多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制

多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流

电压下垂控制

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多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based

multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。

关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器

一、引言

基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。

多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电压偏差控制策略。主从控制策略是一种需要换流站间通信的控制策略，这种控制方式利用换流站间的通信系统实现了直流电压的稳定，具有控制特性好、直流电压质量高等优点，但系统可靠性依赖于换流器控制器与系统控制器之间的高速通讯，这严重制约了多端直流输电尤其是长距离输电系统可靠性的提高。直流电压偏差控制策略是一种无需站问通信的控制策略，这种控制策略的实质是在定直流电压站故障退出运行后，后备定直流电压站能够检测到直流电压的较大偏移并转入定直流电压运行模式，保证了直流电压的稳定性；同时其设计简单、可靠性强。

下垂控制策略为多点控制，控制器通过测量本地直流母线电压对功率分配进行调节，因而不依赖于换流站间的高速通讯，系统可靠性较高。

二、多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略

2.1柔性直流输电系统概述

总体上来看，目前的多端直流输电系统接线方式主要有串联型、并联型和混联型 3 种类型。由于并联型多端系统具有调节范围宽、扩建灵活、易于控制和可靠性高等突出优点，成为研究的热点和应用的重点。本文设计的直流电压混合控制策略主要是针对并联型多端系统。多端柔性直流输电系统控制是一个庞大复杂且相互耦合的多输入、多输出系统，为满足系统控制的快速性和高可靠性，一

般可以分为系统级控制、换流器级控制、换流阀级控制和子模块级控制4 层。多端柔性直流输电分层控制系统框图如图 1 所示：

图 1 中，系统级控制除完成顺控功能以外，主要是产生换流器级控制所需的有功及无功功率指令；换流器控制是系统控制的核心，目前电压源型换流器一般采用直接电流矢量控制策略，最终生成换流阀级控制所需的调制信号；换流阀级控制主要是根据调制波生成功率器件的直接控制信号；子模块级控制主要完成功率器件的最终触发控制。

本文的直流电压混合控制策略属于系统级控制，与换流器拓扑方式无关。

图1 多端柔性直流输电分层控制系统框图

图1中：图中 AGC(automatic generation control)为自动发电控制AVC(automatic voltage control)为自动电压控制；abc U 和abc I 分别为换流器交流侧相电压、相电流；θ为换流器交流侧相电压同步角；sd u ，sq u 和sd i ，sq i 分别为换流器交流侧相电压、相电流经旋转变换后的 d 、q 轴分量；ref P 、ref Q 和 dcref U 分别为换流器有功功率、无功功率和直流电压指令；Q P , 和dc u 分别为换流器实际有功功率、无功功率和直流电压；dqref I 为外环控制器计算得到的

内环电流控制器 d 、q 轴电流指令值； dq I 为仅电流单闭环控制时的电流控制器 d 、q 轴电流指令值。

2.2控制策略分类比较

由于MTDC 系统控制中需协调控制多个换流站，对于串联型MTDC 系统，需保持各换流站直流电压的平衡；对于并联型MTDC 系统，需保持各换流站直流电流的协调分配。选择适合的运行模式和控制方式是MTDC 正常运行的基础。MTDC 的控制模式与换流器类型、系统规模、运行要求等密切相关，并决定了MTDC 的上层协调与上层控制器设计。MTDC 系统控制最基本的要求是需要满足Ⅳ-1原则，即任一换流站退出都不影响系统的稳定运行。目前MTDC 的控制方式按照直流电

压控制方式主要分为单点直流电压控制方式和多点直流电压控制方式，常见的多端直流输电控制方法分类如图2所示，其中各方式的优缺点对比如表2所示。

图2 MTDC系统控制方式分类

图3 各方式的优缺点对比

1．主从控制：主从控制器控制方法优点是控制简单，缺点是对换流站间的通信要求较高．通信故障后系统难以控制。

2．电压裕度控制：是主从控制的一种扩展，相当于一种改进的具有多个可选择功率平衡节点的定直流电压控制，当一端功率平衡节点故障或达到系统限制时，电压调节控制由另一换流站接替。电压裕度控制并用于直流电网，该控制是定直流电压和定有功／电流控制的结合，换流站正常运行在定有功／电流控制下，当直流电压偏差达到电压裕度的限制后，换流站切换为定直流电压控制，使直流电压保持在电压裕度限制值以内，防止直流电压偏差进一步增大，但该控制方法在主控制器切换时会引起系统振荡。

3．电压下垂控制：基本思想是基于功率一频率下垂控制。各换流站通过测量自身功率的大小，基于电压下垂特性，将功率转换为以输出电压为指令的控制信号，再根据调整后的功率反作用于输出电压信号，达到自我调节、自动分配功率的目的。系统中各个换流站共同承担功率平衡，通过调节直流电压来控制功率的大小。因为下垂控制中多个换流站共同参与功率的平衡和直流电压的调节，因此，其相对于主从控制具有更高的可靠性，且不会造成电压振荡。当某一个换流站发生故障停运时，系统剩余部分通过调整各个换流站功率分配和直流电压参考值，仍能维持直流网络电压相对稳定。直流电压下垂控制策略根据控制量的不同，分为电流特性(V-I)和功率特性(V-P)，其中电流特性下垂控制的MTDC 系统中，直流电容的充放电基于线性的电压–电流关系，具有直观的物理含义；而在功率特性下垂控制中，受控量为有功功率，直流电容的充放电为非线性关系(双

曲线)，系统的功率传输特性更为直观。合理设计下垂系数是MTDC 系统稳定、可靠运行的前提。在传统下垂控制基础上，增加上层系统控制器，求解各换流器直流电压和有功功率参考值的最优解，以提高系统的运行效率和动态性能；但这类方法依赖于换流站与上层系统控制器间的高速通讯，降低了系统可靠性。通过引入公共直流参考电压提高了系统动态响应速度。传统下垂控制策略中，下垂特性曲线为正比例函数，直流电压质量与功率分配特性是一对相互制约的因素：若下垂斜率较小，则直流电压刚性较好，但功率分配特性较差；若下垂斜率较大，则功率分配特性好，但直流电压对传输功率变化敏感，系统电压偏差较大。此外，所有参与下垂控制的换流站均需要根据各自的设计容量、运行工况等条件预先设定各自的下垂系数，应用于大规模MTDC 系统时控制器参数设计难度较大。而采用固定下垂系数的MTDC 系统在复杂工况下的灵活性和经济性也会降低。

4．分段下垂控制：结合了电压裕度控制和下垂控制的优点，以两阶分段下垂控制为例，改进的电压-功率下垂控制，在下垂控制中增加两条线段，同时在有功和直流电压控制的切换过程中加入滞环控制，避免模式之间的频繁切换。

三、MTDC 系统结构

3.1换流器电路拓扑

模块化多电平换流器(modular multilevelconverter ，MMC)是近年来应用于HVDC 和MTDC 的VSC 热门拓扑之一。图4 为MMC 的主电路拓扑，每桥臂由n 个功率模块(sub-module ，SM)和桥臂电感a r m L 组成，上下两个桥臂构成一个相元。c b a U U U ,,为MMC 交流输出电压；d c U 为直流电压；N 、P 为直流母线连接点

图4 MMC 电路拓扑

要关注其外特性，采用简化等效模型对MMC 的电气特性进行分析。MMC 在交流侧等效为受控电压源，直流侧等效为受控电流源，如图5

图5 MMC 直流侧简化模型

3.2 MTDC 系统拓扑结构

以连接海上风力发电场的MTDC 系统为例，其拓扑结构主要取决于海上风电场的地理位置、岸上交流电网的连接点以及海底电缆的分布。一种典型的连接海上风电场MTDC 系统拓扑结构如图6(a)所示。系统由n 个风机侧换流站(wind farmconverters ，WFCs)，m 个网侧换流站(grid sideconverters ，GSCs)以及直流网络构成。此外，通常还以增加直流连接线的方式将已有HVDC 系统拓展为MTDC 系统，如图6(b)。

图6 连接海上风电场的MTDC 系统拓扑

3.3 MTDC 系统模型

3.3.1直流电压下垂控制

直流电压下垂控制通过检测直流电压与设定参考值的差值控制输入直流网络的有功功率，实现功率平衡和电压稳定。本文以V-I 特性下垂控制为例进行分析，采用V-P 特性下垂控制可用类似方法分析。对下垂控制节点，下垂系数为droop k ，设定运行参考点的直流电压dcref U 、电流dcref I 和功率ref

P ，满足

dcref dcref ref I U P =。以电流流出直流网络为正方向，直流电压d c U 与直流电流d c I 关系: )1()

(dcref dc droop dcref dc U U k I I -=-

有功功率P 与直流电压dc U 的关系为： )2()(2dc dcref droop dcref dc droop ref U U k I U k P P -+=-

由式(1)、(2)可得，多端系统的直流电压控制和功率分配特性取决于下垂系数，亦或V-I 特性曲线的斜率droop k 1

。设计良好的下垂系数能够使多端系统稳

定运行；当传输功率变化或某一换流站检修或故障停运时，系统能够从当前运行点平稳过渡于新的稳态运行点。

3.2.2 MTDC 下垂控制模型

对图6(a)所示MTDC 系统进行建模。系统正常运行时，WFCs 将有功功率实时输入直流网络，称作输入节点；GSCs 承担直流电压控制和功率分配，称作输出节点。利用p 型等效电路对直流电缆建模，支路阻抗简化为电阻。对图7 所示输入输出节点与直流网络模型，列写电压电流方程：

图7 MTDC 系统直流网络模型

1）输入节点模型。

式中： i u 和i u 分别为输入节点i 和j 的直流电压；i i 、j i 和i R 、j R 分别为输入节点i 、j 连接支路的直流电流和线路阻抗；k k k ref k K R u u ,,,,分别为输出节点k 对应的直流电压测量值、直流电压参考值、线路阻抗和下垂系数，如图7(a)所示。

2）输出节点模型。

)4()1()1(,,j ref j j j k k i ref i i i k k k u i k R i R u i k R i R u +++=+++=

式中：k k k R i u ,,分别为输入节点k 的直流电压、连接支路的直流电流和线路

阻抗；

i ref u ,、j ref u ,、i i 、j i 、i R 、j R 和i k 、j k 分别为输出节点i 、j 的直流电压参考值、连接支路的直流电流、线路阻抗和下垂系数，如图7(b)所示。当节点i 与节点j 直流电压参考值相等，即

0,,u u u j ref i ref == 时，等效为支路并联：

3）直流网络模型。

当m 个输出节点直流电压参考值相等，由式(3)—(5)可得图7(c ）

式中：

其中T n T n T n m m n n r u u u U u u u U i i i I k R k R R R ]...[;]...[;]...[);/1(...)/1(00002121110

===+++=++

输出节点：

式中：i u 为节点直流电压；i i 为支路直流电流；i R 为支路线路阻抗；i i=1,2,..., n +m ；i k 为m 个采用下垂控制的输出节点下垂系数，其直流电压参考值均为u 0；j =n +1, n +2,..., n +m ；r R 为中间连接支路线路阻抗；如图7(c)所示。式(6)、(7)构成的MTDC 系统数学模型可以简化等效为两端HVDC 系统。对图6(d)所示增加直流连接线扩展而来的MTDC 系统，采用类似的方法可得其下垂控制等效模型为：

式中：i u 为节点直流电压；

i i 为支路直流电流；i R 为支路线路阻抗i=1,2,3,4；j k 为采用下垂控制节点的下垂系数，其直流电压参考值为j u ；j=3,4；5R 为直

流连接线线路阻抗；如图7(d)所示。式(6)—(8)为MTDC 系统节点电压与输入电流方程构成的下垂控制数学模型。包含复杂直流网络的大规模MTDC 系统可由上述模型拓展而得。

3.4 直流电压自适应下垂控制策略

3.4.1系统描述

对图8所示MMC-MTDC 系统，问题描述如下：

)9(GU I =

图8 MTDC 系统下垂控制策略

其中T m n T m n i i i I u u u U ),...,(),...,(2121++==和表示n 个输入节点和m 个输出节点的直流电压和电流；G 为MTDC 直流网络导纳矩阵；)(k k k i f u =表示下垂控制的MMC 换流站(输出节点)V-I 特性曲线。

3.4.2 约束条件

MTDC 下垂控制策略的约束条件包括：直流电压、直流电流、换流器容量等。以额定直流电压、额定直流电流为基值，采用标幺制表示，如图9所示。

图9 下垂控制约束条件

1）直流电压等级。主要由换流器拓扑、开关器件和直流电缆的耐压等级等决定。MTDC 系统直流电压偏差通常限定在 10%以内。在V-I 特性曲线中，电压限制表现为双横线。

2）换流器容量。主要由换流器拓扑和开关器件额定电流决定。在V-I 特性曲线中，容量限制表现为双曲线。

3）直流电流限制与直流电缆最大电流、开关器件额定电流等有关。在V-I 特性曲线中，电流限制表现为双竖线。

3.4.3 自适应下垂控制

在满足上述约束条件情况下，当MTDC 系统中所有VSC 的V-I 特性曲线满足)(k k k i f u =为连续且单调递增函数时，即能维持系统功率平衡： )12(in loss out P P P ==

传统下垂控制策略中，所有换流站下垂系数droop k 均为预先单独设定。其中第k 个换流站：

)13()(,,,k ref k k droop k ref k u u k i i -=-

式中：k u 、k ref u , 为换流站k 的直流电压实际值和参考值；k i 、k ref i ,为换流站k 的直流电流实际值和参考值。当传输功率波动或直流网络拓扑变化(例如换流站停运退出等)时，传统下垂控制有直流电压质量低、功率分配不独立等缺点，影响系统运行的经济性、灵活性。针对上述问题，提出一种改进的自适应下垂控制策略。通过测量本地电气量，引入功率影响因子：

)14(,,,k m k

k ref k p p i u =ξ

式中P m,k 为换流站k 的设计额定容量。则换流站k 的V-I 特性曲线为 )15()()(,,,,k ref k ref k k droop k

p k k k u i i k i f u +-==ξ

将式(14)代入式(15)可得：

)16()(,2,,,,k k ref k k droop k m k

ref k ref k i i i k P u u u -=-

由式(15)、(16)可得，功率影响因子对V-I 特性曲线斜率的影响与直流电流成正比。换流站k 直流母线电压偏差值)(,k ref k k k u u u u -=??与直流电流成抛物线关系。通常设定MTDC 系统运行参考点为：传输功率为零0=k i 时，直流母线电压为系统额定电压；即0,=k ref i ，m k ref u u =,，m u 为额定直流母

线电压。因此，由传输功率变化引起的直流电压偏差k u ?与直流电流的二次方成正比。

)17(,,2

,,k droop k m k k ref k ref k k k P i u u u u =-=?

与传统下垂控制的直流电压偏差值 u'k 相比：

)18(,,,,k m k m k ref k k droop k

k k P P u i k i u u -='?-?

同时，换流站直流电流满足： k

ref u k m P k U k P k i ,,≤= (19) 代入式(18)有： )20('?≤?k k u u

由式(19)、(20)可得，与传统下垂控制策略相比，采用本文提出的自适应下垂控制策略的MTDC 系统，直流电压偏差较小。对式(17)求导可得，直流电压对输入电流的变化率为)21(2,,,k droop k m k k ref k k k P i u i u =?

分析在不同工况下的系统运行特性。

1）工况1，换流站有功功率较低，直流电流 )2/(,,k ref k m k u P i >。

下垂系数满足： )22(12,,,,k

droop k droop k m k k ref k k P i u < 此时自适应下垂控制侧重于直流电压调节，实际直流电压相对额定直流电压偏差

较小。 2）工况2，换流站有功功率较高，接近额定容量，直流电流)2/(,,k ref k m k u P i >。 下垂系数满足： )23(12,,,,k droop k droop k m k

k ref k k P i u >

此时自适应下垂控制侧重于功率分配以避免MMC 换流站功率超限或桥臂电流过流，功率分配特性较好。由上述分析可得，本文提出的自适应下垂控制策略，能够减小传输功率变化造成的直流电压偏差，同时在不增加通讯的情况下适用于各种工况并提高系统运行特性。控制器设计如图7 所示。自适应下垂控制检测换流站当前运行状态，通过功率影响因子对下垂系数实时修正，实现V-I 特性曲线的闭环控制。其中外环采用自适应下垂控制，内环采用传统dq 轴电流解耦控制。控制外环根据测量本地直流电压dc u 和直流电流dc i ，在自适应下垂控制作用下计算相应的d 轴电流参考值f dre i _；根据无功功率测量值Q 和参考值

ref Q ，在PI 调节器作用下计算相应的q 轴电流参考值f qre i _。在电流内环作用下，生成MMC 三相参考电压ref a u _、ref b u _、ref c u _，经过均压和调制环节，产生换流器中开关器件IGBT 触发脉冲。图7中，dc i 、dc u 分别为直流电流和直流电压；abc i 、abc u 分别为交流电网三相电流和三相电压；q 为锁相环(phase lock l oop ，PLL)输出的相位角；交流电网三相电压abc u 和三相电流abc i 分别进行dq 变换后得到q d u ,、q d i ,。

图10 MMC 换流站自适应下垂控制策略

四、总结

本文分析了MMC-MTDC 系统的数学模型，推导了多端系统在各种典型直流网络拓扑下，采用下垂控制算法的节点直流电压和电流(功率)的关系解析式。直流电压控制是MTDC 系统稳定运行的重要因素之一，系统电压质量与下垂控制参数的选择密切相关。分析下垂控制约束条件，当传输功率较低时，系统侧重于维持直流电压稳定以提高电压质量；当传输功率较高时，系统侧重于功率分配，避免换流站容量超限和过流。

1）传输功率变化时，直流电压质量较高。在相同的最大直流电压偏差限制条件下(不超过额定电压%10 )，自适应下垂控制的直流电压偏差较小。

2）控制器参数设计简化。只需设定每个换流站的直流电压偏差上下限，降低了系统设计复杂度，尤其适用于大规模MTDC 系统。

3）无需上层控制器与换流站的高速通讯，有利于提高MTDC 系统的稳定性和可靠性。

五、感谢

首先感谢任课老师对我仿真的指导与帮助，然后感谢我的导师对我的指导与关怀，还要感谢在这门课程学习过程中给过我无私帮助的其他同学。

这篇报告是我对新型输电这门课学习的一个总结，通过对这门课的学习，我获益良多，不仅学习到了与专业，研究生研究课题相关的知识，还锻炼了对知识检索，整理的能力。老师的教课方式轻松，上课能全面了解新型输电这门课；课后布置讲课PPT很用心，会对每个同学的选题进行指导，课上讲完PPT还会进行提问，对于最后结课报告的内容给出专业的意见。对于结课作业也是需要先给老师初期审查，经过修改，最后完成作业。总之，老师是一位严肃，认真，对学生学习很负责的老师。

通过课上以及课下让我全面了解新型输电系统的内容，针对自己感兴趣和不懂的知识，在课后通过查阅文献资料，最终选择讲解为的内容为多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压偏差斜率控制，经过几次修改，最终由我做讲解的PPT,虽然前期PPT的内容主要是直流电压偏差斜率控制的内容。但我选择了多端柔性直流系统电压下垂控制这方面来写，主要是因为通过查阅文献对直流电压偏差斜率控制已经有了比较多的了解。这个报告对电压下垂控制以及电压自适应下垂控制有比较系统详细的描述。

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