多端柔性直流输配系统控制策略研究

邱大强，邢大鹏

(1.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610042;2.国网四川省电力公司技能培训中心，四川 成都 610039)

1 引言

多端柔性直流输配电系统是指通过将3个及以上的VSC(Voltage Source Converter)换流端口直流侧采用并联或者串联的方式相互连接而组成的直流输配电系统，它在运行灵活性、可靠性、经济性等方面都比双端系统具有更大优势。同时随着电力电子、控制、通信技术快速发展，城市用电快速增长和对电能质量的更高要求以及可再生能源的并网要求，多端直流输配电系统将逐步成为直流输配电技术下一步的发展方向，因此只有继续研究多端直流输配电系统才能更好的满足电网的经济和高效运行［1，2］。

目前多端柔性直流输配电系统还处于实验室研究阶段，并没有相关的实际系统运行。与双端柔性输配电系统相比较，多端系统的每个换流系统单元内部的配置和结构与双端系统中端口的基本一致，只是多端系统的换流系统的直流侧电容同时与多个换流系统的直流侧采用串联或者并联的方式相互连接而成。本文将主要研究并联方式的多端系统控制，该多端系统与双端系统的工作原理相似，每个端口均可以在有功功率控制方式和无功功率控制方式中各选取一个然后进行组合控制。同时，为了保证整个多端系统的功率平衡，多端系统也需要一个端口作为直流电压控制，一旦系统中控制直流电压的端口发生故障，系统应当立即启动备用端口来进行系统直流电压的控制，从而保证整个多端系统的正常运行。多端柔性输配电的控制系统根据系统直流电压的控制方式可以将其控制策略分为主从控制方式和电压下降方式两种:其中主从式控制主要将系统调度层作为多端系统的控制中心，各个换流端口作为辅助控制，每个端口的换流系统的控制指令均由控制中心实时给定。在这种控制方式下，直流电压和各个端口的功率控制性能都具有很好的刚性，整个系统的运行依靠高速通信和系统调度层的实时控制，一旦通信线路发生故障时，整个系统将无法运行;电压下降控制方式是基于分散逻辑控制的一种控制方式，首先在多端系统中选择一个端口作为直流电压的控制端口，然后再选择一个备用的直流电压控制端口，在系统正常运行时，备有端口将工作在有功功率控制模式下并实时检测系统的直流电压，这种控制方法因为缺少上层协调控制，多端系统中其他端口在进行功率调整时很容易引起直流电压控制端口和备用直流电压控制端口的误动作，从而在系统中引起故障或者大扰动，很难实现系统的最优控制［3－5］。

针对以上问题，本文提出了将主从控制与电压跌落控制相结合的方法来控制整个系统的直流电压和有功平衡。在系统正常运行时，系统将指定一个端口作为直流电压控制，其他端口工作在有功功率或者是频率控制方式下。当多端系统不正常时，另一个端口将通过调度指令或是电压门槛监视模块启动进入直流电压控制模式。论文详细分析了多端系统的控制原理并利用PSCAD软件建立了一个四端的模拟系统并对该系统的控制系统进行控制仿真，通过仿真来验证该控制策略的控制效果。

2 多端柔性输配电系统控制策略研究

为了保证整个多端系统正常运行，在多端系统中需要选择一个换流端口来控制整个系统的直流电压并保证整个多端直流系统的功率平衡，而其他端口则工作在PV节点方式或者PQ节点的方式下。当需要新增加一个端口时，系统只需要将新增端口的直流侧与直流母线连接即可。一般情况下应选择具有较大容量的电源端口作为系统的直流电压控制端口，同时系统中的电压控制备用端口也应当选择具有较强功率调节能力的端口。通过以上分析，本文提出将主从控制方式与电压下降方式相结合的一种控制方法，其控制结构如图1所示。

图1 多端柔性直流输配电系统直流电压端口控制示意图

从图1的多端系统直流电压控制示意图可以看出，当多端直流系统正常运行时，多端系统的每一个换流端口均可以接收来自统一调度的各项指令，根据调度指令确定每个换流站有功运行方式如:直流电压控制、有功功率控制、频率控制等。同时多端系统中的每个换流站都有统一的系统紧急故障系统稳定控制处理预案，这种控制方式简称“主从控制”。当多端系统中的某一个换流端口出现严重故障时，如果该端口为非电压控制端口，此时多端系统可以根据系统紧急故障时的稳定控制预案适当的调整每个端口传输的有功功率，从而保证整个多端系统正常运行。当多端系统中的直流电压控制端口出现紧急故障时，此时系统的有功功率平衡将被打破，多端系统的直流电压会出现突变，如果此时再等待调度命令来完成多端系统的协调控制，那么整个多端系统将无法正常运行。本文提出在多端系统中选择一个端口作为备用直流电压端口，并对该端口控制器的控制模式进行特殊设计，其设计的控制原理如图1所示:通过对该端口设置一个最低和最高直流电压门槛值，在多端系统正常运行时整个直流电压比较稳定系统电压不会发生突变，此时备用直流电压端口将根据调度指令运行在非直流电压控制方式下;当系统电压突变的范围超过了设置的电压门槛值或者其电压变化率超过了设立的电压变化率的门槛值时，备用直流电压端口将认为多端系统中原来的直流电压控制端口出现故障，此时该备用系统将立刻切换到直流电压控制方式下并向系统中的其他端口和调度发出指令和信号，从而实现多端系统的直流电压控制。采用这种将主从控制方式与电压下降方式相结合的控制策略，能够有效的维持多端系统的直流电压，并且在直流电压控制器故障时备用系统的直流电压控制器能够立刻投入运行，增强了系统的可靠性。

3 换流端口控制器设计

多端换流系统中的换流控制器与双端系统在的换流控制器功能和结构基本一样，只是备用直流端口的换流控制有些不同。本文采用直接功率控制方法对换流控制器进行设计，该方法以瞬时功率理论为基础，实时计算出本端口换流器输入的有功和无功功率，通过将实际的输入量与调度下达的期望值进行比较，其差值作为下一个开关周期的输入量而进行控制。一般情况下，换流系统的开关动作频率在2kHz左右，因此换流系统的实际输入值与期望值只差可以忽略。

直接功率控制算法设计的控制器其内环为功率比较环，外环为功率输入环［6，7］。在多端系统中换流控制系统中，直流电压控制端口和备用直流电压控制端口与其他的换流换流端口控制系统结构相似，仅在其外环的有功参考功率输入处略有不同，如图2所示。

图2 多端柔性直流输配电系统备用直流电压控制器意图

如果该端口为直流电压控制端口，那么该端口的有功功率将切换开关切换至P*，直流电压控制器设计可参考文献［8］。如果该控制器用于多端系统中的非直流电压控制端口时，换流端口的有功功率将由调度下令，那么有功功率切换开关将切换至调度P*，此时如果多端系统中直流电压控制出现问题时，且该端口为备用直流端口，则该控制器将根据图1的预定控制策略切换至P*，从而实现多端系统的直流电压控制。

4 多端系统仿真

为了验证文中说提出的主从控制模式与电压下降模式相结合的控制策略在多端柔性直流输配电控制系统中的有效性，本文利用PSCAD软件对一个四端的柔性直流输配电系统进行了模拟仿真，仿真系统的结构如图3所示。

图3 四端柔性直流输配电系统结构图

在这个仿真系统中每个端口均与有源交流网络相连接，每一个换流系统均可以向直流侧注入或者吸收有功功率，系统的主要参数如表1所示。

表1 多端柔性直流输配电系统各换流端口参数

为了验证控制系统的有效性，本文分别做了系统正常运行与系统直流电压故障的紧急情况下的模拟仿真。在系统正常运行时，各个端口换流系统的运行方式如表2所示。

表2 各端口运行方式

4.1 正常情况下的柔性直流输配电系统仿真

仿真过程中，端口1计作为直流电压控制端口，多端系统的直流电压在0.2s以后进入稳态运行，其额定电压为3.6kV，其仿真结果如图4(a)所示;由于系统的直流电压从0到额定电压上升速度较快，此时端口1的输入功率的超调量和波动较大，在0.4s时基本趋于稳定。在0.5s时，端口2向多端系统注入1MW的有功功率，在端口4从多端系统中吸收2MW的有功功率;在0.8s时，端口3向多端系统注入1MW的有功功率;在1s时端口4收到调度命令由原来的2MW调整至2.5MW传输功率为0;在1s时，端口3由输入1MW功率调整至0MW;在1.4s时，端口2由吸收功率1MW调整至想系统注入功率1MW，端口4由吸收系统2.5MW调整至向系统注入功率1.5MW;在1.5s时端口3向系统注入功率1.5MW，系统各端口的功率调整过程如图4(b)所示。从上面的仿真结果可以看到，在正常情况下任何端口进行传输功率的调整，整个系统的功率都是平衡的，系统的直流电压稳定。从各个端口的仿真电流曲线可以看到每个端口的响应速度快，能够满足系统的功率快速调节。

图4 正常情况下的多端系统仿真结果

4.2 直流电压故障情况下的柔性直流输配电系统仿真

在本次系统的仿真过程中，端口2和端口4的功率调整与系统正常情况时的调整一样。在1s时，多端系统的端口1突然发生故障，端口1换流系统闭锁，此时整个多端系统直流电压迅速下降，端口3通过检测到直流电压下降率大于系统设定值后便启动了直流备用电压控制的策略，整个仿真结果如图5所示。

图5 直流电压故障情况下的多端系统仿真结果

通过对系统正常情况下的主从控制和故障情况下利用电压下降模式启动备用直流电压控制进行仿真，从仿真结果可以看到系统在任何情况下均能够正常工作，顺利完成系统调度的各种指令。

5 结论

本章首先简单的介绍了多端柔性直流输配电系统，并与双端柔性直流输配电系统进行了简单的比较，然后针对多端系统中直流电压控制的难题，提出采用主从控制与电压跌落控制相结合的一种控制模式。在系统正常运行时，系统采用主从控制模式，而电压跌落控制功能处于热备用状态;当系统直流电压控制端口发生故障时，备用直流电压控制端口通过将检测到的系统直流电压下降率和系统直流电压最低/高的门槛值，从而启动备用端口的直流电压控制功能。论文通过PSCAD软件对一个四端口的多端柔性直流输电系统进行仿真，从仿真结果验证了控制方案能够保证多端系统的稳定运行，且能够使整个多端直流系统在受到大小扰动后迅速恢复正常运行.

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