高压柔性直流电网分层协同自适应下垂控制

陶 艳, 刘天琪, 李保宏, 苗 丹, 董语晴, 卢智雪

(四川大学电气信息学院, 四川省成都市 610065)

0 引言

高压柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技术作为新一代的输电技术,是国际公认的直流输电技术发展方向[1]。与基于晶闸管的常规直流输电相比,柔性直流输电具有诸多优点[2-5],基于电压源换流器(VSC)换流站的多端高压柔性直流(multi-terminal HVDC based on VSC,VSC-MTDC)输电系统及其发展而成的直流电网在近10年中得到了持续关注,并在新能源并网、大电网广域异步互联等方面得到了广泛研究[6-7]。

直流电网是由大量直流端通过直流线路互联组成的能量传输系统[8],其控制策略需要考虑多个换流站控制系统间的配合问题,是直流电网技术发展中亟待攻克的难点之一[9-10]。VSC-MTDC协调控制策略中的电压下垂控制策略不需依赖换流站之间的通信,且控制鲁棒性强,是直流电网协调控制策略中的研究热点[11-12]。然而,下垂控制存在直流电压和有功功率无法精确调节、下垂系数选取困难、控制灵活性差等缺陷[13-15]。为克服上述缺点,相关学者不断改进,针对不同应用场景提出了多种改进下垂控制策略[16-17]。文献[18-19]提出一种基于最优潮流和下垂控制的直流电网分层控制策略,但该策略侧重于直流电网的经济运行,欠缺对下垂控制的改进研究。文献[20]提出一种自适应下垂控制方法,该方法根据换流站的功率裕度大小实时改变下垂系数,避免换流站出现过载的情况,但该方法未考虑系统的优化运行。文献[21]提出一种改进优化下垂控制策略,该策略通过在下垂特性中设置拐点,下垂系数的选取在拐点前以网损最小为优化目标,在拐点后以功率裕度为优化依据,但该策略仅适用于含公共直流母线的多端直流系统,且未分析功率调节过程中直流电压的稳定性。

改进下垂控制策略的相关研究大多集中于改善传统下垂控制的调节精准度和功率分配的合理性等方面。通过直流电网潮流优化的结果修正下垂系数来精准控制电压与功率的方式,降低了下垂控制应对直流电网潮流变化的响应速度。而以功率裕度为依据动态修正下垂系数的策略往往忽略了功率调节过程中直流电压偏差过大的问题。当直流电网中出现较大功率过剩/缺额时,稳态时功率裕度较大的换流站承担较大的功率变动,下垂控制特性偏向功率控制[20],易造成功率平衡过程中直流电压过高/过低的情况出现。因此,如何协调下垂控制改进中的控制精确性、功率分配合理性和电压稳定性是亟待研究的问题。

针对上述问题,本文从稳态和动态两方面对下垂控制策略进行改进,提出直流电网分层协同的自适应下垂控制策略。首先,在系统控制层考虑直流电网稳态运行时的经济性,优化潮流并将相应的电压、功率指令下发到各换流站,使直流电网准确运行于既定目标的经济运行点。然后,换流站控制层在考虑换流站功率裕度的基础上,引入电压偏差影响因子,依据本地电压与功率信号实时调节下垂系数,合理分配不平衡功率的同时稳定直流电压。最后,在MATLAB和PSCAD/EMTDC中对所提出的分层协同自适应下垂控制策略进行算例分析和仿真验证。

1 柔性直流电网控制分层策略

多端柔性直流系统中广义的下垂控制有3种控制模式,分别为定直流电压控制模式、定有功功率控制模式和下垂控制模式,3种控制模式可用关于直流电压Udc和有功功率P的通式表示[18,22],即

aUdc+bP+c=0

(1)

(2)

当a=0,b=1,c≠0且c=-Pref时,控制模式表现为定有功功率控制,即

P-Pref=0

(3)

式中:Pref为有功功率指令值。

(4)

式中:K为下垂系数。

控制参数a,b,c决定了控制的模式和指令值。定电压控制和定功率控制分别能实现电压、功率的无差调节。

直流电网的功率控制系统通常划分为系统级控制和换流站级控制两层,系统级控制所在的上层控制系统通过光纤通道将控制参数下发到各换流站,各换流站的控制系统依据控制参数调整控制模式、修正相应的指令值,同时采集本地直流电压和有功功率信号反馈至上层控制系统。对于定功率运行的换流站,上层控制系统根据调度要求向相应换流站下发有功功率的指令值Pref;对于定直流电压运行的换流站,则是下发直流电压指令值Uref;对于采用下垂控制的换流站,上层控制系统同时下发电压与功率的指令值[19]。传统的固定斜率下垂控制存在诸多弊端,倘若下垂系数的优化由上层控制系统完成,通信的延迟甚至通信通道的故障都不利于扰动期间系统的稳定过渡,因此下垂系数的优化需由换流站自身实现。

本文提出一种直流电网分层协同自适应下垂控制策略,其分层方法如图1所示,假设直流电网中有n个换流站采用下垂控制方式,m个换流站采用定有功功率的控制方式。直流电网的上层控制为系统控制层,由上层控制系统根据各换流站上传的电压功率信息进行最优潮流计算,结合各换流站的控制方式下发相应指令值,应用于稳态时或小扰动后直流电网的潮流优化以及下垂控制站功率与电压的精确控制,也称为稳态控制层。下层为换流站控制层,主要针对采用下垂控制的换流站,实现下垂系数的实时自适应优化,在直流电网发生大扰动情况下发挥的作用较大,也称为动态控制层。直流电网稳定运行时,上层控制系统定期执行采样—潮流优化—下发指令,当系统中发生较大扰动时,暂停上述命令,系统恢复稳定后重启潮流优化控制,而换流站控制层始终执行下垂系数的实时优化。系统控制层依赖于换流站与上层控制系统间的高速通信,而换流站控制层中各换流站仅依靠本地信号即可优化运行,倘若通信中断,换流站按中断前的指令值运行,即使系统中有较大的扰动发生,换流站控制层的自治控制方式仍然能保证系统的稳定过渡。

图1 直流电网控制分层示意图Fig.1 Hierarchical schematic diagram for control of DC grid

2 直流电网分层协同自适应下垂控制策略

2.1 系统层最优潮流控制

直流电网最优潮流计算的首要问题是建立最优潮流模型。最优潮流模型的准确性直接影响其计算的结果以及求解的速度,根据直流电网的运行特性与控制需求设立最优潮流模型的目标函数、等式约束条件和不等式约束条件。

1)目标函数

直流电网潮流优化计算常用目标函数包含网络损耗最小和电压偏差最小。

以网络损耗最小作为目标函数:

(5)

式中:N为直流节点总数;Yij为直流节点i和j之间的互电导,其中Yii为直流节点i的自电导;Udci和Udcj分别为直流节点i和j的直流电压;Pi为第i个换流站传输的有功功率,以交流系统传入直流电网的方向为正方向。

考虑到直流电压在直流电网稳定运行中的重要性,直流电压的偏差最小也常被作为目标函数,有

(6)

单纯以网损最小为目标进行的潮流优化已不能满足实际需求,参考文献[23]采用的目标函数归一化处理方法,兼顾网损最小、电压偏移量最小两个优化目标,得目标函数:

(7)

2)等式约束条件

等式约束条件为直流电网的功率平衡方程,其表达式概括为:

(8)

式中：j∈i表示与节点i相连的节点。

3)不等式约束条件

不等式约束条件包含直流节点电压幅值和换流站运行功率的上下限约束。

(9)

ωloss和ωv的选择可遵循以下步骤:①在[0,1]的范围内均匀取值;②分别评估每组取值点的目标函数值;③根据运行需要选取合适的权重组合。

内点法收敛速度快、数值鲁棒性强,适用于大规模电力系统的潮流优化。本文采用内点法计算直流电网的最优潮流,实时采样更新数据,每隔一个周期重新进行潮流优化计算并更新指令,保证稳态运行下直流电网的潮流始终处于目标最优状态。

2.2 换流站层优化自适应下垂控制方法

假设直流电网中有n个换流站采用下垂控制方式,其中换流站i传输的有功功率与直流电压有如下关系:

(10)

忽略线路损耗,则各换流站的直流电压保持一致。若直流系统中发生较大扰动导致功率变化,直流电压改变ΔUdc,第j个换流站的下垂系数和功率变化量分别为Kj和ΔPj,则功率变化量ΔP可表示为:

(11)

换流站j承担的分配功率ΔPj为:

(12)

由上式可知,当直流系统中不平衡功率ΔP一定时,下垂系数越小的换流站承担的功率分配越少,下垂系数越大的换流站承担的功率分配越多。

传统下垂控制是按照换流站的容量大小设定换流站的下垂系数,运行中下垂系数固定不变,当系统中发生的扰动较大时,易使部分换流站过载。倘若提高功率裕度较大的换流站的下垂系数,使之在扰动期间承担更多不平衡功率,相当于提升了下垂控制站应对直流网络潮流变化响应的能力[17]。

基本下垂系数K和基于功率裕度的自适应下垂系数K′定义如下:

(13)

(14)

α在[1,5]内取值,具体数值根据实际运行情况选取。由附录A图A1可知,本文算例中取α=4较合适。

稳态运行时,下垂系数大小由换流站的功率裕度决定,直流电网中出现不平衡功率时,换流站根据下垂特性自动调节功率,下垂系数较大的换流站承担较多的功率分配,功率裕度随着有功功率的调整而减小,下垂系数随之减小,从而减缓功率的增长趋势,避免换流站因承担过多不平衡功率而满载甚至过载。

以上自适应下垂控制策略的焦点在于不平衡功率的合理分配,下垂系数K′可能经历由Kmax′到Kmin′的跨度变化,下降速率较大,不利于直流电压的稳定,且易造成扰动期间直流电压相对于参考值的偏差较大,出现直流电压过低或过高的情况。因此,本文引入电压偏差影响因子β,定义如下:

(15)

(16)

(17)

直流电压与参考值偏差越小,电压偏差影响因子β越接近于1,优化自适应下垂系数K*与自适应下垂系数K′越接近。随着电压偏差的增大,β随之减小,K*逐渐增大,相当于提高了直流电压控制在下垂控制中的比重,与仅考虑功率裕度的自适应下垂控制相比,优化自适应下垂控制的电压稳定作用更强。固定斜率下垂控制、自适应下垂控制和本文提出的优化自适应下垂控制的特性曲线对比如图2所示。优化自适应下垂控制的控制框图见图3。

图2 3种下垂控制的特性Fig.2 Characteristics of three droop controls

图3 优化自适应下垂控制框图Fig.3 Block diagram of optimal adaptive droop control

3 仿真验证

为验证所提控制策略的有效性,在仿真软件PSCAD/EMTDC平台上搭建如图4所示的七端柔性直流电网。换流站1至换流站4选择定功率控制,换流站5至换流站7选择下垂控制,仿真参数见附录A表A1。固定斜率的下垂系数选为基本下垂系数K,由仿真参数计算可得换流站5到换流站7的下垂系数K5=K6=K7=30。

3.1 直流电网潮流优化

根据最优潮流结果,可以得到各换流站的电压与功率的指令值,系统网络损耗与电压偏差在优化前后的对比结果如附录A表A3所示。

图4 七端柔性直流电网接线图Fig.4 Wiring diagram of seven-terminal flexible DC grid

从计算结果中可以看出,在采用直流电网潮流优化策略后,直流电网功率分配满足期望分布,权重系数ωloss和ωv决定直流电压偏差与网络损耗在目标函数中的比重,当ωloss较大时该控制策略能有效降低网络损耗,当ωv较大时则能够将电压偏差控制在较小范围内。

3.2 换流站优化自适应下垂控制

1)直流电网中发生潮流反转

假定直流电网已运行在ωloss=1和ωv=0情况下的优化运行点,即换流站1至7的有功指令分别为1.2,1.2,1.2,-2,-0.8,-1.2,0.441,均为标幺值。1.0 s时,换流站2的有功指令从1.2(标幺值)反转为-1.0(标幺值),扰动发生时直流电网中出现的2.2(标幺值)的功率缺额全部由采用下垂控制的换流站5至7共同承担,分别对换流站在固定斜率下垂控制、自适应下垂控制和本文提出的优化自适应下垂控制下进行了仿真对比,下垂控制站的仿真结果如附录A图A2至图A4所示。

初始运行状态下直流电压近似于指令值,电压偏差影响因子β≈1,自适应下垂系数K′与优化自适应下垂系数K*基本一致。

(18)

直流电网稳定后,上层控制系统重新优化潮流并下发指令,通过提升各换流站的直流电压参考值、调整功率平衡站(换流站7)的有功功率参考值来降低有功损耗,仿真结果如附录A图A5所示。

2)直流电网中发生换流站退出事件

假定直流电网初始运行条件与上一算例相同。1.0 s时,运行功率最大的换流站4退出运行,即有功功率从-2(标幺值)降为0(标幺值),扰动发生时直流电网中出现的2(标幺值)的功率过剩全部由采用下垂控制的换流站5至换流站7共同承担,分别对换流站在固定斜率下垂控制、自适应下垂控制和本文提出的优化自适应下垂控制下进行了仿真对比,仿真结果如附录A图A6至图A8所示。

1.0 s时换流站4退出运行,即换流站4的有功指令由-2(标幺值)跃变为0(标幺值),直流系统中出现2(标幺值)的功率过剩,导致直流电压上升。固定斜率下垂控制中,3个换流站平均分摊不平衡功率,理论上各站应承担0.67(标幺值),初始运行状态下,换流站5的功率裕度为0.7(标幺值),换流站6的功率裕度为0.3(标幺值),因此采用固定斜率的下垂控制势必导致换流站5接近满载以及换流站6因满载而切换为定功率运行,而换流站7由整流站翻转为逆变站,仍保留有较大功率裕度。

下垂控制考虑功率裕度时,裕度最大的换流站7承担了约60%的不平衡功率,换流站5和换流站6虽承担较少的功率,但其本身功率裕度较小,在自适应下垂控制调节后仍接近于满载。由附录A图A8的下垂系数变化曲线可以看出,由于换流站6的功率裕度逐渐减小导致下垂系数触及下限并维持下限值运行。电压偏差影响因子增大了换流站5与换流站7的下垂系数,使得其承担的功率较自适应下垂控制更多。因此，在本文提出的优化自适应下垂控制下,换流站6仍能留有一定功率裕度,对比扰动后直流系统达到稳态时的直流电压,整理结果如表1所示,其中直流电压偏差为标幺值。

表1 直流电压偏差的仿真结果Table 1 Simulation results of DC voltage deviation

由表1的数据对比与附录A图A7的电压仿真波形可知,在功率裕度较小的情况下,仅考虑功率裕度的下垂控制方法在调节功率分配时很大程度上牺牲了对直流电压的控制能力,导致扰动后直流电压偏差较大,而本文提出的优化自适应下垂控制在保证功率裕度的同时提升了对直流电压偏差的抑制能力,能够有效改善暂态过程中有功功率与直流电压的波动情况,使直流系统快速达到新的平衡。

4 结语

本文提出了一种结合系统层控制与换流站层控制的直流电网分层协同自适应下垂控制策略。系统控制层收集各换流站采集的电压、功率信号,定期优化潮流并更新下发的控制指令,保证直流电网在既定目标下处于潮流最优运行状态,精准控制下垂控制站的直流电压与有功功率。换流站控制层采用本文提出的优化自适应下垂控制方法,下垂系数实时跟踪换流站的功率裕度以及直流电压偏差,确保换流站在扰动情况下合理分配有功功率、抑制直流电压偏差的增大,控制过程无须依靠高速通信,提升了控制的响应速度和直流电网的稳定性。算例分析与仿真结果验证了本文所提策略的有效性和合理性。

新型设备的研制在高压直流电网的发展中占据重要地位,潮流控制器、DC/DC变换器等的应用改变了直流电网潮流的自然分布,增加了系统暂态过程的复杂性,潮流优化控制与站间协调控制有待进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。