基于柔性直流输配电系统控制策略研究

康敏 钟智

（1.山西国际电力集团有限责任公司 2.上海波汇科技股份有限公司）

基于柔性直流输配电系统控制策略研究

康敏1 钟智2

（1.山西国际电力集团有限责任公司 2.上海波汇科技股份有限公司）

近年来，我国在柔性直流输配电系统上的研究越来越多，柔性直流输配电系统优点很多，首先控制速度快，能够对交流电网电压稳定管理，顺利接入无源系统。柔性直流书配电系统在电网互联等诸多领域中被广泛应用。随着我国电力电子器件行业高度发展，柔性直流输配电系统展现出了其特有的应用特性，一方面造价和维护的费用低，另一方面其传输容量被提高。此外，该输配电系统逐渐扩大了直流输电的应用范围，是配电领域研究的重点内容。基于此，本文对其控制策略进行研究。

柔性直流输配电系统；控制策略；研究

0 引言

柔性直流配电系统功能较多，首先能够完成交流输电、其次能够实现就地发电等功能，并在最大程度上实现无源系统的供电。该种技术具有较强的稳定性，同时还能够大幅度降低直流输配电的功率。柔性直流输配电系统在实际应用中，能够有效实现供电系统供电，对在电能质量问题上对问题进行解决。为此，下文针对柔性直流输配电系统结构进行分析，研究系统控制策略。

1 柔性直流输配电系统结构

1.1 换流系统

通过直流输配电系统的结构分析，对其系统进行分类，将该系统划分为两类：第一类双端系统；第二类多端系统。而在国际上，实际运营的柔性直流输配系统都是两端系统。双端系统中主要由三部分组成，第一，整流系统；第二，直流输电线路；第三，逆变系统。在系统进行正常运行时，系统能按照潮流传输的方向的不同而进行不同的运行方式。在本文中将整流系统和逆变系统统称为换流系统。其中每一个换流系统都被统一划分为平波电抗器、换流主电路、质量电容、高通滤波器等单元。高通滤波器的作用就是为了将换流系统中的高次谐波进行消除，进而减少高次谐波在电力系统中引起相关危害。而换流电抗器在系统实际运行作用比较明显，它是换流系统和交流系统中功率信息传输的中间介质，通过开关器件产生的谐波，对系统进行抑制作用。柔性直流输配电系统的换流系统主要通过以下形式来实现，定直流电压、定有功功率等多种形式，进而实现系统功率的平衡[1]。

1.2 双端与多端直流输配电系统

在双端的直流输配电系统中，当出现这样的情况时，一个端口的换流系统出现故障导致系统不能运行，那么此时整个直流输配电系统都面临瘫痪，甚至会对电网运行造成阻碍。为此相关学者对该输电系统进行研究，一般情况下，采用并联或者串联等方式下的直流输配电系统。在该系统的多端口中，任意一个端口由于故障停止运行，那么，直流系统依旧能够继续正常运行，也就是说系统运行不受多端口的影响。系统出现故障时，操作系统的人只需要退出即可，等待故障系统检修完毕之后，再将其投入运行。传统的直流输电系统在改变系统传输功率方向上，需要对直流输电线路的电压方向进行改变，对于多端的直流输电系统而言，每一个换流端口能够正常运行不受系统变化而变化，同时也不能保证其运行稳定性[2]。

2 双端互联的柔性直流输电系统控制策略

2.1 双端互联系统概述

高压直流输电系统在进行长距离、大容量以及水下电网传输时，存在很多优势。例如，当采用直流输电与交流输电混合联网时，需要对交流电网的稳定问题进行密切关注。传统的直流输电系统能够在不可控的晶闸管中进行换流，而逆变换流站则需要在交流电压下才能实现晶闸管强迫换流。当电网出现不稳定时，比较容易出现换相失败，进而导致直流输电系统停止运行。交流与直流系统在实际作用上相互影响，同时彼此又依赖于直流输电容量的强弱，因此下文通过短容量比对两者进行界定：

式中SCA表示的是换流系数，SDC表示的是直流传输功率。由于换流系统的无功补偿装置对交流系统的阻抗产生一定的影响，为了增加评估系统的强度，引入有效短裤比进行判定其系统的强度：

当系统的ESCR大于固定数值时，系统为强交流系统，相关规定该数据为3。而数值在2以下时，称该系处于交流系统。

2.2 直接功率控制原理

该系统实现直接功率控制，从控制原理图中，分析其器件构成。从实际的器件构成中研究其功率实现原理，其系统控制框图如图所示。

对于直流功率控制系统主要从以下几个组成部分进行介绍：

瞬时功率估算：瞬时功率是在瞬时无功功率理论基础上形成的直流功率种类，对其的估算需要由多个测算坐标共同完成，在完成多坐标测算以后，测算结果还需要与电网的交换有功功率瞬时值、无功功率瞬时值进行综合计算，充分考虑电网环境对估算结果的影响以后，才能得出最终的估算值。

直流电压控制器：直流电压控制器采取的主要控制机制是闭环控制，使得电网内部直流侧的直流电压能够根据相应的控制器参数变化而变化。从而适应电网的各种运行环境，保证直流侧电压无论在何种环境下都能够保证较为稳定的电压。

功率滞环比较器：功率滞环比较器是电网内部电力功率的比较设备，其主要功能是比较其所处位置两侧的功率差异，进而传递出功率差异数据，以保证动作系统对功率的准确控制，因为双向功率差异通常有两个或两个以上的变量，所以不能以传统的线性控制算法进行控制，当前功率滞环比较器算法通常都是使用高阶无穷算法来实现控制，在正常功率比较的过程中，最大限度的保证功率比较的准确性[3]。

2.3 电网互联控制策略

图 直流功率控制系统结构图

在柔性直流输配电系统中，保证系统能够正常运行的关键环节是控制器。为此下文主要对功率的算法控制进行研究，进而实现双端柔性直流输电系统在实际运行中的控制与设计。

2.3.1 定频率的直流功率控制

柔性直流输配电系统实际运行中存在一个较大的缺点，就是忽视了换流系统损耗。下文中从能量守恒定理得出公式，该系统中的交流输入有功功率与系统直流输出功率在数值上相同，即：Ρac=Ρdc，在该式两侧同时乘以udc后可得：，其中Ρdc为交流系统瞬时输入有功功率，。对以上公式进行分析，能够得到一个规律，即系统交流侧的输入功率和直流电压平方之间的函数关系。也就是说，对控制换流系统输入功率进行控制，由于两者具有函数关系，因此能够实现对传输功率的控制。

2.3.2 直流电压稳定性设计

在柔性直流输配电系统运行过程中，检测系统理论上能够对系统内部的任意一个端口电压进行检测，其检测和控制的主要依据是不同端口电压的差异，借助电压传感器，系统能够感知目标端口输入端和输出端之间存在的微弱电压，一旦检测存在电压差值，系统会对差值大小进行主动计算，并在相应继电器的动作作用下，形成相应的补偿电压，以稳定整个系统的电压。另一方面，系统能够针对关键部位的电容进行电压差值计算，具体而言以被监测物体为一个整体电容，监测系统对其两端的输入和输出电压进行平方计算，并与标准电压的平方进行对比分析，进而得出目标电容两端的电压差数值，并提供给相应的电压配平和保护系统，以此为保证电压稳定性的重要数据。一般的，在控制系统采样频率较高时，功率在内环中的误差非常小，并且相应的直流电压也比较稳定[4]。而在柔性系统刚刚启动的初级阶段中，故障以及数据调动能够对有功功率产生改变。系统中直流电压产生的巨大波动中容易出现直流电压过高的情况，这些情况都将对柔性系统的稳定性产生重大影响。所以在对直流电压控制器的设计中对于综合状况的考虑至关重要。本文通过ΡID调节进行系统的二次设计，该种方法能够通过外扰动特性参数的独立优化调整、数据目标参数跟踪独立优化，能够使得系统中电压超调与系统基本要求相符合[5]。自由度ΡID调节控制器结构表达式如下：

2.3.3 控制器相位优化

系统在直接功率控制环节计算中，功率的计算方式为瞬时，所以，系统数据采集的频率低于一定范围时，操作者就要对数据进行一定的处理，一般采用延时处理，但是，基于这样的方式有可能对控制器的性能产生一定的负面影响，因此，在实际数据采集中，需要使用较高的采用率，然后运用到数据采集中。以上环节中的每个数据周期，都需要进行时刻数据采集，当直流系统数据发生变化时，电源相位就会变动。此时如果不对其进行修改，就会对数据结果产生一定误差[6]。特别是在数据采样频率极其小的情况下，电源相位以电网角频率为ω旋转。设数据采集系统采样频率为f，那么就可计算出一个数据采样周期中，对系统的控制误差角度为

3 结束语

随着我国经济快速发展，柔性直流输配电系统在不断完善与改造中，能够实现电能质量提升，可再生能源的并网，在分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等领域应用越来越广泛。电力系统需要具备较多的输电方式，本文对柔性直流输配电系统结构进行简要分析，希望能够对该领域的研究提供帮助。

[1]管敏渊.基于模块化多电平换流器的直流输电系统控制策略研究[D].杭州：浙江大学,2013.

[2]范心明.面向风电场并网的双端与多端柔性直流输电系统控制策略研究[D].广州：华南理工大学,2014.

[3]付媛.基于柔性直流联网的风力发电系统的协调控制研究[D].北京：华北电力大学,2014.

[4]赵堃宇.多端柔性直流输电系统控制策略及故障保护研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

[5]孙文博.多端柔性直流输电系统及控制策略研究[D].北京：华北电力大学,2012.

[6]邱大强,邢大鹏.多端柔性直流输配系统控制策略研究[J].电气开关,2014(3).

2015-11-04）