最佳負載均流方法在MT-HVDC系統線損最小化的應用

林亭君

摘要：討論了多端高壓直流（MT-HVDC）系統中消除直流電壓偏差和提高負載均流精度問題。為了盡量減少不同并聯網絡拓撲結構的電力線損耗，保證系統的穩定運行，提出了一種基于改進下垂控制的分散控制方法。采用平均直流輸出電壓，平均兩個相鄰變流器的輸出電流的方式，減小控制系統中通信網絡的擁塞以實現分散控制。通過最小化電纜的功率損耗，導出最佳的負載電流分配比例，以實現不同變換器之間的合理電流分配。最后，進行瞬態響應實驗仿真以證明所提出的MT-HVDC系統的控制策略的可行性。

關鍵詞：電流分配精度;下垂控制;多端高壓直流;電力線損最小化;

中圖分類號：TM773

文獻標識碼：A

隨著高壓直流輸電網絡日益運用到現代電力系統中，多端高壓直流輸電（ MT-HVDC）系統越來越受到重視。與傳統的交流電網相比，直流電網不存在無功功率和諧波，具有同步獨立、效率高等優點[1]。在海上風電場中，考慮到電容阻抗，不能使用基于交流耦合的傳輸。在這種情況下，使用直流電將風力發電機的發電功率傳輸到岸上電站[2]。由于海上風電場通常由多個端子組成，因此形成了用于MT-HVDC系統的不同網絡配置。MT-HVDC系統[3]中的分布也日益受到重視，應該確定合理的分攤比例，以便從整個直流系統中獲得有效的運行。在現有的文獻中可以找到幾種均流方法，例如，主從控制[4]，平均電流控制等[5]。考慮到不同的直流端子可能彼此遠離，并且傳輸線路阻抗影響控制系統的穩定性，下垂控制由于其通信依賴性低[6]，可作為均流方法可適用于此。但是，下垂控制有兩個限制。首先，下垂控制涉及直流輸出偏差[7]。其次，在考慮電力線損失的情況下，負載均流精度會降低[8]。因此，有必要解決這些問題，以提高下垂控制的性能。文獻[9]提出了一種改進的下垂控制方法。該方法可以有效補償電壓降，同時提高負載分配精度。它也可以在考慮徑向和網狀結構的情況下減輕通信壓力。在文獻[10]中，選擇兩個相鄰變換器的平均電壓和平均電流作為控制變量，以便解決通信業務。雖然這適用于直流微電網的低壓輸電線路，但由于傳輸線路參數的影響尚未得到全面的研究，因此不足以應用于MT-HVDC系統。

通過一個LBC網絡傳輸每個變換器的控制變量信息，討論直流電纜阻抗對改進的下垂控制系統穩定性的影響。在MT-HVDC系統中，通過電力線損耗最小化獲得最優電流分配比例，研究了網狀結構和徑向結構。仿真結果表明了該方法基于變參數的可行性。

1 MT-HVDC網絡配置分析

換流站可以串聯或并聯形成MT-HVDC網絡結構。所有的變換器需要在沒有串聯的MT-HVDC系統時使用相同的電流結果。目前，接口變換器是相互并聯的，MT-HVDC的配置一般分為兩組，即徑向[11]和網狀[12]結構分別如圖1和圖2所示。

1.1 截面導線

對于MT-HVDC系統直流電纜傳輸線，電阻，電感，電容沿線均勻分布[13]。通過級聯幾個相同的截面導線得到分布參數線的近似模型，如圖3所示。

1.2 徑向配置

MT-HVDC系統的直流電路由換流站的大電容和直流電纜組成。根據基爾霍夫定律[15]，可以從圖4中導出以下電路方程：

2 基于下垂控制的建議優化方法

2.1 改進的下垂控制方案

下垂控制的形式依賴于本地直流母線電壓信號[13]，傳統下垂控制的電壓一電流關系可以表示為：

為了研究MT-HVDC系統中不同變換器之間的電流分配，本文提出了一種基于下垂控制的分散方法來解決這個問題。根據式（12）可以看出，直流側輸出電壓的給定值隨著直流輸出電流的增加而線性減小。由于在MT-HVDC系統的直流側沒有無功功率，所以只有有效的均流精度。由于直流輸出電壓較高，線路阻抗的考慮是不可避免的，特別是對于長輸電線路的情況。

本文通過在每個直流電壓參考值上增加兩個補償控制器，消除了直流電壓偏差，提高了均流精度。同時，補償控制器的通信數據通過LBC網絡從兩個相鄰的變換器轉移。這些控制器在本地可以實現分散控制。同時，負載電流可以通過補償控制器實現比例分配。然后共享系統的當前流程由外部控制回路改進。最后，直流輸出電流的共享增強，每個變換器的輸出電壓參考值可以得到如下：

2.2 MT-HVDC系統參數對穩定性的影響

為了保證控制系統的穩定性，改變電纜參數和通訊延時的作用是必要的。將（7）和（11）代入（13）得到：

基于上述理論推導和分析，結合（15）-（17），可以得到閉環傳遞函數具有徑向和網狀結構的MT-HVDC系統的穩定性可以通過分析特征方程的閉環極點，同時改變傳輸線參數和通信延遲來測試。以任意變換器i（i=1，2，3）的控制圖為例，徑向配置的閉環主導極點如圖6所示。

3 實驗仿真

為了驗證所提出的MT-HVDC傳輸系統的控制方法，使用MATLAB/Simulink作為仿真環境來實現具有徑向和網狀結構的下垂控制方法。表1給出了MT-HVDC系統參數。表2給出了直流電纜參數。

3.1 徑向配置MT-HVDC的仿真結果

仿真的目的是驗證所提出的控制系統的穩定性，并測試電壓恢復的響應和優化的電流比例共享精度。在圖7和圖8中，可以看到補償控制器在t=2s時被激活。在t=2s之前，電流比例共享精度不能滿足最優的電力線損耗要求。在t=2s之后，每個變換器的直流輸出電流逐漸變化，這與最佳電流比例共享精度k1：k2：k3-0.79：1：0.66相匹配。

同時，直流側平均電壓增加了2.88 kV，并且更接近每個變換器直流母線電壓的基準。如圖7到圖8所示，當電纜長度固定時（l_1L= 100 km，l_2L=80km，l_3L=120 km），通信延遲從τ=1s變為τ=2s。這兩種情況的調整次數不同，分別需要3s和6s才能達到穩定。