團(tuán)隊(duì)介紹

柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)團(tuán)隊(duì)是一支以新型電力系統(tǒng)為主要研究方向，實(shí)現(xiàn)新能源多學(xué)科領(lǐng)域的交叉、配合、協(xié)同、創(chuàng)新為目標(biāo)的研究團(tuán)隊(duì)，主要開(kāi)展能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、柔性直流輸電等研究。先后主持和參與了國(guó)家“863”重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中央高校自主創(chuàng)新計(jì)劃及省自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文60余篇。

白國(guó)巖，1975年生，正高級(jí)高工，主要從事鐵路四電工程，先后參加過(guò)多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)工程建設(shè)，榮獲多項(xiàng)中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、中施企協(xié)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

孟繁丞，2002年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槿嵝远喽酥绷鬏旊娂夹g(shù)。

馬文忠，1968年生，教授，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娕c能源互聯(lián)網(wǎng)。

研究背景

柔性直流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)使其成為解決新能源并網(wǎng)、遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的最有潛力方案之一。目前多端柔性直流系統(tǒng)的控制策略主要包括以主從控制為代表的集中式控制和以下垂控制為代表的的分布式控制以及各類組合控制策略。

換流站采用下垂控制時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量本地母線電壓來(lái)調(diào)節(jié)其功率，因此不需要與其它換流站進(jìn)行通訊。下垂控制解決了換流站間的通訊問(wèn)題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，但依然存在控制精度低，參數(shù)整定困難等缺點(diǎn)。

論文擬解決的問(wèn)題及意義

下垂控制依然存在的控制精度低、參數(shù)整定困難、換流站功率分配和直流電壓偏差抑制之間存在沖突等缺點(diǎn)，且一些改進(jìn)方法存在需要換流站間通訊、會(huì)導(dǎo)致功率振蕩等缺點(diǎn)。

本文通過(guò)從系統(tǒng)潮流優(yōu)化的角度出發(fā)，同時(shí)考慮換流站控制精度，實(shí)現(xiàn)下垂系數(shù)在不同工況下靈活可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。所提自適應(yīng)下垂控制策略能夠有效抑制系統(tǒng)工況切換引起的功率和電壓波動(dòng)，提升換流站在不同工況下的性能，保證系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

為了解決下垂控制策略存在的控制精度低、參數(shù)整定困難、難以應(yīng)對(duì)多種工況等缺點(diǎn)，本文提出了一種自適應(yīng)下垂控制策略。首先結(jié)合系統(tǒng)潮流分析結(jié)果和換流站功率分配設(shè)計(jì)下垂系數(shù)穩(wěn)態(tài)值，并根據(jù)換流站本地電氣量引入自適應(yīng)改變下垂參數(shù)的控制率，使下垂系數(shù)可根據(jù)不同工況進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化，并有效降低暫態(tài)過(guò)程中的功率振蕩。

圖1 四端柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 多端直流系統(tǒng)潮流及下垂系數(shù)設(shè)計(jì)

本文研究的多端直流系統(tǒng)如圖1所示。首先建立該系統(tǒng)包含下垂系數(shù)的潮流方程，在此基礎(chǔ)上，兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)和換流站有功控制精度指標(biāo)，建立考慮功率偏差和系統(tǒng)損耗的合成目標(biāo)函數(shù)，并形成合成目標(biāo)函數(shù)的等高線圖。考慮下垂系數(shù)在不同工況下的調(diào)節(jié)裕度，從等高線圖中目標(biāo)函數(shù)值較低的曲線上找出取值區(qū)間中間值作為下垂系數(shù)的穩(wěn)態(tài)值。

圖2 合成指標(biāo)等高線圖

2 自適應(yīng)下垂控制策略

為了使換流站在有功功率較大或者接近換流站額定容量時(shí)有一定的功率調(diào)節(jié)能力，在換流站有功功率較小時(shí)提高直流電壓剛性，且保證下垂曲線足夠平滑，并能夠抑制換流站有功功率在暫態(tài)過(guò)程中的超調(diào)與振蕩，本文在控制策略中引入換流站有功功率的微分量，以增強(qiáng)系統(tǒng)在暫態(tài)和擾動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

仿真表明，本文所提的自適應(yīng)下垂控制策略能夠保留換流站的功率調(diào)節(jié)裕度，防止因功率達(dá)到上限而失去功率調(diào)節(jié)能力；并且自適應(yīng)下垂控制策略能夠減小換流站有功功率和電壓的波動(dòng)，其過(guò)渡過(guò)程較為平滑。

圖3傳統(tǒng)策略與本策略過(guò)渡過(guò)程仿真對(duì)比

本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了混合MMC多端柔直系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體架構(gòu)包括主電路和控制電路。控制電路采用STM32+FPGA+CPLD三級(jí)架構(gòu)，主控制器采用STM32，中間協(xié)控制器采用FPGA，子模塊控制器采用CPLD。系統(tǒng)完成了論文所有實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提自適應(yīng)下垂控制策略的有效性。

圖4-1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖4-2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

本文通過(guò)綜合考慮系統(tǒng)的訊號(hào)和網(wǎng)側(cè)換流站功率偏差確定經(jīng)濟(jì)合理的穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)和下垂系數(shù)，通過(guò)引入換流站功率值及其微分，提出一種適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的改進(jìn)下垂控制策略。該策略有較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性和極好的有功控制精度，緩解了傳統(tǒng)策略在功率分配和電壓偏差控制上的矛盾，并且暫態(tài)過(guò)程過(guò)渡平滑能夠改善系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)的功率振蕩問(wèn)題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性。最后，對(duì)所提策略分析證明了其可行性和有效性。

本文編自2022年第5期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“多端柔性直流輸電系統(tǒng)的自適應(yīng)下垂控制策略研究”，本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。