康敏 鐘智

（1.山西國(guó)際電力集團(tuán)有限責(zé)任公司 2.上海波匯科技股份有限公司）

基于柔性直流輸配電系統(tǒng)控制策略研究

康敏1 鐘智2

（1.山西國(guó)際電力集團(tuán)有限責(zé)任公司 2.上海波匯科技股份有限公司）

近年來(lái)，我國(guó)在柔性直流輸配電系統(tǒng)上的研究越來(lái)越多，柔性直流輸配電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)很多，首先控制速度快，能夠?qū)涣麟娋W(wǎng)電壓穩(wěn)定管理，順利接入無(wú)源系統(tǒng)。柔性直流書配電系統(tǒng)在電網(wǎng)互聯(lián)等諸多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)電力電子器件行業(yè)高度發(fā)展，柔性直流輸配電系統(tǒng)展現(xiàn)出了其特有的應(yīng)用特性，一方面造價(jià)和維護(hù)的費(fèi)用低，另一方面其傳輸容量被提高。此外，該輸配電系統(tǒng)逐漸擴(kuò)大了直流輸電的應(yīng)用范圍，是配電領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。基于此，本文對(duì)其控制策略進(jìn)行研究。

柔性直流輸配電系統(tǒng)；控制策略；研究

0 引言

柔性直流配電系統(tǒng)功能較多，首先能夠完成交流輸電、其次能夠?qū)崿F(xiàn)就地發(fā)電等功能，并在最大程度上實(shí)現(xiàn)無(wú)源系統(tǒng)的供電。該種技術(shù)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠大幅度降低直流輸配電的功率。柔性直流輸配電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，能夠有效實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)供電，對(duì)在電能質(zhì)量問(wèn)題上對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決。為此，下文針對(duì)柔性直流輸配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究系統(tǒng)控制策略。

1 柔性直流輸配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 換流系統(tǒng)

通過(guò)直流輸配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行分類，將該系統(tǒng)劃分為兩類：第一類雙端系統(tǒng)；第二類多端系統(tǒng)。而在國(guó)際上，實(shí)際運(yùn)營(yíng)的柔性直流輸配系統(tǒng)都是兩端系統(tǒng)。雙端系統(tǒng)中主要由三部分組成，第一，整流系統(tǒng)；第二，直流輸電線路；第三，逆變系統(tǒng)。在系統(tǒng)進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)能按照潮流傳輸?shù)姆较虻牟煌M(jìn)行不同的運(yùn)行方式。在本文中將整流系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)統(tǒng)稱為換流系統(tǒng)。其中每一個(gè)換流系統(tǒng)都被統(tǒng)一劃分為平波電抗器、換流主電路、質(zhì)量電容、高通濾波器等單元。高通濾波器的作用就是為了將換流系統(tǒng)中的高次諧波進(jìn)行消除，進(jìn)而減少高次諧波在電力系統(tǒng)中引起相關(guān)危害。而換流電抗器在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行作用比較明顯，它是換流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)中功率信息傳輸?shù)闹虚g介質(zhì)，通過(guò)開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的諧波，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抑制作用。柔性直流輸配電系統(tǒng)的換流系統(tǒng)主要通過(guò)以下形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，定直流電壓、定有功功率等多種形式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡[1]。

1.2 雙端與多端直流輸配電系統(tǒng)

在雙端的直流輸配電系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)這樣的情況時(shí)，一個(gè)端口的換流系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)不能運(yùn)行，那么此時(shí)整個(gè)直流輸配電系統(tǒng)都面臨癱瘓，甚至?xí)?duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成阻礙。為此相關(guān)學(xué)者對(duì)該輸電系統(tǒng)進(jìn)行研究，一般情況下，采用并聯(lián)或者串聯(lián)等方式下的直流輸配電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的多端口中，任意一個(gè)端口由于故障停止運(yùn)行，那么，直流系統(tǒng)依舊能夠繼續(xù)正常運(yùn)行，也就是說(shuō)系統(tǒng)運(yùn)行不受多端口的影響。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，操作系統(tǒng)的人只需要退出即可，等待故障系統(tǒng)檢修完畢之后，再將其投入運(yùn)行。傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)在改變系統(tǒng)傳輸功率方向上，需要對(duì)直流輸電線路的電壓方向進(jìn)行改變，對(duì)于多端的直流輸電系統(tǒng)而言，每一個(gè)換流端口能夠正常運(yùn)行不受系統(tǒng)變化而變化，同時(shí)也不能保證其運(yùn)行穩(wěn)定性[2]。

2 雙端互聯(lián)的柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略

2.1 雙端互聯(lián)系統(tǒng)概述

高壓直流輸電系統(tǒng)在進(jìn)行長(zhǎng)距離、大容量以及水下電網(wǎng)傳輸時(shí)，存在很多優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)采用直流輸電與交流輸電混合聯(lián)網(wǎng)時(shí)，需要對(duì)交流電網(wǎng)的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行密切關(guān)注。傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)能夠在不可控的晶閘管中進(jìn)行換流，而逆變換流站則需要在交流電壓下才能實(shí)現(xiàn)晶閘管強(qiáng)迫換流。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，比較容易出現(xiàn)換相失敗，進(jìn)而導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)停止運(yùn)行。交流與直流系統(tǒng)在實(shí)際作用上相互影響，同時(shí)彼此又依賴于直流輸電容量的強(qiáng)弱，因此下文通過(guò)短容量比對(duì)兩者進(jìn)行界定：

式中SCA表示的是換流系數(shù)，SDC表示的是直流傳輸功率。由于換流系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)交流系統(tǒng)的阻抗產(chǎn)生一定的影響，為了增加評(píng)估系統(tǒng)的強(qiáng)度，引入有效短褲比進(jìn)行判定其系統(tǒng)的強(qiáng)度：

當(dāng)系統(tǒng)的ESCR大于固定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)為強(qiáng)交流系統(tǒng)，相關(guān)規(guī)定該數(shù)據(jù)為3。而數(shù)值在2以下時(shí)，稱該系處于交流系統(tǒng)。

2.2 直接功率控制原理

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接功率控制，從控制原理圖中，分析其器件構(gòu)成。從實(shí)際的器件構(gòu)成中研究其功率實(shí)現(xiàn)原理，其系統(tǒng)控制框圖如圖所示。

對(duì)于直流功率控制系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)組成部分進(jìn)行介紹：

瞬時(shí)功率估算：瞬時(shí)功率是在瞬時(shí)無(wú)功功率理論基礎(chǔ)上形成的直流功率種類，對(duì)其的估算需要由多個(gè)測(cè)算坐標(biāo)共同完成，在完成多坐標(biāo)測(cè)算以后，測(cè)算結(jié)果還需要與電網(wǎng)的交換有功功率瞬時(shí)值、無(wú)功功率瞬時(shí)值進(jìn)行綜合計(jì)算，充分考慮電網(wǎng)環(huán)境對(duì)估算結(jié)果的影響以后，才能得出最終的估算值。

直流電壓控制器：直流電壓控制器采取的主要控制機(jī)制是閉環(huán)控制，使得電網(wǎng)內(nèi)部直流側(cè)的直流電壓能夠根據(jù)相應(yīng)的控制器參數(shù)變化而變化。從而適應(yīng)電網(wǎng)的各種運(yùn)行環(huán)境，保證直流側(cè)電壓無(wú)論在何種環(huán)境下都能夠保證較為穩(wěn)定的電壓。

功率滯環(huán)比較器：功率滯環(huán)比較器是電網(wǎng)內(nèi)部電力功率的比較設(shè)備，其主要功能是比較其所處位置兩側(cè)的功率差異，進(jìn)而傳遞出功率差異數(shù)據(jù)，以保證動(dòng)作系統(tǒng)對(duì)功率的準(zhǔn)確控制，因?yàn)殡p向功率差異通常有兩個(gè)或兩個(gè)以上的變量，所以不能以傳統(tǒng)的線性控制算法進(jìn)行控制，當(dāng)前功率滯環(huán)比較器算法通常都是使用高階無(wú)窮算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，在正常功率比較的過(guò)程中，最大限度的保證功率比較的準(zhǔn)確性[3]。

2.3 電網(wǎng)互聯(lián)控制策略

圖 直流功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在柔性直流輸配電系統(tǒng)中，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是控制器。為此下文主要對(duì)功率的算法控制進(jìn)行研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙端柔性直流輸電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的控制與設(shè)計(jì)。

2.3.1 定頻率的直流功率控制

柔性直流輸配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中存在一個(gè)較大的缺點(diǎn)，就是忽視了換流系統(tǒng)損耗。下文中從能量守恒定理得出公式，該系統(tǒng)中的交流輸入有功功率與系統(tǒng)直流輸出功率在數(shù)值上相同，即：Ρac=Ρdc，在該式兩側(cè)同時(shí)乘以u(píng)dc后可得：，其中Ρdc為交流系統(tǒng)瞬時(shí)輸入有功功率，。對(duì)以上公式進(jìn)行分析，能夠得到一個(gè)規(guī)律，即系統(tǒng)交流側(cè)的輸入功率和直流電壓平方之間的函數(shù)關(guān)系。也就是說(shuō)，對(duì)控制換流系統(tǒng)輸入功率進(jìn)行控制，由于兩者具有函數(shù)關(guān)系，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳輸功率的控制。

2.3.2 直流電壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在柔性直流輸配電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)理論上能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的任意一個(gè)端口電壓進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)和控制的主要依據(jù)是不同端口電壓的差異，借助電壓傳感器，系統(tǒng)能夠感知目標(biāo)端口輸入端和輸出端之間存在的微弱電壓，一旦檢測(cè)存在電壓差值，系統(tǒng)會(huì)對(duì)差值大小進(jìn)行主動(dòng)計(jì)算，并在相應(yīng)繼電器的動(dòng)作作用下，形成相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，以穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的電壓。另一方面，系統(tǒng)能夠針對(duì)關(guān)鍵部位的電容進(jìn)行電壓差值計(jì)算，具體而言以被監(jiān)測(cè)物體為一個(gè)整體電容，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其兩端的輸入和輸出電壓進(jìn)行平方計(jì)算，并與標(biāo)準(zhǔn)電壓的平方進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得出目標(biāo)電容兩端的電壓差數(shù)值，并提供給相應(yīng)的電壓配平和保護(hù)系統(tǒng)，以此為保證電壓穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)。一般的，在控制系統(tǒng)采樣頻率較高時(shí)，功率在內(nèi)環(huán)中的誤差非常小，并且相應(yīng)的直流電壓也比較穩(wěn)定[4]。而在柔性系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)的初級(jí)階段中，故障以及數(shù)據(jù)調(diào)動(dòng)能夠?qū)τ泄β十a(chǎn)生改變。系統(tǒng)中直流電壓產(chǎn)生的巨大波動(dòng)中容易出現(xiàn)直流電壓過(guò)高的情況，這些情況都將對(duì)柔性系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。所以在對(duì)直流電壓控制器的設(shè)計(jì)中對(duì)于綜合狀況的考慮至關(guān)重要。本文通過(guò)ΡID調(diào)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的二次設(shè)計(jì)，該種方法能夠通過(guò)外擾動(dòng)特性參數(shù)的獨(dú)立優(yōu)化調(diào)整、數(shù)據(jù)目標(biāo)參數(shù)跟蹤獨(dú)立優(yōu)化，能夠使得系統(tǒng)中電壓超調(diào)與系統(tǒng)基本要求相符合[5]。自由度ΡID調(diào)節(jié)控制器結(jié)構(gòu)表達(dá)式如下：

2.3.3 控制器相位優(yōu)化

系統(tǒng)在直接功率控制環(huán)節(jié)計(jì)算中，功率的計(jì)算方式為瞬時(shí)，所以，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的頻率低于一定范圍時(shí)，操作者就要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，一般采用延時(shí)處理，但是，基于這樣的方式有可能對(duì)控制器的性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，因此，在實(shí)際數(shù)據(jù)采集中，需要使用較高的采用率，然后運(yùn)用到數(shù)據(jù)采集中。以上環(huán)節(jié)中的每個(gè)數(shù)據(jù)周期，都需要進(jìn)行時(shí)刻數(shù)據(jù)采集，當(dāng)直流系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，電源相位就會(huì)變動(dòng)。此時(shí)如果不對(duì)其進(jìn)行修改，就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生一定誤差[6]。特別是在數(shù)據(jù)采樣頻率極其小的情況下，電源相位以電網(wǎng)角頻率為ω旋轉(zhuǎn)。設(shè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率為f，那么就可計(jì)算出一個(gè)數(shù)據(jù)采樣周期中，對(duì)系統(tǒng)的控制誤差角度為

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，柔性直流輸配電系統(tǒng)在不斷完善與改造中，能夠?qū)崿F(xiàn)電能質(zhì)量提升，可再生能源的并網(wǎng)，在分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電力系統(tǒng)需要具備較多的輸電方式，本文對(duì)柔性直流輸配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，希望能夠?qū)υ擃I(lǐng)域的研究提供幫助。

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2015-11-04）