米志伟
全球能源互联网研究院有限公司102209
摘要：重点关注适用于多端柔性直流输电系统的直流电压协调控制策略，分析了现今最受认可的直流电压偏差控制策略以及直流电压斜率控制策略的缺陷，并结合2种控制策略的优点，提出了一种新型直流电压控制策略——直流电压偏差斜率控制策略。该控制策略利用直流电压偏差控制策略的偏差特性，实现了换流站直流功率的跟踪；利用直流电压斜率控制策略的斜率特性，加快了其动态响应能力。采用直流电压偏差斜率控制策略后，多端柔性直流输电系统能够稳定、可靠运行。
关键词：电压源型换流器；多端直流输电；直流电压控制；偏差控制；斜率控制；偏差斜率控制
0引言
近年来，随着风电系统的不断发展，大规模风电系统的并网问题成为学术界与工业界的热门话题。在众多风电系统并网问题的解决方案中，多端柔性直流输电系统受到了广泛的关注与应用。与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，多端柔性直流输电系统具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点。在多端柔性直流输电系统中，直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此在多端柔性直流输电系统中，对直流电压的控制极为重要。在现有的文献中提出的多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电压偏差控制策略。
1多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略
1．1直流电压偏差控制策略直流电压偏差控制策略采用的是多点直流电压控制的策略，无需换流站间的通信系统就能够实现换流站控制模式的自动切换。以图1所示的六端柔性直流输电系统为例，换流站4，5，6均采用定交流电压的控制策略，为岛屿提供稳定的交流电压。图中：Us1至Us6为各个换流站交流出口处电压；Udl至Ud6为各个换流站直流电压；Pa。至Pas为各个换流站向直流网络输送的直流功率。
换流站1，2，3采用的直流电压偏差控制策略的控制原理如图2所示。本文规定直流功率的正方向为换流站向直流网络输送直流功率大于0的方向。
图2中，换流站l采用的是定直流电压的控制方式，其直流电压指令值为【，mn，换流站2和3作为后备定直流电压换流站，均加装直流电压偏差控制器。换流站2的直流电压偏差为Au¨换流站3的直流电压偏差为△M扪且Auaz>Au扪即换流站2定直流电压的优先级比换流站3高。当换流站1失去定直流电压能力之后，换流站2首先承担定直流电压的任务，当换流站2也失去定直流电压能力后，系统的直流电压将由换流站3控制。直流电压偏差控制策略所使用的控制器不需要引入任何的站间通信设备，只需要修改换流站2和3中有源控制器的外环功率控制器，如图3所示[15I。图3所示的控制逻辑为：（1）式中：分别为图3中3个比例一积分（PI）控制器的输出值。
直流电压偏差控制策略存在的主要缺陷有如下3点：①由于同一时刻只有单个换流站参与了功率调节，因此其响应速度不及直流电压斜率控制策略；②多个后备定电压换流站需要多个定电压的优先级，这增加了控制器设计的复杂度；③当直流系统规模变大时，直流系统需要的后备定直流电压换流站将增多，由于直流电压偏差控制策略中各后备定直流电压换流站存在定直流电压优先级的问题，优先级越低的换流站设定的直流电压偏差将越大，然而为了维持电压源型换流站功率稳定运行与直流网络绝缘水平，电压源型换流站与直流线路存在直流电压运行范围。因此，偏差取值不能超出直流电压运行的范围，这限制了后备定直流电压换流站的个数。
1．2直流电压斜率控制策略直流电压斜率控制策略[16。17]的控制思路来源于交流系统中的调频控制器。在直流输电系统中，换流站可以根据其所测得的直流电压的数值时刻调整其直流功率的设定值，以满足直流输电网络对直流功率的需求，而这种调整方式可以采用一条直流电压“。与功率P。的关系曲线来表示。将直流电压斜率控制策略应用于图1所示的六端柔性直流输电系统，其基本原理如图4所示。
图4中换流站l，2，3的外环控制器都采用直流电压斜率控制器，其控制器框图如图5所示m1。当换流站4，5，6的直流功率变化的时候，换流站1，2，3会沿着各自的斜率曲线搜寻新的运行点以满足直流系统功率的平衡。
直流电压斜率控制器结合了功率控制器和直流电压控制器，在图5中，直流电压斜率控制器的偏差输出P，为：
（2）式中：K。和K。为直流电压斜率控制器的比例系数；和分别为外环控制器的直流功率和直流电压指令值。具备直流电压斜率控制器的换流站能够迅速地对直流网络的潮流变化作出响应，调整其直流功率，因此这种控制方式比较适合应用于潮流频繁变化的柔性直流输电系统中。但是其缺陷是采用斜率控制器的换流站的直流功率不能精确地跟踪其设定值，从而无法实现直流功率的精确控制。
2直流电压偏差斜率控制策略
2．1原理分析结合直流电压偏差控制策略及直流电压斜率控制策略这2种控制策略的优点，本文提出了一种新型直流电压控制策略——直流电压偏差斜率控制策略。以图1所示的六端柔性直流输电系统为例，直流电压偏差斜率控制策略的基本原理如图6、图7、图8所示。
如图6所示，换流站1作为一个直流电压主控制换流站，在稳态运行的情况下起到直流电压稳定节点的作用，其直流电压指令值为Ud耐。换流站2和3具备直流电压偏差斜率控制器，在稳态运行时，换流站2和3的直流电压不会超过运行范围（Um，UⅢ），因此直流网络的功率不平衡会直接导致直流电压的失稳，换流站2和3将由直流功率控制模式切换成直流电压偏差控制模式。一般而言，换流站2和3拥有2种工作点切换模式。如图7所示，当换流站1输送直流功率越限时或者在输送直流功率时出现故障而闭锁控制器后，其失去定直流电压的能力，此时换流站注入直流网络的总功率小于0，因此直流电压持续下降；当换流站4，5，6负载降低或者换流站1的故障恢复之后，换流站1能够重新恢复其稳定系统直流电压的能力，此时换流站注入直流网络的总功率大于0，直流电压将整体上升，换流站2和3将在式（4）表示的下斜线段向输出直流功率减小的方向搜索稳定运行点。当换流站2和3的直流电压大于直流电压偏差斜率控制器下限恢复电压Um后，由图10可得，k。=0，换流站2和3恢复至定功率运行方式，此时系统的直流电压将再次由换流站1控制。如图8所示，当换流站1吸收直流功率越限或者在吸收直流功率时出现故障而退出运行后，换流站注入直流网络的总功率将大于0，因此直流电压将持续上升；当换流站2和3的直流电压大于直流电压偏差斜率控制器上限动作电压U曲。
将换流站直流功率的指令值Pd调整为P并且平移2个带斜率的直线段即可得到新的图。但是换流站直流功率的调节范围并非其率上下限（Pdmn，Px），换流站2和3能够实流功率调节的前提是换流站1未出现直流功率n或故障，能够稳定可靠地运行。
4结论
本文介绍了直流电压协调控制策略在柔性直流输电系统中的重要性，介绍了直流电压偏差控制策略和直流电压斜率控制策略并分析了它们存在的缺陷。
分析了其工作原理并对参数作了简要的设计。此控制策略具有较好的稳态运行特性以及暂态运行特性；其利用直流电压偏差控制策略的偏差特性，实现了换流站稳态时的有功功率调节；并且利用直流电压斜率控制策略的斜率特性，使得多个换流站能够起到后备定直流电压的作用，加快了系统的动态响应特性。
参考文献：
[1]张丽英，叶廷路，辛耀中，等．大规模风电接人电网的相关问题及措施口]．中国电机工程学报，2010，30（25）：1—9．
[2]孙荣富，张涛，梁吉．电网接纳风电能力的评估及应用[J1．电力系统自动化，201i，35（4）：70—76．
[3]袁小明，程时杰，文劲宇．储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析口]．电力系统自动化，2013．37（1）：14—18．