最佳負(fù)載均流方法在MT-HVDC系統(tǒng)線損最小化的應(yīng)用

林亭君

摘要：討論了多端高壓直流（MT-HVDC）系統(tǒng)中消除直流電壓偏差和提高負(fù)載均流精度問題。為了盡量減少不同并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線損耗，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提出了一種基于改進(jìn)下垂控制的分散控制方法。采用平均直流輸出電壓，平均兩個(gè)相鄰變流器的輸出電流的方式，減小控制系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)的擁塞以實(shí)現(xiàn)分散控制。通過最小化電纜的功率損耗，導(dǎo)出最佳的負(fù)載電流分配比例，以實(shí)現(xiàn)不同變換器之間的合理電流分配。最后，進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)仿真以證明所提出的MT-HVDC系統(tǒng)的控制策略的可行性。

關(guān)鍵詞：電流分配精度;下垂控制;多端高壓直流;電力線損最小化;

中圖分類號(hào)：TM773

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)日益運(yùn)用到現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，多端高壓直流輸電（ MT-HVDC）系統(tǒng)越來越受到重視。與傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)相比，直流電網(wǎng)不存在無功功率和諧波，具有同步獨(dú)立、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。在海上風(fēng)電場(chǎng)中，考慮到電容阻抗，不能使用基于交流耦合的傳輸。在這種情況下，使用直流電將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率傳輸?shù)桨渡想娬綶2]。由于海上風(fēng)電場(chǎng)通常由多個(gè)端子組成，因此形成了用于MT-HVDC系統(tǒng)的不同網(wǎng)絡(luò)配置。MT-HVDC系統(tǒng)[3]中的分布也日益受到重視，應(yīng)該確定合理的分?jǐn)偙壤?，以便從整個(gè)直流系統(tǒng)中獲得有效的運(yùn)行。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中可以找到幾種均流方法，例如，主從控制[4]，平均電流控制等[5]?？紤]到不同的直流端子可能彼此遠(yuǎn)離，并且傳輸線路阻抗影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，下垂控制由于其通信依賴性低[6]，可作為均流方法可適用于此。但是，下垂控制有兩個(gè)限制。首先，下垂控制涉及直流輸出偏差[7]。其次，在考慮電力線損失的情況下，負(fù)載均流精度會(huì)降低[8]。因此，有必要解決這些問題，以提高下垂控制的性能。文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的下垂控制方法。該方法可以有效補(bǔ)償電壓降，同時(shí)提高負(fù)載分配精度。它也可以在考慮徑向和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的情況下減輕通信壓力。在文獻(xiàn)[10]中，選擇兩個(gè)相鄰變換器的平均電壓和平均電流作為控制變量，以便解決通信業(yè)務(wù)。雖然這適用于直流微電網(wǎng)的低壓輸電線路，但由于傳輸線路參數(shù)的影響尚未得到全面的研究，因此不足以應(yīng)用于MT-HVDC系統(tǒng)。

通過一個(gè)LBC網(wǎng)絡(luò)傳輸每個(gè)變換器的控制變量信息，討論直流電纜阻抗對(duì)改進(jìn)的下垂控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在MT-HVDC系統(tǒng)中，通過電力線損耗最小化獲得最優(yōu)電流分配比例，研究了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和徑向結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明了該方法基于變參數(shù)的可行性。

1 MT-HVDC網(wǎng)絡(luò)配置分析

換流站可以串聯(lián)或并聯(lián)形成MT-HVDC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有的變換器需要在沒有串聯(lián)的MT-HVDC系統(tǒng)時(shí)使用相同的電流結(jié)果。目前，接口變換器是相互并聯(lián)的，MT-HVDC的配置一般分為兩組，即徑向[11]和網(wǎng)狀[12]結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

1.1 截面導(dǎo)線

對(duì)于MT-HVDC系統(tǒng)直流電纜傳輸線，電阻，電感，電容沿線均勻分布[13]。通過級(jí)聯(lián)幾個(gè)相同的截面導(dǎo)線得到分布參數(shù)線的近似模型，如圖3所示。

1.2 徑向配置

MT-HVDC系統(tǒng)的直流電路由換流站的大電容和直流電纜組成。根據(jù)基爾霍夫定律[15]，可以從圖4中導(dǎo)出以下電路方程：

2 基于下垂控制的建議優(yōu)化方法

2.1 改進(jìn)的下垂控制方案

下垂控制的形式依賴于本地直流母線電壓信號(hào)[13]，傳統(tǒng)下垂控制的電壓一電流關(guān)系可以表示為：

為了研究MT-HVDC系統(tǒng)中不同變換器之間的電流分配，本文提出了一種基于下垂控制的分散方法來解決這個(gè)問題。根據(jù)式（12）可以看出，直流側(cè)輸出電壓的給定值隨著直流輸出電流的增加而線性減小。由于在MT-HVDC系統(tǒng)的直流側(cè)沒有無功功率，所以只有有效的均流精度。由于直流輸出電壓較高，線路阻抗的考慮是不可避免的，特別是對(duì)于長輸電線路的情況。

本文通過在每個(gè)直流電壓參考值上增加兩個(gè)補(bǔ)償控制器，消除了直流電壓偏差，提高了均流精度。同時(shí)，補(bǔ)償控制器的通信數(shù)據(jù)通過LBC網(wǎng)絡(luò)從兩個(gè)相鄰的變換器轉(zhuǎn)移。這些控制器在本地可以實(shí)現(xiàn)分散控制。同時(shí)，負(fù)載電流可以通過補(bǔ)償控制器實(shí)現(xiàn)比例分配。然后共享系統(tǒng)的當(dāng)前流程由外部控制回路改進(jìn)。最后，直流輸出電流的共享增強(qiáng)，每個(gè)變換器的輸出電壓參考值可以得到如下：

2.2 MT-HVDC系統(tǒng)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響

為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改變電纜參數(shù)和通訊延時(shí)的作用是必要的。將（7）和（11）代入（13）得到：

基于上述理論推導(dǎo)和分析，結(jié)合（15）-（17），可以得到閉環(huán)傳遞函數(shù)具有徑向和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的MT-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過分析特征方程的閉環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)改變傳輸線參數(shù)和通信延遲來測(cè)試。以任意變換器i（i=1，2，3）的控制圖為例，徑向配置的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證所提出的MT-HVDC傳輸系統(tǒng)的控制方法，使用MATLAB/Simulink作為仿真環(huán)境來實(shí)現(xiàn)具有徑向和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的下垂控制方法。表1給出了MT-HVDC系統(tǒng)參數(shù)。表2給出了直流電纜參數(shù)。

3.1 徑向配置MT-HVDC的仿真結(jié)果

仿真的目的是驗(yàn)證所提出的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并測(cè)試電壓恢復(fù)的響應(yīng)和優(yōu)化的電流比例共享精度。在圖7和圖8中，可以看到補(bǔ)償控制器在t=2s時(shí)被激活。在t=2s之前，電流比例共享精度不能滿足最優(yōu)的電力線損耗要求。在t=2s之后，每個(gè)變換器的直流輸出電流逐漸變化，這與最佳電流比例共享精度k1：k2：k3-0.79：1：0.66相匹配。

同時(shí)，直流側(cè)平均電壓增加了2.88 kV，并且更接近每個(gè)變換器直流母線電壓的基準(zhǔn)。如圖7到圖8所示，當(dāng)電纜長度固定時(shí)（l_1L= 100 km，l_2L=80km，l_3L=120 km），通信延遲從τ=1s變?yōu)棣?2s。這兩種情況的調(diào)整次數(shù)不同，分別需要3s和6s才能達(dá)到穩(wěn)定。