电压源型变流器直流电源输电系统的改进下垂控制的方法有哪些？
2017-11-28 9:22:01 点击：
电压源型变流器技术发展日臻成熟，电压等级及容量不断提高，已成功用于柔性直流电源输电系统，并展现出高电压、大容量和多端柔性直流电源输电系统应用的发展态势。
本文结合世界首个多端柔性直流电源输电工程，针对多端柔性直流电源输电系统应用中存在的强非线性和多端协调等技术难点，提出采用改进下垂控制方法，即通过多个换流站同时采用定电压控制方式运行，暂态过程中，采用定电压控制的换流站退出时系统仍能正常运行，保持直流电源网络功率平衡。
通过检测直流电源网络电压和动态改变平滑切换控制器输出值，即由切换控制器选择定功率控制输出有效或定电压控制器输出有效，在无需站间通信情况下，实现定电压控制换流站和定功率控制换流站之间的相互转换，相对于传统采用单点电压控制的多端系统，具有较好的灵活性。
此外，针对采用定电压控制的换流站完全退出的极端工况，设计反步电压控制器，有效地减小了暂态过电压程度，与下垂控制策略结合，能较好地实现系统直流电源电压的稳定控制，充分发挥其多端协调功能，提高系统抗干扰性能。仿真结果证明了所采用方法的正确性和有效性。
柔性直流电源输电技术及其应用的不断成熟，以及直流电源电网的提出，使得多端柔性直流电源输电成为当今研究热点之一[1]。基于电压源变流器的柔性直流电源输电系统可实现有功和无功功率的解耦控制，向孤岛供电[2]、实现海上风电场并入直流电源电网向负荷中心供电以及与弱交流系统互联等，能够有效弥补传统高压直流电源输电系统的不足[3,4]，相对于传统直流电源输电系统，其应用范围更广泛。
由三个或三个以上电压源变流器换流站经串联、并联或者混联组成的直流电源输电系统，称为基于电压源型变流器的多端柔性直流电源（Multi-Terminal DCbased on Voltage Source Converter, VSC-MTDC）输电系统[5]，能实现多电源供电和多落点受电，是解决目前我国电网面临的风电等大规模可再生能源并网、远距离大容量电能输送以及输电走廊紧缺等问题的切实可行的技术手段之一[6]。
与两端系统相比，多端直流电源输电系统具有更高的灵活性和可靠性，且经济性更强，但其控制系统相对复杂，各换流站间需要通过协调控制来实现系统的功率平衡[7,8]。多端柔性直流电源输电系统安全运行除了在规划时要求必须满足N1法则，即当任一换流站因故障或检修退出运行时，剩余系统可以恢复功率平衡而继续稳定运行，且暂态过电压不会超过设备绝缘裕度，还要求控制系统能够保证有效地控制系统的直流电源电压在系统允许的运行区间内[9]。
目前国内外文献主要采用主从控制、直流电源电压裕度控制和电压下垂控制三类方法来控制柔性直流电源输电系统直流电源电压，从而实现多端系统的协调控制，三类控制方法的优缺点及适用场合在文献[10-14]中均有较详细介绍，在此不再赘述。
多端系统中多个换流站协调控制的关键在于直流电源电压控制，这与交流电网中的频率控制相类似[15]。文献[13]提出适应MTDC系统下垂控制的P-V特性曲线集合，便于针对不同的系统参数和运行工况对控制策略进行自适应优化。
文献[14]结合电压裕度控制和电压下垂控制的特点，提出一种组合控制方法，使多端系统能更快更稳定地进入新的稳定工作点。文献[16]基于多端系统简化模型，提出下垂控制器参数（下垂系数）计算方法。
文献[17]提出针对系统不同的工作点，采用变下垂系数的多端控制器，能够提高系统稳定性。文献[18-21]将多端协调控制策略应用于海上风电场接入电网的多端VSC-HVDC系统，能够提高风电场故障穿越能力。
文献[22]提出引入公共直流电源电压，参与定功率站下垂控制，提高系统故障穿越能力，对单站退出运行的情况进行了仿真证明。
本文基于南澳岛多端VSC-HVDC工程，研究多端系统在定电压站全部退出的极端故障工况下，换流站控制模式切换对系统的影响，并利用反步法设计非线性控制器改善系统动态性能，充分发挥多端系统下垂控制的优势。
图1 南澳多端系统简化系统结构
结论
多端柔性直流电源输电系统相对两端输电系统灵活性更高，但控制相对复杂，本文通过对下垂系数和换流站间功率分配关系的分析，表明下垂控制策略实质上是改变了换流站等效电阻。
系统上层控制器需根据实际运行工况，确定各换流站工作点，并协调定电压控制站和定功率控制站工作。当系统单站退出运行或恢复过程中，可由换流器根据本站功率调节能力自动切换控制模式，维持系统运行，相对于传统的主-从控制模式，系统抗扰性能更高；切换过程中，通过切换控制中的标志位作为逻辑判断条件，功率控制器与反步控制器输出能够平滑切换，有利于提高暂态切换过程中系统的稳定性。
当系统定电压站完全退出运行后，系统定功率站转换为定电压站，维持系统功率平衡，但基于系统线性数学模型的PI控制器（直流电源电压和有功电流的传统双闭环PI控制）难以满足系统动态性能要求，造成较严重过电压情况，因此暂态过程中需采用非线性控制器，提高系统动态性能。同时仿真中对功率阶跃和交流系统暂态故障工况也进行了仿真证明。
此外，文中针对定功率站基于反步法设计的直流电源电压控制器与系统协调控制策略相结合后，仿真结果表明多端柔性直流电源输电系统不仅满足安全运行N1法则，还能在所有定电压站完全退出的极端工况下，有效减小系统过电压程度，提高系统故障穿越能力，充分发挥下垂控制优势。
对于系统直流电源侧故障，由于本文研究对象为半桥结构的MMC，该种拓扑结构本身不能对直流电源侧故障进行隔离，实际工程中发生直流电源双极短路故障时，采用立即闭锁换流站，同时跳开交流输入断路器，机械断路器跳开期间由桥臂电抗器限制电流上升速度。或者采用全桥模块或钳位双子模块结构的MMC，实现直流电源侧故障的隔离。新型拓扑结构的应用已超出本文研究范围，但所设计控制策略与换流阀拓扑结构独立，可直接应用于其他模块拓扑，仅调制方法不同。
本文结合世界首个多端柔性直流电源输电工程，针对多端柔性直流电源输电系统应用中存在的强非线性和多端协调等技术难点，提出采用改进下垂控制方法，即通过多个换流站同时采用定电压控制方式运行，暂态过程中，采用定电压控制的换流站退出时系统仍能正常运行，保持直流电源网络功率平衡。
通过检测直流电源网络电压和动态改变平滑切换控制器输出值，即由切换控制器选择定功率控制输出有效或定电压控制器输出有效，在无需站间通信情况下，实现定电压控制换流站和定功率控制换流站之间的相互转换，相对于传统采用单点电压控制的多端系统，具有较好的灵活性。
此外，针对采用定电压控制的换流站完全退出的极端工况，设计反步电压控制器，有效地减小了暂态过电压程度，与下垂控制策略结合，能较好地实现系统直流电源电压的稳定控制，充分发挥其多端协调功能，提高系统抗干扰性能。仿真结果证明了所采用方法的正确性和有效性。
柔性直流电源输电技术及其应用的不断成熟，以及直流电源电网的提出，使得多端柔性直流电源输电成为当今研究热点之一[1]。基于电压源变流器的柔性直流电源输电系统可实现有功和无功功率的解耦控制，向孤岛供电[2]、实现海上风电场并入直流电源电网向负荷中心供电以及与弱交流系统互联等，能够有效弥补传统高压直流电源输电系统的不足[3,4]，相对于传统直流电源输电系统，其应用范围更广泛。
由三个或三个以上电压源变流器换流站经串联、并联或者混联组成的直流电源输电系统，称为基于电压源型变流器的多端柔性直流电源（Multi-Terminal DCbased on Voltage Source Converter, VSC-MTDC）输电系统[5]，能实现多电源供电和多落点受电，是解决目前我国电网面临的风电等大规模可再生能源并网、远距离大容量电能输送以及输电走廊紧缺等问题的切实可行的技术手段之一[6]。
与两端系统相比，多端直流电源输电系统具有更高的灵活性和可靠性，且经济性更强，但其控制系统相对复杂，各换流站间需要通过协调控制来实现系统的功率平衡[7,8]。多端柔性直流电源输电系统安全运行除了在规划时要求必须满足N1法则，即当任一换流站因故障或检修退出运行时，剩余系统可以恢复功率平衡而继续稳定运行，且暂态过电压不会超过设备绝缘裕度，还要求控制系统能够保证有效地控制系统的直流电源电压在系统允许的运行区间内[9]。
目前国内外文献主要采用主从控制、直流电源电压裕度控制和电压下垂控制三类方法来控制柔性直流电源输电系统直流电源电压，从而实现多端系统的协调控制，三类控制方法的优缺点及适用场合在文献[10-14]中均有较详细介绍，在此不再赘述。
多端系统中多个换流站协调控制的关键在于直流电源电压控制，这与交流电网中的频率控制相类似[15]。文献[13]提出适应MTDC系统下垂控制的P-V特性曲线集合，便于针对不同的系统参数和运行工况对控制策略进行自适应优化。
文献[14]结合电压裕度控制和电压下垂控制的特点，提出一种组合控制方法，使多端系统能更快更稳定地进入新的稳定工作点。文献[16]基于多端系统简化模型，提出下垂控制器参数（下垂系数）计算方法。
文献[17]提出针对系统不同的工作点，采用变下垂系数的多端控制器，能够提高系统稳定性。文献[18-21]将多端协调控制策略应用于海上风电场接入电网的多端VSC-HVDC系统，能够提高风电场故障穿越能力。
文献[22]提出引入公共直流电源电压，参与定功率站下垂控制，提高系统故障穿越能力，对单站退出运行的情况进行了仿真证明。
本文基于南澳岛多端VSC-HVDC工程，研究多端系统在定电压站全部退出的极端故障工况下，换流站控制模式切换对系统的影响，并利用反步法设计非线性控制器改善系统动态性能，充分发挥多端系统下垂控制的优势。
图1 南澳多端系统简化系统结构
结论
多端柔性直流电源输电系统相对两端输电系统灵活性更高，但控制相对复杂，本文通过对下垂系数和换流站间功率分配关系的分析，表明下垂控制策略实质上是改变了换流站等效电阻。
系统上层控制器需根据实际运行工况，确定各换流站工作点，并协调定电压控制站和定功率控制站工作。当系统单站退出运行或恢复过程中，可由换流器根据本站功率调节能力自动切换控制模式，维持系统运行，相对于传统的主-从控制模式，系统抗扰性能更高；切换过程中，通过切换控制中的标志位作为逻辑判断条件，功率控制器与反步控制器输出能够平滑切换，有利于提高暂态切换过程中系统的稳定性。
当系统定电压站完全退出运行后，系统定功率站转换为定电压站，维持系统功率平衡，但基于系统线性数学模型的PI控制器（直流电源电压和有功电流的传统双闭环PI控制）难以满足系统动态性能要求，造成较严重过电压情况，因此暂态过程中需采用非线性控制器，提高系统动态性能。同时仿真中对功率阶跃和交流系统暂态故障工况也进行了仿真证明。
此外，文中针对定功率站基于反步法设计的直流电源电压控制器与系统协调控制策略相结合后，仿真结果表明多端柔性直流电源输电系统不仅满足安全运行N1法则，还能在所有定电压站完全退出的极端工况下，有效减小系统过电压程度，提高系统故障穿越能力，充分发挥下垂控制优势。
对于系统直流电源侧故障，由于本文研究对象为半桥结构的MMC，该种拓扑结构本身不能对直流电源侧故障进行隔离，实际工程中发生直流电源双极短路故障时，采用立即闭锁换流站，同时跳开交流输入断路器，机械断路器跳开期间由桥臂电抗器限制电流上升速度。或者采用全桥模块或钳位双子模块结构的MMC，实现直流电源侧故障的隔离。新型拓扑结构的应用已超出本文研究范围，但所设计控制策略与换流阀拓扑结构独立，可直接应用于其他模块拓扑，仅调制方法不同。
- 上一篇：如何防止直流稳压电源设计过程中继电器电路的干扰？ 2017/11/28
- 下一篇：智能直流电源漏电保护该如何设计才能更可靠？ 2017/11/27
