适用于MMC多端柔性直流配电网的改进电压下垂控制研究

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多端柔性直流输电系统直流电压自适应下垂控制策略研究_罗永捷_李耀华_王平_李子欣

多端柔性直流输电系统直流电压自适应下垂控制策略研究_罗永捷_李耀华_王平_李子欣
基 金 项 目 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 项 目 ) (2012CB215200)。 The National Basic Research Program of China (973 Program) (2012CB215200).
的 V-I(V-P)下垂特性曲线。在此基础上,提出一种改进的自 适应下垂控制策略, 通过引入功率影响因子实现下垂系数的 闭环控制, 优化不同工况下的系统运行特性。 该控制策略能 够减小 MTDC 系统的直流电压偏差, 简化控制器参数设计, 同时不依赖于上层控制系统与换流站之间的高速通讯, 有利 于提高系统可靠性和稳定性。 算例分析和仿真结果验证了所 提出方法的正确性和有效性。 关键词:多端柔性直流输电;直流电压;自适应下垂控制; 功率影响因子;模块化多电平换流器
LUO Yongjie, LI Yaohua, WANG Ping, LI Zixin, GAO Fanqiang, XU Fei
(Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive, Institute of Electrical Engineering (Chinese Academy of Sciences), Haidian District, Beijing 100190, China) ABSTRACT: DC voltage control is of importance for the stable operation of voltage sourced converter based multi-terminal high voltage direct current (VSC-MTDC) transmission systems. First, the effects of the droop characteristic on DC voltages and currents of MTDC system were studied and the mechanism of the effects was explained. Then, the constraint conditions on the droop control strategy and the V-P or V-I characteristic that makes the power balance and voltage stability achieved in MTDC were analyzed. An improved adaptive droop control of DC voltage was proposed to improve the DC voltage quality and simplify the design of control systems. The proposed adaptive droop control strategy introduces the power influence factor and realizes the closed-loop control of the droop coefficient during transmitted power variation. Simulation results verify the feasibility and effectiveness of the control strategy. KEY WORDS: multi-terminal HVDC; DC voltage; adaptive droop control; power influence factor; modular multilevel converter 摘要:直流电压控制是多端柔性直流输电(voltage sourced converter based multi-terminal high voltage direct current transmission,VSC-MTDC)系统稳定运行的重要因素之一。 下垂控制策略无需通讯、 可靠性较高, 但存在直流电压质量 较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。首先,研究 MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影 响机理。接着,分析应用于 MTDC 系统的下垂控制策略的 约束条件,研究满足 MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定

基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究

基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究

基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究一、本文概述随着能源结构的转型和电力电子技术的快速发展,直流配电网,特别是基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的柔性直流配电网,逐渐成为未来智能电网的重要组成部分。

然而,与传统的交流配电网相比,直流配电网的故障特性和保护策略存在显著差异,这使得故障定位和保护配置面临诸多挑战。

因此,本文旨在深入研究基于MMC的柔性直流配电网的故障定位及保护配置问题,以提高电网的安全性和稳定性。

本文首先对柔性直流配电网的基本结构和工作原理进行介绍,重点阐述MMC的工作原理及其在直流配电网中的应用。

在此基础上,分析柔性直流配电网中可能出现的故障类型及其特性,包括线路故障、换流器故障等。

接着,本文深入探讨现有的故障定位方法,如行波法、阻抗法等,并分析其在柔性直流配电网中的适用性。

同时,针对柔性直流配电网的故障特性,研究适用于该系统的保护配置方案,包括过流保护、欠压保护等。

本文还将通过仿真实验和实际案例分析,对所提出的故障定位方法和保护配置方案进行验证。

通过仿真实验,模拟不同故障场景下电网的动态行为,评估故障定位方法的准确性和保护配置方案的有效性。

结合实际案例,分析故障发生的原因和处理过程,为实际工程应用提供参考。

本文旨在通过理论分析和实验研究,为基于MMC的柔性直流配电网的故障定位及保护配置提供有效的解决方案,为推动直流配电网技术的发展和应用提供理论支持和实践指导。

二、MMC技术及其在柔性直流配电网中的应用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种新型的高压大功率电力电子变换技术,由德国学者R. Marquardt和A. Lesnicar于2002年首次提出。

MMC由多个结构相同、相互独立的子模块(Sub-Module,SM)级联而成,通过控制子模块的投入与切除,可以灵活地调节输出电压的幅值和极性,从而实现直流电网的灵活、高效、可靠运行。

一种适用于多端柔性直流输配电系统的新型电压下垂控制方法

一种适用于多端柔性直流输配电系统的新型电压下垂控制方法

电力系统及其自动化学报Proceedings of the CSU -EPSA第33卷第2期2021年2月Vol.33No.2Feb.2021一种适用于多端柔性直流输配电系统的新型电压下垂控制方法王秀茹1,刘刚1,王一振2,张科1,董平平1,赵航宇1(1.江苏国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司,宿迁223800;2.天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072)摘要:如何保障多端柔性直流输配电系统在不同程度扰动下安全稳定运行是柔性直流技术发展所面临的一个挑战。

针对这个问题,提出了一种适用于多端柔性直流输配电系统的电压下垂控制方法。

该方法在电压-有功功率下垂控制的基础上,利用本地直流电压偏差信息实时调整下垂控制的运行工作点,使得直流电压靠近电压上限时自动往下调整,保障系统在各种扰动下直流电压分布合理,不超过稳定运行范围,具有抗干扰能力强、不依赖通讯的优势。

最后,在PSCAD/EMTDC 中建立四端柔性直流系统,验证了所提电压下垂控制方法的正确性和有效性。

关键词:电压源型换流器;多端柔性直流系统;电压下垂控制;直流电压偏差;运行工作点中图分类号:TM711文献标志码:A文章编号:1003-8930(2021)02-0136-06DOI :10.19635/ki.csu -epsa.000445Novel Voltage Droop Control Method for VSC Based Multi -terminal DC SystemWANG Xiuru 1,LIU Gang 1,WANG Yizhen 2,ZHANG Ke 1,DONG Pingping 1,ZHAO Hangyu 1(1.Suqian Power Supply Company ,State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd ,Suqian 223800,China ;2.School of Electrical and Information Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China )Abstract:How to ensure the safe and stable operation of a voltage source converter (VSC )based multi -terminal DC (VSC -MTDC )system under different disturbances poses a challenge to the development of the VSC DC technology.To tackle this problem ,a novel voltage droop control method is proposed for the VSC -MTDC system.Based on the droop control of voltage -active power ,it uses the local DC voltage deviation information to adjust the operating point under droop control in real time.When the DC voltage of the VSC rises up close to the upper limit ,it will be adjusted down⁃wards automatically to ensure a reasonable DC voltage distribution under different disturbances ,without exceeding the stable operation range.As a result ,the proposed method has advantages of strong anti -interference capability and no re⁃liance on communication.At last ,a four -terminal VSC based DC system is built on the PSCAD/EMTDC platform ,and results validate the correctness and effectiveness of the proposed voltage droop control method.Keywords:voltage source converter (VSC );VSC based multi -terminal DC (VSC -MTDC )system ;voltage droop con⁃trol ;DC voltage deviation ;operating point随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用,用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等的要求不断提高,现有交流系统面临分布式电源灵活友好接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战[1-3]。

MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略研究

MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略研究

MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略研究近年来,随着电力系统的发展,MMC型柔性直流输电换流器逐渐得到广泛应用。

然而,在实际运行中,由于电容电压的不平衡,可能会导致换流器的性能下降和系统的不稳定。

因此,研究MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略具有重要意义。

首先,需要了解MMC型柔性直流输电换流器的结构和工作原理。

MMC型换流器由多个子模块组成,每个子模块包含一个电容和一个可控开关。

这些子模块通过串联或并联连接在一起,形成整个换流器。

在工作时,通过调整开关的状态,可以控制电流流向,实现直流和交流之间的转换。

然而,由于电容的存在,换流器中的电容电压往往会发生不平衡。

这可能是由于电容参数的不一致,或者是由于负载的不平衡引起的。

电容电压的不平衡会导致电流的不均匀分布,从而影响换流器的性能和系统的稳定性。

为了解决这个问题,研究人员提出了一种基于电容电压平衡控制策略的方法。

具体而言,该方法分为两个步骤:首先,通过测量电容电压的大小和方向,确定电容电压的不平衡程度;然后,根据不平衡程度,通过调整开关状态来平衡电容电压。

在实际应用中,可以使用PID控制器来实现电容电压的平衡控制。

PID控制器根据电容电压的误差信号,调整开关状态,使电容电压趋于平衡。

此外,还可以结合模糊控制、神经网络等方法,提高电容电压平衡控制的精度和鲁棒性。

通过以上的研究,可以发现MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略对于提高换流器性能和系统稳定性具有重要意义。

进一步的研究可以探索更加精确和鲁棒的控制方法,以应对电容电压不平衡带来的挑战。

希望这项研究能为MMC型柔性直流输电换流器的应用和发展提供参考。

基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略

基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略

基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略一、本文概述Overview of this article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(Multi-Terminal Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, MMC-MTDC)在电力系统中扮演着日益重要的角色。

MMC-MTDC系统以其独特的优势,如电压源型换流器(Voltage Source Converter, VSC)的灵活控制、易于扩展和集成多种可再生能源等,正逐渐成为连接电网和分布式能源的主要方式。

然而,如何保证MMC-MTDC系统的稳定运行,特别是在系统受到扰动或故障时,仍能保持电压和功率的稳定,是当前研究的关键问题。

With the large-scale development and utilization of renewable energy, Multi Terminal Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current (MMC MTDC) plays an increasingly important role in the power system. The MMC-MTDC system is gradually becoming the main way to connect the power grid and distributed energy due to its unique advantages, suchas flexible control of Voltage Source Converter (VSC), easy scalability, and integration of multiple renewable energy sources. However, how to ensure the stable operation of the MMC-MTDC system, especially in the event of disturbances or faults, while still maintaining voltage and power stability, is a key issue in current research.下垂控制策略作为一种常用的分布式电源控制策略,因其具有简单、易实现和无需通信等优点,在MMC-MTDC系统中得到了广泛的应用。

基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略

基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略
YAN Fayou1, TANG Guangfu2, HE Zhiyuan2, KONG Ming1
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;
2. State Grid Smart Grid Research Institute, Changping District, Beijing 102200, China)
相由上、下两个桥臂组成,每个桥臂由 N 个子模块 (sub-module,SM)和桥臂电感串联构成。图 1 中, usk 和 isk 为交流侧相电压和相电流(k = a,b,c);L0、R0 分别为桥臂电感和等效电阻;ikp、ikn 分别为流过每 相上、下桥臂的电流(下标 p 表示上桥臂,n 表示下 桥臂),电流方向都定义为给子模块电容充电方向; UDC 和 IDC 分别为直流侧电压和电流。
本文将首先通过计算 MMC 桥臂瞬时功率,分 析 MMC 三相桥臂瞬时功率之和与直流电压的关 系;然后在多端系统中引入一个公共直流参考电 压,并基于该公共直流参考电压提出了一种改进直 流电压下垂控制策略,实现 VSC-MTDC 系统的多 点直流电压控制和站间功率协调控制。最后,在 PSCAD/EMTDC 中对所提出的控制策略进行仿真 验证,在系统稳态、换流站交流侧故障及换流站主 动退运情况下分别验证了所提控制策略的有效性, 表明其可以满足 VSC-MTDC 系统的多点直流电压 控制和功率协调控制。
基于mmc的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略403改进直流电压下垂控制策略在换流站退出运行后剩余换流站能按照其容量等比例承担多端系统中的功率缺额避免换流站出现较大过电压或电压跌落并快速恢复剩余系统的功率平衡和直流电压返回额定值附近保证vscmtdc系统继续稳定运行

MMC 型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略研究

北方工业大学硕士学位论文
MMC 型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略研究
摘 要
在世界范围内,传统能源资源紧张已严重制约世界经济的发展,如何开发利用风能、太阳 能等新能源已是各国研究的重点。 继交流输电和高压直流输电之后的柔性直流输电技术的发展 为分布式可再生能源发电、海洋孤岛供电等供配电提供了一种灵活、可靠的技术方案[1-3]。学 术界将此项技术称为 VSC-HVDC(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current,简称 VSC-HVDC) 。 目前, 模块化多电平型柔性直流输电换流器( Modular Multi-level Converter-High Voltage Direct Current, 简称 MMC-HVDC)是 VSC-HVDC 技术发展最为迅速的拓扑类型, 其应 用已越来越广泛。因此,电容电压平衡控制策略作为 MMC-HVDC 换流器研究的重点内容之 一受到国内外学者的广泛关注。 论文详细介绍了 MMC-HVDC 换流器的发展历史和应用领域,在深入分析其拓扑结构特 点、工作原理以及数学模型基础上,研究了基于正弦逼近的阶梯波调制策略,并成功应用于课 题所研究的换流器的调制。 针对 MMC-HVDC 换流器的电容电压平衡原理,论文从电容器的充放电过程入手,分析 了造成电容电压不平衡的主要因素,对各种因素所造成的影响从理论上推导了相关的数学模 型,并采用仿真软件进行仿真验证。又深入分析了目前电容电压平衡控制策略的不足之处,并 结合平衡控制策略优劣指标, 提出了一种优化的电容电压平衡控制策略, 即基于排序算法的分 类排序电压差值控制策略。 为验证所提出的优化电容电压平衡控制策略的有效性,在 PSCAD/EMTDC 环境中建立了 49 电平 MMC-HVDC 换流器单站三相仿真模型,从启动、解锁、功率转换以及稳态运行四个 方面进行仿真研究,得出在高压大容量 MMC-HVDC 换流器中,所提出的基于排序算法的分 类排序电压差值电容电压平衡控制策略更有效、可靠的结论。 在理论研究的基础上,搭建了 MMC-HVDC 物理模型试验平台,对基于排序算法的分类 排序电压差值控制策略进行了试验验证, 试验结果表明所提出的优化的电容电压平衡控制策略 具有很好的工程可行性,达到了预期目标。 关键词: MMC-HVDC,电容电压平衡,排序算法,电压差值,分类排序

基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略

3、系统保护机制的完善:在多端柔性直流输电系统中引入MMC后,需要建立 相应的保护机制以应对可能出现的故障。具体来说,可以通过设置过载保护、过 压保护等措施来保证系统的安全运行。同时,可以利用MMC的快速响应特性实现 故障的快速定位和隔离。
下垂控制策略的分析与仿真
下垂控制策略的分析与仿真
为了验证基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制策略的有效性和优越 性,本次演示采用了MATLAB/Simulink进行仿真实验。在仿真实验中,我们搭建 了一个包含多个MMC和多端柔性直流输电系统的模型,并对其进行了以下测试:
下垂控制策略的分析与仿真
1、稳态性能测试:在系统正常运行时,测试各端的电压和电流是否稳定,是 否满足系统的设计要求。
下垂控制策略的分析与仿真
2、动态性能测试:在系统受到干扰时,测试系统的动态响应速度和恢复时间 是否满足要求。
下垂控制策略的分析与仿真
3、鲁棒性测试:通过改变系统的运行条件和环境,测试系统的鲁棒性和适应 性是否满足要求。
引言
然而,传统的下垂控制策略存在诸多问题,如控制精度不高、系统稳定性差 等。因此,本次演示提出了一种基于MMC的多端柔性直流输电系统改进下垂控制 策略。
相关技术制策略主要采用无源性控制方法。无源性控 制通过将系统输出端口的阻抗变为被动元件,使整个系统具有自我调节能力。然 而,这种控制方法在面对复杂环境和多种干扰时,表现出的鲁棒性较差。近年来, 基于模型的控制方法逐渐被应用于柔性直流输电系统的下垂控制中,其中以MMC 技术最为突出。
基于MMC的多端柔性直流输电系 统改进下垂控制策略
目录
01 引言
03
下垂控制策略的分析 与仿真
02 相关技术综述 04 结论
内容摘要

基于直流内电势控制的MMC多端直流输电系统最优下垂控制

基于直流内电势控制的MMC多端直流输电系统最优下垂控制杨文博;宋强;朱喆;李建国;许树楷;刘文华【摘要】基于模块化多电平换流器(MMC)的直流内电势直接控制方法提出了一种新型的MMC多端直流输电系统下垂控制策略.该控制策略在直流电压控制站实现直流内电势-直流电流的下垂特性,并在功率控制站实现对直流电流和电容电压的闭环控制.基于对频域响应特性的分析给出了该控制策略的优化控制参数设计方法.仿真证明了所提控制策略的可行性和有效性.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2016(036)010【总页数】9页(P51-59)【关键词】直流输电;模块化多电平换流器;多端直流输电;下垂控制;直流内电势直接控制【作者】杨文博;宋强;朱喆;李建国;许树楷;刘文华【作者单位】清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,北京100084;清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,北京100084;南方电网科学研究院,广东广州510080;清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,北京100084;南方电网科学研究院,广东广州510080;清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TM721.10 引言基于电压源换流器的直流输电系统是解决异步联网和大规模新能源接入等问题的极有前景的新型输电技术[1-3],并已经向多端和直流网络方向发展。

模块化多电平换流器MMC(Modular Multilevel Converter)也极大推动了电压源型直流输电技术的发展[4-6]。

下垂控制可以在不依靠站间高速通信的情况下实现大量换流站的稳定并联运行,同时十分容易扩展,因此被认为是一种非常适合于多端直流输电系统和直流电网的系统级控制策略,并得到了广泛的研究[7-13]。

在多端直流系统或直流网络中,负荷或者风电场功率的变化将带来持续的扰动。

多端柔性直流输电直流电压控制策略研究

多端柔性直流输电直流电压控制策略研究摘要:当前,环境污染和能源紧缺问题逐渐受到全世界的关注,化石燃料等不可再生能源的局限性越来越明显,风能、太阳能等可再生能源成为可持续发展趋势下的选择。

柔性直流输电(VSC-HVDC)系统可以灵活控制有功功率、无功功率,并且能够轻易实现潮流反转,在孤岛供电、风电等可再生能源并网等应用领域具有显著的技术优势。

模块化多电平换流器(MMC)作为对原有两电平和三电平拓扑结构的创新,具有输出电压谐波分量小、开关损耗低、易于扩展等优势。

本文主要分析多端柔性直流输电直流电压控制策略研究。

关键词:多端柔性直流输电;自适应斜率控制;功率裕度;调节速度引言为了结合主从控制和电压下垂控制的优点,提高电力系统运行的可靠性,提出了带死区的电压下垂控制策略。

该策略在死区范围内实现定有功功率控制,但在故障状态下脱离死区运行到下垂区域,仍然无法准确控制有功功率。

1、VSC-MTDC的系统级控制策略1.1主从控制策略主从控制策略是将一座换流站作为主站来控制整个VSC-MTDC的直流电压,其余换流站作为从站按照各自的功率要求进行控制。

对于基于MMC的VSC-MTDC,主站采用定直流电压控制,从站采用定有功功率控制。

在忽略直流网络电阻的情况下,主从控制策略原理框图见附录A中图A1。

图中,P为有功功率;udc为直流电压;P*dc(ii=1,2,…,N)为受端换流站在稳态运行点的有功功率;P*dc(jj=N+1,N+2,…,N+M)为送端换流站在稳态运行点的有功功率;U*dc为系统稳态运行点的直流电压;虚线框表示每座换流站有功功率与直流电压的运行范围;水平线表示采用定直流电压控制;铅垂线表示采用定有功功率控制;实心圆点表示当前换流站的运行点。

1.2带死区的电压下垂控制策略带死区的电压下垂控制策略应用于有功功率可调的换流站节点上,规定换流站向直流网络输送的有功功率为正。

在忽略直流网络电阻的情况下,其原理框图如附录A中图A2所示。

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第34卷第9期2018年9月电力科学与工程ElectricPowerScienceandEngineeringVol 34,No 9Sep.,2018收稿日期:2018-06-26基金项目:国家自然科学基金项目(51667007);中国南方电网有限责任公司重点科技项目(GZKJQ00000417)作者简介:朱余林(1993 ),女,硕士研究生,研究方向为电力电子在电力系统中的应用;袁旭峰(1976 ),男,教授,主要研究方向新能源并网,电力系统运行与控制;陈明洋(1995 ),男,硕士研究生,研究方向为电力电子在电力系统中的应用;李㊀宁(1993 ),男,硕士研究生,研究方向为电力电子运行与控制;胡㊀晟(1992 ),男,硕士,研究方向为电力电子与电力传动控制技术;李芷萧(1993 ),男,硕士研究生,研究方向为电力系统控制及其应用㊂doi:10 3969/j ISSN 1672-0792 2018 09 003适用于MMC多端柔性直流配电网的改进电压下垂控制研究朱余林,袁旭峰,陈明洋,李㊀宁,胡㊀晟,李芷萧(贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550025)摘㊀要:传统交流配电网本质上是不可控的,难以适应现代多元电力供应方式,配电网会出现电压不平衡㊁电能质量较差等问题㊂模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的出现促使配电系统更加可控,为交流配电系统向直流配电系统发展提供了技术基础㊂介绍了MMC的基本原理,推导了其数学模型㊂针对配电系统频繁出现功率波动而引起的直流母线电压变化的情况,提出一种改进电压下垂控制策略,该策略能够抑制功率波动引起的过电压,消除电压越限,更有利于多端直流(Multi⁃terminalDC,MTDC)系统的电压稳定㊂最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了并联四端直流配电系统,对所提的控制策略进行验证,仿真结果验证了其有效性㊂关键词:直流配电系统;MMC;MTDC;改进电压下垂控制中图分类号:TM721㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1672-0792(2018)09-0014-06ResearchonimprovedvoltagedroopcontrolappliedtoMTDC⁃MMCflexibleDCdistributionnetworkZHUYulin,YUANXufeng,CHENMingyang,LINing,HUSheng,LIZhixiao(CollegeofElectricalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)Abstract:ThetraditionalACdistributionnetworkisnotcontrollableinnatureanditisdifficulttoadapttomodernmulti⁃powersupplymethods.Asaresult,thedistributionnetworkwillsufferfromvoltageimbalanceandeventuallyresultinpoorpowerquality.TheemergenceofModularmultilevelconverters(MMCs)hasledtomorecontrollabledistributionsystems,makingACdistributionsystemsinevitablydeveloptowardsDCdistributionsystems.ThispaperfirstintroducedthebasicprinciplesofMMCanddeduceditsmathematicalmodel.AimingattheDCbusvoltagechangecausedbyfrequentpowerfluctuationsinpowerdistributionsystem,animprovedvoltagesaggingcontrolstrategywasproposed.Thisstrategycansuppresstheovervoltagecausedbypowerfluctuations,eliminatevoltage㊀第9期㊀朱余林,等:适用于MMC多端柔性直流配电网的改进电压下垂控制研究㊀overrun,andismoreconducivetothevoltagestabilityofmulti⁃terminalDCsystems.Finally,aparallelfour⁃terminalDCpowerdistributionsystemwasbuiltonthePSCAD/EMTDCsimulationplatformtoverifytheproposedcontrolstrategy.Andthesimulationresultsverifyitseffectiveness.Keywords:DCdistributionsystem;MMC;MTDC;improvedvoltagedroopcontrol0㊀引言㊀㊀柔性直流输电技术已经相对成熟,并在世界范围内已经有相关工程应用,但在配电网中应用比输电网落后[1,2]㊂随着地方经济的发展,城市负荷逐年增加,传统配电网无论是从其网架结构还是自动化调控系统,都不能适应现代多元化的供电方式[3 6]㊂与传统交流配电网相比,直流配电网具有以下几个方面的优势[7,8]:(1)与分布式电源柔性互联㊂直流配电网由于少了AC/DC这一环节,可以减少电能变换装置的投入以及电能变换过程中的能量损耗㊂(2)直流线路使用的材料(两线)比交流线路(三相三线或三相四线制)少,并且线路投运时,直流线路的电阻性损耗较低,同时不存在交流电网中的介质损耗㊂(3)直流配电的可靠性高㊂直流线路不存在功角和频率稳定的问题,也不受无功功率的限制,供电可靠性更高[9,10]㊂MMC的出现,以其模块化程度高㊁拓展性好㊁易于冗余设计㊁开关损耗小,谐波性好㊁有功无功功率独立控制㊁可进行无源孤岛供电等诸多优点,已在国内外多个工程中得到验证[11 14]㊂文献[15]说明电压下垂控制适合多端直流系统,各个换流器的功率量和直流侧母线电压之间相互独立㊂文献[16,17]提出了一种分段的电压下垂控制策略,但是该策略无法消除静态误差㊂本文针对柔性多端直流系统,提出一种改进直流电压下垂策略,在系统出现功率波动引起直流母线变化的情况下能够抑制电压过大波动,消除电压越限,更有利于MTDC系统的电压稳定㊂最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了并联四端直流配电系统,验证了所提控制策略的有效性㊂1㊀MMC拓扑结构及数学模型1 1㊀MMC拓扑结构如图1所示,MMC由6组换流桥臂构成,6组换流桥臂构成三相换流器[18]㊂图1㊀三相MMC系统拓扑结构1 2㊀MMC数学模型图2是三相MMC等效电路㊂图2中,usj和isj分别为第j相交流侧相电压和相电流(j=a,b,c);R和L分别是MMC桥臂等效电阻和电感;uPj和uNj分别等效第j相上㊁下桥臂电容电压;iPj和iNj分别等效流过第j相上㊁下桥臂电流;Udc和Idc分别是直流侧电压和电流㊂图2㊀三相MMC等效电路对A相桥臂列基尔霍夫电压方程,得[19]:usa=12Udc-uPa-LdiPadtusa=-12Udc+uNa+LdiNadtìîíïïïï(1)51㊀㊀电力科学与工程㊀2018年式中:Udc为直流母线电压;uPa和uNa分别为上㊁下桥臂电压㊂列基尔霍夫电流方程,得:iPa=12isa+13idc-iZaiNa=-12isa+13idc-iZaìîíïïïï(2)式中:idc和iZa分别为直流母线电流和环流中的谐波分量;iPa和iNa分别为上㊁下桥臂电流㊂MMC第j相的上㊁下桥臂电压参考值为:uPj_ref=Udc2-uj-usumj(3)uNj_ref=Udc2+uj-usumj(4)式中:uj是第j相内部电动势;usumj是不平衡电动势,用以控制环流㊂1 3㊀MTDC数学模型图3所示为单端MMC⁃MTDC数学模型㊂图3㊀单端MMC⁃MTDC模型图3中,Vsjm(j=a,b,c,表示abc三相;m=1,2,3,4,表示端数)为交流侧相电压;Vejm为输出相电压;Rm为等效电阻;Lm为等效电感㊂由图3可得:LmdImdt=-RmIm+(Vsm-Vem)(5)式中:Im㊁Vsm㊁Vem均为矩阵向量㊂式(5)经dq变换得:ddtidmiqméëêêùûúú=1Lm-RmωLm-ωLm-Rméëêêùûúúidmiqméëêêùûúú+1LmVsdm-VsdmVsqm-Vsqméëêêùûúú(6)式中:idm㊁iqm分别为第m个换流器交流电流矢量d㊁q轴分量;Vsdm㊁Vsqm为第m个换流器交流电压矢量d㊁q轴分量;Vedm㊁Veqm为第m个换流器输出点电压矢量d㊁q轴分量㊂推导得到在dq旋转坐标系下第m个MMC的交流侧的有功功率Psm和无功功率Qsm:Psm=32(Vsdmidm+Vsqmiqm)Qsm=32(Vsdmiqm-Vsqmidm)ìîíïïïï(7)2㊀改进电压下垂控制2 1㊀传统电压下垂控制传统直流下垂控制如图4所示㊂图4㊀电压下垂控制内环电流控制器图4(a)表示换流器有功功率与直流电压的关系㊂二者呈线性关系,对直流电压的控制会引起有功功率的静态偏差,反之亦然,二者相互制约㊂电压下垂控制把有功功率控制与直流电压控制结合在一个控制器内,如图4(b)所示㊂其中,得到图4(b)中的误差信号e:e=Pref-P+KR(Udcref-Udc)(8)式中:Pref㊁P为功率参考值和实际值;Udcref㊁Udc为直流电压参考值和实际值㊂稳态运行情况下,得到e=0,那么系统直流母线电压可以表示为:Udc=Udcref+Pref-PKR(9)㊀㊀传统下垂的控制力度由电压下垂控制比例系数KR决定㊂比例系数需要谨慎选取,既要兼顾电压控制效果和功率分配特性,又要确保系统正常运行㊂对于交直流配电网而言,其负荷功率波动大,MTDC各端MMC需频繁调节,固定下垂系数易引起直流电压越限,将失去对直流电压的控制能力,从而影响MTDC在柔性互联配电网中的调节控制性能㊂61㊀第9期㊀朱余林,等:适用于MMC多端柔性直流配电网的改进电压下垂控制研究㊀2 2㊀改进电压下垂控制改进电压下垂控制是利用分段的思想,若所测得的直流电压在事先设定的直流参考电压的最大值和最小值之内,就相当于传统的电压下垂控制;一旦所测直流电压越限,通过改进电压下垂控制使其他换流器参与直流电压控制,进而增加或者降低原有参与下垂控制MMC换流器的输送功率㊂基于以上分析,基于改进电压下垂控制方法的控制器结构如图5所示㊂图5㊀改进电压下垂控制器结构Ulim=(Udc-UsetH)Klim(Udc-UsetL)Klim{(10)式中:Ulim为限制电压;Udc为MMC直流侧电压;UsetL和UsetH分别为设定的MMC直流侧电压最小值和最大值;Klim定义为限制比例㊂3㊀算例分析㊀㊀基于PSCAD\EMTDC搭建图6所示的4端并联MMC⁃MTDC仿真模型㊂系统仿真参数如下:桥臂子模块数目N=20,系统直流母线电压Udc=ʃ10kV,子模块电容C=9600μF,子模块电压Uc=1kV,桥臂串联电抗值LMMC1㊁2㊁3=8mH,LMMC4=12mH,等效电阻R=0 1Ω,忽略直流线路阻抗;交流系统频率50Hz,隔离变压器采用YNd接线㊂各端仿真参数如下:MMC1采用定有功功率控制方式,功率额定值为6MW;MMC2㊁MMC3采用改进的电压下垂控制方式,其下垂控制比例系数KR取值为1 6,其限制比例Klim取14,直流电压额定值为20kV,MMC2功率额定值为8MW,MMC3功率额定值为-8MW;MMC4采用定交流电压控制方式,交流负荷值设置为-6MW;直流电压上下限为ʃ3%㊂图6㊀4端柔性直流配电系统拓扑结构3 1㊀功率扰动仿真图7为功率扰动下的直流电压及各端功率变化㊂在2s时,MMC1的功率设定值由6MW减少至4MW,3s时MMC1功率设定值升至8MW,4s时MMC1功率指令值恢复6MW,系统回到最初运行状态㊂可见,改进电压下垂控制在系统稳态运行及小扰动的工况下,表现出较好的控制性能㊂图7㊀直流电压及各端功率波形变化3 2㊀交流侧故障仿真以MMC3交流侧发生三相短路为例,分析系统运行情况㊂MMC1采用定有功功率控制方式,功率额定值为5MW;MMC2㊁MMC3采用改进的电压下垂控制方式,直流电压额定值为20kV,MMC2功率额定值为9MW,MMC3功率额定值为-8MW;MMC4采用定交流电压控制方式,交流负荷值设置为-6MW㊂仿真结果如图8所示㊂通过图8可以看到,在2s发生三相故障后,系统直流电压升高至21kV,MMC1及MMC2功率持续波动,MMC4交流侧输出功率保持恒定;故障持续0 2s,此后直流电压及功率经0 2s恢复正常㊂71㊀㊀电力科学与工程㊀2018年图8㊀三相故障直流电压及各端功率波形变化3 3㊀MMC故障仿真对各端功率参数做了一些调整,具体如下:MMC1采用定有功功率控制方式,功率额定值调整为9MW;MMC2㊁MMC3采用改进的电压下垂控制方式,直流电压额定值为20kV,MMC2功率额定值为5MW,MMC3功率额定值为-8MW;MMC4采用定交流电压控制方式,交流负荷值设置为-6MW;直流电压上下限为ʃ3%(为突出直流电压的变化,电压波形只截取部分波形)㊂3 3 1㊀MMC2故障退出仿真为验证当系统中只有单个换流站运行于改进电压下垂控制时的控制特性,同时验证换流器功率双向传输的可行性,本节设置MMC2退出运行,同时对功率设定进行调整:MMC1采用定有功功率控制方式,功率额定值调整为4MW;MMC2㊁MMC3采用改进的电压下垂控制方式,直流电压额定值为20kV,MMC2功率额定值为7MW,MMC3功率额定值为-5MW;MMC4采用定交流电压控制方式,交流负荷值设置为-6MW;直流电压上下限为ʃ3%㊂如图9和图10所示,在2s时MMC2因故障退出运行造成系统功率缺额,采用改进电压下垂控制时,系统直流电压过渡迅速,平缓下降至19 6kV附近,电压过渡时间只持续了不到0 02s,系统运行效果优于传统电压下垂控制㊂在2s时MMC2因故障退出运行使得MMC2功率值降为0,此时系统中只有MMC3运行于电压下垂控制方式,MMC3功率反向,MMC1㊁MMC4输出功率保持平稳㊂通过二者对比可以看到,改进电压下垂控制在换流器退出运行过渡至新的稳态图9㊀直流电压波形图10㊀各端功率波形的过程中,功率波动较传统控制时间更短,约为0 2s,使得系统更快地过渡至稳态运行㊂通过以上仿真分析可知,改进电压下垂控制适用于MTDC系统,能够满足正常运行及各类故障情况下的控制需求,且能够有效地降低系统直流电压的大幅波动,防止电压越限㊂3 3 2㊀MMC4故障退出仿真系统出现功率过剩时,系统直流电压升高波形图,如图11所示㊂图11㊀直流电压波形在2s时无源端MMC4退出运行,采用传统电压下垂控制时,直流电压上升至20 6kV,而后恢复至20 4kV附近,电压恢复时间大概持续0 08s;而采用改进电压下垂方法,系统直流电压逐渐升高并稳定在20 4kV附近,消除了过电压㊂如图12所示,在2s时无源端MMC4退出运行,MMC2功率由5MW降为2MW左右,MMC3逆变功率升至11MW附近,相比于传统81㊀第9期㊀朱余林,等:适用于MMC多端柔性直流配电网的改进电压下垂控制研究㊀电压下垂控制,采用改进电压下垂控制功率过渡明显更快㊂图12㊀各端功率波形4㊀结论㊀㊀(1)本文通过介绍MMC及MTDC的数学模型,在传统的电压下垂控制基础上,提出了适用于多端柔性直流配电系统的改进电压下垂控制策略,该策略适用于功率波动频繁的配电网㊂(2)在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了并联四端MMC系统,验证所提出改进电压下垂控制在功率发生扰动㊁交流侧发生三相短路以及MMC发生故障时的有效性,并与传统的电压下垂控制策略相关波形进行比较㊂仿真波形表明,所提的策略能够满足正常运行及各类故障情况下的控制需求,并且能够有效地降低系统直流电压的大幅波动,防止电压越限,并维持在设定的稳定范围内,更有利于直流配电网的稳定运行㊂参考文献:[1]FREYTESJ,PAPANGELISL,SAADH,etal.OnthemodelingofMMCforuseinlargescaledynamicsimulations[C]//IEEEPowerSystemsComputationConferencePSCC,Genoa,Italy,2016.[2]ALIREZAN,LIANGJQ,FRANSDIJKHUIZEN,etal.ModularmultilevelconvertersforHVDCapplications:revievonconvertercellsandfunctionalities[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(1):18-36.[3]江道灼,郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化,2012,36(8):98-104.[4]季一润,袁志昌,赵剑锋,等.一种适用于柔性直流配电网的电压控制策略[J].中国电机工程学报,2016,36(2):335-341.[5]汤广福,罗湘,魏晓光.多端直流输电与直流电网技术[J],中国电机工程学报,2013,33(10):8-17.[6]汤广福,庞辉,贺之渊.先进交直流输电技术在中国的发展与应用[J].中国电机工程学报,2016,36(7):1760-1771.[7]CHANG,CWIKOWSKIO,BARNESM,etal.MultiterminalVSC⁃HVDCpole⁃to⁃polefaultanalysisandfaultrecoverystudy[C]//11thIETInternationalConferenceonACandDCPowerTransmission,Birmingham,2015:1-8.[8]KUMARSROUZBEHI,J.IGNACIOCANDELA,GEVORKB,etal.MultiterminalDCgrids:operatinganalogiestoACpowersystems[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2016.[9]孙鹏飞,贺春光,邵华,等.直流配电网研究现状与发展[J].电力自动化设备,2016,36(6):64-73.[10]王丹,柳依然,梁翔,等.直流配电网电压等级序列研究[J].电力系统自动化,2015,39(9):19-25.[11]汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究应用及发展[J].电力系统自动化,2013,37(15):3-14.[12]余潇潇,张璞,张凯.柔性直流背靠背装置在北京配电网中的应用[J],电力建设,2016,37(5):132-137.[13]刘振亚.特高压直流输电理论[M].北京:中国电力出版社,2009.[14]汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究应用及发展[J].电力系统自动化,2013,37(15):3-14.[15]刘盼盼,荆龙,刘京斗,等.MMC⁃MTDC输电系统新型直流电压斜率控制策略[J].电测与仪表,2016,53(6):1-7.[16]任敬国,李可军,刘合金,等.基于改进定有功功率控制特性的VSC⁃MTDC系统仿真[J].电力系统自动化,2013,37(15):133-139.[17]张野,洪潮,黄迪,等.多端直流电网下垂控制及并行仿真方法[J].南方电网技术,2017,11(7):32-38.[18]唐立,袁旭峰,李宁,等.具有直流故障电流阻断能力MMC子模块拓扑结构研究[J],电网与清洁能源,2017,33(5):33-39.[19]管敏渊,徐政,屠卿瑞,等.模块化多电平换流器型直流输电的调制策略[J].电力系统自动化,2010,34(2):48-52.91。

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