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多端柔性直流输电控制系统的研究1. 本文概述本文《多端柔性直流输电控制系统的研究》聚焦于当今电力系统领域的一项关键技术——多端柔性直流（MultiTerminal Flexible Direct Current, MTDC）输电系统的控制策略与技术优化。
随着可再生能源的大规模开发与并网需求的增长，以及电力市场对远距离、大容量输电能力的迫切需求，多端柔性直流输电系统以其独特的优点，如独立调节各端功率、高效传输、损耗低和电网互联能力强等，日益成为现代电力系统的关键组成部分。
其复杂的拓扑结构与动态特性给控制系统的理论研究与工程实践带来了新的挑战。
本研究旨在深入探究多端柔性直流输电控制系统的各个方面，包括但不限于系统建模、稳定性分析、控制策略设计、故障检测与保护机制、以及与交流电网的交互特性。
文章首先系统梳理了现有文献中关于MTDC控制技术的研究进展，指出了当前研究的热点与存在的问题，为后续研究工作奠定了理论基础。
系统建模与动态特性分析：基于电力电子设备特性和电网运行条件，建立了精确且易于进行控制设计的多端柔性直流输电系统数学模型，揭示了其内在的动态行为及关键影响因素。
通过深入的理论分析，明确了系统稳定性的关键指标及其影响因素，为后续控制策略的设计提供了理论依据。
创新性控制策略设计：针对多端柔性直流系统的特定控制需求，提出了一种（或多种）新型控制策略，旨在实现功率的高效分配、电压稳定控制、故障快速响应以及系统整体性能优化。
策略设计充分考虑了系统的非线性特性、通信延迟、不确定性和鲁棒性要求，并通过仿真与或实验验证了其有效性和优越性。
故障检测与保护机制：研究了多端柔性直流系统在各类故障情况下的响应特征，设计了先进的故障检测算法和保护策略，确保在发生故障时能迅速识别、隔离故障环节，有效防止故障扩大，保障系统的安全稳定运行。
交直流电网交互研究：探讨了多端柔性直流输电系统与交流电网的相互作用关系，分析了其对电网频率、电压稳定性以及电力市场运营等方面的影响，提出了优化交直流协调控制方案，以提升整个电力系统的综合性能和运行效率。
多端柔性直流输电系统控制策略的研究
严治勇
【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2018(000)024
【摘要】本文对柔性直流输电系统中的主从控制以及电压裕度控制以及垂控制等内容进行概述和介绍,然后在此基础上其协调控制策略进行了深度研究.
【总页数】3页(P46-48)
【作者】严治勇
【作者单位】中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局,广东广州,510000【正文语种】中文
【相关文献】
1.多端柔性直流输电系统动态协调优化控制策略 [J], 黄智达; 石兆麒; 梅勇
2.适用于多端柔性直流输电系统的分布式直流电压控制策略 [J], 严铭; 蔡晖; 谢珍建; 张哲任; 徐政
3.基于多端柔性直流输电系统潮流控制策略的交直流电网合环模型研究 [J], 蔡建逸;林裕新;白浩
4.多端柔性直流输电系统交流故障穿越控制策略 [J], 邱子鉴;刘晋;周鑫;杨富洁;李怡辰
5.多端柔性直流输电系统动态附加频率控制策略 [J], 刘昊宇;刘崇茹;蒋思雯
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舟山多端柔性直流系统环流抑制和交流故障穿越能力分析高强;吴华华;陈楚楚;张帆;吴烨【摘要】介绍了世界首例五端柔性直流输电工程——浙江舟山柔性直流输电工程的概况和主要设备组成,分析总结了舟山MMC-MTDC控制保护系统中的环流抑制控制策略和交流故障穿越控制策略,最后通过实验分析了舟山MMC-MTDC系统的环流抑制效果,以及在交流侧单相接地故障、两相接地故障、两相短路故障、三相短路故障4种情况下的瞬时故障穿越能力.研究结果可为舟山五端柔性直流输电系统安全稳定运行提供技术支持和理论保障.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2016(032)006【总页数】6页(P62-67)【关键词】多端直流;模块化多电平换流器;环流抑制;故障穿越【作者】高强;吴华华;陈楚楚;张帆;吴烨【作者单位】国网浙江省电力公司电力调度控制中心,浙江杭州 310007;国网浙江省电力公司电力调度控制中心,浙江杭州 310007;国网宁波供电公司,浙江宁波315000;国网浙江省电力公司电力调度控制中心,浙江杭州 310007;国网浙江省电力公司电力调度控制中心,浙江杭州 310007【正文语种】中文【中图分类】TM72柔性直流输电，即基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的新一代高压直流输电技术，具有向无源电网供电、快速独立控制有功与无功、潮流反转方便快捷、运行方式变换灵活等特点，在风电并网、电网互联、孤岛和弱电网供电、城市供电等领域应用广泛［1-6］。
其中，多端柔性直流（MMC multi-terminal direct current，MMCMTDC）输电系统由3个或以上换流站及连接换流站的高压直流输电线路组成，能够实现多电源供电、多落点受电，相比于两端柔性直流输电系统，运行方式更为灵活，能更好地发挥直流输电的经济性和灵活性［3-5］。
目前，已投运的浙江舟山柔性直流输电工程为世界上首个建成的五端柔性直流输电工程。
适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制策略一、本文概述随着可再生能源的大规模开发和利用，多端柔性直流输电系统（VSC-MTDC）因其灵活的控制能力和良好的适应性，在电力系统中的应用越来越广泛。
VSC-MTDC系统面临着复杂的运行环境和多变的运行条件，如何确保系统的稳定运行和高效输电成为当前研究的热点问题。
直流电压控制策略作为VSC-MTDC系统的核心组成部分，对于维持系统电压稳定、优化系统运行具有重要意义。
传统的直流电压控制策略大多基于单点控制或简单的集中控制，难以满足VSC-MTDC系统对多端协同控制的需求。
开发一种适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制策略显得尤为迫切。
本文旨在研究并提出一种适用于VSC-MTDC系统的新型直流电压控制策略。
通过对系统结构和运行特性的深入分析，本文构建了一种基于多端协同的直流电压控制模型，并通过仿真验证其有效性。
该控制策略充分考虑了VSC-MTDC系统的多端特性和运行环境的复杂性，通过优化电压分配和协调控制，实现了系统电压的稳定和高效输电。
本文首先介绍了VSC-MTDC系统的基本原理和运行特性，为后续研究提供了理论基础。
接着，详细阐述了新型直流电压控制策略的设计思路和实施方法，并通过仿真实验验证了其控制效果和优越性。
对新型直流电压控制策略在实际应用中的前景和挑战进行了展望，为相关领域的进一步研究提供了参考。
通过本文的研究，旨在为VSC-MTDC系统的稳定运行和高效输电提供一种新的解决方案，推动多端柔性直流输电技术的发展和应用。
二、多端柔性直流输电系统的基本原理与结构多端柔性直流输电系统（Multi-Terminal Voltage Source Converter based HVDC，简称MTDC）是近年来在电力系统中兴起的一种新型输电技术，其基本原理与结构与传统的两端直流输电系统相比有着显著的区别。
多端柔性直流输电系统的基本原理主要基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术。
适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制策略一、概述随着电力电子技术的飞速发展，多端柔性直流输电系统（MTDC）在电网中的应用日益广泛。
MTDC系统以其灵活的运行方式、快速的功率响应以及优良的电能质量，成为解决分布式能源接入、区域电网互联、孤岛供电等问题的有效手段。
随着系统规模的扩大和结构的复杂化，MTDC系统的直流电压控制问题逐渐凸显，成为制约其进一步发展的关键因素。
直流电压控制是MTDC系统稳定运行的核心，它直接影响着系统的功率平衡、电能质量以及故障处理能力。
传统的直流电压控制策略往往基于单点控制或主从控制，这种控制方式在简单系统中表现良好，但在复杂多变的MTDC系统中，其局限性逐渐显现。
研究适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制策略，对于提高系统运行的稳定性、优化电能质量以及增强故障处理能力具有重要意义。
本文提出了一种适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制策略。
该策略基于分布式协同控制思想，通过引入电压下垂控制和功率分配策略，实现了各换流站之间的协同工作，有效平衡了系统功率，维持了直流电压的稳定。
同时，该策略还考虑了系统的故障处理能力，通过快速响应和自适应调整，提高了系统在故障情况下的稳定性。
本文首先对多端柔性直流输电系统的基本原理和运行特性进行了简要介绍，然后详细阐述了新型直流电压控制策略的设计思路和实现方法。
通过仿真实验验证了该策略的有效性，并与其他控制策略进行了对比分析。
研究结果表明，该新型直流电压控制策略能够有效提高多端柔性直流输电系统的运行稳定性和电能质量，为未来的电网发展提供了新的思路和方法。
1. 多端柔性直流输电系统概述多端柔性直流输电系统（VSCMTDC）作为现代电力系统中一项革命性的技术，近年来在能源传输领域的应用日益广泛。
该系统基于电压源换流器（VSC）实现直流输电，通过脉宽调制（PWM）控制技术，实现直流电压的调制与控制，进而控制输出的电压和电流。
与传统的两端直流输电系统相比，多端柔性直流输电系统具有更高的灵活性和适应性，能够应对更为复杂的电网运行环境和多变的运行条件。
专利名称：一种多电压源多微电网系统专利类型：实用新型专利
发明人：温烨婷,周锡卫
申请号：CN201320626233.3
申请日：20131012
公开号：CN203491718U
公开日：
20140319
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型属于新能源电力技术领域，具体涉及一种多电压源多微电网系统构架。
本实用新型通过第一电压源转子发电机组经交流低压控制柜的B开关并接第二电压源的第二电压源双端双向逆变装置，由第二电压源双端双向逆变装置通过C变压器连接第二电压源电力线，构成微电网A与微电网B直流过渡并接电力路径。
通过第二电压源双端双向逆变装置的双交流端使二个不同电压源并接，经直流平滑共享过渡，以此类推，可以使多个不同电压源及相应的微电网共同并接成多微电网互补系统，有效解决了多电压源在微电网中并接的关键技术难题，为大规模新能源电力微电网应用，提供了有效技术方案与途径。
申请人：周锡卫
地址：100102 北京市朝阳区南湖南路8号北楼2门301室
国籍：CN
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多端电压源型直流输电系统的控制策略阮思烨1,李国杰2,孙元章2(1.国网运行有限公司,北京市100005;2.清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084)摘要:以提高多端电压源型直流输电系统的运行可靠性为目的,提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流输电系统控制策略。
在系统负荷发生突变或任一换流站故障退出后,所有具备功率调节能力的换流站根据给定的调制方式在一定程度上分担系统功率的缺额,这样既维持了系统内的功率平衡,又避免了单个换流站承担功率过大的情况。
最后通过数字仿真验证了所提出的控制策略设计的正确性和可行性。
关键词:多端电压源型直流输电系统;直流电压—有功功率调节特性;电压源换流器;控制策略中图分类号:TM761;TM721.1收稿日期:2008212213;修回日期:2009202224。
国家自然科学基金资助项目(50823001)。
0 引言到目前为止建成的电压源换流器(VSC )型直流输电系统[122]都是两端直流系统,即只有一个整流站和一个逆变站。
与基于电流源换流器的传统直流输电[3]不同,电压源型直流输电可以给无源系统直接供电,潮流反转时电流方向反转,电压极性不变[426]。
因此,它适合于构成具备较高可靠性的并联多端直流系统,便于对潮流的控制。
其应用场合包括[4]:从能源基地输送电力到远方的几个负荷中心、为大城市和工业中心供电、连接分布式发电系统等。
与双端直流系统相比,多端直流输电系统的各个换流站之间功率可以相互协调,因此,运行更加灵活、可靠,但是控制也相对复杂。
近年来,国内外许多学者针对多端VSC 直流系统已经展开了广泛的研究。
文献[7]提出了基于单端直流电压调节的多端直流控制策略,它指定一个换流站作为主导换流站,该换流站起到系统内功率平衡和直流电压稳定的作用。
其不足之处在于没有考虑换流站故障尤其是主导换流站故障退出时的情况。
文献[8]设计了换流站紧急退出情况下的控制策略,但该设计仅仅是为了防止换流站直流侧过电压,没有进行各换流站间的功率协调设计。
文献[9]给出了基于功率模式与直流电压模式之间自动转换的控制方式,其原理如下:正常情况下指定一个换流站作为主导站,作为功率平衡节点;一旦主导站退出工作,将由另一个换流站充当主导站的作用,其余的换流站仍然保持定有功功率输出。
该控制方式在一定程度上弥补了文献[728]在设计上的不足,其缺点是要求充当主导站的换流站有足够大的后备容量以完全补偿系统功率的不平衡,这在实际中很难实行。
为解决上述控制策略的不足,本文提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流系统控制策略。
采取该控制策略,扰动发生后各电压源换流站均能够稳定运行,同时避免了单个换流站过载的情况。
利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EM TDC [10]建立多端VSC 直流输电系统和控制模型,验证了所设计的控制器的有效性和合理性。
1 多端VSC 直流系统的建模本文以图1所示的环状多端电压源型直流系统为例。
图1 多端电压源型直流系统Fig.1 A multi 2infeed V SC 2HV DC system该系统包括5个电压源换流站:VSC1作为主导站,工作在直流电压模式下,交流侧与无穷大电源—75—第33卷 第12期2009年6月25日Vol.33 No.12J une 25,2009相连;VSC2,VSC4和VSC5工作在功率模式下,交流侧与无穷大电源相连;VSC3工作在交流电压模式下,交流侧与风力发电双馈电机及阻性负荷连接。
双馈风机和阻性负荷的初始功率量分别为0.6和-1.4(标幺值,以注入直流网络为正方向),各换流站的功率P i (i =1,2,…,5)以注入直流网络为正方向。
电压源换流站以及双馈风机的建模和控制见文献[11213]。
各个电压源换流站的工作状态由表1给出。
在本文的标幺值系统中:功率基值为100MVA ,交流电压基值为35kV ,直流电压基值为70kV 。
表1 电压源换流站工作状态T able 1 Status of V SC stations换流站初始功率运行模式VSC1 1.10直流电压模式VSC2 1.34功率模式VSC3-0.80功率模式VSC4-1.00功率模式VSC5-0.60交流电压模式2 多端VSC 直流系统的工作特性在多端直流输电系统中,各换流站之间有必要进行功率的协调配合,以防止个别换流站过载(特别是主导站)。
基于这一思想,提出了基于直流电压—有功功率的控制策略,换流站的工作特性根据其工作模式(直流电压控制模式、功率控制模式和交流电压控制模式)的不同可分为3类,其工作特性如图2所示。
U do ,P i o (i =2,4,5)分别为工作在直流电压控制模式和功率控制模式下的VSC 换流站的直流电压和有功功率初始设定值;P 3L 为VSC3换流站所连接受的端网络的负荷功率;k i 为VSC 换流站功率调节系数。
图2 各控制模型下V SC 换流站的工作特性Fig.2 Characteristics of V SC stationsunder different controls直流电压—有功功率的控制策略是通过直流电压来调节各换流站的有功功率输出。
由于直流网络中电阻压降的原因,各换流站直流母线电压并不相同,有必要选择其中的关键母线上的直流电压U d 进行监控,根据该直流电压的变化协调配置整个直流网络的有功功率。
直流电压监控点的选择类似于交流网络中电压中枢点的选择[14],以本文图1给出的多端直流系统为例,选择VSC1换流站输出的直流电压U d 作为监控电压。
对于换流站VSC2,VSC4和VSC5而言,U d 可以通过本地测量信号计算得到,对于那些与VSC1换流站没有直接电气连接的远端换流站(如VSC3),U d 的信号可以通过广域测量系统获得。
根据VSC 换流站的工作特性,直流网络的工作状态分为3种:状态1:VSC1换流站的输出功率在自由调节的允许范围[P 1n ,P 1m ]内,此时直流系统内的功率平衡都由VSC1来维持。
VSC1输出的直流电压恒为U do ,其余换流站输出功率保持不变。
通常情况下,直流网络工作在状态1。
状态2:VSC1换流站的输出功率超出其自由调节的允许范围[P 1n ,P 1m ],超出功率部分将由直流系统内所有具有功率调节能力的换流站来承担。
假设换流站都能正常运行,忽略线路损耗的影响,则超出部分功率ΔP 与直流电压偏差ΔU d 的关系为:ΔP =-(k 1+k 2+k 3+k 4+k 5)ΔU d 观察点直流电压稳定在U d m +ΔU d (ΔP <0)或者U d n +ΔU d (ΔP >0)。
状态3:VSC1换流站因故障退出运行后,注入直流网络的功率不等于吸收的功率,则直流电压上升或下降,系统工作点发生变化,当直流电压超出[U d n ,U d m ]的范围,剩余的所有具有功率调节能力的换流站动作,承担直流系统的功率缺额,忽略线路损耗的影响,则有:ΔP =-(k 2+k 3+k 4+k 5)ΔU d 为了确保系统在新工作点下仍能保持有功平衡,直流电压稳定在U d m +ΔU d (ΔP <0)或者U d n +ΔU d (ΔP >0)。
由以上分析可见,功率调节系数k 1～k 5的选择对于系统运行至关重要。
它们的比例决定了各换流站的功率分配比例;其次由直流电压偏差控制原理ΔU d =-ΔP/(k 2+k 3+k 4+k 5)可知,功率调节系数的大小还决定了直流电压U d 的工作范围。
本文中设定k 1∶k 2∶k 3∶k 4∶k 5=3∶2∶0∶2∶3,该比值决定各换流站在状态2或状态3时的功率分配比例。
假设直流电压超出[U d n ,U d m ]范围的最大允许值ΔU dmax =0.04,并假设最严重的情况为VSC1退出运行(ΔP =1.1),于是由剩余的具有功率调节能力的换流站分担功率缺额,根据ΔP =-(k 2+k 3+k 4+k 5)ΔU d ,要求k 2+k 3+k 4+k 5≥1.1/ΔU dmax =27.5。
为满足以上条件,各系数取值—85—2009,33(12) 为k 1=21,k 2=14,k 3=0,k 4=14和k 5=21。
VSC3换流站由于工作在交流电压控制模式下,不具备功率调节的能力,对应的功率调节系数k 3=0。
需要指出的是,各个VSC 换流站调节其输出功率的方式并不相同。
VSC1是通过调节直流电压参考值的方式U dref 来控制有功功率输出,而VSC2,VSC4和VSC5是通过调节有功功率参考值P i ref (i =2,4,5)的方式来控制有功功率输出,VSC3的功率输出不可控,它的交流电压参考值U acref 为一设定的常数U aco 。
各个VSC 换流站的参考值给出方式如图3所示。
图3 上层控制系统框图Fig.3 Control diagram of the upper system3 仿真结果与分析为验证上述模型和控制器的有效性,本文用仿真软件PSCAD/EM TDC 对图1所示的系统进行数字仿真研究。
讨论了系统在以下几种情况的响应:①VSC3换流站侧负荷短时突变;②VSC2换流站短时故障退出;③VSC1换流站短时故障退出。
各VSC 换流站的工作状态参见表1。
多端系统上层控制参数为:[P 1n ,P 1m ]=[-1.1,1.1],[U d n ,U d m ]=[0.96,1.04],k 1=21,k 2=14,k 3=0,k 4=14,k 5=21。
图4给出的是VSC3换流站侧在3s 时切除阻性负荷引起注入功率由-0.8变为0.6,引起了直流系统功率不平衡,注入直流网络的功率大于其输出功率,直流电压上升,系统工作点发生变化。
这部分功率偏差在VSC1换流站的可调容量允许范围之内,因此全部由VSC1换流站补偿,确保系统在新的运行点仍能保持有功平衡且直流电压仍然稳定在U do 。
5个换流站中只有VSC1换流站随着VSC3换流站的注入功率变化进行了相应的调整,其余换流站输出功率基本不受影响。
5s 时刻,阻性负荷重新投入运行,直流系统自动恢复。
整个过程中直流系统工作在状态1。
图4 VSC3侧注入功率突变时的系统响应Fig.4 System responses when P 3ch anged图5给出了VSC2换流站短时退出运行时的系统响应。
VSC2换流站的短时退出运行同样造成了直流系统功率不平衡,注入功率小于输出功率,直流电压下降。
VSC1换流站捕捉到直流电压的下降信息,迅速提高注入功率。
随着VSC1换流站的输出功率超出其可调容量允许范围,直流系统自动由状态1转入状态2运行。
图5 V SC2短时退出运行时的系统响应Fig.5 System responses when VSC2is outof service temporarily超出VSC1换流站可调容量的功率部分ΔP 将由直流系统内所有具有功率调节能力的换流站共同承担,即ΔP =-(k 1+k 3+k 4+k 5)ΔU d 直流电压稳定在U d n +ΔU d 。
