系統(tǒng)在各種典型直流網(wǎng)絡拓撲下，采用下垂控制算法的節(jié)點直流電壓和電流(功率)的關系解析式。直流電壓控制是MTDC 系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素之一，系統(tǒng)電壓質(zhì)量與下垂控制參數(shù)的選擇密切相關。分析下垂控制約束條件，當傳輸功率較低時，系統(tǒng)側重于維持直流電壓穩(wěn)定以提高電壓質(zhì)量；當傳輸功率較高時，系統(tǒng)側重于功率分配，避免換流站容量超限和過流。 1）傳輸功率變化時，直流電壓質(zhì)量較高。在相同的最大直流電壓偏差限制條件下(不超過額定電壓)，自適應下垂控制的直流電壓偏差較小。 2）控制器參數(shù)設計簡化。只需設定每個換流站的直流電壓偏差上下限，降低了系統(tǒng)設計復雜度，尤其適用于大規(guī)模MTDC 系統(tǒng)。 3）無

25、需上層控制器與換流站的高速通訊，有利于提高MTDC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。5、 感謝 首先感謝任課老師對我仿真的指導與幫助，然后感謝我的導師對我的指導與關懷，還要感謝在這門課程學習過程中給過我無私幫助的其他同學。 這篇報告是我對新型輸電這門課學習的一個總結，通過對這門課的學習，我獲益良多，不僅學習到了與專業(yè)，研究生研究課題相關的知識，還鍛煉了對知識檢索，整理的能力。老師的教課方式輕松，上課能全面了解新型輸電這門課；課后布置講課PPT很用心，會對每個同學的選題進行指導，課上講完PPT還會進行提問，對于最后結課報告的內(nèi)容給出專業(yè)的意見。對于結課作業(yè)也是需要先給老師初期審查，經(jīng)過修改，最后完成作業(yè)?？傊?，老師是一位嚴肅，認真，對學生學習很負責的老師。 通過課上以及課下讓我全面了解新型輸電系統(tǒng)的內(nèi)容，針對自己感興趣和不懂的知識，在課后通過查閱文獻資料，最終選擇講解為的內(nèi)容為多端柔性直流輸電(VSCHVD)系統(tǒng)直流電壓偏差斜率控制，經(jīng)過幾次修改，最終由我做講解的PPT,雖然前期PPT的內(nèi)容主要是直流電壓偏差斜率控制的內(nèi)容。但我選擇了多端柔性直流系統(tǒng)電壓下垂控制這方面來寫，主要是因為通