直流电网潮流分级分区控制方法_谢竹君

1960
中
国
电
机
工
程
学
报
Vdc_pu V1 Vref_pu V2 Vdc_pu V1 Vhigh Vlow V2 整流 逆变 Plim2 Pdc_pu Plim1 Pref_pu0
第 36 卷
提高了多端直流输电系统整体的功率调节能力，但 其直流电压控制质量差，各换流器无法精确跟踪其 有功功率指令值。 文献[9]提出将定电压控制与电压 下垂控制相结合， 提高了运行的灵活性， 但功率和电 压控制仍不够精准。文献[10-11]探讨了将主从与电 压下垂控制用于海上风场直流组网的送出，但并没 有给出在风场功率波动时的适应控制方法。为达到 VSC-MTDC 所需的稳控条件，需要一种能兼顾稳态 误差、 稳定性和多工况适应性的系统级控制方法
而不能有效调节线路上的潮
流，需要引入额外的直流潮流控制装置(DC power flow control device， DCPFC)实现对直流电网内每条 线路潮流的有效控制[19]。 而对于较大规模的直流电 网，功率波动或故障时的适应性控制无法瞬时完 成，需要划分运行区域并按照一定的时序进行自动 调整[20-21]。 为继承下垂控制在系统发生扰动时优异的动 态响应特性并消除下垂控制存在的稳态功率跟踪 偏差，本文提出一种利用集控中心的上层潮流计算 程序修正下垂控制直流电压参考指令值的改进型 换流站潮流控制方法。当直流电网包含潮流控制装 置时，为了精确获得直流电压参考指令值，研究含 潮流控制装置的统一潮流计算方法。当不存在集控 中心时，为了仍达到改进型换流站潮流控制方法的 类似性能，进一步提出利用本地控制修正下垂控制 电压参考指令值的积差控制方法。大型直流电网可 能由多个区域直流子网通过直流联络线互联而成， 为了将本区内的功率扰动限制在本区内，以及在某 直流子网出现严重功率失衡时，利用其他直流子网 提供紧急功率支援，本文在换流站潮流分级分区控 制的基础上，进一步提出直流电网级的潮流分级分 区控制方法。
XIE Zhujun, LIN Weixing, ZHANG Ke, YAO Wei, WEN Jinyu
(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: To solve the steady state DC power tracking error in droop control and to enable flexible regional regulation of a DC grid, a hierarchical and regional power flow control was designed. The control is composed of centralized control and local control. The centralized control uses a DC power flow algorithm located at power dispatching center to calculate DC voltage at each converter to adjust the DC voltage reference value of droop control so as to achieve zero steady state power tracking error. The local control does not depend on control center. It is composed of error-accumulation control, regional control and emergent power support control. The error-accumulation control uses local measurements to adjust voltage references of droop control so as to eliminate the power tracking error in steady state. The regional control is used to restrain the power imbalance within local DC grid so as not to affect external DC grid. The emergent power support control is used to adjust power of all the converters of one region to sup-port emergent DC power to another region. Simulations on PSCAD/EMTDC of a 7-terminal two region DC grid con-firmed the proposed control strategies. KEY WORDS: DC grid; DC power transmission; power flow control; regional control; hierarchical control 摘要： 为了解决下垂控制无法实现功率无差控制的缺陷以及 方便直流电网的分区管理， 设计直流电网潮流的分级分区控 制。 该控制包括集中控制和本地控制两部分。 集中控制利用 集控中心的潮流计算程序计算得到的各换流站节点的电压， 以直流电压计算值修正各下垂控制站的直流电压参考值从 而实现各换流站的功率无差控制。 本地控制不依赖于集控中 心，包括积差控制、分区控制和联络线功率紧急支援控制。 积差控制利用本地监测量修正下垂控制的电压参考值实现
换流站功率无差控制。 分区控制用于将本区内的功率不平衡 限制在本区内， 防止对区外直流电网功率产生影响。 联络线 功率紧急控制用于调控某区内所有换流站的有功功率， 为其 他区域提供紧急功率支援从而将紧急功率支援任务分散到 各个换流站上。 所设计的控制器在一个七站两区域直流电网 上得到了验证。 关键词：直流电网；直流输电；潮流控制；分区控制；分级 控制
1 改进型换流站潮流控制方法
1.1 常规下垂控制优点及其存在的问题 图 1 为下垂控制的功率–电压特性曲线，其中
[16-18]
式中：Pdc 为换流站实际直流功率(整流方向为功率 正方向)；Kd 为下垂系数；Vref、Pref 为换流站的直流 电压和直流功率的参考值；Vdc 为换流器端口直流 电压实测值。式(1)各量均为标幺值。 图 1(b)与图 1(a)类似，区别在于引入了死区上 限 Vhigh 和死区下限 Vlow，并且根据需要，V1—Vhigh 以及 Vlow—V2 段的下垂系数可以不相同。 分析图 1(a)可知，当直流电压下降时，换流器 整流方向上的功率会上升从而防止直流电压进一 步下降；当直流电压上升时，换流器逆变方向上的 功率会上升从而防止直流电压的持续上升。可知， 各换流站的功率–电压构成了一个稳定的负反馈系 统。采用下垂控制的直流电网具有很强的稳定性。 图 1(a)所示的下垂控制本质上是一个比例式控 制器，其缺陷在于无法实现换流站直流功率的无差 调节。 图 1(b)所示带死区的下垂控制可以使得直流电 压处于 Vlow—Vhigh 的范围时，换流站实现有功功率 的无差调节。其缺点在于引入了额外的 Vlow 和 Vhigh 参数，当一个直流电网包含多个换流站时，如何整 定并协调每个换流站的参数将是一项难题。死区的 引入使得换流站工作于 Vlow—Vhigh 时不参与直流电 网暂态时的功率调整，并且暂态过程中，若直流电 压处于 Vlow 和 Vhigh 附近将有可能导致持续振荡。 1.2 利用集中式潮流计算程序修正下垂控制电压 为了综合利用下垂控制在系统发生扰动时提 高系统暂态稳定性的能力，并消除由下垂控制带来 的有功功率稳态调节误差，本文提出了一种利用集 中式潮流计算程序定期修正下垂控制电压参考值 参考值的方法
基金项目：国家自然科学基金项目(51377067)；国家重点基础研究 发展计划项目(973 项目)(2014CB247400)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51377067); National key research program of China (973 Program) (2014CB247400).
0 引言
随着直流输电技术的不断发展，直流输电方式 正逐步由点对点直流输电扩展为多端直流输电系 统(multi-terminal high-voltage DC grid，MTDC)[1]。 由电压源型换流器(voltage sourced converter，VSC) 构成的 MTDC(VSC-MTDC)具有良好的运行可靠性 和灵活性，易扩展为大规模互联的直流电网，因此 得到广泛研究并已逐步投入运行[2]。国内南澳三端 柔直输电工程、舟山五端柔直输电工程已投入试运 行[3]。工程中常根据直流端口所连接风场、交流电 网及负荷的供需，或依照最优潮流算法的上层指 令，来控制系统的端口功率和线路潮流。如何在保 证 MTDC 稳定运行的基础上， 独立而精确地控制各 直流端及线路的潮流是有待研究的课题。 现有针对 VSC-MTDC 的协调控制研究大都从 系统级控制出发[4]， 主要有电压下垂控制与主从控制 方式[5]。考虑到换流站容量限度与换流站退出的情 况， 在主从控制的基础上发展了主从裕度控制[6]， 但 应用该控制方式的 MTDC 系统动态响应较差， 甚至 有短时间的过电压引起保护装置误动作，可靠性并 不高[7]。 为了提高多端直流输电系统的运行性能， 文 献[8]提出带电压下降特性的控制方式。 该方式虽然
VSC-MTDC 具有 3 种基本拓扑结构，分别为 辐射状、环状和网状，这 3 种基本结构可组合成复 杂的直流电网[13]。其中，网状结构具有较好的灵活 性和冗余度，能够增加系统的可靠性，减少输电走 廊，是 VSC-MTDC 扩建为直流电网所优选考虑的 一种结构方式[14-15]。在含有环、网状结构的直流电 网中，输电线路的数目可能大于换流站个数，会因 控制自由度不够