多端柔性直流输电系统直流电压下垂控制.docx

多端柔性直流输电(VSCHVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师:日期：摘要:多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission VSC-MTDC)与传 统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路 容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的 稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳 定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存 在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了 多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模 型，分析MTDC系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究 满足MTDC系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。关键词：VSC-MTDC下垂控制模块化多电平换流器一引言 、基于电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)的高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)技术(HVDC based on VSC, VSC-HVDC，也称 柔性直流输电技术)系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直 流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC系统接线方式分为串联、 并联和混联等，目前主要采用并联式1。并联接线的MTDC系统中所有VSC工 作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交 流系统中的频率控制。多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直 流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流 电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变 量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压 进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统 的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策 略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流 站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电 压偏差控制策略。主从控制策略是一种需要换流站间通信的控制策略，这种控 制方式利用换流站间的通信系统实现了直流电压的稳定，具有控制特性好、直流 电压质量高等优点，但系统可靠性依赖于换流器控制器与系统控制器之间的高速 通讯，这严重制约了多端直流输电尤其是长距离输电系统可靠性的提高。直流电 压偏差控制策略是一种无需站问通信的控制策略，这种控制策略的实质是在定直 流电压站故障退出运行后，后备定直流电压站能够检测到直流电压的较大偏移并 转入定直流电压运行模式，保证了直流电压的稳定性；同时其设计简单、可靠性 强。下垂控制策略为多点控制，控制器通过测量本地直流母线电压对功率分配进 行调节，因而不依赖于换流站间的高速通讯，系统可靠性较高。二、多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略2.1柔性直流输电系统概述总体上来看，目前的多端直流输电系统接线方式主要有串联型、并联型和混 联型3种类型。由于并联型多端系统具有调节范围宽、扩建灵活、易于控制和 可靠性高等突出优点，成为研究的热点和应用的重点。本文设计的直流电压混合 控制策略主要是针对并联型多端系统。多端柔性直流输电系统控制是一个庞大复 杂且相互耦合的多输入、多输出系统，为满足系统控制的快速性和高可靠性，一般可以分为系统级控制、换流器级控制、换流阀级控制和子模块级控制4层。 多端柔性直流输电分层控制系统框图如图1所示：图1中，系统级控制除完成顺控功能以外，主要是产生换流器级控制所需 的有功及无功功率指令；换流器控制是系统控制的核心，目前电压源型换流器一 般采用直接电流矢量控制策略，最终生成换流阀级控制所需的调制信号；换流阀 级控制主要是根据调制波生成功率器件的直接控制信号；子模块级控制主要完成 功率器件的最终触发控制。本文的直流电压混合控制策略属于系统级控制，与换流器拓扑方式无关。系统级控制abI MTDC/AGCAVCdcref坐标环PU坐标变换rh、去 I信号调制/电压均衡，命*举电流4控制/电流“控制上I队城政 I ;dqref均衡控制功率器作触发控制您流阀级! |子模块级狈逝3图1多端柔性直流输电分层控制系统框图1 中：图中 AGC(automatic generation control)为自动发电控制换流搭图1多端柔性直流输电分层控制系统框AVC(automatic voltage control)为自动电压控制；Uab(和。阮分别为换流器交 流侧相电压、相电流；e为换流器交流侧相电压同步角；U sd，U sq和'sd，lsq分别为换流器交流侧相电压、相电流经旋转变换后的d、q轴分量；Pref、Qref 和U df 别为换流器有功功率、无功功率和直流电压指令；p ,Q和udc分别 为换流器实际有功功率、无功功率和直流电压；/ 为外环控制器计算得到的1 dqref内环电流控制器d、q轴电流指令值；Idq为仅电流单闭环控制时的电流控制 器d、q轴电流指令值。2.2控制策略分类比较由于MTDC系统控制中需协调控制多个换流站，对于串联型MTDC系统，需保 持各换流站直流电压的平衡；对于并联型MTDC系统，需保持各换流站直流电流 的协调分配。选择适合的运行模式和控制方式是MTDC正常运行的基础。MTDC的 控制模式与换流器类型、系统规模、运行要求等密切相关，并决定了 MTDC的上 层协调与上层控制器设计。MTDC系统控制最基本的要求是需要满足W-1原则， 即任一换流站退出都不影响系统的稳定运行。目前MTDC的控制方式按照直流电 压控制方式主要分为单点直流电压控制方式和多点直流电压控制方式，常见的多 端直流输电控制方法分类如图2所示，其中各方式的优缺点对比如表2所示。方式主从控制电压裕度控制下垂控制分段下垂控制直流电压稳定性好较好较差较差系统功率平衡由主站和从站承担由主站和预备主站承担由多个换流站共同承担由多个换流站共同承担控制单个换流站功率可以准确控制可以准确控制难以准确控制难以准确控制是否依赖通信依赖不依赖不依赖不依赖控制器设计控制器结构简单需选择合适的电压裕度值电压下降特性选取较为复杂需选取合适的电压阈值图3各方式的优缺点对比1. 主从控制：主从控制器控制方法优点是控制简单，缺点是对换流站间的 通信要求较高.通信故障后系统难以控制。2. 电压裕度控制：是主从控制的一种扩展，相当于一种改进的具有多个可 选择功率平衡节点的定直流电压控制，当一端功率平衡节点故障或达到系统限制 时，电压调节控制由另一换流站接替。电压裕度控制并用于直流电网，该控制是 定直流电压和定有功/电流控制的结合，换流站正常运行在定有功/电流控制 下，当直流电压偏差达到电压裕度的限制后，换流站切换为定直流电压控制，使 直流电压保持在电压裕度限制值以内，防止直流电压偏差进一步增大，但该控制 方法在主控制器切换时会引起系统振荡。3. 电压下垂控制：基本思想是基于功率一频率下垂控制。各换流站通过测 量自身功率的大小，基于电压下垂特性，将功率转换为以输出电压为指令的控制 信号，再根据调整后的功率反作用于输出电压信号，达到自我调节、自动分配功 率的目的。系统中各个换流站共同承担功率平衡，通过调节直流电压来控制功率 的大小。因为下垂控制中多个换流站共同参与功率的平衡和直流电压的调节，因 此，其相对于主从控制具有更高的可靠性，且不会造成电压振荡。当某一个换 流站发生故障停运时，系统剩余部分通过调整各个换流站功率分配和直流电压参 考值，仍能维持直流网络电压相对稳定。直流电压下垂控制策略根据控制量的不 同，分为电流特性(V-I)和功率特性(V-P)，其中电流特性下垂控制的MTDC系统 中，直流电容的充放电基于线性的电压-电流关系，具有直观的物理含义；而在 功率特性下垂控制中，受控量为有功功率，直流电容的充放电为非线性关系(双 曲线)，系统的功率传输特性更为直观。合理设计下垂系数是MTDC系统稳定、 可靠运行的前提。在传统下垂控制基础上，增加上层系统控制器，求解各换流器 直流电压和有功功率参考值的最优解，以提高系统的运行效率和动态性能；但这 类方法依赖于换流站与上层系统控制器间的高速通讯，降低了系统可靠性。通过 引入公共直流参考电压提高了系统动态响应速度。传统下垂控制策略中，下垂特 性曲线为正比例函数，直流电压质量与功率分配特性是一对相互制约的因素：若 下垂斜率较小，则直流电压刚性较好，但功率分配特性较差；若下垂斜率较大， 则功率分配特性好，但直流电压对传输功率变化敏感，系统电压偏差较大。此外， 所有参与下垂控制的换流站均需要根据各自的设计容量、运行工况等条件预先设 定各自的下垂系数，应用于大规模MTDC系统时控制器参数设计难度较大。而采 用固定下垂系数的MTDC系统在复杂工况下的灵活性和经济性也会降低。4. 分段下垂控制：结合了电压裕度控制和下垂控制的优点，以两阶分段下 垂控制为例，改进的电压-功率下垂控制，在下垂控制中增加两条线段，同时在 有功和直流电压控制的切换过程中加入滞环控制，避免模式之间的频繁切换。三、MTDC系统结构3.1换流器电路拓扑模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)是近年来应用于 HVDC和MTDC的VSC热门拓扑之一。图4为MMC的主电路拓扑，每桥臂由n个 功率模块(sub-module，SM)和桥臂电感L arm组成，上下两个桥臂构成一个相元。U a,Ub,Uc为MMC交流输出电压；u dc为直流电压；N、P为直流母线连接点a I I I TT图jMC电路拓扑111要关注其外特性，采用简化等效模型旭Mc的电气特性进行分析。MMC在 交流侧等效为受控电压徵直流侧等效为受控电流源，如图5SM| SM| lSMUac . I°+1°_COt " w =图5 MMC直流侧简化模型3.2 MTDC系统拓扑结构以连接海上风力发电场的MTDC系统为例，其拓扑结构主要取决于海上风电 场的地理位置、岸上交流电网的连接点以及海底电缆的分布。一种典型的连接海 上风电场MTDC系统拓扑结构如图6(a)所示。系统由n个风机侧换流站(wind farmconverters，WFCs)，m 个网侧换流站(grid sideconverters，GSCs)以及直 流网络构成。此外，通常还以增加直流连接线的方式将已有HVDC系统拓展为 MTDC系统，如图6(b)。(a) 一种典型的海上风电接入MTDC系统拓扑结构(b) HVDC增加直流连接线构成的MTDC系统拓扑结构图6连接海上风电场的MTDC系统拓扑3.3 MTDC系统模型3.3.1直流电压下垂控制直流电压下垂控制通过检测直流电压与设定参考值的差值控制输入直流网 络的有功功率，实现功率平衡和电压稳定。本文以v-i特性下垂控制为例进行 分析，采用V-P特性下垂控制可用类似方法分析。对下垂控制节点，下垂系数 为k droop，设定运行参考点的直流电压Ud 、电流c和功率P f，满足P = U I 。以电流流出直流网络为正方向，直流电压与直流电流关系： Idcdcref dcrefdcI dc有功功率Pdcref droop ' dc dcref '与直流电压川 的关系为:P - Pref = kdroopdcdcref droop dcref ' dc由式(1)、(2)可得，多端系统的直流电压控制和功率分配特性取决于下垂系数，亦或V-I特性曲线的斜率1。设计良好的下垂系数能够使多端系统稳k droop定运行；当传输功率变化或某一换流站检修或故障停运时，系统能够从当前运行 点平稳过渡于新的稳态运行点。3.2.2 MTDC下垂控制模型对图6(a)所示MTDC系统进行建模。系统正常运行时，WFCs将有功功率实 时输入直流网络，称作输入节点；GSCs承担直流电压控制和功率分配，称作输 出节点。利用p型等效电路对直流电缆建模，支路阻抗简化为电阻。对图7所 示输入输出节点与直流网络模型，列写电压电流方程：输入一.R，节点f1输入一工节加输入一 3节点(a)输入节点z和/_输出1'节点i马 _输出二3节点/(b)输出节点i和J1节点一匚=IF土输出 节点，匝输出 节点顶(b)输出节点，和J耳1-1|输入:节亩n-尊竣输站点a 驾效输坤点b(c) n输入节点明输出节点的MTDC拓扑结构输入-.肉.岛.、输出节点*1T1 一节点 3图7 MTDC系统直流网络模型1)输入节点模型。U治输入一 '_输出节点2"1"1节点4(d) HVDC增加直流连接线构成MTDC拓扑结构式中：u .和u分别为输入节点i和j的直流电压；i.、i和R、r分11i j i j别为输入节点i、j连接支路的直流电流和线路阻抗；uk, u k, Rk,、分别 为输出节点k对应的直流电压测量值、直流电压参考值、线路阻抗和下垂系数， 如图7(a)所示。2)输出节点模型。(4)u = R i + (R + 1)i + u = R i + (R + 1)i + uk k k i k iref ,ik k j k jref, jij式中:uk , ik ,Rk分别为输入节点k的直流电压、连接支路的直流电流和线路阻抗;u , .、i、I 、R .、 ref, j i j iU ref ,i 、参考值、连接支路的直流电流、与节点j直流电压参考值相等:r .和匕、kj分别为输出节点i、j的直流电压 线路阻抗和下垂系数，如图7(b)所示。当节点i 即Uf, i=Uf ,J=。时等效为支路并联:uk = & + 厂)II)珏 +1J1i11欢3 = (& + 厂)H (弓 + )14 + 气穴"_kt匕3 虹j3)直流网络模型。当m个输出节点直流电压参考值相等，由式(3) (5)可得图7(c)A + R) R) * * * 艮 » « «其中R0 = Rr +LRn普1 /施 + m 1 /七耸i -i J ；U = u u . u T ； U = u u . u T 12n 0000 n输出节点:1k.11% =+ -) II + -) R + 1KnsJ kJ(7)j = n + I, n + 2,m t=i式中：' 为节点直流电压；为支路直流电流；气为支路线路阻抗；ii=1,2,.,n+m；七为m个采用下垂控制的输出节点下垂系数，其直流电压参考值均为u0； j=n+1,n+2,.,n+m； r为中间连接支路线路阻抗；如图7(c)所示。式(6)、(7)构成的MTDC系统数学模型可以简化等效为两端HVDC系 统。对图6(d)所示增加直流连接线扩展而来的MTDC系统，采用类似的方法可得 其下垂控制等效模型为：&+上r5R求(514"ref,4"芸为支路直流电流曳)为支k为采用下垂控制节点的下垂系数，其直流电压参考值为疽.；式中：u潞阻抗 i=1,2,3,4；j -. 一 - 一 厂 j=3,4； r 5 为直流连接线线路阻抗；如图7(d)所示。式一为MTDC系统节点电压与输入电 流方程构成的下垂控制数学模型。包含复杂直流网络的大规模MTDC系统可由上 述模型拓展而得。3.4直流电压自适应下垂控制策略3.4.1系统描述对图8所示MMC-MTDC系统，问题描述如下:I = GU和77 + 771"危deC系统下垂控制策略 :下垂控制|_湖电流内环下谁控制电流内环/ + ?GSC/7? / II =（ i , ，.亓表示n个输入节点和m1 Q个输出节点的直流电压和电流；G为MTDC直流网络导纳矩阵；与=九（七）表 示下垂控制的MMC换流站（输出节点）V-I特性曲线。3.4.2约束条件MTDC下垂控制策略的约束条件包括：直流电压、直流电流、换流器容量等。 以额定直流电压、额定直流电流为基值，采用标幺制表示，如图9所示。 一-直流电流限制* - er图9下垂控制约束条件、1）直流电压等级。主要由换流器拓扑、开关器件和直流电缆的耐压等级等决 定。MTDC系统商流电压偏差通常限号售瓦搭°%以内。在V-I特性曲线中，电 压限制表现为双横线。1 一2) 换流器容量。主要由换流器拓扑和开关器件额定电流决定。在V-I特性 曲线中，容量限制表现为双曲线。3) 直流电流限制与直流电缆最大电流、开关器件额定电流等有关。在V-I特 性曲线中，电流限制表现为双竖线。3.4.3自适应下垂控制在满足上述约束条件情况下，当MTDC系统中所有VSC的V-I特性曲线满 足七=fk (七)为连续且单调递增函数时，即能维持系统功率平衡："Pg=P(12)传统下垂控制策略中，所有换流站下垂系数kdroop均为预先单独设定。其中第k 个换流站：Df, k= kdroop , k (ML Uref, k )(13)式中：Uk、Uref,k为换流站k的直流电压实际值和参考值；，k、"k为换流 站k的直流电流实际值和参考值。当传输功率波动或直流网络拓扑变化(例如换 流站停运退出等)时，传统下垂控制有直流电压质量低、功率分配不独立等缺点， 影响系统运行的经济性、灵活性。针对上述问题，提出一种改进的自适应下垂控 制策略。通过测量本地电气量，引入功率影响因子：&= * ref, kk(14)P, k pm, k式中Pm,k为换流站k的设计额定容量。则换流站k的V-I特性曲线为u = f (i ) = ' p,k (i - i ) + u(15)k k k kk ref, kref, k将式(14)代入式(15)可得：uu - u =ref,k(i 2 - i i )(16)k ref, k P kk ref, k k由式(15)、(16)可得，功率影响因子对V-I特性曲线斜率的影响与直流电流 成正比。换流站k直流母线电压偏差值Auk (Auk = uk - u f任)与直流电流 成抛物线关系。通常设定MTDC系统运行参考点为：传输功率为零七=0时，直 流母线电压为系统额定电压；即irf k = 0，uef k = um，um为额定直流母线电压。因此，由传输功率变化引起的直流电压偏差Auk与直流电流的二次方 成正比。(17)A U = U - U =间，k kk k 冲'kP, kkdroop , k与传统下垂控制的直流电压偏差值u'k相比:A u A u =L'dk_ref , kmJkk k kdroop , k同时，换流站直流电流满足：(18)lkPkUkPm(19)代入式（18）有：Auk < Au由式（19）、（20）可得，垂控制策略的MTDC系统，(20)下垂系数满足:ref .J km , k droop , k1< kdroop , k(22)k与传统下垂控制策略相比，采用本文提出的自适应下直流电压偏差较小。对式（17）求导可得，直流电压对输入电流的变化率为性=p ",k（21）k m, k droop , k分析在不同工况下的系统运行特性。1）工况1，换流站有功功率较低，直流电流lk > ?3"。此时自适应下垂控制侧重于直流电压调节，实际直流电压相对额定直流电压偏差 较小。2）工况2，换流站有功功率较高，接近额定容量，直流电流七> Pmk /Qu,"。下垂系数满足：；就k'" >（23）m, k droop , kdroop , k此时自适应下垂控制侧重于功率分配以避免MMC换流站功率超限或桥臂电 流过流，功率分配特性较好。由上述分析可得，本文提出的自适应下垂控制策略， 能够减小传输功率变化造成的直流电压偏差，同时在不增加通讯的情况下适用于 各种工况并提高系统运行特性。控制器设计如图7所示。自适应下垂控制检测 换流站当前运行状态，通过功率影响因子对下垂系数实时修正，实现V-I特性 曲线的闭环控制。其中外环采用自适应下垂控制，内环采用传统dq轴电流解耦 控制。控制外环根据测量本地直流电压udc和直流电流lc，在自适应下垂控制 作用下计算相应的d轴电流参考直九_ f ；根据无功功率测量值Q和参扑Q寸，在PI调节器作用下计算相应的q轴电流参考值y 寸。在电流内环作 用下，生成MMC三相参考电压ua浏、u b闾、uc河.，经过均压和调制环节，产生换流器中开关器件IGBT触发脉冲。图7中，、常分别为直流电流和直流电压；iabc、u板分别为交流电网三相电流和三相电压；q为锁相环（phaselock oop，PLL）输出的相位角;交流电网三相电压u板 和三相电流iabc分别进行dq变换后得到u 、id qMMCJ总葡夕茵- I|厂百顽矿11:I名却卜卜I11JIGBT ftf卜由发脉冲 ttt调制（最近 电平逼近）& 均压算法流站自适应下垂控制策略电流控制内环PLL 4droops四、k图10 mC换络拓扑下，pi |-kiMMC-MTDC 系统:学模型，推导了多统在'abc各种典型直流网直流电压和电流（功率）的关系解析式。直流 电压控制是MTDC系统稳定运行的重要因素之一，系统电压质量与下垂控制参数 的选择密切相关。分析下垂控制约束条件，当传输功率较低时，系统侧重于维持 直流电压稳定以提高电压质量；当传输功率较高时，系统侧重于功率分配，避免 换流站容量超限和过流。1）传输功率变化时，直流电压质量较高。在相同的最大直流电压偏差限制 条件下（不超过额定电压10% ），自适应下垂控制的直流电压偏差较小。2）控制器参数设计简化。只需设定每个换流站的直流电压偏差上下限，降 低了系统设计复杂度，尤其适用于大规模MTDC系统。3）无需上层控制器与换流站的高速通讯，有利于提高MTDC系统的稳定性 和可靠性。五、感谢首先感谢任课老师对我仿真的指导与帮助，然后感谢我的导师对我的指导与 关怀，还要感谢在这门课程学习过程中给过我无私帮助的其他同学。这篇报告是我对新型输电这门课学习的一个总结，通过对这门课的学习，我 获益良多，不仅学习到了与专业，研究生研究课题相关的知识，还锻炼了对知识 检索，整理的能力。老师的教课方式轻松，上课能全面了解新型输电这门课；课 后布置讲课PPT很用心，会对每个同学的选题进行指导，课上讲完PPT还会进行 提问，对于最后结课报告的内容给出专业的意见。对于结课作业也是需要先给老 师初期审查，经过修改，最后完成作业。总之，老师是一位严肃，认真，对学生 学习很负责的老师。通过课上以及课下让我全面了解新型输电系统的内容，针对自己感兴趣和不 懂的知识，在课后通过查阅文献资料，最终选择讲解为的内容为多端柔性直流输 电(VSCHVD)系统直流电压偏差斜率控制，经过几次修改，最终由我做讲解的 PPT,虽然前期PPT的内容主要是直流电压偏差斜率控制的内容。但我选择了多端 柔性直流系统电压下垂控制这方面来写，主要是因为通过查阅文献对直流电压偏 差斜率控制已经有了比较多的了解。这个报告对电压下垂控制以及电压自适应下 垂控制有比较系统详细的描述。参考文献1 Pinto R, Rodrigues S F, Bauer Petal. Comparison of direct voltage control methods of multi terminal DC(MTDC)networks through modular dynamic modelsC2 袁旭峰，程时杰.多端直流输电技术及其发展J.继电器，20063 阎发友，汤广福，贺之渊，等.基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略4 汤广福，罗湘，魏晓光.多端直流输电与直流电网技术J.中国电机工程学报，20135 吴俊宏，艾芋.多端柔性直流输电系统在风电场中的应用J.电网技术，20096 Spallarossa C E，Green T C， Lin C， et al. A DC voltage control strategy for MMC MTDC grids incorporating multiple master stationsC7 陈霞，林卫星，孙海顺，等.基于多端直流输电的风电并网技术J.电工技术学报，20118 Prieto-Araujo E， Bianchi F D，- A， et al. Methodology for droop control dynamicanalysis of multiterminal VSC-HVDC grids foroffshore wind farmsJ. IEEE Transactions on Power Delivery， 20119 文劲宇，陈霞，等.适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究J.电力系统保护与控制，201310 张文亮，汤涌，曾南超多端高压直流输电技术及应用前景,201011 管敏渊，徐政，屠卿瑞，等模块化多电平换流器型直流输电的调制策略J，电力系统自动化，2010