一种柔性直流电网自适应控制方法、装置及系统与流程

本发明涉及直流电网稳定及控制领域，具体是一种柔性直流电网自适应控制方法、装置及系统。

背景技术：

1、多端柔性直流(vsc-hvdc)网络是用于大规模集成可再生能源电力输送的技术。与传统交流输电相比，多端vsc-hvdc网络具有传输效率高、补偿交流系统无功功率等优点。从有功功率的角度出发，跨区域远距离互联的多端柔性直流网络的控制方法值得深入研究，现有的柔性直流网络的控制方法主要有以下几种：

2、1.主/从控制方法：主/从控制方法广泛应用于点对点高压柔性直流系统，也可应用于多端高压柔性直流网络。主/从控制算法简单且能准确控制潮流。

3、2.自适应控制方法：自适应控制是一种被广泛接受的基于电压下垂控制的方法，文献[c.d. barker, and r.s.whitehouse, ‘further developments in autonomousconverter control in a multi-terminal hvdc system’, in alstom grid, powerelectronics activities, stafford, uk]介绍了自适应控制的原理，此方法允许每个变流器通过独立调整其直流电压来满足整体功率平衡的要求。每个变流器的直流电压参考值可以通过测量直流电流和电压产生的下垂特性曲线自动调节。它先应用于微电网的配电，然后进一步应用于多端高压柔性直流输电网络。文献[y. zhang, l. wang and w. li, "autonomous dc line power flow regulation using adaptive droop control in hvdcgrid," in ieee transactions on power delivery, vol. 36, no. 6, pp. 3550-3560,dec. 2021, doi: 10.1109/tpwrd.2020.3044978.]中介绍了自适应控制方法应用于多端高压柔性直流输电网络的情形。

4、3.增加下垂特性曲线的斜率的校正方法：文献[gyusub lee,dohoon kwon,seungil moon. dc current and voltage droop control method of hybrid hvdc systemsfor an offshore wind farm connection to enhance ac voltage stability[j]. ieeetransactions on energy conversion,2020,pp(99).] 中图3提出了下垂控制的校正方法，尝试通过增加下垂特性曲线的斜率来减少稳态误差。

5、现有技术存下如下缺陷：

6、（1）主/从控制方法使平衡节点压力过大并且严重依赖通信，因而无法很好的适应更复杂的高压直流输电网络；

7、（2）传统的自适应控制中未针对阻抗对多端vsc-hvdc运行产生的影响这一问题进行详细分析；

8、（3）增加下垂特性曲线的斜率的校正方法会降低功率接收转换器的阻尼且使网络动态稳定性降低，同时稳态误差仍然很大。

技术实现思路

1、本发明提供了一种柔性直流电网自适应控制方法、装置及系统，本发明结合了电压下垂控制和主/从控制不依赖通信，每个转换器的应力平均和有功功率分配精确的优点，实现了在不改变下垂特性曲线斜率的情况下，显著减小网络的稳态误差，并且网络的动态性能不会恶化的效果。

2、一种柔性直流电网自适应控制方法，包括如下步骤：

3、计算自适应控制下两端柔性直流网络有功功率的稳态误差，得到直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系；

4、计算自适应控制下多端柔性直流网络有功功率的稳态误差，得到直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响；

5、基于所述直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系和所述直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响，将变流器的下垂特性曲线平移至伏安特性曲线与直流电流参考值的交点，使得每个变流器的实际直流电流始终与参考值一致。

6、进一步的，所述计算自适应控制下两端柔性直流网络有功功率的稳态误差，得到直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系，包括：

7、联立自适应控制下两端柔性直流电网换流器a与b的伏安特性曲线表达式与下垂特性曲线表达式，求得交点即为换流器的实际工作点，再通过换流器的实际工作点计算有功功率稳态误差表达式，最后分析有功功率稳态误差表达式得到直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系：线路阻抗引起的有功功率稳态误差由直流电流误差来表示，并且当电压下垂控制曲线的斜率 k 在允许范围内增大时，稳态误差减小。

8、进一步的，在两端vsc-hvdc系统中，计算有功功率的稳态误差需要确定两个变流器的实际工作点：pa (i’dc ,udca)和pb (i’dc ,udcb)，其中 i’dc为实际直流电流，udca和udcb分别为变流器a与变流器b的实际工作电压，变流器的实际工作点为伏安特性曲线与下垂特性曲线的交点，其中下垂特性曲线表达式为：

9、；

10、式中， k为电压下垂控制曲线的斜率，idc表示变化的直流电流，us表示送端直流电压相对于idc的变化，ur表示受端直流电压相对于idc的变化，u*dca和u*dcb表示上述曲线的截距；

11、udc0表示调度中心设置的整个 hvdc 网络的正常工作电压，其值与电压下垂特性曲线的关系表示为：

12、；

13、直流电流参考值idc0是变流器工作在参考工作p0点时的电流：

14、；

15、伏安特性曲线表达式为：

16、；

17、式中udca和udcb表示变流器 a 和变流器 b 的实际直流电压，r0为变流器a与变流器b之间的电阻；

18、udc0的值与伏安特性曲线的关系表示为：

19、；

20、结合伏安特性曲线表达式和下垂特性曲线表达式，并联立式（3）、式（4）、式（7）得到换流器的实际工作点为：

21、；

22、有功功率稳态误差计算表达式为：

23、；

24、从式中得出结论：线路阻抗引起的有功功率稳态误差几乎可以由直流电流误差来表示，并且当稳态在允许范围内增大时，稳态误差减小。

25、进一步的，所述计算自适应控制下多端柔性直流网络有功功率的稳态误差，得到直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响，包括：

26、联立多端系统各换流器的伏安特性曲线表达式与下垂特性曲线表达式，求得各换流器的实际工作点，再通过换流器实际工作点计算有功功率稳态误差表达式，最后得到直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响：在长距离互连的多端vsc-hvdc系统中，直流线路阻抗的影响不能忽略，变流器的有功功率的稳态误差主要体现在直流电流误差上。

27、进一步的，在多端网络中，有功功率的稳态误差通过确定每个变流器的实际工作点计算出来，对于一个n端系统，中心连接点的电压为ut，第i个变流

28、器直流电压udci与中心连接点的电压的关系表示为：

29、；

30、式中，idci为第i个变流器流向中心连接点的直流电流，rit为第i个变流器流与中心连接点之间的阻抗；

31、各变流器的直流电流关系表示为：

32、；

33、联立式（13）与式（14），解得中心连接点的电压为：；

34、式中，yit为第i个变流器与中心连接点之间的导纳；

35、各变流器的伏安特性曲线描述如下：

36、；

37、式中 ，us1 ~usn为各变流器直流电压的变化；

38、各变流器下垂特性曲线描述为：

39、；

40、其中 u*dc1~u*dcn是特征曲线的截距，k1 ~kn是斜率；

41、在此多端系统中，udc0与电压下垂曲线的关系表示为：

42、；

43、udci 表示第i个变流器的实际直流电压，idci0表示第i个变流器的直流参考电流；

44、各变流器直流电流参考值的关系表示为：

45、；

46、联立伏安特性表达式与下垂特性表达式并结合式（18）与式（19）得第i个变流器实际工作点为：

47、；

48、式中i’dci为第i个变流器工作时的实际直流电流，u*dci为第i个变流器下垂特性曲线的截距，yit为第i个变流器与中心连接点之间的导纳，udc0表示调度中心设置的整个 hvdc网络的正常工作电压，ki为第i个变流器下垂特性曲线的斜率，idci0表示第i个变流器的直流参考电流；

49、；

50、式中udci 表示第i个变流器的实际直流电压，idci0表示第i个变流器的直流参考电流，ki为第i个变流器下垂特性曲线的斜率，udc0表示调度中心设置的整个 hvdc 网络的正常工作电压；

51、变流器有功功率稳态误差δpi计算表达式为：

52、；

53、式中pi为第i个变流器的有功功率，u*dci为第i个变流器下垂特性曲线的截距，yit为第i个变流器与中心连接点之间的导纳，udc0表示调度中心设置的整个 hvdc 网络的正常工作电压，ki为第i个变流器下垂特性曲线的斜率，idci0表示第i个变流器的直流参考电流；

54、；

55、式中δpi为第i个变流器的有功功率稳态误差，u*dci为第i个变流器下垂特性曲线的截距，yit为第i个变流器与中心连接点之间的导纳，udc0表示调度中心设置的整个 hvdc网络的正常工作电压，ki为第i个变流器下垂特性曲线的斜率，idci0表示第i个变流器的直流参考电流。

56、进一步的，所述步基于所述直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系和所述直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响，将变流器的下垂特性曲线平移至伏安特性曲线与直流电流参考值的交点，使得每个变流器的实际直流电流始终与参考值一致，包括：

57、基于所述直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系和所述直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影，在不改变电压下垂控制曲线的斜率 k的情况下减小有功功率的稳态误差：

58、第i个变流器的直流电流参考值idci0表示为：

59、；

60、式中u*dci为第i个变流器下垂特性曲线的截距，udc0表示调度中心设置的整个hvdc 网络的正常工作电压，ki为第i个变流器下垂特性曲线的斜率，idci0表示第i个变流器的直流参考电流；

61、将每个变流器的下垂特性曲线平移，使曲线穿过伏安特性曲线和相应的直流电流参考值的交点，得到下垂特性曲线的最终位置，各变流器的下垂曲线表示为：

62、；

63、式中yit为第i个变流器与中心连接点之间的导纳，ki为第i个变流器下垂特性曲线的斜率，idci0表示第i个变流器的直流参考电流，udci 表示第i个变流器的实际直流电压，idci表示第i个变流器变化的直流电流，u’si是变流器 i 相对于idci变化的新直流电压。

64、一种柔性直流电网自适应控制装置，包括：

65、第一稳态误差计算模块，用于计算自适应控制下两端柔性直流网络有功功率的稳态误差，得到直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系；

66、第二稳态误差计算模块，用于计算自适应控制下多端柔性直流网络有功功率的稳态误差，得到直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响；

67、自适应控制模块，用于基于所述直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系和所述直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响，将变流器的下垂特性曲线平移至伏安特性曲线与直流电流参考值的交点，使得每个变流器的实际直流电流始终与参考值一致。

68、进一步的，所述第一稳态误差计算模块具体用于

69、联立自适应控制下两端柔性直流电网换流器a与b的伏安特性曲线表达式与下垂特性曲线表达式，求得交点即为换流器的实际工作点，再通过换流器的实际工作点计算有功功率稳态误差表达式，最后分析有功功率稳态误差表达式得到直流电流误差与有功功率稳态误差之间的关系：线路阻抗引起的有功功率稳态误差由直流电流误差来表示，并且当电压下垂控制曲线的斜率 k 在允许范围内增大时，稳态误差减小。

70、进一步的，所述第二稳态误差计算模块具体用于

71、联立多端系统各换流器的伏安特性曲线表达式与下垂特性曲线表达式，求得各换流器的实际工作点，再通过换流器实际工作点计算有功功率稳态误差表达式，最后得到直流线路阻抗对有功功率稳态误差的影响：在长距离互连的多端vsc-hvdc系统中，直流线路阻抗的影响不能忽略，变流器的有功功率的稳态误差主要体现在直流电流误差上。

72、一种柔性直流电网自适应控制系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的柔性直流电网自适应控制方法。

73、本发明结合了电压下垂控制和主/从控制不依赖通信，每个转换器的应力平均和有功功率分配精确的优点，在不改变下垂特性曲线斜率的情况下，实现了显著减小网络的稳态误差，并且网络的动态性能不会恶化的效果。