中铁十六局集团电气化工程公司等单位的科研人员提出多端柔性直流输电系统的自适应下垂控制策略

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直流电压稳定是多端柔性直流输电系统控制的关键问题之一。针对传统下垂控制策略参数不易整定，控制精度低，难以应对多种工况等缺点，柔性直流输电系统关键技术研究团队提出了一种自适应下垂控制策略。该策略能够根据不同的工况进行调节优化，有效降低暂态过程的功率振荡。仿真结果验证了所提出策略的可行性和有效性。

团队介绍

柔性直流输电系统关键技术团队是一支以新型电力系统为主要研究方向，实现新能源多学科领域的交叉、配合、协同、创新为目标的研究团队，主要开展能源互联网关键技术、柔性直流输电等研究。先后主持和参与了国家“863”重大专项、国家自然科学基金项目、中央高校自主创新计划及省自然科学基金项目等项目，发表相关学术论文60余篇。

白国岩

1975年生，正高级高工，主要从事铁路四电工程，先后参加过多项国家重点工程建设，荣获多项中国铁道学会科学技术奖、中施企协科学技术奖。

孟繁丞

2002年生，硕士研究生，研究方向为柔性多端直流输电技术。

马文忠

1968年生，教授，研究方向为柔性直流输电与能源互联网。

研究背景

柔性直流输电技术的优点使其成为解决新能源并网、远距离输电问题的最有潜力方案之一。目前多端柔性直流系统的控制策略主要包括以主从控制为代表的集中式控制和以下垂控制为代表的的分布式控制以及各类组合控制策略。换流站采用下垂控制时，通过实时测量本地母线电压来调节其功率，因此不需要与其它换流站进行通讯。下垂控制解决了换流站间的通讯问题，增强了系统的可靠性和灵活性，但依然存在控制精度低，参数整定困难等缺点。

论文所解决的问题及意义

下垂控制依然存在的控制精度低、参数整定困难、换流站功率分配和直流电压偏差抑制之间存在冲突等缺点，且一些改进方法存在需要换流站间通讯、会导致功率振荡等缺点。 

本文通过从系统潮流优化的角度出发，同时考虑换流站控制精度，实现下垂系数在不同工况下灵活可调，结构简单易于实现。所提自适应下垂控制策略能够有效抑制系统工况切换引起的功率和电压波动，提升换流站在不同工况下的性能，保证系统的灵活性和可靠性。

论文方法及创新点

为了解决下垂控制策略存在的控制精度低、参数整定困难、难以应对多种工况等缺点，本文提出了一种自适应下垂控制策略。首先结合系统潮流分析结果和换流站功率分配设计下垂系数稳态值，并根据换流站本地电气量引入自适应改变下垂参数的控制率，使下垂系数可根据不同工况进行调节优化，并有效降低暂态过程中的功率振荡。

图1 四端柔性直流输电系统拓扑结构

1

多端直流系统潮流及下垂系数设计

本文研究的多端直流系统如图1所示。首先建立该系统包含下垂系数的潮流方程，在此基础上，兼顾系统的经济运行指标和换流站有功控制精度指标，建立考虑功率偏差和系统损耗的合成目标函数，并形成合成目标函数的等高线图。考虑下垂系数在不同工况下的调节裕度，从等高线图中目标函数值较低的曲线上找出取值区间中间值作为下垂系数的稳态值。

图2 功率偏差曲面及系统运行合成指标等高线图

2

自适应下垂控制策略

为了使换流站在有功功率较大或者接近换流站额定容量时有一定的功率调节能力，在换流站有功功率较小时提高直流电压刚性，且保证下垂曲线足够平滑，并能够抑制换流站有功功率在暂态过程中的超调与振荡，本文在控制策略中引入换流站有功功率的微分量，以增强系统在暂态和扰动状态下的稳定性。

仿真表明，本文所提自适应下垂控制策略能够保留换流站的功率调节裕度，防止因功率达到上限而失去功率调节能力；并且自适应下垂控制策略能够减小换流站有功功率和电压的波动，其过渡过程较为平滑。

图3 传统策略与自适应策略过渡过程仿真对比

本团队研发了混合MMC多端柔直系统平台，实验平台的主体架构包括主电路和控制电路。控制电路采用STM32+FPGA+CPLD三级架构，主控制器采用STM32，中间协控制器采用FPGA，子模块控制器采用CPLD。系统完成了论文所有实验，验证了本文所提自适应下垂控制策略的有效性。

图4-1 实验平台结构图

图4-2 实验平台结构图

结论

本文通过综合考虑系统的讯号和网侧换流站功率偏差确定经济合理的稳态平衡点和下垂系数，通过引入换流站功率值及其微分，提出一种适用于多端柔性直流输电系统的改进下垂控制策略。该策略有较优的经济性和极好的有功控制精度，缓解了传统策略在功率分配和电压偏差控制上的矛盾，并且暂态过程过渡平滑能够改善系统状态切换时的功率振荡问题，增强了系统的可控性和稳定性。最后，对所提策略分析证明了其可行性和有效性。

引用本文

白国岩, 李春宝, 孟繁丞, 李沐书, 马文忠. 多端柔性直流输电系统的自适应下垂控制策略研究[J]. 电气技术, 2022, 23(5): 1-8. BAI Guoyan, LI Chunbao, MENG Fancheng, LI Mushu, MA Wenzhong. Research on an adaptive droop control strategy applied in voltage source converter based multi-terminal high voltage direct current transmission system. Electrical Engineering, 2022, 23(5): 1-8.

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