多端柔性直流输电系统的功率协调控制策略研究

多端柔性直流输电系统的功率协调控制策略研究
陈涛 1 张松光 1 岳伟 2 刘小勇 2 张世超 2
（1.中国南方电网汕头市供电局 2. 荣信电力电子股份有限公司） 摘要：在多端柔性直流输电系统中，维持直流电压稳定是确保整个多端柔性直流输电系统稳定运行的重要
前提，本文提出了一种适用于两端或多端柔性直流输电系统的功率协调控制策略。

所提控制可策略实现定 多点定直流电压控制换流站根据各换流站的容量以及运维人员的设定合理分配功率，消除了由于负荷功率 变化引起的直流电压偏移，并且消除了直流侧线路电阻对于各换流站功率分配精度影响的问题。

最后 在 PSCAD/EMTDC 中以一个三端柔性直流输电系统为例进行仿真，验证了所提出的控制策略的有效性和正确性。

关键词：多端柔性直流输电； 多定点直流电压控制；直流电压下垂控制； 二次功率协调控制
0 引言
随着电压源换流器的快速发展， 基于电压源换流器 VSC 的柔性直流输电系统 （VSC-HVDC） 成为直流输电技术的主流趋势， 传统直流输电以双端单点直流电压控制较多， 而多端柔性直 流输电技术可实现多个电源区向多个负荷区供电， 换流站即可以作为整流站也可以作为逆变 [1-2] 站，充分体现了多端柔性直流输电系统的灵活性和经济性 。

多端柔性直流输电系统是在同一直流网络中， 含有两个以上 VSC 换流站的柔性直流输电 系统。

其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电。

作为一种灵活、快捷的输电 方式， 多端柔性直流输电技术在风电等新能源并网、 构筑城市直流配电网等领域具有广阔的 应用前景。

目前，直流电压控制器有主从控制、直流电压偏差控制及直流电压斜率控制。

其 中，主从控制实现简单，但对换流站间通信要求较高，换流站间通信的准确性直接影响控制 [3-4] 效果 ；电压偏差控制无需站间通信，但设计复杂，控制器参数的选取会对控制的效果造 [5] 成影响 ；直流电压斜率控制无需站间通信，结构简单，根据各换流站不同的容量特性设定 各自的斜率和不同的调差特性曲线，实现多个换流站共同作用、同时决定系统运行状态，能 [6-7] 够弥补只采用一个换流站作为主站进行直流电压控制的缺陷 。

对于直流电压斜率下垂控 [8-11] 制文献 中提到了下垂控制的具体实现方法和控制结果，但均为考虑到直流输电线路阻抗 对多点定直流电压换流站功率分配的影响， 导致在系统在功率波动时引起直流电压偏移和功 率分配不能精确跟随设定值以及换各流站容量比例。

本文详细分析了多端柔性直流输电的功率协调控制， 提出了一种适用于两端及多端柔性 直流输电系统直流电压控制换流站的功率分配协调控制策略， 所提控制策略实现了单点及多 定点直流电压控制换流站依据各站容量以及运维人员的设定合理分配负荷功率， 消除了由于 负荷功率变化引起的直流电压偏移和功率分配误差。

1 多端柔性直流输电系统结构
图 1-1 三端柔性直流输电系统简化结构图
以三端柔性直流输电系统为例进行介绍， 如图 1-1 所示为三端柔性直流输电系统简化结 构图。

各个换流站通过直流侧线路电阻接到直流母线上， 每个换流站交流侧所接既可以为有


源系统，也可以为无源系统，因此每个换流站的控制方式也可能不同。

但是为了维持各个换 流站交换功率的平衡， 必须要有至少一个换流站采用定直流电压控制， 维持直流侧电压的稳 定。

在基于电压源换流器的多端柔性直流输电系统中， 每个换流站输出的有功功率和无功功 率可以同时独立进行调节， 多端柔直系统中各换流站的有功控制模式主要包括： 定直流电压 [12-14] 控制、定有功控制两种 。

2 多端定有功功率控制
对于多端有功功率控制换流站 如图 2-1 所示为定有功功率对外特性图。

当直流电压 在一定范围之内(比如，额定±3%)时，控制有功功率等于设定值；当直流电压超出范围并且 直流电流在最大允许范围内时， 采用定直流电压的下垂特性控制； 当直流电流超出最大允许 范围时，转入限流控制。

具体控制策略 2-2 所示的控制框图，采用三个 PI 调节器设计，其 中对电压调节器的给定做了下垂特性的调整；有功调节器为 PI 调节器，确保当直流电压在 范围内时，对有功的调节是无差的。

通过对三个调节器的输出取最大最小操作，保证三者之 间的稳态切换； 任何一个调节器起作用时， 通过退饱和调节器动态设定其他两个调节器中的 积分输出，保证三者之间的动态平稳切换。

[15]
图 2-1 定功率站对外特性
图 2-2 定功率站控制框图
3 多定点直流电压控制
多端柔性直流输电系统稳定运行的重要前提是直流电压的稳定， 采用多定点直流电压下 垂控制策略能够保证各定直流电压换流站能够按照各站容量比例输出， 提高多端柔性直流输 电系统的安全稳定性。

(1) 直流电压-电流下垂控制 定直流电压斜率控制有电压-有功功率下降控制和电压-电流下降控制两种控制方式， 本


文采用直流电压-电流下垂控制。

如图 3-1 所示为直流电压-电流下垂特性曲线。

采用 Vdc-Idc 下垂特性控制，实现多站控制直流电压时的动态分担负载；同时，各站有自己的最大允许直 流电流(目前采用额定直流电流)，当直流电流超出允许时，将转入限流控制，不再维持直流 电压，斜率一般按容量进行整定。

图 3-1 直流电压电流下垂特性
直流电压-电流下垂控制结构框图如图 3-2 所示，首先根据交流侧有功功率参考值和直 流侧额定电压计算得到直流电流的参考值， 经过下垂控制得到直流电压参考值， 其与采样得 到的直流电压比较经过 PI 调节器调节得到电流内环的参考值。

图 3-2 定直流电压站控制结构
(2) 二次功率协调调整控制 定直流电压斜率控制有两个问题： a) 由于定直流电压站采用了直流电压斜率控制， 当实际功率偏离了下垂特性设计的额 定功率，会导致直流电压抬升或降低偏移额定电压； b) 当涉及到多个定直流电压站之间功率分配时， 在未考虑线路电阻的影响时， 其值的 准确性将直接影响控制效果， 这将直接导致多个定直流电压控制站之间的功率分配 偏离设计的分配比例； 对定直流电压站 i(1≤i≤n)，将定直流电压站有功功率之和乘以系数 ki 作为该站有功 功率设定值，设定值与反馈值比较经 PI 调节后与设定值叠加，生成该站直流电压斜率控制 的有功指令，两站控直流电压时二次调整如图 3-3 所示。

c)
图 3-3 两个定电压站时集控中心控制结构
(3) 多定点直流电压控制器设计 多站采用直流电压控制时功率协调控制策略如图 3-4 所示，n 为多端柔性直流输电系统中定 直流电压站个数，Pf1、Pf2…Pfn 为各定直流电压站有功功率反馈值，Pfbk1、Pfbk2…Pfbkn 分别为各定直流电压站有功功率反馈值经滤波后的值，PI1、PI2…PIn 分别为各定直流电压 站比例积分器, Pref1、Pref2…Prefn 分别为功率分配控制生成的各定直流电压站直流电压 斜率控制的有功指令，有功功率 k1、k2…kn 分别为各定直流电压站可设定的有功功率分配


系数，满足
∑k
i =1
n
i
=1
（3-1）
图 3-4 多个定直流电压站功率分配控制框图
4 仿真验证
本文在 PSCAD/EMTDC 平台上搭建了三端柔性直流输电系统模型，其中两个换流站采 用定直流电压斜率控制，一个换流站采用定有功功率控制，仿真系统参数设置如表 1 所示。

表 1 仿真系统关键参数
换流站 额定容量 /MW 额定电压 /kV 下降斜率 直流线路电阻 /Ω T1 200 320 k1 R1 T2 100 320 k2 R2 R3 T3 200 320
a) 设 T1、 T2 按 2:1 吸收 T3 发出 100MW 有功功率， 直流线路在各个时间段内电阻 值如表 3 所示，下降斜率 k2=2*k1，在控直流电压换流站未使用和使用二次功率协调控制 仿真波形如图 4-1 中 a)、b)所示。

表 3 线路电阻
t R1 /Ω R2 /Ω 2-3s 0 0 3-6s 0.1 2.0 6-8s 2.0 0.1
由图 4-1 可以看出，在定直流电压换流站使用二次协调控制后，由于功率分配部分根 据各定直流电压站实际有功功率不断修正直流电压斜率控制的有功功率参考值， 使得各定直 流电压站按照设定比例分配有功功率，并在线路阻抗发生变化时不影响各站功率分配。

-20 -30
P fbk1
P fbk2
Reactive Power /MW
-40 -50 -60 -70 -80 x 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
a)
-20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 x 2.0 3.0 P fbk1
未采用本发明方法
P fbk2
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
b)
采用本发明方法
图 4-1 输出有功功率波形
b) T3 发出 50MW 有功功率，6-8s，T3 发出 150MW 有功功率，未使用二次协调控 制的功率分配和直流电压仿真波形如图 4-2 a)、b)所示,以及使用功率协调控制后的直流电 压波形 4-2c)。

由于采用直流电压斜率控制，当 T3 功率阶跃，系统出现功率缺额时，实际 功率偏离了下垂特性设计的额定功率， 会导致直流电压偏移额定电压。

使用二次功率协调控 制后，由于引入功率分配，不断修正直流电压斜率控制有功参考值，使得不同负载稳态时直 流电压稳定在额定值附近。

0 -20
Reactive Power /MW
Pfbk1
Pfbk2
-40 -60 -80 -100 -120 x 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
a)
325.0 324.0 323.0 E dc
功率阶跃仿真波形
Direct Voltage /kV
x
322.0 321.0 320.0 319.0 318.0 317.0 316.0 315.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
b)
未采用本发明方法时直流电压波形


325.0 324.0 323.0
E dc
Direct Voltage /kV
x
322.0 321.0 320.0 319.0 318.0 317.0 316.0 315.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
c)
采用本发明方法时直流电压波形 图 4-2 直流侧电压波形
5 结论
a) 本文提出了一种多端柔性直流输电系统改进的直流电压下垂控制策略， 通过在单点 或多点直流电压控制换流站控制中引入二次功率协调控制消除了直流输电线路阻抗， 使得功 率分配能够不受输电线路阻抗影响准确跟踪系统设定值， 可为多端柔性直流输电系统的工程 应用提供理论依据； b) 通过 PSCAD 仿真验证了在直流电压下垂控制基础上的功率协调控制的正确性， 并验 证了直流电压下垂控制在未使用和使用功率二次协调控制的直流电压下垂控制在多端柔性 直流输电系统在功率发生阶跃时进行了比较分析， 表明功率协调控制能够在功率阶跃情况下 保持直流电压稳定不产生偏移，提高了整个多端柔性直流输电系统的稳定性。

参考文献
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陈 涛（1980—），男，硕士，工程师，研究方向为柔性直流输电枝术 张松光（1965-），男，硕士，高级工程师，研究方向电力系统 岳 伟（1982—），男，硕士，高级研发工程师，主要负责一次主回路参数设计及仿真、二次控制保护策略 研究； 刘小勇（1983-），男，硕士，中级研发工程师，主要负责柔性直流输电控制策略仿真及实现； 张世超（1990-），男，硕士，研发工程师，主要负责柔性直流输电控制策略仿真及实现；







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