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    多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

    2016-02-23 07:47:42張立奎張英敏
    現(xiàn)代電力 2016年1期
    關(guān)鍵詞:控制策略

    張立奎,張英敏,苗 淼

    (1.四川大學電氣信息學院,四川成都 610065;2.青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,青海西寧 810008)

    A Coordinated Control Strategy for VSC-MTDC SystemZHANG Likui1, ZHANG Yingmin1, MIAO Miao2

    (1.School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China;

    2.Qinghai Electric Power Corporation Economic Research Institute, Xining 810008, China)

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    多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

    張立奎1,張英敏1,苗淼2

    (1.四川大學電氣信息學院,四川成都610065;2.青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,青海西寧810008)

    A Coordinated Control Strategy for VSC-MTDC SystemZHANG Likui1, ZHANG Yingmin1, MIAO Miao2

    (1.School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China;

    2.Qinghai Electric Power Corporation Economic Research Institute, Xining 810008, China)

    0引言

    與基于電流源型換流器(current source converter,CSC)的傳統(tǒng)直流系統(tǒng)相比,基于電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)的柔性直流系統(tǒng)有可向無源網(wǎng)絡供電、可獨立控制與交流側(cè)交換的有功和無功、逆變端不存在換相失敗和潮流反轉(zhuǎn)而電壓極性不變等諸多優(yōu)勢。由于這些特點,雙端柔性直流輸電系統(tǒng)可廣泛用于可再生能源接入、孤島供電、城市供電、電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域[1-3]。而基于VSC的多端直流輸電系統(tǒng)因為可以協(xié)調(diào)各個換流站之間功率,所以運行更加靈活、可靠,但控制策略和控制措施也就相對復雜[4-8]。

    近年來,國內(nèi)外許多學者對多端柔性直流系統(tǒng)的直流電壓控制策略做了廣泛的研究。文獻[9]采用單點直流電壓控制策略,用一個換流站承擔系統(tǒng)內(nèi)所有有功變化,這種控制策略沒有考慮到該換流站有功越限或退出運行后的情況,也沒有考慮到實際系統(tǒng)中,該換流站的后備容量可能難于滿足要求。文獻[10]采用多點直流電壓偏差控制,在主導站有功越限或退出運行后,后備站能自動從定功率控制模式直接轉(zhuǎn)換至直流電壓控制模式,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行,但系統(tǒng)在任何工作狀態(tài)下均是由單個換流器承擔系統(tǒng)有功變化,使得系統(tǒng)動態(tài)響應速度慢,而且從定功率模式直接轉(zhuǎn)換到定電壓模式會造成直流電壓較大的波動。文獻[11]采用基于多代理系統(tǒng)的技術(shù),這種控制策略要求站間有高速通信能力,上層控制中有很強的計算能力,這就增加了多端系統(tǒng)建設成本,也降低了系統(tǒng)運行可靠性。文獻[12-14]采用多點直流電壓斜率控制,用多個帶電壓下降特性的換流器分別承擔系統(tǒng)有功變化,這種控制策略對于直流電壓控制沒有很好的剛性,同時,參與系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)的換流器不能準確跟蹤有功參考值。

    針對上述控制策略的不足,本文提出了一種新的多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略,在多端柔直系統(tǒng)正常運行時,主導站和輔助站共同承擔系統(tǒng)有功變化,以提高系統(tǒng)動態(tài)響應速度;主導站越限后,輔助站處在斜率控制以降低對主導站調(diào)節(jié)容量的要求或處在直流電壓控制保證系統(tǒng)直流電壓控制具有較好剛性,其余換流站處在定功率控制,仍然可以接受人工指令調(diào)節(jié);主導站退出運行后,有調(diào)節(jié)能力換流站均處在斜率控制以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。針對各換流站不同控制模式設計出相應控制器,并通過引入滯環(huán)來避免各控制器在不同模式間頻繁切換引起的功率振蕩。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建5端柔性直流輸電系統(tǒng),使用本文控制策略在不同的工作狀態(tài)下進行仿真,驗證了該協(xié)調(diào)控制策略的有效性和可行性。

    1基于改進直流電壓偏差特性的多端控制策略

    本文以圖1所示的5端柔性直流輸電系統(tǒng)為例說明控制策略。圖1中,L12、L13、L24、L25、L34、L45為各換流站之間直流線路長度;P1、P2、P3、P4、P5為各換流站輸出的有功功率,各換流器的交流側(cè)均與無窮大交流系統(tǒng)相聯(lián)。

    圖1 5端柔性直流輸電系統(tǒng)

    直流電壓偏差控制在同一時刻只有一個換流站進行功率調(diào)節(jié),系統(tǒng)動態(tài)響應差。而多點直流電壓斜率控制使得直流電壓控制不具有良好剛性,且不能精確控制功率。本文提出將直流電壓偏差控制中定功率特性改為斜率特性,各換流器的具體工作特性如圖2所示。

    圖2 換流器工作模式1

    在圖2中,ud1、ud2、ud3為各換流站直流電壓;Pim和Pin為各換流站輸出功率上限值和下限值(i=1,2,3);udh2和udl2為換流站2從斜率控制轉(zhuǎn)換為直流電壓控制的電壓動作上限值和下限值;udh3和udl3為換流站3從定功率控制轉(zhuǎn)換為斜率控制的電壓動作上限值和下限值。

    換流站1是主導站,采用定直流電壓控制,使該換流站直流電壓恒定;換流站2是輔助站,在直流電壓偏差模式中引入斜率控制,輔助主導站調(diào)節(jié)功率;換流站3、4、5設計參數(shù)大致相同,均在定功率控制模式中引入斜率控制,為表述簡明起見,圖2中只畫出換流站3工作特性。

    電力系統(tǒng)遠程通信方式通常有載波、微波和光纖通信等,多端柔性直流系統(tǒng)各換流站間可采用專用以太網(wǎng)接口和遠程通信進行各換流站間功率參考值、功率爬坡速率、功率限制、直流電壓等信號的傳輸交換。本文控制策略不需設計上層控制器進行大量計算,只需將直流網(wǎng)絡某點直流電壓作為電壓參考值傳輸?shù)礁鲹Q流站。而且由于直流網(wǎng)絡的阻抗很小,各換流站近端直流電壓偏差較小,故各換流站也可采集本地直流電壓信號作為電壓參考值。

    根據(jù)換流站1的工作狀態(tài),可將多端柔性直流系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為以下3種:

    ① 換流站1輸出功率在允許范圍內(nèi),此時換流站1為直流電壓控制,換流站2為斜率控制,如圖2所示。因為本文的斜率控制基于直流電壓信號,而換流站直流電壓會隨著直流網(wǎng)絡功率變化而變化。比如從換流站3向直流網(wǎng)絡增加輸出功率,換流站1會向交流側(cè)增加功率,同時換流站2端電壓會提高,根據(jù)斜率特性,換流站2會自動向交流側(cè)增加輸出功率,所以換流站2能協(xié)助換流站1共同調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功變化,增加動態(tài)響應速度。通常情況,系統(tǒng)就運行在這種狀態(tài)下。

    ② 換流站1輸出功率超出允許范圍,當直流電壓超過換流站2電壓動作值時,換流站2進入直流電壓控制,如圖3所示。此時,換流站2平衡系統(tǒng)內(nèi)有功變化,成為新的主導站。相對于斜率控制,換流站2的直流電壓控制有更好的剛性,而且其余換流站仍為定功率控制,仍然可以精確追蹤有功指令值。

    圖3 換流器工作模式2

    ③ 換流站1退出運行,系統(tǒng)內(nèi)有功嚴重不平衡,此時換流站2限制功率輸出,其余有調(diào)節(jié)能力的換流站均進入斜率控制共同調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功變化,如圖4所示。

    圖4 換流器工作模式3

    當換流站間通信失敗后,各換流站采集本地直流電壓信號作為電壓近似參考值,根據(jù)本文所提控制策略仍能較好維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。若因系統(tǒng)故障造成的功率不平衡超出了換流站1調(diào)節(jié)能力范圍時,直流電壓升高或降低,換流站2作為輔助站由斜率控制自動轉(zhuǎn)換為直流電壓控制,接替換流站1的功能,維持系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定。當系統(tǒng)故障繼續(xù)惡化,超出換流站2的調(diào)節(jié)能力范圍,直流電壓繼續(xù)升高或降低,換流站3、4、5由定功率控制自動轉(zhuǎn)換為斜率控制,平衡系統(tǒng)功率變化,繼續(xù)維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

    2新型控制策略的實現(xiàn)

    2.1控制器設計

    本文提出的新型控制策略,在直流電壓偏差特性曲線中引入了斜率特性。為避免控制器在這兩種特性曲線間頻繁切換,在控制器中引入滯環(huán)比較器,其工作原理如圖5所示。

    圖5 滯環(huán)比較器工作特性

    圖5中,uref1為換流站1的直流電壓參考值;urh2和url2為換流站2上下限恢復電壓;Ctrl為滯環(huán)比較器輸出的控制信號。

    當直流電壓不斷上升超過udh2時,滯環(huán)比較器輸出的控制信號Ctrl為1,換流站2從斜率控制切換為定直流電壓控制;隨著系統(tǒng)功率變化,直流電壓不斷下降直至降到恢復電壓urh2,滯環(huán)比較器輸出的控制信號Ctrl為0,換流站2才能從直流電壓控制恢復到斜率控制。引入滯環(huán)后的換流站2具體控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    圖6 換流站2的外環(huán)控制器

    圖6中,Pref2和uset2分別為換流站2的有功和電壓參考值;P2和ud2分別為換流站2有功和電壓實測值;Kp2為換流站2有功調(diào)節(jié)系數(shù);Δud為設定的直流電壓偏差值;idmax2、idmin2和idref2為換流站2電流d軸限值和參考值。

    邏輯關(guān)系ud2-uref1>0成立時,控制模塊輸出控制信號Ctrl1為1,換流站2進入特性曲線上半段控制。此時,若ud2沒有超過直流電壓上限動作值udh2,控制信號Ctrl2為0,控制器處于斜率控制,系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài),換流站2實際直流電壓參考值uref2為

    (1)

    若ud2>udh2,此時滯環(huán)比較器輸出控制信號Ctrl2為1,控制器進入直流電壓控制,系統(tǒng)處于不正常運行狀態(tài),換流站2實際電壓參考值為

    (2)

    同理,為避免換流站3的控制器在定功率控制和斜率控制間頻繁切換,在該站控制器中引入滯環(huán)比較器,具體控制器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

    圖7 換流站3的外環(huán)控制器

    圖7中,Pset3和P3分別為換流站3有功設定值和實測值;udh3、udl3和ud3為換流站3直流電壓上下限動作值和實測值;Ku3為換流站3有功調(diào)節(jié)系數(shù);idmax3、idmin3和idref3為換流站3電流d軸限值和參考值。該控制器工作原理與上述控制器相似,故不再贅述。換流站3處于定功率控制時,有功實際參考值Pref3等于有功設定值Pset3。換流站3進入斜率控制后,有功實際參考值為

    (3)

    2.2控制器參數(shù)選取

    本文提出的控制策略中,除主導站外,其余換流站均有多種控制模式,涉及的參數(shù)包括斜率控制需要的有功調(diào)節(jié)系數(shù)和控制模式切換需要的直流電壓上下限啟動值和恢復值。

    主導站退出運行后,輔助站限制功率輸出,其余換流站進入斜率控制,有功調(diào)節(jié)系數(shù)Ku就決定了系統(tǒng)變化功率的分配。假設換流站3和換流站4進入斜率控制,其控制器應滿足式(4):

    (4)

    式中:ΔPd3=Pref3-Pset3,Δud3=udh3-ud3,ΔPd4=Pref4-Pset4,Δud4=udh4-ud4,ΔPd3和ΔPd4為換流站3和換流站4分擔的功率,Δud3和Δud4為換流站3和換流站4實際電壓與上限直流電壓的差值。

    若按照各換流站的有功容量進行有功分配,那么:

    (5)

    若忽略直流網(wǎng)絡阻抗對各換流站直流電壓偏差影響,則Ku3:Ku4=P3m:P4m,即各換流站斜率比率為各換流站有功容量比率。合適的有功調(diào)節(jié)系數(shù)有助于多端柔直系統(tǒng)穩(wěn)定運行,文獻[15]通過分析直流網(wǎng)絡節(jié)點電壓方程,指出過大的調(diào)節(jié)系數(shù)會造成換流站直流電壓波動幅度大,過小的調(diào)節(jié)系數(shù)又使得調(diào)節(jié)效果不明顯,建議由上層調(diào)度或通過仿真確定調(diào)節(jié)系數(shù)具體值。

    在確定各換流站有功調(diào)節(jié)系數(shù)后,還需要確定控制器的上下限動作電壓和恢復電壓。首先確定主導站VSC1正常運行時直流電壓波動范圍,而主導站電壓波動范圍不應人為設定,應通過系統(tǒng)仿真測量得出ud1∈(ud1min,ud1max)。然后設定直流電壓波動率n1,并保證(1+n1)uref1>ud1max,(1-n1)uref1

    輔助站VSC2控制器的直流電壓動作值和恢復值可由式(6)確定[16]:

    (6)

    式中:ε1為主導站直流電壓波動范圍的裕量;σ2為換流站2從斜率控制切換到直流電壓控制的電壓波動裕量,避免控制器在不同控制模式間頻繁切換,一般取值范圍為0.001~0.005(標幺值)。其余換流站的控制器參數(shù)選取方法類似,故不再贅述。

    3仿真驗證

    3.1仿真模型參數(shù)設置

    為驗證本文提出的控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建如圖1所示5端柔性直流輸電系統(tǒng)。通過模型仿真,分別測得主導站為直流電壓控制時電壓波動范圍和輔助站為直流電壓控制時電壓波動范圍,設定主導站電壓波動率n1=1.5%和輔助站電壓波動率n2=1%,取直流電壓裕量ε1=0.002,σ2=0.004。假設直流額定電壓為320kV,直流線路阻抗為0.02Ω/km,換流站3、4、5的直流電壓動作值和恢復值相同,系統(tǒng)和控制器的具體參數(shù)如表1。

    表1 系統(tǒng)和控制器的參數(shù)

    3.2仿真結(jié)果與分析

    本文按照主導站的不同運行情況,將系統(tǒng)分為3種工作狀態(tài),分別進行仿真。

    ① 狀態(tài)1:主導站輸出功率沒有越限

    初始狀態(tài)下,換流站2、3、4、5的有功指令分別為-80MW、40MW、110MW、60MW。換流站3從1.5s至1.7s有功指令增加100MW,換流站4從3s至3.2s有功指令減少100MW。仿真結(jié)果如圖8所示。

    圖8 狀態(tài)1仿真波形

    由圖8可知,換流站1的功率調(diào)節(jié)并沒有超出調(diào)節(jié)范圍,系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。1.5s時換流站1輸出功率增加,由于換流站2在直流電壓偏差特性中加入斜率特性,所以能隨著直流電壓上升而增加輸出功率,輔助換流站1進行功率調(diào)節(jié),提高系統(tǒng)動態(tài)響應速度,同時使得直流電壓波動較小。整個過程中,換流站3、4、5都能夠精確追蹤有功指令值。

    ② 狀態(tài)2:主導站輸出功率越限

    換流站2、3、4、5初始有功指令分別為-80MW、50MW、110MW、120MW。換流站3從1s至1.2s有功指令增加80MW;換流站4從1.5s至1.7s有功指令增加50MW,從3.5s至3.7s有功指令減少100MW;換流站5從2.5s至2.7s有功指令增加20MW,從3.5s至3.7s有功指令減少100MW。仿真結(jié)果如圖9所示。

    圖9 狀態(tài)2仿真波形

    由圖9可知,1s時隨著換流站3增加輸出功率,換流站1的輸出功率超出允許調(diào)節(jié)范圍進入限制功率輸出狀態(tài)。此時直流電壓上升,超出主導站調(diào)節(jié)范圍的功率由換流站2承擔,從而避免單一換流站承擔系統(tǒng)功率變化。1.5s時隨著換流站4增加輸出功率,直流電壓繼續(xù)上升,當超過換流站2直流電壓動作值時,換流站2進入直流電壓控制。2.5s換流站5向直流網(wǎng)絡增加的功率由換流站2承擔,由于換流站2處于直流電壓控制,所以直流電壓最終能穩(wěn)定在設定值,此時直流電壓控制顯示出較好的剛性,這一點是斜率控制策略不能實現(xiàn)的。3.5s時隨著換流站4、5輸出功率減少,直流電壓下降,低于換流站2直流電壓恢復值時,換流站2恢復斜率控制。整個過程中,雖然主導站功率越限,換流站3、4、5仍能精確追蹤有功指令值,這一點斜率控制策略同樣不能實現(xiàn)。

    ③ 狀態(tài)3:主導站退出運行

    換流站2、3、4、5初始有功指令分別為-80MW,50MW,110MW,120MW。1.5s時換流站1交流側(cè)發(fā)生三相短路故障,1.5s后換流站1重新投入運行。仿真結(jié)果如圖10所示。

    圖10 狀態(tài)3仿真波形

    由圖10可知,1.5s換流站1功率迅速降為0,換流站1因故障退出運行,系統(tǒng)處于故障運行狀態(tài)。換流站2的有功容量不足以平衡系統(tǒng)有功變化,進入限制功率輸出狀態(tài)。直流電壓繼續(xù)上升,當電壓超過換流站3、4、5直流電壓動作值時,換流站3、4、5進入斜率控制,分別按照各自調(diào)節(jié)系數(shù)承擔系統(tǒng)內(nèi)未平衡的功率。3s時換流站1重新投入運行,功率反轉(zhuǎn)后直流電壓迅速下降,當電壓低于換流站3、4、5直流電壓恢復值時,換流站3、4、5進入定功率控制,系統(tǒng)恢復正常運行。

    4結(jié)論

    本文提出了一種新的多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略,在輔助站的直流電壓偏差特性曲線中引入斜率特性,提高系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下的動態(tài)響應速度,避免單一換流站調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功變化,保證系統(tǒng)在不正常運行狀態(tài)下的直流電壓控制有較好的剛性,同時其余換流站仍能精確追蹤有功指令值。按照各換流站不同的控制策略,分別設計各換流站控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)。仿真結(jié)果表明,該協(xié)調(diào)控制策略能在系統(tǒng)不同運行狀態(tài)下維持直流電壓穩(wěn)定和功率平衡。

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    張立奎(1989-),男,碩士研究生,研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制,E-mail:1059598379@qq.com;

    張英敏(1974-),女,博士,副教授,研究方向為電力系統(tǒng)分析計算與穩(wěn)定控制,E-mail:zhangym_cd@163.com;

    苗淼(1982-),男,碩士,工程師,電網(wǎng)規(guī)劃及電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制,E-mail:miaomiao-5818@126.com。

    (責任編輯:林海文)

    摘要:為兼顧系統(tǒng)動態(tài)響應速度和換流站精確控制有功功率的能力,并保證系統(tǒng)直流電壓控制具有一定剛性,本文提出將直流電壓偏差控制特性曲線中定功率特性改為斜率特性,并將其作為輔助站的控制特性,而主導站采用定直流電壓控制,其余換流站采用定功率和斜率混合控制。為實現(xiàn)該控制策略,根據(jù)各換流站的控制特性設計相應的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù),并在控制器中引入滯環(huán)以避免控制模式頻繁切換。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建5端柔性直流輸電系統(tǒng),對系統(tǒng)處在不同的運行狀態(tài)分別進行仿真,仿真結(jié)果表明,該協(xié)調(diào)控制策略能夠滿足系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下的運行要求。

    關(guān)鍵詞:多端直流輸電;控制策略;直流電壓偏差控制;斜率控制;滯環(huán)

    Abstract:In order to balance the system dynamic response speed and the ability to precisely control the active power of converter, and to ensure a certain rigidity of DC voltage control, the control strategy that the constant power characteristics in characteristic curve of DC voltage margin control is converted into characteristic of slope control is proposed, which is also taken as the control characteristic of assistant station. The constant DC voltage control is used in master station, and the combination of constant DC current control and DC voltage droop control is applied in other stations. The corresponding structure and parameters of the controller are designed according to the control characteristic of converter station. In the end, a five-terminal VSC-MTDC model is developed in PSCAD/EMTDC, and simulations are carried out under different operating conditions. The results show that the coordinated control strategy can meet the requirements when the system operates under different conditions.

    Keywords:multi-terminal direct current transmission; control strategy; DC voltage margin control; droop control; hysteresis loop

    作者簡介:

    收稿日期:2015-03-30

    基金項目:國家電網(wǎng)公司科技項目(SGQHJY00 GHJS1400044)

    中圖分類號:TM721

    文獻標志碼:A

    文章編號:1007-2322(2016)01-0001-07

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