多端混合直流输电系统的自适应电压下垂控制系统及方法

本发明涉及一种输电系统的控制方法，特别涉及一种多端混合直流输电系统的自适应电压下垂控制系统及方法。

背景技术：

目前，随着可再生能源的大量接入以及半导体器件的不断发展，电力系统由基于同步发电机的传统交流电网转变为电力电子化的新型电力系统。直流输电以其良好的控制能力和大容量供电能力，以及可以对不同频率的电网互联，在配电网增容和升级方面比较容易等优点正成为国内外研究发展的热点。基于电网换相换流器的传统直流输电虽然技术成熟，但存在换相失败与滤波器占地面积大等缺点。基于电压源换流器的高压直流输电系统有如下几个优点：(1)无需无功补偿；(2)无换相失败的问题；(3)可向无源网络供电；(4)有功功率和无功功率可独立控制；(5)谐波含量低。

目前，传统下垂控制不能精准分配多端混合直流输电系统中的功率变化；而且在系统发生扰动时，采用传统下垂控制的换流站可能会发生功率越限的问题。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种多端混合直流输电系统的自适应电压下垂控制系统及方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种多端混合直流输电系统的自适应电压下垂控制系统，多端混合直流输电系统包括：与送端交流电网连接的换流器an，n＝1,…n,n≥1；与受端交流电网连接的换流器bm，m＝1,2…m,m≥2；换流器an和换流器bm通过直流输电母线连接；换流器an为电网换相换流器，换流器bm为电压源换流器；换流器b1至bm的至少一个控制系统设有：自适应下垂控制模块、功率外环控制模块、电流内环控制模块及脉冲宽度调制器；自适应下垂控制模块，其由可用功率变化量来调整下垂系数，进一步由下垂系数修正功率参考信号,其将修正后的功率参考信号输出至功率外环控制模块；功率外环控制模块生成电流参考信号至电流内环控制模块，电流内环控制模块生成控制电压信号至脉冲宽度调制器，由脉冲宽度调制器生成控制脉冲至对应的换流器bm。

进一步地，自适应下垂控制模块包括：增益为常数的第一放大器、增益可调的第二放大器及下垂系数计算单元；第一放大器，其输入换流器bm的最大功率与换流器bm的实际功率的差，其输出信号至下垂系数计算单元；下垂系数计算单元输出下垂系数至第二放大器的增益调节端；第二放大器，其输入换流器bm的直流侧实际直流电压与参考直流电压的差，其输出信号与修正前的功率参考值相加后成为修正后的功率参考信号。

进一步地，下垂系数计算单元的计算公式如下：

式中：

k为下垂系数；

δudc为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量；

ucan为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量；

pcan为换流器bm的可用功率裕度；

pmax为换流器bm的额定最大功率；

h为设定常数；

为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量的λ次方；

为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量的λ次方。

进一步地，功率外环模块包括第一pi控制器；设p和pref^*对应为换流器bm的实际有功功率及参考有功功率；第一pi控制器输入p和pref^*之差，输出有功参考电流至电流内环控制模块的输入端；功率外环模块还包括第二pi控制器，第二pi控制器输入换流器bm的无功功率实际值和无功功率参考值之差，输出无功参考电流至第一电流内环模块的输入端。

进一步地，换流器b1至bm分别与不同容量的受端交流电网连接。

本发明还提供了一种多端混合直流输电系统的自适应电压下垂控制方法，该方法为：

在多端混合直流输电系统中设置：与送端交流电网连接的换流器an，n＝1,…n,n≥1；与受端交流电网连接的换流器bm，m＝1,2…m,m≥2；换流器an和换流器bm通过直流输电母线连接；换流器an为电网换相换流器，换流器bm为电压源换流器；换流器b1至bm的至少一个控制系统设置如下控制模块：自适应下垂控制模块、功率外环控制模块、电流内环控制模块及脉冲宽度调制器；自适应下垂控制模块，其由可用功率变化量来调整下垂系数，然后由下垂系数修正功率参考信号,其将修正后的功率参考信号输出至功率外环控制模块，功率外环控制模块生成电流参考信号至电流内环控制模块，电流内环控制模块生成控制电压信号至脉冲宽度调制器，由脉冲宽度调制器生成控制脉冲至对应的换流器bm。

进一步地，自适应下垂控制模块通过可用功率变化量来调整下垂系数的方法为：

当直流电压变化量为零时，下垂系数为b型换流器可用功率变化量与设定常数的乘积；当直流电压变化量达到其允许的变化范围上下限时，下垂系数接近于零；当直流电压变化量在0及变化范围上下限之间时，下垂系数与直流电压变化量之间为非线性关系。

进一步地，下垂系数与直流电压变化量之间的非线性关系为：

式中：

k为下垂系数；

h为设定常数；

δudc为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量；

ucan为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量；

pcan为换流器bm的可用功率裕度；

pmax为换流器bm的额定最大功率；

为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量的λ次方；

为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量的λ次方。

进一步地，以换流器bm的直流侧直流电压变化量为自变量对下垂系数进行积分，得到有功功率指令值变化量。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明与现有技术相比，其优点包括：

(1)当换流站接近满载时，下垂系数k逐渐趋近于0，降低了多个换流站间因直流电压误差导致的功率分配不均的问题，提高了换流站功率分配的准确性。(2)换流站的下垂系数在功率调节过程中根据其功率裕度灵活变化，使换流站不易达到满载，且可以显著减小直流电压波动。(3)当任一换流站的直流电压达到允许的上下限时，所有采用自适应下垂控制的换流站可以同时达到或接近满载，充分利用了换流站的有功功率容量。(4)本发明所设计的自适应下垂控制方法更具有稳定性，在电网互联时具有良好的技术经济价值。

附图说明

图1是本发明所涉及一种多端混合直流输电网的结构图；

图2是本发明的换流器bm的一种自适应下垂控制框图；

图3是本发明的一种自适应下垂控制系数工作流程图；

图4是换流器b2传输功率图。

图5是换流器b3传输功率图。。

图6是自适应下垂控制系数k变化图。

图1中：udc1对应送端交流电网1的直流电压值，udc2、udc3、udc4分别对应受端交流电网1至3的直流电压值。

图2中：udc和udc*分别是换流器bm的直流电压和直流电压参考值；q和q*分别是换流器bm的无功功率输出和无功功率参考值；id*为有功参考电流；iq*为无功参考电流；uabc和iabc分别是公共连接点处的三相电压和电流；uabc*为公共连接点处的三相电压参考值；udq和idq为经过派克变换后的电压和电流dq分量；pll表示锁相环；θ表示锁相环所输出的进行派克转换的相角；k表示经过计算得到的自适应下垂控制系数。p为换流器的实际功率值，pref为修正前的功率参考值，pref^*为采用自适应下垂控制修正后的功率参考值，pmax为换流器的额定最大功率，n为pmax与p的差与h的乘积，h为设定的常数。

图3中：udcmax、udcmin分别是换流器直流电压的运行上下限，udc为换流器额定运行直流电压，udm为调整下垂系数k的电压阈值，pdcmax为换流器传输功率的最大值，pn为换流器稳态运行时的功率测量值，un为直流电压测量值，k0为下垂系数的初始设定值；pcan为换流站的可用功率裕度。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图6，一种多端混合直流输电系统的自适应电压下垂控制系统，多端混合直流输电系统包括：与送端交流电网连接的换流器an，n＝1,…n,n≥1；与受端交流电网连接的换流器bm，m＝1,2…m,m≥2；换流器an和换流器bm通过直流输电母线连接；换流器an为电网换相换流器，换流器bm为电压源换流器；换流器b1至bm的至少一个控制系统设有：自适应下垂控制模块、功率外环控制模块、电流内环控制模块及脉冲宽度调制器；自适应下垂控制模块，其由可用功率变化量来调整下垂系数，进一步由下垂系数修正功率参考信号,其将修正后的功率参考信号输出至功率外环控制模块；功率外环控制模块生成电流参考信号至电流内环控制模块，电流内环控制模块生成控制电压信号至脉冲宽度调制器，由脉冲宽度调制器生成控制脉冲至对应的换流器bm。

自适应下垂控制模块、功率外环控制模块、电流内环控制模块及脉冲宽度调制器依次电连接，形成双闭环控制系统，其中功率外环控制模块的功率参考信号由自适应下垂控制模块进行调整；自适应下垂控制模块由可用功率变化量生成下垂系数，由下垂系数生成功率参考信号的补偿信号，将补偿后的功率参考信号输入至功率外环控制模块的参考信号输入端，作为功率外环控制模块的功率参考信号。

请参见图2，优选地，功率外环模块可包括第一pi控制器；可设p和pref^*对应为换流器bm的实际有功功率及参考有功功率；第一pi控制器输入修正后的功率参考信号pref^*及实际有功功率p的差，输出有功参考电流id*至电流内环控制模块的一个输入端；功率外环模块还可包括第二pi控制器，第二pi控制器输入换流器bm的无功功率实际值q和无功功率参考值q*之差，输出无功参考电流iq*至电流内环控制模块的另一个输入端。

电流内环控制模块由有功参考电流id*和实际电流的id分量的差，输出有功参考电压ud^*及无功参考电压uq^*，并经派克逆变换后，生成公共连接点处的三相电压参考值uabc^*，输出至第一脉冲宽度调制器。pll表示锁相环；θ表示锁相环所输出的进行派克转换的相角。

uabc和iabc分别是公共连接点处的三相电压和电流；udq和idq对应为uabc和iabc经过派克变换后的电压和电流dq分量；idq分解为id和iq输入至电流内环控制模块；udq分解为ud和uq输入至电流内环控制模块。

优选地，自适应下垂控制模块可包括：增益为常数h的第一放大器、增益可调的第二放大器及下垂系数计算单元；可设p为换流器的实际功率值，pref为修正前的功率参考值，pref^*为采用自适应下垂控制修正后的功率参考值，pmax为换流器的额定最大功率；第一放大器，其输入pmax与p的差，其输出信号n至下垂系数计算单元；n为pmax与p的差与h的乘积，h为设定的常数。下垂系数计算单元输出下垂系数k至第二放大器的增益调节端；第二放大器，其输入换流器bm的直流侧实际直流电压udc与其参考直流电压udc*的差，其输出信号与修正前的初始功率参考值pref相加后，成为修正后的功率参考信号pref^*。

优选地，下垂系数计算单元的计算公式可如下：

式中：

k为下垂系数；

δudc为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量；

ucan为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量；

pcan为换流器bm的可用功率裕度；

pmax为换流器bm的额定最大功率；

h为设定常数；

为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量的λ次方；

为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量的λ次方。

优选地，换流器b1至bm分别与不同容量的受端交流电网连接。

本发明还提供了一种多端混合直流输电系统的自适应电压下垂控制方法实施例，该方法为：

在多端混合直流输电系统中设置：与送端交流电网连接的换流器an，n＝1,…n,n≥1；与受端交流电网连接的换流器bm，m＝1,2…m,m≥2；换流器an和换流器bm通过直流输电母线连接；换流器an为电网换相换流器，换流器bm为电压源换流器；换流器b1至bm的至少一个控制系统设置如下控制模块：自适应下垂控制模块、功率外环控制模块、电流内环控制模块及脉冲宽度调制器；自适应下垂控制模块，其由可用功率变化量来调整下垂系数，然后由下垂系数修正功率参考信号,其将修正后的功率参考信号输出至功率外环控制模块，功率外环控制模块生成电流参考信号至电流内环控制模块，电流内环控制模块生成控制电压信号至脉冲宽度调制器，由脉冲宽度调制器生成控制脉冲至对应的换流器bm。

优选地，自适应下垂控制模块通过可用功率变化量来调整下垂系数的方法为：

当直流电压变化量为零时，下垂系数为b型换流器可用功率变化量与设定常数的乘积；当直流电压变化量达到其允许的变化范围上下限时，下垂系数接近于零；当直流电压变化量在0及变化范围上下限之间时，下垂系数与直流电压变化量之间为非线性关系。

优选地，下垂系数与直流电压变化量之间的非线性关系为：

式中：

k为下垂系数；

h为设定常数；

δudc为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量；

ucan为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量；

pcan为换流器bm的可用功率裕度；

pmax为换流器bm的额定最大功率；

为换流器bm的直流侧允许直流电压变化量的λ次方；

为换流器bm的直流侧实际直流电压变化量的λ次方。

优选地，可将换流器bm的直流侧直流电压变化量作为自变量对下垂系数进行积分，得到有功功率指令值变化量。

上述的第一pi控制器、二pi控制器、第一放大器、第一放大器、下垂系数计算单元、自适应下垂控制模块、功率外环控制模块、电流内环控制模块及脉冲宽度调制器等功能模块或元器件，均可采用现有技术中的集成电路并采用常规技术手段应用现有技术中的软件进行构造。

下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作原理：

请参见图1，一种多端混合直流输电系统，其由四个换流器分别连接四个不同容量的交流电网。送端交流电网1由同步发电机及其励磁系统、变压器、负荷组成。受端交流电网1至3由同步发电机及其励磁系统、变压器、负荷组成。送端交流电网和受端交流电网的区别为:送端交流电网输出电能至受端交流电网。

换流器a1与换流器b1、换流器b2、换流器b3之间还设有电容滤波器；电容滤波器并联在直流输电母线上。

四个换流器分别为换流器a1、换流器b1、换流器b2、换流器b3，其中换流器a1对应与送端交流电网1连接，换流器b1、换流器b2、换流器b3对应与受端交流电网1、受端交流电网2、受端交流电网3连接。

连接送端交流电网的换流器a1为电网换相换流器，其具有传输功率大，成本低等优点；连接受端交流电网的换流器b1、换流器b2、换流器b3为电压源换流器。

1.换流器a1控制方案：控制目标是维持送端输出功率的稳定，因此采用定直流电流控制。

2.换流器b1控制方案：控制目标是能够维持直流电压的稳定，因此采用定直流电压控制方案。

3.换流器b2、换流器b3控制方案：换流器b2、换流器b3进行有功功率控制，同时保证换流器直流电压以及功率不越限，并且最大限度利用换流器的功率裕度。因此本发明对传统的直流电压-有功功率下垂控制做出改进，使下垂控制方法具有自适应调整能力。

以换流器b2为例说明其控制原理：将换流器b2的可用功率绝对值做为换流器b2的功率裕度，使自适应下垂控制方法中的下垂系数与换流器b2的可用功率成正比例关系。在直流电压变化量相同的情况下，系统的有功功率根据换流器b2的功率裕度进行合理精准分配。同时确保在直流电压达到运行极限时，采用自适应下垂控制的换流器b2处于满载运行状态。目的是最大限度地利用换流器b2的有功功率容量，并同时使直流电压运行在允许范围内。

以换流器b2为例,说明自适应下垂控制系数k的计算方法如下：

首先根据换流器b2的额定有功功率以及功率调整前的换流器b2稳态有功功率，计算换流器b2的可用功率。计算过程与换流器b2直流电压变化量有关，当直流电压变化范围小于下垂系数k的调整阈值时，下垂系数保持不变，当直流电压变化范围大于下垂系数k的调整阈值时，根据换流器b2可用功率变化量来调整下垂系数。设定采用自适应下垂控制换流器b2的下垂系数与换流器b2可用功率变化量成正比，从而使直流电压变化量相同的情况下，不平衡功率根据换流站的功率裕度进行合理分配。自适应下垂系数应满足：当直流电压变化量为零时，下垂系数为换流器b2可用功率变化量与设定常数的乘积；当直流电压变化量达到其允许的变化范围上下限时，下垂系数接近于零。自适应下垂控制的主要特点是令下垂系数根据所规定的两个端点按直流电压变化量非线性变化。以直流电压变化为自变量对所得表达式进行积分，可得换流器b2有功功率指令值变化量的表达式。换流器b2有功功率指令值变化量应满足当直流电压变化量为零时，有功功率指令值变化量为零；当直流电压变化量达到其允许的变化范围上下限时，有功功率指令值变化量等于换流器b2可用功率变化量。通过对上述约束条件的相结合可得到自适应下垂系数与有功功率指令值变化量的组合表达式。

换流器b2的功率裕度是通过将换流器b2的额定有功功率pmax与换流器b2进行功率调节之前的稳态有功功率的实时测量值进行比较得到的。

在确定换流器b2的功率裕度之后，设定采用自适应下垂控制换流器b2的下垂系数与换流器b2可用功率裕度成正比，目的是在直流电压变化量相同的情况下，可以使不平衡功率根据换流器b2的功率裕度进行合理分配，其具体实现方式为，令自适应下垂系数k满足:

令下垂系数k根据上述两个端点按直流电压变化量非线性变化，可得到其表达式为

式中：

k为下垂系数；

h为设定常数；

δudc为换流器b2的直流侧实际直流电压变化量；

ucan为换流器b2的直流侧允许直流电压变化量；

pcan为换流器b2的可用功率裕度；

pmax为换流器b2的额定最大功率；

为换流器b2的直流侧允许直流电压变化量的λ次方；

为换流器b2的直流侧实际直流电压变化量的λ次方。

pcan为换流器b2的可用功率裕度

pmax为换流器b2的额定最大功率

ucan为允许的直流电压变化量，其确定方式为将换流器b2的额定直流电压与换流器b2直流电压的实时测量值进行比较。

通过下垂系数的自适应变化，可以实现在直流电压变化量相同的情况下，不平衡功率根据换流器b2的功率裕度进行合理分配。

同时确保在直流电压达到运行极限时，采用自适应下垂控制的换流器b2处于满载运行状态。是通过使自适应下垂系数k按直流电压变化量非线性变化，当换流器b2的直流电压变化量由零逐渐达到运行极限时，自适应下垂系数k逐渐由初始值变为零，从而使采用自适应下垂控制的换流器b2逐渐达到满载运行状态并保持稳定。

图4至图5反映了本发明的有益效果。

图4中：描述了在分别采用传统下垂控制和本发明所设计的自适应下垂控制策略时，当多端混合直流系统功率发生变化时，换流器b2的传输功率。当采用传统下垂控制策略时，多端混合直流系统功率变化导致换流器传输功率超出了其最大限额。但当采用自适应下垂控制策略时，换流器最大限度的利用了其功率裕度，使传输功率未超出其最大限值。

图5中，描述了在分别采用传统下垂控制策略和本发明所设计的自适应下垂控制策略时，当多端混合直流系统功率发生变化时，换流器b3的传输功率。当采用传统下垂控制策略时，多端混合直流系统功率变化导致换流器传输功率超出了其最大限额。但当采用自适应下垂控制策略时，换流器最大限度的利用了其功率裕度，使传输功率未超出其最大限值。

图6中，描述了换流器b2、换流器b3采用本发明所设计的自适应下垂控制策略时，下垂系数的变化情况。当换流器传输功率逐渐接近其最大限值时，采用自适应下垂控制策略的换流器的下垂系数由初始值逐渐变化为零。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的发明范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的发明范围内。