最佳负载均流方法在MT-HVDC系统线损最小化的应用

林亭君

摘要：讨论了多端高压直流（MT-HVDC）系统中消除直流电压偏差和提高负载均流精度问题。为了尽量减少不同并联网络拓扑结构的电力线损耗，保证系统的稳定运行，提出了一种基于改进下垂控制的分散控制方法。采用平均直流输出电压，平均两个相邻变流器的输出电流的方式，减小控制系统中通信网络的拥塞以实现分散控制。通过最小化电缆的功率损耗，导出最佳的负载电流分配比例，以实现不同变换器之间的合理电流分配。最后，进行瞬态响应实验仿真以证明所提出的MT-HVDC系统的控制策略的可行性。

关键词：电流分配精度;下垂控制;多端高压直流;电力线损最小化;

中图分类号：TM773

文献标识码：A

随着高压直流输电网络日益运用到现代电力系统中，多端高压直流输电（ MT-HVDC）系统越来越受到重视。与传统的交流电网相比，直流电网不存在无功功率和谐波，具有同步独立、效率高等优点[1]。在海上风电场中，考虑到电容阻抗，不能使用基于交流耦合的传输。在这种情况下，使用直流电将风力发电机的发电功率传输到岸上电站[2]。由于海上风电场通常由多个端子组成，因此形成了用于MT-HVDC系统的不同网络配置。MT-HVDC系统[3]中的分布也日益受到重视，应该确定合理的分摊比例，以便从整个直流系统中获得有效的运行。在现有的文献中可以找到几种均流方法，例如，主从控制[4]，平均电流控制等[5]。考虑到不同的直流端子可能彼此远离，并且传输线路阻抗影响控制系统的稳定性，下垂控制由于其通信依赖性低[6]，可作为均流方法可适用于此。但是，下垂控制有两个限制。首先，下垂控制涉及直流输出偏差[7]。其次，在考虑电力线损失的情况下，负载均流精度会降低[8]。因此，有必要解决这些问题，以提高下垂控制的性能。文献[9]提出了一种改进的下垂控制方法。该方法可以有效补偿电压降，同时提高负载分配精度。它也可以在考虑径向和网状结构的情况下减轻通信压力。在文献[10]中，选择两个相邻变换器的平均电压和平均电流作为控制变量，以便解决通信业务。虽然这适用于直流微电网的低压输电线路，但由于传输线路参数的影响尚未得到全面的研究，因此不足以应用于MT-HVDC系统。

通过一个LBC网络传输每个变换器的控制变量信息，讨论直流电缆阻抗对改进的下垂控制系统稳定性的影响。在MT-HVDC系统中，通过电力线损耗最小化获得最优电流分配比例，研究了网状结构和径向结构。仿真结果表明了该方法基于变参数的可行性。

1 MT-HVDC网络配置分析

换流站可以串联或并联形成MT-HVDC网络结构。所有的变换器需要在没有串联的MT-HVDC系统时使用相同的电流结果。目前，接口变换器是相互并联的，MT-HVDC的配置一般分为两组，即径向[11]和网状[12]结构分别如图1和图2所示。

1.1 截面导线

对于MT-HVDC系统直流电缆传输线，电阻，电感，电容沿线均匀分布[13]。通过级联几个相同的截面导线得到分布参数线的近似模型，如图3所示。

1.2 径向配置

MT-HVDC系統的直流电路由换流站的大电容和直流电缆组成。根据基尔霍夫定律[15]，可以从图4中导出以下电路方程：

2 基于下垂控制的建议优化方法

2.1 改进的下垂控制方案

下垂控制的形式依赖于本地直流母线电压信号[13]，传统下垂控制的电压一电流关系可以表示为：

为了研究MT-HVDC系统中不同变换器之间的电流分配，本文提出了一种基于下垂控制的分散方法来解决这个问题。根据式（12）可以看出，直流侧输出电压的给定值随着直流输出电流的增加而线性减小。由于在MT-HVDC系统的直流侧没有无功功率，所以只有有效的均流精度。由于直流输出电压较高，线路阻抗的考虑是不可避免的，特别是对于长输电线路的情况。

本文通过在每个直流电压参考值上增加两个补偿控制器，消除了直流电压偏差，提高了均流精度。同时，补偿控制器的通信数据通过LBC网络从两个相邻的变换器转移。这些控制器在本地可以实现分散控制。同时，负载电流可以通过补偿控制器实现比例分配。然后共享系统的当前流程由外部控制回路改进。最后，直流输出电流的共享增强，每个变换器的输出电压参考值可以得到如下：

2.2 MT-HVDC系统参数对稳定性的影响

为了保证控制系统的稳定性，改变电缆参数和通讯延时的作用是必要的。将（7）和（11）代入（13）得到：

基于上述理论推导和分析，结合（15）-（17），可以得到闭环传递函数具有径向和网状结构的MT-HVDC系统的稳定性可以通过分析特征方程的闭环极点，同时改变传输线参数和通信延迟来测试。以任意变换器i（i=1，2，3）的控制图为例，径向配置的闭环主导极点如图6所示。

3 实验仿真

为了验证所提出的MT-HVDC传输系统的控制方法，使用MATLAB/Simulink作为仿真环境来实现具有径向和网状结构的下垂控制方法。表1给出了MT-HVDC系统参数。表2给出了直流电缆参数。

3.1 径向配置MT-HVDC的仿真结果

仿真的目的是验证所提出的控制系统的稳定性，并测试电压恢复的响应和优化的电流比例共享精度。在图7和图8中，可以看到补偿控制器在t=2s时被激活。在t=2s之前，电流比例共享精度不能满足最优的电力线损耗要求。在t=2s之后，每个变换器的直流输出电流逐渐变化，这与最佳电流比例共享精度k1：k2：k3-0.79：1：0.66相匹配。

同时，直流侧平均电压增加了2.88 kV，并且更接近每个变换器直流母线电压的基准。如图7到图8所示，当电缆长度固定时（l_1L= 100 km，l_2L=80km，l_3L=120 km），通信延迟从τ=1s变为τ=2s。这两种情况的调整次数不同，分别需要3s和6s才能达到稳定。