基于电压源型换流器的多端直流输电系统协调控制与优化策略研究

Voltage source converter based multi-terminal direct current (VSC-MTDC) transmission system is an important part of smart grid. Dc voltage control is the key of VSC-MTDC control system, which needs study coordination and optimization strategies in the local and upper level, therefore its related theories and methods are urgent to be perfected. On the basis of electromagnetic transient modeling, this project improves a multipoint dc voltage control strategy with dc voltage-active power characteristic and explores a design method of control strategy under different transmission occasions and operation conditions. Combined with dc network power flow calculation and converter operating characteristics, some research focus on N-1 principle based converter stations coordination control strategy and an optimization method when no solution is put forward. Finally, the validity and accuracy of related theory is checked by numerical simulation.

基于电压源型换流器的多端直流（VSC-MTDC）输电系统是构建智能电网的重要组成部分。直流电压控制是VSC-MTDC系统的关键，需从本地乃至上层控制探索系统协调和优化策略，其相关理论和方法亟待完善。本项目在对VSC-MTDC系统电磁暂态建模的基础上，改进基于直流电压-有功功率调节特性的多点直流电压控制策略，探讨不同输电场合和运行工况下控制策略的设计方法；结合直流网络潮流计算和换流站运行特性，探索基于上层控制和N-1准则的换流站协调控制策略，提出无解情况下系统的最优化方法；结合数值仿真验证相关理论的有效性和准确性。

本项目针对应用于风电并网的四端VSC-MTDC输电系统，分析了直流网络的潮流分布，建立了直流网络的潮流计算模型，提出了基于直流电压-有功功率下降调节特性的辅助换流站有功控制方法，给出了主导换流站或辅助换流站因故障停运时采用泄放回路实现故障穿越的方法，PSCAD/EMTDC仿真验证了在不同工况下协调控制策略的有效性。针对应用于风电并网的五端直流输电系统，提出了基于本地控制器的换流站间协调控制策略，基于直流电压-有功功率调节特性给出了辅助换流站的改进下降控制策略以及有功功率控制（APC）换流站的改进控制策略，分析了两种换流站的控制模式。根据直流网络的潮流分布和最大最小运行方式给出了辅助换流站和APC换流站参数选择的依据。PSCAD/EMTDC仿真验证了正常、主导站故障和辅助站故障工况下协调控制策略的有效性。VSC-MTDC输电系统在实际运行中具有多种运行方式，并且随着电网运行条件的变化，VSC-MTDC输电系统的运行方式也随之改变。基于此，分析了主导换流站、辅助换流站、定有功功率控制换流站和风电场换流站的直流电压-电流运行特性，推导了各换流站在不同控制模式下的特性方程，给出了各换流站不同控制模式下的电气量范围；提出了VSC-MTDC输电系统稳态工作点的计算方法，完善了换流站的控制模式修正方法。计算结果表明该稳态分析方法能够快速准确地计算出VSC-MTDC输电系统的稳态工作点。提出了一种基于N-1准则的VSC-MTDC输电系统稳态调控方案；基于连续潮流计算和换流站的电压、功率限制，设计了应对主导站和非主导站停运的调控策略。提出了换流站停运调控策略无解情况下有功功率指令值的优化方法，定义了优化后有功功率指令值的评价指标以用于寻找最优解。仿真计算结果表明，该调控方案能够为VSC-MTDC输电系统提供可靠安全的指令值。该稳态调控方案可用于保证系统在正常运行和换流站N-1故障下的直流电压安全和功率平衡以及系统运行方式的最优化，为直流系统的运行调度与规划设计提供一些有益的参考。