多端柔性直流輸配系統控制策略研究

邱大強，邢大鵬

(1.國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042;2.國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 610039)

1 引言

多端柔性直流輸配電系統是指通過將3個及以上的VSC(Voltage Source Converter)換流端口直流側采用并聯或者串聯的方式相互連接而組成的直流輸配電系統，它在運行靈活性、可靠性、經濟性等方面都比雙端系統具有更大優勢。同時隨著電力電子、控制、通信技術快速發展，城市用電快速增長和對電能質量的更高要求以及可再生能源的并網要求，多端直流輸配電系統將逐步成為直流輸配電技術下一步的發展方向，因此只有繼續研究多端直流輸配電系統才能更好的滿足電網的經濟和高效運行［1，2］。

目前多端柔性直流輸配電系統還處于實驗室研究階段，并沒有相關的實際系統運行。與雙端柔性輸配電系統相比較，多端系統的每個換流系統單元內部的配置和結構與雙端系統中端口的基本一致，只是多端系統的換流系統的直流側電容同時與多個換流系統的直流側采用串聯或者并聯的方式相互連接而成。本文將主要研究并聯方式的多端系統控制，該多端系統與雙端系統的工作原理相似，每個端口均可以在有功功率控制方式和無功功率控制方式中各選取一個然后進行組合控制。同時，為了保證整個多端系統的功率平衡，多端系統也需要一個端口作為直流電壓控制，一旦系統中控制直流電壓的端口發生故障，系統應當立即啟動備用端口來進行系統直流電壓的控制，從而保證整個多端系統的正常運行。多端柔性輸配電的控制系統根據系統直流電壓的控制方式可以將其控制策略分為主從控制方式和電壓下降方式兩種:其中主從式控制主要將系統調度層作為多端系統的控制中心，各個換流端口作為輔助控制，每個端口的換流系統的控制指令均由控制中心實時給定。在這種控制方式下，直流電壓和各個端口的功率控制性能都具有很好的剛性，整個系統的運行依靠高速通信和系統調度層的實時控制，一旦通信線路發生故障時，整個系統將無法運行;電壓下降控制方式是基于分散邏輯控制的一種控制方式，首先在多端系統中選擇一個端口作為直流電壓的控制端口，然后再選擇一個備用的直流電壓控制端口，在系統正常運行時，備有端口將工作在有功功率控制模式下并實時檢測系統的直流電壓，這種控制方法因為缺少上層協調控制，多端系統中其他端口在進行功率調整時很容易引起直流電壓控制端口和備用直流電壓控制端口的誤動作，從而在系統中引起故障或者大擾動，很難實現系統的最優控制［3－5］。

針對以上問題，本文提出了將主從控制與電壓跌落控制相結合的方法來控制整個系統的直流電壓和有功平衡。在系統正常運行時，系統將指定一個端口作為直流電壓控制，其他端口工作在有功功率或者是頻率控制方式下。當多端系統不正常時，另一個端口將通過調度指令或是電壓門檻監視模塊啟動進入直流電壓控制模式。論文詳細分析了多端系統的控制原理并利用PSCAD軟件建立了一個四端的模擬系統并對該系統的控制系統進行控制仿真，通過仿真來驗證該控制策略的控制效果。

2 多端柔性輸配電系統控制策略研究

為了保證整個多端系統正常運行，在多端系統中需要選擇一個換流端口來控制整個系統的直流電壓并保證整個多端直流系統的功率平衡，而其他端口則工作在PV節點方式或者PQ節點的方式下。當需要新增加一個端口時，系統只需要將新增端口的直流側與直流母線連接即可。一般情況下應選擇具有較大容量的電源端口作為系統的直流電壓控制端口，同時系統中的電壓控制備用端口也應當選擇具有較強功率調節能力的端口。通過以上分析，本文提出將主從控制方式與電壓下降方式相結合的一種控制方法，其控制結構如圖1所示。

圖1 多端柔性直流輸配電系統直流電壓端口控制示意圖

從圖1的多端系統直流電壓控制示意圖可以看出，當多端直流系統正常運行時，多端系統的每一個換流端口均可以接收來自統一調度的各項指令，根據調度指令確定每個換流站有功運行方式如:直流電壓控制、有功功率控制、頻率控制等。同時多端系統中的每個換流站都有統一的系統緊急故障系統穩定控制處理預案，這種控制方式簡稱“主從控制”。當多端系統中的某一個換流端口出現嚴重故障時，如果該端口為非電壓控制端口，此時多端系統可以根據系統緊急故障時的穩定控制預案適當的調整每個端口傳輸的有功功率，從而保證整個多端系統正常運行。當多端系統中的直流電壓控制端口出現緊急故障時，此時系統的有功功率平衡將被打破，多端系統的直流電壓會出現突變，如果此時再等待調度命令來完成多端系統的協調控制，那么整個多端系統將無法正常運行。本文提出在多端系統中選擇一個端口作為備用直流電壓端口，并對該端口控制器的控制模式進行特殊設計，其設計的控制原理如圖1所示:通過對該端口設置一個最低和最高直流電壓門檻值，在多端系統正常運行時整個直流電壓比較穩定系統電壓不會發生突變，此時備用直流電壓端口將根據調度指令運行在非直流電壓控制方式下;當系統電壓突變的范圍超過了設置的電壓門檻值或者其電壓變化率超過了設立的電壓變化率的門檻值時，備用直流電壓端口將認為多端系統中原來的直流電壓控制端口出現故障，此時該備用系統將立刻切換到直流電壓控制方式下并向系統中的其他端口和調度發出指令和信號，從而實現多端系統的直流電壓控制。采用這種將主從控制方式與電壓下降方式相結合的控制策略，能夠有效的維持多端系統的直流電壓，并且在直流電壓控制器故障時備用系統的直流電壓控制器能夠立刻投入運行，增強了系統的可靠性。

3 換流端口控制器設計

多端換流系統中的換流控制器與雙端系統在的換流控制器功能和結構基本一樣，只是備用直流端口的換流控制有些不同。本文采用直接功率控制方法對換流控制器進行設計，該方法以瞬時功率理論為基礎，實時計算出本端口換流器輸入的有功和無功功率，通過將實際的輸入量與調度下達的期望值進行比較，其差值作為下一個開關周期的輸入量而進行控制。一般情況下，換流系統的開關動作頻率在2kHz左右，因此換流系統的實際輸入值與期望值只差可以忽略。

直接功率控制算法設計的控制器其內環為功率比較環，外環為功率輸入環［6，7］。在多端系統中換流控制系統中，直流電壓控制端口和備用直流電壓控制端口與其他的換流換流端口控制系統結構相似，僅在其外環的有功參考功率輸入處略有不同，如圖2所示。

圖2 多端柔性直流輸配電系統備用直流電壓控制器意圖

如果該端口為直流電壓控制端口，那么該端口的有功功率將切換開關切換至P*，直流電壓控制器設計可參考文獻［8］。如果該控制器用于多端系統中的非直流電壓控制端口時，換流端口的有功功率將由調度下令，那么有功功率切換開關將切換至調度P*，此時如果多端系統中直流電壓控制出現問題時，且該端口為備用直流端口，則該控制器將根據圖1的預定控制策略切換至P*，從而實現多端系統的直流電壓控制。

4 多端系統仿真

為了驗證文中說提出的主從控制模式與電壓下降模式相結合的控制策略在多端柔性直流輸配電控制系統中的有效性，本文利用PSCAD軟件對一個四端的柔性直流輸配電系統進行了模擬仿真，仿真系統的結構如圖3所示。

圖3 四端柔性直流輸配電系統結構圖

在這個仿真系統中每個端口均與有源交流網絡相連接，每一個換流系統均可以向直流側注入或者吸收有功功率，系統的主要參數如表1所示。

表1 多端柔性直流輸配電系統各換流端口參數

為了驗證控制系統的有效性，本文分別做了系統正常運行與系統直流電壓故障的緊急情況下的模擬仿真。在系統正常運行時，各個端口換流系統的運行方式如表2所示。

表2 各端口運行方式

4.1 正常情況下的柔性直流輸配電系統仿真

仿真過程中，端口1計作為直流電壓控制端口，多端系統的直流電壓在0.2s以后進入穩態運行，其額定電壓為3.6kV，其仿真結果如圖4(a)所示;由于系統的直流電壓從0到額定電壓上升速度較快，此時端口1的輸入功率的超調量和波動較大，在0.4s時基本趨于穩定。在0.5s時，端口2向多端系統注入1MW的有功功率，在端口4從多端系統中吸收2MW的有功功率;在0.8s時，端口3向多端系統注入1MW的有功功率;在1s時端口4收到調度命令由原來的2MW調整至2.5MW傳輸功率為0;在1s時，端口3由輸入1MW功率調整至0MW;在1.4s時，端口2由吸收功率1MW調整至想系統注入功率1MW，端口4由吸收系統2.5MW調整至向系統注入功率1.5MW;在1.5s時端口3向系統注入功率1.5MW，系統各端口的功率調整過程如圖4(b)所示。從上面的仿真結果可以看到，在正常情況下任何端口進行傳輸功率的調整，整個系統的功率都是平衡的，系統的直流電壓穩定。從各個端口的仿真電流曲線可以看到每個端口的響應速度快，能夠滿足系統的功率快速調節。

圖4 正常情況下的多端系統仿真結果

4.2 直流電壓故障情況下的柔性直流輸配電系統仿真

在本次系統的仿真過程中，端口2和端口4的功率調整與系統正常情況時的調整一樣。在1s時，多端系統的端口1突然發生故障，端口1換流系統閉鎖，此時整個多端系統直流電壓迅速下降，端口3通過檢測到直流電壓下降率大于系統設定值后便啟動了直流備用電壓控制的策略，整個仿真結果如圖5所示。

圖5 直流電壓故障情況下的多端系統仿真結果

通過對系統正常情況下的主從控制和故障情況下利用電壓下降模式啟動備用直流電壓控制進行仿真，從仿真結果可以看到系統在任何情況下均能夠正常工作，順利完成系統調度的各種指令。

5 結論

本章首先簡單的介紹了多端柔性直流輸配電系統，并與雙端柔性直流輸配電系統進行了簡單的比較，然后針對多端系統中直流電壓控制的難題，提出采用主從控制與電壓跌落控制相結合的一種控制模式。在系統正常運行時，系統采用主從控制模式，而電壓跌落控制功能處于熱備用狀態;當系統直流電壓控制端口發生故障時，備用直流電壓控制端口通過將檢測到的系統直流電壓下降率和系統直流電壓最低/高的門檻值，從而啟動備用端口的直流電壓控制功能。論文通過PSCAD軟件對一個四端口的多端柔性直流輸電系統進行仿真，從仿真結果驗證了控制方案能夠保證多端系統的穩定運行，且能夠使整個多端直流系統在受到大小擾動后迅速恢復正常運行.

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