團隊介紹

柔性直流輸電系統關鍵技術團隊是一支以新型電力系統為主要研究方向，實現新能源多學科領域的交叉、配合、協同、創新為目標的研究團隊，主要開展能源互聯網關鍵技術、柔性直流輸電等研究。先后主持和參與了國家“863”重大專項、國家自然科學基金項目、中央高校自主創新計劃及省自然科學基金項目等項目，發表相關學術論文60余篇。

白國巖，1975年生，正高級高工，主要從事鐵路四電工程，先后參加過多項國家重點工程建設，榮獲多項中國鐵道學會科學技術獎、中施企協科學技術獎。

孟繁丞，2002年生，碩士研究生，研究方向為柔性多端直流輸電技術。

馬文忠，1968年生，教授，研究方向為柔性直流輸電與能源互聯網。

研究背景

柔性直流輸電技術的優點使其成為解決新能源并網、遠距離輸電問題的最有潛力方案之一。目前多端柔性直流系統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，通過實時測量本地母線電壓來調節其功率，因此不需要與其它換流站進行通訊。下垂控制解決了換流站間的通訊問題，增強了系統的可靠性和靈活性，但依然存在控制精度低，參數整定困難等缺點。

論文擬解決的問題及意義

下垂控制依然存在的控制精度低、參數整定困難、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，且一些改進方法存在需要換流站間通訊、會導致功率振蕩等缺點。

本文通過從系統潮流優化的角度出發，同時考慮換流站控制精度，實現下垂系數在不同工況下靈活可調，結構簡單易于實現。所提自適應下垂控制策略能夠有效抑制系統工況切換引起的功率和電壓波動，提升換流站在不同工況下的性能，保證系統的靈活性和可靠性。

論文方法及創新點

為了解決下垂控制策略存在的控制精度低、參數整定困難、難以應對多種工況等缺點，本文提出了一種自適應下垂控制策略。首先結合系統潮流分析結果和換流站功率分配設計下垂系數穩態值，并根據換流站本地電氣量引入自適應改變下垂參數的控制率，使下垂系數可根據不同工況進行調節優化，并有效降低暫態過程中的功率振蕩。

圖1 四端柔性直流輸電系統拓撲結構

1 多端直流系統潮流及下垂系數設計

本文研究的多端直流系統如圖1所示。首先建立該系統包含下垂系數的潮流方程，在此基礎上，兼顧系統的經濟運行指標和換流站有功控制精度指標，建立考慮功率偏差和系統損耗的合成目標函數，并形成合成目標函數的等高線圖。考慮下垂系數在不同工況下的調節裕度，從等高線圖中目標函數值較低的曲線上找出取值區間中間值作為下垂系數的穩態值。

圖2 合成指標等高線圖

2 自適應下垂控制策略

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有一定的功率調節能力，在換流站有功功率較小時提高直流電壓剛性，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過程中的超調與振蕩，本文在控制策略中引入換流站有功功率的微分量，以增強系統在暫態和擾動狀態下的穩定性。

仿真表明，本文所提的自適應下垂控制策略能夠保留換流站的功率調節裕度，防止因功率達到上限而失去功率調節能力；并且自適應下垂控制策略能夠減小換流站有功功率和電壓的波動，其過渡過程較為平滑。

圖3傳統策略與本策略過渡過程仿真對比

本團隊研發了混合MMC多端柔直系統平臺，實驗平臺的主體架構包括主電路和控制電路。控制電路采用STM32+FPGA+CPLD三級架構，主控制器采用STM32，中間協控制器采用FPGA，子模塊控制器采用CPLD。系統完成了論文所有實驗，驗證了本文所提自適應下垂控制策略的有效性。

圖4-1 實驗平臺結構圖

圖4-2 實驗平臺結構圖

結論

本文通過綜合考慮系統的訊號和網側換流站功率偏差確定經濟合理的穩態平衡點和下垂系數，通過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的改進下垂控制策略。該策略有較優的經濟性和極好的有功控制精度，緩解了傳統策略在功率分配和電壓偏差控制上的矛盾，并且暫態過程過渡平滑能夠改善系統狀態切換時的功率振蕩問題，增強了系統的可控性和穩定性。最后，對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》，論文標題為“多端柔性直流輸電系統的自適應下垂控制策略研究”，本課題得到了國家自然科學基金項目、山東省自然科學基金項目的支持。