柔性直流輸電網(wǎng)的系統(tǒng)控制原理概述目錄TOC\o"1-3"\h\u31141柔性直流輸電網(wǎng)的系統(tǒng)控制原理概述 35262301.1主從控制策略 35324191.2直流電壓下垂控制策略 3640161.3直流電壓預額控制策略 40121571.4仿真驗證 42在柔性直流輸電系統(tǒng)的工作過程中控制策略有著不可或缺的價值柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略在保證輸電系統(tǒng)的安全基礎上，通過改變調制比M和移相角δ，實現(xiàn)對有功功率、無功功率、頻率、交流電壓、直流電壓等運行指標控制，開發(fā)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行價值。在柔性直流輸電網(wǎng)中，直流電壓的穩(wěn)定與交流系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定代表的含義是相同的，都是標志著系統(tǒng)功率平衡。常見的是3種基本的系統(tǒng)級控制策略，分別為主從控制策略（Master/SlaveControl）、直流電壓下垂控制策略（Volt-ageDroopControl）、直流電壓裕額控制策略（VoltageMarginControl）。本章著重介紹了柔性直流輸電基本控制策略，簡述了柔性直流輸電的控制原理，在數(shù)學模型及策劃控制器方面詳細解釋柔性直流輸電控制策略，并在

PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立系統(tǒng)控制仿真模型。1.1主從控制策略并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)中最基本的就是主從控制策略，此控制策略在多端直流輸電系統(tǒng)概念被提出的時候就已經(jīng)被提出來了[30]。主從控制策略的核心是使用一個換流站來控制整個并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)的電壓，其余的換流站以各自的功率要求進行控制。其中，主控站是控制整個系統(tǒng)直流電壓的換流站，剩下其他的換流站被稱為從控站。對于基于傳統(tǒng)LCC的并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)，從控站是通過控制直流電流來控制功率的，其并不能直接控制直流功率。對于基于VSC的并聯(lián)型多端柔性直流輸電系統(tǒng)，從控站直接控制直流功率[31]。下面通過一個四端口柔性直流輸電系統(tǒng)為例子，具體闡述主從控制策略的原理。圖4-1為主從控制原理圖，下面以一個四端柔性直流輸電系統(tǒng)為例，說明主從控制策略的控制原理。圖4-1為主從控制策略的基本原理示意圖，圖中虛框圈出的區(qū)域為各個換流站正常運行時直流電壓和有功功率的最大范圍，黑色圓點為各個換流站的初始運行點。圖4-1(a)描述了正常運行狀態(tài)時各站的運行情況，可以看出換流站1是主控站，控制整個系統(tǒng)的直流電壓，其他各站為從控站，均按照一定的功率運行。主控站和從控站的無功類外環(huán)控制器一般可從定無功功率控制和定交流電壓控制兩種控制目標中任選一種。圖4-1(b)描述了主控站換流站1因故障退出后，其它各從控站的響應情況。對于主從控制策略來說，任意時刻必須有一個站負責控制全網(wǎng)的直流電壓，因此當主控站退出后，在通信系統(tǒng)的協(xié)助下必須有一個容量較大的從控站立即切換為主控站。如圖4-1(b)所示，當換流站1退出后，換流站2立刻切換為主控站模式以穩(wěn)定系統(tǒng)的直流電壓，而換流站3和4繼續(xù)維持從控站的運行模式不變。 換流站1 換流站2 換流站3 換流站4（a）正常運行模式 換流站2 換流站3 換流站4（b）主控站故障退出后從控站運行模式切換圖4-1主從控制的基本原理主從控制的優(yōu)點在于控制思路簡單，易于實現(xiàn)，對于小型多端電網(wǎng)的優(yōu)勢較為明顯。但其缺點在于主控站任務艱巨，若調節(jié)時容量達到上限或因故障退出，需要經(jīng)通信系統(tǒng)使其中一個從控站立即切換為主控站并實現(xiàn)平穩(wěn)交接，因此主從控制策略對通信系統(tǒng)的要求較高。1.2直流電壓下垂控制策略上述主從控制和直流電壓裕額控制的共同點在于均使用單一換流站來穩(wěn)定整個直流系統(tǒng)的電壓，這種特性對主控站容量以及可靠性的要求較高，尤其是當直流系統(tǒng)內出現(xiàn)較大擾動時，單個主控站的調節(jié)能力很難保證系統(tǒng)內的功率平衡且擾動出現(xiàn)的同時對主控站所連的交流系統(tǒng)也存在較大的沖擊。因此上述兩種控制策略一般應用在換流站容量差別懸殊且端數(shù)較少的小型直流系統(tǒng)中。而直流電壓下垂控制（下文簡稱下垂控制）的應用，彌補了這個缺點。下垂控制由多個換流站共同控制系統(tǒng)內的直流電壓，在相互間無通信的情況下各個采用下垂控制的換流站(下文簡稱下垂站)分別按照各自預設的Ua}-P下垂曲線來運行，可實現(xiàn)多站間不平衡功率的快速分配[32]。下面同樣以一個四端的柔性直流系統(tǒng)為例，說明下垂控制的基本工作原理。如圖4-2所示為下垂控制的基本工作原理，其中P>0時視為換流站工作在整流狀態(tài)。在一個多端柔性直流系統(tǒng)中通常有多個換流站采用下垂控制，其他換流站一般采用恒功率控制。在本例中，換流站1和2采用了下垂控制，換流站3和4采用了恒功率控制。所有采用下垂控制的換流站一般會根據(jù)非下垂站的功率需求分別設定一個初始的額定運行點，如圖4-2(a)所示，換流站1和2的初始運行點分別設定為（Plref），（Udcref），（P2ref），（Udcref），使得初始運行時系統(tǒng)內功率平衡，且直流電壓保持在額定值Udcref。此時，換流站1和2為逆變站，換流站3和4為整流站。當換流站3的功率指令增加后，直流系統(tǒng)內功率失衡，換流站3和4注入直流系統(tǒng)的功率大于換流站1和2從直流系統(tǒng)吸收的功率，造成直流電壓升高，此時換流站1和2的運行點同時按照各自的下垂曲線進行移動以維持系統(tǒng)內的功率平衡。圖4-2(b)為換流站3改變功率指令后各個站的最終運行點，可以看出當直流系統(tǒng)內出現(xiàn)了不平衡功率后，所有采用下垂控制的換流站(換流站1和2共同承擔了維持功率平衡，穩(wěn)定直流電壓的任務。本例中采用的是功率階躍的方式描述下垂控制的運行過程，若是某站因故障退出，其運行過程與本例類似。下垂控制的優(yōu)勢在于多個下垂站共同控制系統(tǒng)內的直流電壓，對于單站容量的要求不高，且調節(jié)過程中無需通信，其不足之處在于經(jīng)下垂控制優(yōu)化各站的運行點后，可導致母線電壓的實際值與其額定值之間出現(xiàn)偏差[33]。 換流站1換流站2 換流站3換流站4（a）初始運行模式（b）換流站3的功率指令發(fā)生變化圖4-2下垂控制工作原理下垂控制器的控制目的是使換流站在特定的Udcerr=K式中，kp、ku為下垂控制器的比例系數(shù);參考值：P、Udc從式(4-1)可以看出根據(jù)Kp,（1）定直流電壓控制:Kp=0且K（2）定有功功率控制:Kp=1且K（3）下垂控制Kp≠0且Ku≠0，通過選取直線的斜率k=-kp（a）下垂控制器框圖 （b）下垂控制器的三種控制模式圖4-3直流電壓下垂控制器結合式(4-1)和式(4-2)可以看出，當換流站工作在下垂控制模式時，下垂控制器可以視作為一個有功參考值隨系統(tǒng)擾動變化的定有功功率控制器，此有功參考值可通過式(4-3)求得，與系統(tǒng)內直流電壓的變化值以及對應站的下垂系數(shù)相關。對于一個n端柔性直流系統(tǒng)，假設其中有m個下垂站，其余(n-m)個換流站均采用定有功功率控制(不存在定直流電壓控制的換流站)，若近似認為各換流站處的直流電壓變化量相同，則當直流系統(tǒng)內某一時刻出現(xiàn)了不平衡有功功率△P時，設第i（i=1，2……，m）個下垂站承擔的平衡有功功率為△Pi（△Pi=（4-3） （4-4）由式(4-4)可知，下垂站i承擔的不平衡功率與其下垂系數(shù)呈正比例關系，因此常規(guī)的下垂控制一般根據(jù)換流站的容量設置其下垂系數(shù)，即滿足： （4-5）式中，Pimax為換流站i的額定容量。當滿足式(4-5)后，容量大的下垂控制站的下垂系數(shù)較大，可以承擔更多的不平衡功率。由此常規(guī)下垂控制中的下垂系數(shù)ki可由式(4-6)求得（4-6）式中，Uacmax為直流電壓允許的最大值，a為電壓極限波動范圍的系數(shù)，本文取0.9，目的是為了使下垂曲線保持在電壓的最大波動范圍之內。以上為常規(guī)下垂控制的基本原理，常規(guī)的下垂控制雖然可以使多個換流站共同承擔直流系統(tǒng)的不平衡功率，但其未考慮換流站的功率裕度、直流網(wǎng)絡經(jīng)濟性等問題，因此下文將就上述問題對常規(guī)的下垂控制進行一定的改進。1.3直流電壓預額控制策略如前所述，主從控制策略的關鍵問題是當主控站無法完成其定電壓控制的功能時必須通過通信系統(tǒng)才能將定電壓控制功能移交給某-一個從控站，沒有通信系統(tǒng)或通信系統(tǒng)故障時主從控制策略是不能運行的。直流電壓裕額控制就是為了解決上述問題而提出來的一種控制方法。直流電壓裕額控制可以理解為是傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)直流電流裕額控制71的一-種對偶形式，日本學者在研發(fā)基于GTO的三端柔性直流系統(tǒng)時最早提出此控制方法。直流電壓裕額控制的基本思路是設定一個備用的定電壓主控站，該備用主控站的定電壓指令值與當前主控站的定電壓指令值不同。根據(jù)當前主控站是整流站還是逆變站，備用主控站的定電壓指令值與當前主控站的定電壓指令值之間具有一個正的或負的裕額。這就是直流電壓裕額控制的由來，可以理解為是主從控制策略的一種變形。仍然以一個四端柔性直流輸電系統(tǒng)為例來說明直流電壓裕額控制的原理，如圖4-4所示。圖4-4a展示了主控站為整流站時的模式切換過程系統(tǒng)正常運行情況下，換流站1向直流系統(tǒng)注人功率，工作在整流模式下，換流站2、3、4則從直流系統(tǒng)吸收功率，工作在逆變模式。換流站1作為主控站時，負責將直流電壓控制在指令值U上，換流站2、3、4都采用定有功功率控制。當換流站1出現(xiàn)故障退出運行后，直流電網(wǎng)功率失衡，換流站注人直流網(wǎng)絡的功率小于換流站從直流電網(wǎng)吸收的功率，因此直流電壓下降;此時，換流站2將能夠自動切換為主控站，但換流站2的直流電壓指令值為Ui，其數(shù)值略低于U*，兩者之間存在一個裕額，這就是裕額控制的基本原理。圖4-4b展示了逆變站為整流站時的模式切換過程圖4-4b展示了主控站為逆變站時的模式切換過程。系統(tǒng)正常運行情況下，換流站1從直流系統(tǒng)吸收功率，工作在逆變模式，換流站2、3、4向直流系統(tǒng)注人功率，工作在整流模式。換流站1作為主控站時，負責將直流電壓控制在指令值Uj上，換流站2、3、4都采用定有功功率控制。當換流站1出現(xiàn)故障退出運行后，直流電網(wǎng)功率失衡，換流站注人直流網(wǎng)絡的功率大于換流站從直流電網(wǎng)吸收的功率，因此直流電壓上升;此時，換流站2將能夠自動切換為主控站，但換流站2的直流電壓指令值為Ui，其數(shù)值比U高一個裕額。直流電壓裕額控制的優(yōu)勢是在系統(tǒng)發(fā)生大擾動時電壓控制能夠自動轉換到新的主控站，且這個過程不需要換流站間的通信。相比于主從控制策略，其可靠性更強;但其控制器設計與主從控制器相比復雜很多，特別是端數(shù)多時，需要校核的運行方式成倍增加。另外，直流電壓裕額控制與主從控制一樣，任何時刻只有一個站承擔電壓控制的任務，同時平衡整個直流系統(tǒng)的功率;因而對電壓控制站的容量有很高的要求，特別是當運行方式有大幅度變化時，一個單站的容量很難滿足平衡整個系統(tǒng)功率的要求，同時對與電壓控制站相連的交流系統(tǒng)的功率沖擊也較大。因而直流電壓裕額控制與主從控制-樣，通常應用于端數(shù)較少且換流站容量差別懸殊的小型直流系統(tǒng)中。1.4仿真驗證為驗證本節(jié)所提的計及功率裕度的自適應下垂控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了如圖4-5所示的五端柔性直流系統(tǒng)模型。MMC1~MMC5:為1VPVIC換流站，分別經(jīng)換流變壓器與交流系統(tǒng)(AC1~AC5)相連。直流側網(wǎng)絡由直流線路與直流母線構成。各個換流站的功率正方向為向直流系統(tǒng)注入功率即工作在整流狀態(tài)。各直流線路的電阻為0.01Ω/km。各個換流站的基本參數(shù)如表4-1所示，直流系統(tǒng)中允許直流電壓波動的最大范圍是±0.05pu，MMC1~MMC5采用下垂控制。圖4-5五端柔性直流系統(tǒng)結構圖表4-1五端柔性直流系統(tǒng)仿真參數(shù)MMC1MMC2MMC3MMC4MMC5直流電壓(KV)容量(S/MVA)交流側額定電壓(KV)變壓器漏抗(pu)子模塊電容(uF)橋臂電感(mH)橋臂子模塊數(shù)(N)2002002002002003003004003002002202202202202200.10.10.10.10.197509750130009750650037.637.619.137.637.6100100100100100（1）算例1：送端輸送功率提高設置MMC1~MMC5的初始功率指令值分別為90MW、270MW、-60MW、-270MW、-30MW。2s時MMC1的功率指令值由90MW提升至270MW，設MMC1~MMCs的有功率分別為P1~Ps，如圖4-7~4-10所示為在此工況下常規(guī)下垂控制策略與計及功率裕度的自適應下垂控制策略的仿真結果對比分析。首先從圖4-6下垂站MMC3~MMC5有功對比中可以看出在系統(tǒng)的初始狀態(tài)，由于系統(tǒng)存在一定的損耗，MMC3~MMCs的初始功率與其功率額定值存在一定偏差，而常規(guī)的下垂控制與自適應下垂控制的初始下垂系數(shù)不同，導致兩種控制策略下的各下垂站的初始功率不同。圖4-6下垂站MMC3~MMC5有功對比2s時定功率站MMC1的功率指令值由90MW提升至270MW，意味著交流側注入直流系統(tǒng)的多余不平衡功率為180MW，此時直流系統(tǒng)的電壓開始升高如圖4-8所示，三個下垂站分別按照其下垂曲線開始移動其運行點。在常規(guī)的下垂控制下，MMC3~MMCs的下垂系數(shù)分別為22.22、16.67、11.11