多端柔性直流輸配系統(tǒng)控制策略研究

邱大強，邢大鵬

(1.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042;2.國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610039)

1 引言

多端柔性直流輸配電系統(tǒng)是指通過將3個及以上的VSC(Voltage Source Converter)換流端口直流側(cè)采用并聯(lián)或者串聯(lián)的方式相互連接而組成的直流輸配電系統(tǒng)，它在運行靈活性、可靠性、經(jīng)濟性等方面都比雙端系統(tǒng)具有更大優(yōu)勢。同時隨著電力電子、控制、通信技術(shù)快速發(fā)展，城市用電快速增長和對電能質(zhì)量的更高要求以及可再生能源的并網(wǎng)要求，多端直流輸配電系統(tǒng)將逐步成為直流輸配電技術(shù)下一步的發(fā)展方向，因此只有繼續(xù)研究多端直流輸配電系統(tǒng)才能更好的滿足電網(wǎng)的經(jīng)濟和高效運行［1，2］。

目前多端柔性直流輸配電系統(tǒng)還處于實驗室研究階段，并沒有相關(guān)的實際系統(tǒng)運行。與雙端柔性輸配電系統(tǒng)相比較，多端系統(tǒng)的每個換流系統(tǒng)單元內(nèi)部的配置和結(jié)構(gòu)與雙端系統(tǒng)中端口的基本一致，只是多端系統(tǒng)的換流系統(tǒng)的直流側(cè)電容同時與多個換流系統(tǒng)的直流側(cè)采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式相互連接而成。本文將主要研究并聯(lián)方式的多端系統(tǒng)控制，該多端系統(tǒng)與雙端系統(tǒng)的工作原理相似，每個端口均可以在有功功率控制方式和無功功率控制方式中各選取一個然后進行組合控制。同時，為了保證整個多端系統(tǒng)的功率平衡，多端系統(tǒng)也需要一個端口作為直流電壓控制，一旦系統(tǒng)中控制直流電壓的端口發(fā)生故障，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)立即啟動備用端口來進行系統(tǒng)直流電壓的控制，從而保證整個多端系統(tǒng)的正常運行。多端柔性輸配電的控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)直流電壓的控制方式可以將其控制策略分為主從控制方式和電壓下降方式兩種:其中主從式控制主要將系統(tǒng)調(diào)度層作為多端系統(tǒng)的控制中心，各個換流端口作為輔助控制，每個端口的換流系統(tǒng)的控制指令均由控制中心實時給定。在這種控制方式下，直流電壓和各個端口的功率控制性能都具有很好的剛性，整個系統(tǒng)的運行依靠高速通信和系統(tǒng)調(diào)度層的實時控制，一旦通信線路發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)將無法運行;電壓下降控制方式是基于分散邏輯控制的一種控制方式，首先在多端系統(tǒng)中選擇一個端口作為直流電壓的控制端口，然后再選擇一個備用的直流電壓控制端口，在系統(tǒng)正常運行時，備有端口將工作在有功功率控制模式下并實時檢測系統(tǒng)的直流電壓，這種控制方法因為缺少上層協(xié)調(diào)控制，多端系統(tǒng)中其他端口在進行功率調(diào)整時很容易引起直流電壓控制端口和備用直流電壓控制端口的誤動作，從而在系統(tǒng)中引起故障或者大擾動，很難實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制［3－5］。

針對以上問題，本文提出了將主從控制與電壓跌落控制相結(jié)合的方法來控制整個系統(tǒng)的直流電壓和有功平衡。在系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)將指定一個端口作為直流電壓控制，其他端口工作在有功功率或者是頻率控制方式下。當(dāng)多端系統(tǒng)不正常時，另一個端口將通過調(diào)度指令或是電壓門檻監(jiān)視模塊啟動進入直流電壓控制模式。論文詳細分析了多端系統(tǒng)的控制原理并利用PSCAD軟件建立了一個四端的模擬系統(tǒng)并對該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行控制仿真，通過仿真來驗證該控制策略的控制效果。

2 多端柔性輸配電系統(tǒng)控制策略研究

為了保證整個多端系統(tǒng)正常運行，在多端系統(tǒng)中需要選擇一個換流端口來控制整個系統(tǒng)的直流電壓并保證整個多端直流系統(tǒng)的功率平衡，而其他端口則工作在PV節(jié)點方式或者PQ節(jié)點的方式下。當(dāng)需要新增加一個端口時，系統(tǒng)只需要將新增端口的直流側(cè)與直流母線連接即可。一般情況下應(yīng)選擇具有較大容量的電源端口作為系統(tǒng)的直流電壓控制端口，同時系統(tǒng)中的電壓控制備用端口也應(yīng)當(dāng)選擇具有較強功率調(diào)節(jié)能力的端口。通過以上分析，本文提出將主從控制方式與電壓下降方式相結(jié)合的一種控制方法，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多端柔性直流輸配電系統(tǒng)直流電壓端口控制示意圖

從圖1的多端系統(tǒng)直流電壓控制示意圖可以看出，當(dāng)多端直流系統(tǒng)正常運行時，多端系統(tǒng)的每一個換流端口均可以接收來自統(tǒng)一調(diào)度的各項指令，根據(jù)調(diào)度指令確定每個換流站有功運行方式如:直流電壓控制、有功功率控制、頻率控制等。同時多端系統(tǒng)中的每個換流站都有統(tǒng)一的系統(tǒng)緊急故障系統(tǒng)穩(wěn)定控制處理預(yù)案，這種控制方式簡稱“主從控制”。當(dāng)多端系統(tǒng)中的某一個換流端口出現(xiàn)嚴重故障時，如果該端口為非電壓控制端口，此時多端系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)緊急故障時的穩(wěn)定控制預(yù)案適當(dāng)?shù)恼{(diào)整每個端口傳輸?shù)挠泄β?，從而保證整個多端系統(tǒng)正常運行。當(dāng)多端系統(tǒng)中的直流電壓控制端口出現(xiàn)緊急故障時，此時系統(tǒng)的有功功率平衡將被打破，多端系統(tǒng)的直流電壓會出現(xiàn)突變，如果此時再等待調(diào)度命令來完成多端系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，那么整個多端系統(tǒng)將無法正常運行。本文提出在多端系統(tǒng)中選擇一個端口作為備用直流電壓端口，并對該端口控制器的控制模式進行特殊設(shè)計，其設(shè)計的控制原理如圖1所示:通過對該端口設(shè)置一個最低和最高直流電壓門檻值，在多端系統(tǒng)正常運行時整個直流電壓比較穩(wěn)定系統(tǒng)電壓不會發(fā)生突變，此時備用直流電壓端口將根據(jù)調(diào)度指令運行在非直流電壓控制方式下;當(dāng)系統(tǒng)電壓突變的范圍超過了設(shè)置的電壓門檻值或者其電壓變化率超過了設(shè)立的電壓變化率的門檻值時，備用直流電壓端口將認為多端系統(tǒng)中原來的直流電壓控制端口出現(xiàn)故障，此時該備用系統(tǒng)將立刻切換到直流電壓控制方式下并向系統(tǒng)中的其他端口和調(diào)度發(fā)出指令和信號，從而實現(xiàn)多端系統(tǒng)的直流電壓控制。采用這種將主從控制方式與電壓下降方式相結(jié)合的控制策略，能夠有效的維持多端系統(tǒng)的直流電壓，并且在直流電壓控制器故障時備用系統(tǒng)的直流電壓控制器能夠立刻投入運行，增強了系統(tǒng)的可靠性。

3 換流端口控制器設(shè)計

多端換流系統(tǒng)中的換流控制器與雙端系統(tǒng)在的換流控制器功能和結(jié)構(gòu)基本一樣，只是備用直流端口的換流控制有些不同。本文采用直接功率控制方法對換流控制器進行設(shè)計，該方法以瞬時功率理論為基礎(chǔ)，實時計算出本端口換流器輸入的有功和無功功率，通過將實際的輸入量與調(diào)度下達的期望值進行比較，其差值作為下一個開關(guān)周期的輸入量而進行控制。一般情況下，換流系統(tǒng)的開關(guān)動作頻率在2kHz左右，因此換流系統(tǒng)的實際輸入值與期望值只差可以忽略。

直接功率控制算法設(shè)計的控制器其內(nèi)環(huán)為功率比較環(huán)，外環(huán)為功率輸入環(huán)［6，7］。在多端系統(tǒng)中換流控制系統(tǒng)中，直流電壓控制端口和備用直流電壓控制端口與其他的換流換流端口控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，僅在其外環(huán)的有功參考功率輸入處略有不同，如圖2所示。

圖2 多端柔性直流輸配電系統(tǒng)備用直流電壓控制器意圖

如果該端口為直流電壓控制端口，那么該端口的有功功率將切換開關(guān)切換至P*，直流電壓控制器設(shè)計可參考文獻［8］。如果該控制器用于多端系統(tǒng)中的非直流電壓控制端口時，換流端口的有功功率將由調(diào)度下令，那么有功功率切換開關(guān)將切換至調(diào)度P*，此時如果多端系統(tǒng)中直流電壓控制出現(xiàn)問題時，且該端口為備用直流端口，則該控制器將根據(jù)圖1的預(yù)定控制策略切換至P*，從而實現(xiàn)多端系統(tǒng)的直流電壓控制。

4 多端系統(tǒng)仿真

為了驗證文中說提出的主從控制模式與電壓下降模式相結(jié)合的控制策略在多端柔性直流輸配電控制系統(tǒng)中的有效性，本文利用PSCAD軟件對一個四端的柔性直流輸配電系統(tǒng)進行了模擬仿真，仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 四端柔性直流輸配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在這個仿真系統(tǒng)中每個端口均與有源交流網(wǎng)絡(luò)相連接，每一個換流系統(tǒng)均可以向直流側(cè)注入或者吸收有功功率，系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 多端柔性直流輸配電系統(tǒng)各換流端口參數(shù)

為了驗證控制系統(tǒng)的有效性，本文分別做了系統(tǒng)正常運行與系統(tǒng)直流電壓故障的緊急情況下的模擬仿真。在系統(tǒng)正常運行時，各個端口換流系統(tǒng)的運行方式如表2所示。

表2 各端口運行方式

4.1 正常情況下的柔性直流輸配電系統(tǒng)仿真

仿真過程中，端口1計作為直流電壓控制端口，多端系統(tǒng)的直流電壓在0.2s以后進入穩(wěn)態(tài)運行，其額定電壓為3.6kV，其仿真結(jié)果如圖4(a)所示;由于系統(tǒng)的直流電壓從0到額定電壓上升速度較快，此時端口1的輸入功率的超調(diào)量和波動較大，在0.4s時基本趨于穩(wěn)定。在0.5s時，端口2向多端系統(tǒng)注入1MW的有功功率，在端口4從多端系統(tǒng)中吸收2MW的有功功率;在0.8s時，端口3向多端系統(tǒng)注入1MW的有功功率;在1s時端口4收到調(diào)度命令由原來的2MW調(diào)整至2.5MW傳輸功率為0;在1s時，端口3由輸入1MW功率調(diào)整至0MW;在1.4s時，端口2由吸收功率1MW調(diào)整至想系統(tǒng)注入功率1MW，端口4由吸收系統(tǒng)2.5MW調(diào)整至向系統(tǒng)注入功率1.5MW;在1.5s時端口3向系統(tǒng)注入功率1.5MW，系統(tǒng)各端口的功率調(diào)整過程如圖4(b)所示。從上面的仿真結(jié)果可以看到，在正常情況下任何端口進行傳輸功率的調(diào)整，整個系統(tǒng)的功率都是平衡的，系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)定。從各個端口的仿真電流曲線可以看到每個端口的響應(yīng)速度快，能夠滿足系統(tǒng)的功率快速調(diào)節(jié)。

圖4 正常情況下的多端系統(tǒng)仿真結(jié)果

4.2 直流電壓故障情況下的柔性直流輸配電系統(tǒng)仿真

在本次系統(tǒng)的仿真過程中，端口2和端口4的功率調(diào)整與系統(tǒng)正常情況時的調(diào)整一樣。在1s時，多端系統(tǒng)的端口1突然發(fā)生故障，端口1換流系統(tǒng)閉鎖，此時整個多端系統(tǒng)直流電壓迅速下降，端口3通過檢測到直流電壓下降率大于系統(tǒng)設(shè)定值后便啟動了直流備用電壓控制的策略，整個仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 直流電壓故障情況下的多端系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過對系統(tǒng)正常情況下的主從控制和故障情況下利用電壓下降模式啟動備用直流電壓控制進行仿真，從仿真結(jié)果可以看到系統(tǒng)在任何情況下均能夠正常工作，順利完成系統(tǒng)調(diào)度的各種指令。

5 結(jié)論

本章首先簡單的介紹了多端柔性直流輸配電系統(tǒng)，并與雙端柔性直流輸配電系統(tǒng)進行了簡單的比較，然后針對多端系統(tǒng)中直流電壓控制的難題，提出采用主從控制與電壓跌落控制相結(jié)合的一種控制模式。在系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)采用主從控制模式，而電壓跌落控制功能處于熱備用狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)直流電壓控制端口發(fā)生故障時，備用直流電壓控制端口通過將檢測到的系統(tǒng)直流電壓下降率和系統(tǒng)直流電壓最低/高的門檻值，從而啟動備用端口的直流電壓控制功能。論文通過PSCAD軟件對一個四端口的多端柔性直流輸電系統(tǒng)進行仿真，從仿真結(jié)果驗證了控制方案能夠保證多端系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，且能夠使整個多端直流系統(tǒng)在受到大小擾動后迅速恢復(fù)正常運行.

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