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CN109510231B - 一种直流电压自适应下垂控制策略 - Google Patents

一种直流电压自适应下垂控制策略 Download PDF

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CN109510231B CN201910012370.XA CN201910012370A CN109510231B CN 109510231 B CN109510231 B CN 109510231B CN 201910012370 A CN201910012370 A CN 201910012370A CN 109510231 B CN109510231 B CN 109510231B
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Abstract

本发明公开了一种直流电压自适应下垂控制策略，对下垂控制系数利用积分环节的慢变特性，得到下垂系数
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
的平滑变化曲线，进而实现下垂控制的自适应无差调节。本发明在下垂控制中引入积分环节，实现了MMC‑IDCPFC对直流系统潮流的有效控制。最后，在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了基于MMC‑IDCPFC的三端MMC‑HVDC系统，并进行了仿真验证，结果表明了所提控制策略的正确性和有效性。

Description

一种直流电压自适应下垂控制策略
技术领域
本发明涉及电力领域，具体涉及一种直流电压自适应下垂控制策略。
背景技术
近年来随着对绿色清洁能源的大力开发和高效利用，具有输送距离远、输送容量大和运行方式灵活等特点的多端直流输电技术，成为了目前解决大规模清洁能源并网与消纳问题的有效技术手段之一。直流电网技术现正处于起步发展阶段，还有诸多问题待国内外专家学者去解决，其中，随着直流电网中节点数的增加和网络结构的复杂化，使得直流网络中的潮流控制成为一大难题，为此，研究学者提出以直流潮流控制器来达到直流网络中的潮流有效控制。由于直流输电系统与交流输电系统的不同，故在直流系统中控制直流潮流只能依靠改变直流系统中输电线路电阻和直流电压。
在改变输电线路电阻方面，文献［1-2］提出了在输电线路中串入可变电阻来控制直流潮流，这种方案虽有结构和控制简单的优点，但是其损耗大、只能单向控制潮流的缺点也不得不重视。在改变直流电压方面，通常采用DC-DC变换器或串入可调电压源来改变直流电压，采用DC-DC变换器通过微调变比来调节直流系统潮流，但在这种方案中，所有功率必须通过变换器，增加了系统损耗；通过直流线路中串入可调电压源进而改变直流电压的方案虽易实现，但是在系统中增加可调电压源会使工程成本投入增加。文献[3]提出了隔离型和非隔离型两种IDCPFC电路拓扑结构，并采用单环控制策略。文献[4]提出了一种基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的新型线间直流潮流控制器(MMC-interline DC power flow controller，MMC-IDCPFC)，给出了其拓扑结构，阐述了其工作原理和通过调节直流线路电流来实现控制系统潮流的控制策略，但是这种控制策略需要换流站之间的通信以实现潮流控制。文献[5-6]提出了基于MMC的三端直流线间潮流控制器，并给出来了其拓扑结构，但并未给出其详细的控制策略。
直流线间潮流控制器需要实现直流线路的电压稳定和功率合理分布，目前柔性直流输电系统中的直流电压控制策略主要有以下三种：主从控制、电压裕度控制和下垂控制，其中主从控制策略需要换流站间通信，电压裕度控制策略容易因裕度设置不当而引起系统功率振荡，下垂控制策略可以依据换流站给定的功率、电流、频率和电压之间的斜率关系来实现直流线路电压稳定。文献[7]提出了一种利用反步法设计非线性控制器而使系统在发生暂态故障后平滑切换控制模式。文献[8]提出了一种适用于功率共享的自适应下垂控制策略，根据自身功率分配以自适应调节下垂系数。文献[9-10]提出了一种考虑线路损耗和换流站功率裕度的优化下垂控制策略。文献[11]提出了一种以直流输电系统运行损耗最小为目标而造成的各个换流器功率裕度不同而调节下垂系数的自适应控制策略。文献[12]提出了一种通过引入功率影响因子而自适应改变下垂系数的改进下垂控制策略。
传统下垂控制策略是利用电气测量值与参考值的差值经过PI调节器后作为电气量的叠加值，很难实现直流电压或功率的无静差调节。而且，传统下垂控制的换流站需要预选设定下垂系数，固定的下垂系数应用于复杂的大规模MTDC系统中，会降低系统在复杂工况下的灵活性和经济性。自适应下垂控制策略中，换流站下垂系数的选择一般与换流站的容量成反比关系。
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发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种直流电压自适应下垂控制策略，以实现MMC-IDCPFC对直流系统潮流的有效控制。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种直流电压自适应下垂控制策略，在下垂控制器中引入积分环节，对下垂系数进行自适应调整。
其中，对下垂控制系数利用积分环节的慢变特性，得到下垂系数
Figure 767080DEST_PATH_IMAGE001
的平滑变化曲线，进而实现下垂控制的自适应无差调节。
其中，下垂控制器根据有功功率和直流侧电压瞬时值，实时调节下垂系数
Figure 359080DEST_PATH_IMAGE002
，其关系式可如下式所示：
Figure 26822DEST_PATH_IMAGE003
式中：
Figure 289176DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 16960DEST_PATH_IMAGE005
为换流站的直流电压实际测量值和参考值；
Figure 99186DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 305039DEST_PATH_IMAGE007
为换流站的功率实际测量值和参考值。
本发明具有以下有益效果：
在下垂控制中引入积分环节，实现了MMC-IDCPFC对直流系统潮流的有效控制。最后，在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了安装有MMC-IDCPFC的三端MMC- MTDC系统，并进行了仿真验证，结果表明了所提控制策略的正确性和有效性。
附图说明
图1为本发明实施例中MMC的拓扑结构
图2为本发明实施例中MMC-IDCPFC的拓扑结构
图3 为本发明实施例中直流电压下垂控制器。
图4为本发明实施例中的直流侧电压仿真波形。
图5为采用传统下垂控制策略的有功功率仿真波形。
图6为采用改进下垂控制策略的有功功率仿真波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
拓扑结构
如图1所示为换流器MMC的拓扑结构，每个桥臂由N个子模块(sub-module，SM)、等效电阻
Figure 156321DEST_PATH_IMAGE008
和等效电抗器
Figure 55006DEST_PATH_IMAGE009
组成，上、下两个结构对称的桥臂构成一个相单元，每个SM由两个IGBT(
Figure 890107DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 634072DEST_PATH_IMAGE011
)、两个单相并联的二极管(
Figure 605439DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 2923DEST_PATH_IMAGE013
)和一个电容
Figure 325320DEST_PATH_IMAGE014
组成。图中，
Figure 138555DEST_PATH_IMAGE015
为子模块的电容电压，
Figure 370953DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 473426DEST_PATH_IMAGE017
分别为单个子模块的输出电压和电流，
Figure 892906DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 103307DEST_PATH_IMAGE019
(j=a,b,c)分别为MMC交流侧的电压和电流，
Figure 49267DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 460656DEST_PATH_IMAGE021
分别为每相上、下桥臂流过的电流（下标p表示上桥臂，下标n表示下桥臂），
Figure 492066DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 115946DEST_PATH_IMAGE023
分别为MMC直流侧电压和电流。
由图1可知，j相上、下桥臂电流为：
Figure 181991DEST_PATH_IMAGE024
（1）
直流侧电压为：
Figure 357757DEST_PATH_IMAGE025
（2）
对其上、下桥臂分别采用KVL定律 ，可得：
Figure 751829DEST_PATH_IMAGE026
（3）
MMC-IDCPFC拓扑结构
如图2所示，给出了MMC-IDCPFC的拓扑结构，其安装在三端直流输电系统MMC1处，包括两个换流站（A、B）和一个交流变压器，MMCA和MMCB的直流侧分别与
Figure 835192DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 99951DEST_PATH_IMAGE028
相连，交流侧通过一个变压器连接。三端直流输电系统中，采用双极接线方式连接而成环网，MMC1为定直流电压控制方式，MMC2和MMC3均采用定功率控制方式。模块化多电平换流器均由半桥型子模块级联而成。三端柔性直流输电系统的直流线路均采用同样的直流电缆，交流侧电压为230kv，直流侧电压为340kv。
工作原理
根据图2中实验环境的系统结构可得，该直流输电系统的潮流分布情况如下式所示：
Figure 977777DEST_PATH_IMAGE029
（4）
Figure 551208DEST_PATH_IMAGE030
（5）
Figure 48048DEST_PATH_IMAGE031
（6）
式中：
Figure 823106DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 747200DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 115864DEST_PATH_IMAGE034
为线路
Figure 275450DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 45960DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 265589DEST_PATH_IMAGE034
3条直流线路上的电流；
Figure 387129DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 225772DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 975422DEST_PATH_IMAGE037
为直流系统3个换流站的节点电压；
Figure 506897DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 584575DEST_PATH_IMAGE039
为MMC-IDCPFC在线路
Figure 617122DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 96645DEST_PATH_IMAGE032
上的电压；
Figure 799021DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 754208DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 934654DEST_PATH_IMAGE042
为3条直流线路上的电阻；
Figure 534262DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 532174DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 850023DEST_PATH_IMAGE045
为3条直流线路上流通的功率；
Figure 568580DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 415838DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 194438DEST_PATH_IMAGE048
为3个换流站输出或输入的功率。
公式（5）表示可以通过控制MMC-IDCPFC的
Figure 999583DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 912044DEST_PATH_IMAGE050
调整2、3号换流站节点的电压值，而改变直流线路上
Figure 220666DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 435747DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 587242DEST_PATH_IMAGE053
的大小和方向，进而实现系统潮流的控制。
控制策略
由于电压源型换流器可以独立控制有功和无功功率，因此MMC-IDCPFC中的两个换流站既可以整流，也可以逆变。本实施例中MMC-IDCPFC采用改进型下垂控制策略，传统下垂控制策略中，下垂系数
Figure 913181DEST_PATH_IMAGE054
预先给定，如：
Figure 341889DEST_PATH_IMAGE055
（7）
式中：
Figure 586925DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 366662DEST_PATH_IMAGE057
为MMC的功率偏差和直流电压偏差，均为预先根据系统要求的条件给定。直流电压的波动范围一般为直流输电系统额定电压参考值
Figure 496292DEST_PATH_IMAGE058
的5%，即：
Figure 904140DEST_PATH_IMAGE059
（8）
传统下垂控制的下垂系数为预先给定，不灵活，针对此问题，提出一种改进的自适应下垂控制策略。为了防止下垂参数设定不当而影响整个系统稳定运行，下垂控制端根据有功功率和直流侧电压瞬时值，实时调节下垂系数
Figure 461023DEST_PATH_IMAGE060
，其关系式可如式（9）所示。
Figure 462477DEST_PATH_IMAGE061
（9）
式中：
Figure 520432DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 392573DEST_PATH_IMAGE063
为换流站的直流电压实际测量值和参考值；
Figure 385937DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 733742DEST_PATH_IMAGE065
为换流站的功率实际测量值和参考值。
如图3为本文所提出的MMC-IDCPFC改进型直流电压下垂控制结构图。对下垂控制系数利用积分环节的慢变特性，得到下垂系数
Figure 205174DEST_PATH_IMAGE066
的平滑变化曲线，进而实现下垂控制的自适应无差调节。
由图3可知，引入本文所提的改进型直流电压下垂控制策略后，输入PI控制器的偏差值
Figure 462980DEST_PATH_IMAGE067
变为
Figure 486300DEST_PATH_IMAGE068
（10）
式中：
Figure 196767DEST_PATH_IMAGE069
本文所引入的积分参数。则
Figure 328015DEST_PATH_IMAGE070
（11）
式中：
Figure 705907DEST_PATH_IMAGE071
为
Figure 509915DEST_PATH_IMAGE072
轴的电流分量；
Figure 97891DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 911126DEST_PATH_IMAGE074
分别为PI控制器的比例参数和积分参数。
仿真验证
为验证本文所提控制方法有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建如图2所示的加装MMC-IDCPFC的三端直流输电系统。各节点距离为
Figure 877945DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 243068DEST_PATH_IMAGE076
，
Figure 928127DEST_PATH_IMAGE077
。其中MMCA和MMCB分别为本实施例中线间直流潮流控制器的A、B站，采用本文所提的改进型下垂控制策略；MMC1为主站，采用定直流电压控制；MMC2和MMC3均采用定功率控制。MMC-IDCPFC的两个换流站参数相同，部分如表1所示。
表1 MMC部分参数
Figure 545053DEST_PATH_IMAGE078
系统运行共12秒，在2.5秒时，将MMC-IDCPFC加装到三端直流输电系统中，5秒时，换流器MMC2直流线路侧加500MW负荷。
“本具体实施分别对MMC-IDCPFC采用传统下垂控制策略和改进型自适应下垂控制策略进行仿真验证，并对比两种控制策略下的仿真波形。图4为加装的MMC-IDCPFC分别采用传统下垂控制策略和改进型自适应下垂控制策略的直流电压仿真波形。比较两波形明显得出，采用本具体实施中所提改进型自适应下垂控制策略相比于采用传统下垂控制策略，直流电压波动更小，稳定速度更快。
图5为采用传统下垂控制策略的直流侧有功功率，功率波形在加装负荷后稍有上翘，未达稳定，图6为采用本具体实施所提的改进下垂控制策略的直流侧有功功率，功率波形在加装负荷后保持平稳，功率达到稳定。
比较两次仿真验证结果可知，采用本具体实施中所提的改进下垂控制策略对比于传统下垂控制策略，系统稳定性更好，对系统潮流能够更平稳和快速的控制。
本具体实施提出了一种直流电压自适应下垂控制策略，通过引入积分环节，实现下垂系数的平滑变化，使得MMC-IDCPFC更加平稳和快速的控制潮流，并在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了安装有MMC-IDCPFC的三端MMC-HVDC系统，在MMC-IDCPFC中分别采用传统下垂控制策略和改进型自适应下垂控制策略进行仿真计算，比较两次仿真计算结果，表明了本具体实施中所提控制策略的正确性和有效性。本具体实施研究成果为MMC-MTDC输电系统中交、直流网络间的潮流控制研究提供参考。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种直流电压自适应下垂控制策略，其特征在于：在MMC-IDCPFC的下垂控制器中引入积分环节，对下垂系数进行自适应调整；下垂控制器根据有功功率和直流侧电压瞬时值，实时调节下垂系数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其关系式可如下式所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、Udcref 为换流站的直流电压实际测量值和参考值；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为换流站的功率实际测量值和参考值；对下垂控制系数利用积分环节的慢变特性，使得下垂系数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
平滑的变化，进而实现下垂控制的自适应无差调节；
引入改进型直流电压下垂控制策略后，输入PI控制器的偏差值
Figure DEST_PATH_IMAGE008
变为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为引入的积分参数。
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MMC-MTDC输电系统新型直流电压斜率控制策略;刘盼盼等;《电测与仪表》;20160325(第06期);1-7页 *
一种MMC-MTDC系统新型协调控制策略;刘盼盼等;《电网技术》;20160105(第01期);64-69页 *
刘盼盼等.一种MMC-MTDC系统新型协调控制策略.《电网技术》.2016,(第01期),64-69页. *
基于VSC的直流配电网的电压调整控制策略;景世良等;《电力科学与工程》;20160528(第05期);11-17页 *
基于滑模控制理论的MMC-MTDC自适应下垂控制策略;宋平岗等;《电源学报》;20170915(第05期);106-113页 *
基于自适应下垂调节的VSC-MTDC功率协调控制;刘瑜超等;《中国电机工程学报》;20160105(第01期);40-48页 *
多端柔性直流输电系统直流电压自适应下垂控制策略研究;罗永捷等;《中国电机工程学报》;20160520(第10期);2588-2599页 *
直流微网自适应动态下垂控制策略研究;杨海柱等;《电源学报》;20170718(第02期);105-112页 *
适用于功率波动的多端柔性直流系统改进下垂控制方法;陈继开等;《电网技术》;20181018(第11期);3708-3717页 *

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