多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制剖析

多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-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refP ，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。