本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電力電子器件的不斷更新以及人們對解決風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)問題的研究更加深入，柔性直流輸電技術(shù)得到了飛速發(fā)展；目前，多端柔性直流輸電技術(shù)被視為風(fēng)電功率外送的最佳技術(shù)方案之一。多端柔性直流輸電系統(tǒng)是指含有三個(gè)及以上數(shù)量的換流站的系統(tǒng)，其是雙端柔性直流輸電系統(tǒng)的拓展與延伸；與兩端柔性直流輸電系統(tǒng)相比，多端柔性直流輸電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可靠性等特點(diǎn)。

在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，保持系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定和維持各換流站功率在需求值是系統(tǒng)控制的核心。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主從控制策略應(yīng)運(yùn)而生，其原理是選擇系統(tǒng)中的一個(gè)換流站作為主站，采取定直流電壓控制維持系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定，其余換流站作為從站，采取定功率控制，保持各換流站功率在需求值。然而，該控制策略可靠性較低，一旦主站故障，系統(tǒng)則失穩(wěn)。為了解決這一問題，人們提出了電壓裕度控制策略，其思想是在主從控制策略的基礎(chǔ)上選擇某一個(gè)（或幾個(gè)）從站作為電壓控制預(yù)備換流站，當(dāng)主站故障退出運(yùn)行時(shí)由預(yù)備換流站控制系統(tǒng)的直流電壓，增加了系統(tǒng)的可靠性；但該策略存在預(yù)備換流站接管電壓控制時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)與振蕩等問題。隨著相關(guān)研究的不斷深入，人們提出了下垂控制策略，該策略在控制系統(tǒng)直流電壓的同時(shí)兼顧換流站功率的控制，最重要的是其將控制系統(tǒng)直流電壓的任務(wù)分配給多個(gè)換流站，并避免了電壓裕度控制策略存在的振蕩問題，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；但該控制策略無法實(shí)現(xiàn)換流站的直流電壓與功率的精準(zhǔn)控制，以至于在特定情況下某些換流站的功率偏移需求值很多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的廣義下垂控制策略來維持系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定與保證各換流站的功率精確、合理分配的適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的廣義下垂控制方法。

本發(fā)明步驟是：

①控制模式的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型為：，其中U_dc和P分別表示直流電壓和功率，α、β、γ為控制方式選擇系數(shù)；

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為定直流電壓控制，

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為定功率控制，

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為下垂控制；

②取U_dc和P為穩(wěn)定狀態(tài)下直流側(cè)的參考電壓和功率，、，則得；

③當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定于某一運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，必定滿足：，式中，U_dc,meas與P_meas為某一穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下某一換流站直流側(cè)的電壓和功率的測量值；

當(dāng)β≠0時(shí)，由得：，以U_dc,meas作為控制器的輸入變量，以該式得出的功率值P_meas作為功率參考值P_ref，則進(jìn)一步得偏差信號；

當(dāng)α≠0時(shí)，由得：，以P_meas作為控制器的輸入變量，以該式得出的電壓值U_dc，meas作為電壓參考值U_dc,ref進(jìn)一步可得偏差信號，

④將兩者結(jié)合，得到廣義下垂控制器，該控制器的偏差信號為：

其中，a、b、c為控制模式選擇系數(shù)的另一種表達(dá)形式；

當(dāng)，控制模式為下垂控制；

當(dāng)且，控制模式為定直流電壓控制；

當(dāng)且，控制模式為定功率控制；

⑤在β（或b）與α（或a）為0時(shí)，將其認(rèn)為是接近于0的一個(gè)很小的數(shù)，用β*和a*表示，控制器的偏差信號表示為：

⑥引入信號選擇函數(shù)和，

修正函數(shù)

系統(tǒng)中各換流站的外環(huán)有功類控制部分均采用廣義下垂控制模式，通過協(xié)調(diào)配合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定與功率合理分配的方法稱為廣義下垂控制。

本發(fā)明可維持多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定與保證各換流站功率合理分配的廣義下垂控制策略，其特征在于，對于一個(gè)多端柔性直流輸電系統(tǒng)，每一個(gè)換流站都采用廣義下垂控制方式，該控制方式將定直流電壓控制模式與定功率控制模式融合于狹義下垂控制模式中，只需通過確定控制模式選擇系數(shù)的值即可根據(jù)系統(tǒng)需求選定或改變各換流站的控制模式以及實(shí)現(xiàn)三者之間的無縫切換。不僅增強(qiáng)了狹義下垂控制模式的靈活性，克服了其無法實(shí)現(xiàn)換流站的直流電壓與功率精準(zhǔn)控制等問題，而且降低了電壓裕度控制方法切換控制模式時(shí)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)或震蕩等問題，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)特性。

附圖說明

圖1是三種控制模式下的功率-電壓特性曲線；

圖2是廣義下垂控制模式下的功率-電壓特性曲線；

圖3是廣義下垂控制器；

圖4是五端柔性直流輸電系統(tǒng)RT-lab仿真模型；

圖5a是下垂控制模式自身轉(zhuǎn)換的仿真波形------有功功率波形；

圖5b是下垂控制模式自身轉(zhuǎn)換的仿真波形------系統(tǒng)直流電壓波形；

圖6a是下垂控制模式與定功率控制模式切換的仿真波形-----有功功率波形；

圖6b是下垂控制模式與定功率控制模式切換的仿真波形-----系統(tǒng)直流電壓波形；

圖7a是下垂控制模式與定直流電壓控制模式切換的仿真波形-------有功功率波形；

圖7b是下垂控制模式與定直流電壓控制模式切換的仿真波形-------系統(tǒng)直流電壓波形；

圖8a是定直流電壓控制模式與定功率控制模式切換的仿真波形-------有功功率波形；

圖8b是定直流電壓控制模式與定功率控制模式切換的仿真波形-------系統(tǒng)直流電壓波形；

圖9a是某一故障情況下控制模式切換的仿真波形------有功功率波形；

圖9b是某一故障情況下控制模式切換的仿真波形------系統(tǒng)直流電壓波形。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明步驟是：

①控制模式的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型為： ，其中U_dc和P分別表示直流電壓和功率，α、β、γ為控制方式選擇系數(shù)；

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為定直流電壓控制，

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為定功率控制，

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為下垂控制；

②取U_dc和P為穩(wěn)定狀態(tài)下直流側(cè)的參考電壓和功率，、，則得；

③當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定于某一運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，必定滿足：，式中，U_dc,meas與P_meas為某一穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下某一換流站直流側(cè)的電壓和功率的測量值；

當(dāng)β≠0時(shí)，由得：，以U_dc,meas作為控制器的輸入變量，以該式得出的功率值P_meas作為功率參考值P_ref，則進(jìn)一步得偏差信號；

當(dāng)α≠0時(shí)，由得：，以P_meas作為控制器的輸入變量，以該式得出的電壓值U_dc，meas作為電壓參考值U_dc,ref進(jìn)一步可得偏差信號，

④將兩者結(jié)合，得到廣義下垂控制器，該控制器的偏差信號為：

其中，a、b、c為控制模式選擇系數(shù)的另一種表達(dá)形式；

當(dāng)，控制模式為下垂控制；

當(dāng)且，控制模式為定直流電壓控制；

當(dāng)且，控制模式為定功率控制；

⑤在β（或b）與α（或a）為0時(shí)，將其認(rèn)為是接近于0的一個(gè)很小的數(shù)，用β*和a*表示，控制器的偏差信號表示為：

⑥引入信號選擇函數(shù)和，

修正函數(shù)

系統(tǒng)中各換流站的外環(huán)有功類控制部分均采用廣義下垂控制模式，通過協(xié)調(diào)配合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定與功率合理分配的方法稱為廣義下垂控制。

下面結(jié)合附圖與實(shí)例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

多端柔性直流輸電系統(tǒng)的有功類控制模式主要有三種，即定直流電壓控制、定功率控制、下垂控制。

由于這三種常用控制模式的功率-電壓特性曲線都可以用直角坐標(biāo)系下的一條直線來表示（見圖1）；其中，定直流電壓控制模式下的功率-電壓特性曲線是一條平行于橫軸的直線，定功率控制模式下的功率-電壓特性曲線是一條平行于縱軸的直線，下垂控制模式下的功率-電壓特性曲線是一條傾斜的直線。從這一角度出發(fā)，可將這些直線在直角坐標(biāo)系下用一個(gè)統(tǒng)一的直線束來表示（見圖2），相應(yīng)的便得到了三種控制模式的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。

控制模式的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型為： 。

其中U_dc和P分別表示直流電壓和功率，α、β、γ為控制方式選擇系數(shù)，上式可以看成是直角坐標(biāo)系下的一條任意直線，當(dāng)α、β、γ取不同值時(shí)，就可以分別表示上述三種不同的控制模式。需要注意的是，盡管α、β、γ的選取范圍很廣，但必須保證各換流站的功率與直流電壓在運(yùn)行范圍內(nèi)且系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為定直流電壓控制，該控制模式下，推薦令，，則。

此時(shí)取U_dc為該控制模式下對應(yīng)換流站在某一穩(wěn)定狀態(tài)下直流側(cè)參考電壓，即：，則可得。

當(dāng)時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為定功率控制，該控制模式下，推薦令，，則。

此時(shí)取P為該控制模式下對應(yīng)換流站在某一穩(wěn)定狀態(tài)下直流側(cè)參考功率，即：，則可得。

當(dāng) 時(shí)，統(tǒng)一模型中的控制模式為下垂控制，該控制模式下，推薦令，，則。

②此時(shí)，分別取U_dc和P為該控制模式下對應(yīng)換流站在某一穩(wěn)定狀態(tài)下直流側(cè)的參考電壓和功率，即：、，則得；

③當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定于某一運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，必定滿足：，式中，U_dc,meas與P_meas為某一穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下某一換流站直流側(cè)的電壓和功率的測量值；

當(dāng)β≠0時(shí)，由得：，基于此，通過調(diào)整控制方式選擇系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)定功率控制模式和下垂控制模式的選定；以U_dc,meas作為控制器的輸入變量，以該式得出的功率值P_meas作為功率參考值P_ref，則進(jìn)一步得偏差信號；經(jīng)過比例積分控制器的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)定功率控制模式和下垂控制模式的控制；另外，通過改變控制模式選擇系數(shù)可實(shí)現(xiàn)這兩種控制模式的切換。

當(dāng)α≠0時(shí)，由得：，基于此，通過調(diào)整控制方式選擇系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)定直流電壓控制模式和下垂控制模式的選定；以P_meas作為控制器的輸入變量，以該式得出的電壓值U_dc，meas作為電壓參考值U_dc,ref進(jìn)一步可得偏差信號，經(jīng)過比例積分控制器的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)定直流電壓控制模式和下垂控制模式的控制；另外，通過改變控制模式選擇系數(shù)可實(shí)現(xiàn)這兩種控制模式的切換。

以上兩種情況下，通過調(diào)整控制方式選擇系數(shù)，經(jīng)過比例積分控制器的調(diào)節(jié)，皆可實(shí)現(xiàn)下垂控制模式的自身轉(zhuǎn)換。

④將兩者結(jié)合，得到廣義下垂控制器（見圖3），該控制器的偏差信號為：

其中，a、b、c為控制模式選擇系數(shù)的另一種表達(dá)形式；

當(dāng)，控制模式為下垂控制；

當(dāng)且，控制模式為定直流電壓控制；

當(dāng)且，控制模式為定功率控制。

⑤為了使三種控制模式下的偏差信號符合同一個(gè)公式，在β（或b）與α（或a）為0時(shí)，將其認(rèn)為是接近于0的一個(gè)很小的數(shù)，用β*和a*表示，控制器的偏差信號表示為：

。

⑥為了實(shí)現(xiàn)下垂控制向定直流電壓控制模式或定功率控制模式的轉(zhuǎn)換，引入信號選擇函數(shù)和，

另外，在不同的控制模式下，所生成的參考電流的原理有所差別，所以需要函數(shù)進(jìn)行修正：

。

系統(tǒng)中各換流站的外環(huán)有功類控制部分均采用廣義下垂控制模式，通過協(xié)調(diào)配合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定與功率合理分配的方法稱為廣義下垂控制。

本發(fā)明提出的廣義下垂控制策略，通過上層控制改變各換流站外環(huán)有功量控制部分α、β、γ的值，不僅能實(shí)現(xiàn)三種控制模式之間的無縫切換，還可實(shí)現(xiàn)下垂控制模式自身的轉(zhuǎn)換，克服了傳統(tǒng)下垂控制模式下垂系數(shù)k固定的單一形式，具有很強(qiáng)的靈活性與選擇性；保證在各種情形下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定與功率合理分配的目的。

本發(fā)明在RT-lab環(huán)境中搭建了圖4所示的基于模塊化多電平換流器的五端柔性直流輸電系統(tǒng)仿真模型來驗(yàn)證所提廣義下垂控制策略的有效性。系統(tǒng)包含陸上電網(wǎng)和海上風(fēng)電場，換流站1、換流站2、換流站3、換流站4分別與陸上電網(wǎng)（用理想電壓源代替）相連，換流站5與海上風(fēng)電廠群（采用雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)）相連，各換流站通過地下直流電纜采用并聯(lián)接線方式相連。所有換流站采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)且容量相同。具體參數(shù)如表1--5所示。

表1 交流側(cè)參數(shù)

。

表2 直流側(cè)參數(shù)

。

表3 地下直流電纜參數(shù)

。

表4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)

。

表5 MMC主要參數(shù)

。

各換流站的外環(huán)有功量控制部分均采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的改進(jìn)廣義下垂控制器，針對幾種場景進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真過程中，假定以流入直流電網(wǎng)的功率為正，系統(tǒng)直流電壓誤差范圍設(shè)為±7%，有功功率與直流電壓均采用標(biāo)幺值。

下垂控制模式自身的轉(zhuǎn)換：初始時(shí)刻，換流站1、換流站2、換流站3采取下垂控制模式且其下垂系數(shù)相同，工作于逆變狀態(tài)，有功功率分別為-0.35pu、-0.40pu、-0.45pu，換流站4和換流站5采取定功率控制模式，工作于整流狀態(tài)，有功功率分別為0.8pu、0.4pu，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，直流電壓穩(wěn)定在1.0pu；3s時(shí)刻，換流站5的功率由0.4pu開始增加到0.8pu，此時(shí)，分別改變換流站1和換流站3的（即改變下垂系數(shù)）與值，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡時(shí)，三個(gè)換流站各自分擔(dān)的功率差額不再均等，其中，換流站1分擔(dān)的功率增加量明顯大于換流站3分擔(dān)的功率增加量，都穩(wěn)定在0.53pu左右（其仿真波形見圖5a、5b）。實(shí)現(xiàn)了可用剩余容量較多的換流站承擔(dān)較多不平衡功率與可用剩余容量較少的換流站承擔(dān)較少不平衡功率的轉(zhuǎn)變。

下垂控制模式與定功率控制模式的切換：初始時(shí)刻，換流站1、換流站2、換流站3采取下垂控制模式且各參數(shù)皆相同，工作于逆變狀態(tài)，有功功率皆為-0.35pu，換流站4和換流站5采取定功率控制模式工作于整流狀態(tài)，有功功率分別為0.8pu與0.25pu，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，直流電壓為1.0pu；3s時(shí)刻，通過改變控制模式選擇系數(shù)將換流站1的控制模式改為定功率控制，功率設(shè)定為-0.5pu，-0.15pu的功率缺額由換流站2和換流站3轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)直流電壓稍有下降（仿真波形見圖6a、6b）；該轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了在下垂控制模式下無法使功率穩(wěn)定在需求值的精準(zhǔn)控制。

下垂控制模式與定直流電壓模式的切換：初始時(shí)刻，換流站1、換流站2、換流站3采取下垂控制模式且其各參數(shù)皆相同，工作于逆變狀態(tài)，有功功率皆為-0.35pu，換流站4和換流站5采取定功率控制模式，工作于整流狀態(tài)，有功功率分別為0.8pu和0.25pu，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，直流電壓為1.0pu；3s時(shí)刻，分別改變換流站1、換流站2、換流站3的控制模式選擇系數(shù)，使換流站1運(yùn)行于定直流電壓控制模式，換流站2和換流站3運(yùn)行于定功率控制模式。4s時(shí)刻，將換流站5發(fā)出的功率增加到0.6pu，0.35pu的功率差額由換流站1承擔(dān)（仿真波形見圖7a、7b）?？梢缘贸觯?s以后，換流站1控制系統(tǒng)直流電壓，起到功率平衡節(jié)點(diǎn)的作用。

定直流電壓控制模式與定功率控制模式的切換：初始時(shí)刻，換流站1采用定直流電壓控制模式，其余換流站采用定功率控制模式，其中，換流站1、換流站2、換流站3運(yùn)行于逆變狀態(tài)，有功功率分別為-0.3pu、-0.4pu、-0.5pu，換流站4和換流站5運(yùn)行于整流狀態(tài)，有功功率分別為0.8pu、0.4pu，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，直流電壓為1.0pu。3s時(shí)刻，分別改變換流站1、換流站2、換流站3的控制模式選擇系數(shù)，使其皆運(yùn)行于下垂控制模式，維持系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定，平衡系統(tǒng)中的功率波動(dòng)。5.5s時(shí)刻，將換流站1的控制模式切換到定功率控制，使該站功率精準(zhǔn)控制到-0.5pu（仿真波形如圖8a、8b所示）。該過程實(shí)現(xiàn)了換流站1的控制模式從定直流電壓控制到定功率控制的轉(zhuǎn)換。

在上述四種情形中，系統(tǒng)直流電壓的變化始終在限定范圍內(nèi)，并且在控制模式切換的過程中均未出現(xiàn)波動(dòng)與震蕩，實(shí)現(xiàn)了控制模式間的無縫切換。

故障情況下控制模式切換的仿真波形見圖9a、9b。初始時(shí)刻，換流站1與換流站2采取下垂控制模式、換流站3采取定功率控制模式且都運(yùn)行于逆變狀態(tài)，有功功率分別為-0.5pu、-0.4pu、-0.3pu，換流站4和換流站5采取定功率控制模式運(yùn)行于整流狀態(tài)，有功功率分別為0.8pu、0.4pu，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，直流電壓穩(wěn)定在1.0pu；3s時(shí)刻，換流站2因故障退出運(yùn)行，系統(tǒng)直流電壓開始增加，為了減輕換流站1承擔(dān)不平衡功率與維持系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定的壓力，通過改變控制模式選擇系數(shù)將換流站3的控制模式切換為下垂控制，系統(tǒng)趨于新的穩(wěn)定狀態(tài)；5s時(shí)刻，將換流站4發(fā)出的功率由0.8pu減小到0.4pu，使系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定值附近，防止換流站5的風(fēng)功率增加導(dǎo)致系統(tǒng)直流電壓越限。

可以看出，在故障換流站退出運(yùn)行后，通過及時(shí)地調(diào)整其余換流站的控制模式選擇系數(shù)，可保證系統(tǒng)直流電壓在限定范圍內(nèi)達(dá)到新的穩(wěn)定與各換流站的有功功率合理分配。

仿真驗(yàn)證了本發(fā)明提出策略的靈活性和可靠性，有很強(qiáng)的適用性。

本發(fā)明提出的一種可維持多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定與保證各換流站功率合理分配的廣義下垂控制策略。不僅增強(qiáng)了狹義下垂控制模式的靈活性，克服了其無法實(shí)現(xiàn)換流站的直流電壓與功率精準(zhǔn)控制等問題，而且降低了電壓裕度控制方法切換控制模式時(shí)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)或震蕩等問題，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)特性。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用來說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化的改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。