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摘要：当前，环境污染和能源紧缺问题逐渐受到全世界的关注，化石燃料等不可再生能源的局限性越来越明显，风能、太阳能等可再生能源成为可持续发展趋势下的选择。柔性直流输电（VSC-HVDC）系统可以灵活控制有功功率、无功功率，并且能够轻易实现潮流反转，在孤岛供电、风电等可再生能源并网等应用领域具有显著的技术优势。模块化多电平换流器（MMC）作为对原有两电平和三电平拓扑结构的创新，具有输出电压谐波分量小、开关损耗低、易于扩展等优势。本文主要分析多端柔性直流输电直流电压控制策略研究。
关键词：多端柔性直流输电；自适应斜率控制；功率裕度；调节速度
引言
为了结合主从控制和电压下垂控制的优点，提高电力系统运行的可靠性，提出了带死区的电压下垂控制策略。该策略在死区范围内实现定有功功率控制，但在故障状态下脱离死区运行到下垂区域，仍然无法准确控制有功功率。
1、VSC-MTDC的系统级控制策略
1.1主从控制策略
主从控制策略是将一座换流站作为主站来控制整个VSC-MTDC的直流电压，其余换流站作为从站按照各自的功率要求进行控制。对于基于MMC的VSC-MTDC，主站采用定直流电压控制，从站采用定有功功率控制。在忽略直流网络电阻的情况下，主从控制策略原理框图见附录A中图A1。图中，P为有功功率；udc为直流电压；P*dc（ii=1，2，…，N）为受端换流站在稳态运行点的有功功率；P*dc（jj=N+1，N+2，…，N+M）为送端换流站在稳态运行点的有功功率；U*dc为系统稳态运行点的直流电压；虚线框表示每座换流站有功功率与直流电压的运行范围；水平线表示采用定直流电压控制；铅垂线表示采用定有功功率控制；实心圆点表示当前换流站的运行点。
1.2带死区的电压下垂控制策略
带死区的电压下垂控制策略应用于有功功率可调的换流站节点上，规定换流站向直流网络输送的有功功率为正。在忽略直流网络电阻的情况下，其原理框图如附录A中图A2所示。图中，每一条折线表示一座换流站；Udcmax、Udcmin分别为电压死区的直流电压上限、下限；P*1—P*4为电压死区对应的功率指令值；θ为下垂区域与水平线的夹角；k为下垂区域的斜率。在实际情况下，各座换流站的Udcmax和Udcmin通常是有微小差别的，每座换流站的Udcmax和Udcmin需要分别整定。对于每座换流站，Udcmax和Udcmin分别为在VSC-MTDC正常运行时，考虑所有运行方式下稳态直流电压的最大值和最小值。在电压死区范围内，换流站采用定有功功率控制，当直流电压测量值大于Udcmax或者小于Udcmin时，进入下垂控制区域，通过改变有功功率的指令值调节直流电压。对于受端换流站，若udc>Udcmax，则有功功率指令值下降，换流站吸收更多的直流功率缓解直流电压上升趋势；若udc<Udcmin，则有功功率指令值上升，换流站吸收更少的直流功率缓解直流电压下降趋势。对于送端换流站，若udc>Udcmax，则有功功率指令值下降，换流站送出更少的直流功率缓解直流电压上升趋势；若udc<Udcmin，则有功功率指令值上升，换流站送出更多的直流功率缓解直流电压下降趋势。根据以上控制逻辑设计的控制器实现框图见附录A中图A3。图中，ΔP*dc为有功功率指令值修正量；P*dc0为有功功率的初始指令值；P*dc为最终的有功功率指令值，输出给换流器。由于实际中选取的下垂区域斜率k很小，使得有功功率指令值在较大范围内变化时直流电压变化相对较小，因此带死区的电压下垂控制策略能在一定程度上稳定直流网络的电压。
1.3上述2种控制策略的局限性
对于主从控制，由于只有一座换流站作为主站控制系统的直流电压，通常选取VSC-MTDC中容量最大的换流站作为主站。当所有换流站容量相差不大或从站容量之和远大于主站时，很可能造成主站功率调节能力不够，导致系统动态响应特性较差。对于带死区的电压下垂控制，当换流站运行到电压下垂区域之后，相当于以定直流电压状态运行，换流站的有功功率只能通过下垂曲线和直流网络结构共同决定。综上所述，2种控制策略在实际使用中均存在一定的缺陷，需要研究一种新的系统级控制策略。
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图1 分布式直流电压控制策略的基本原理框图
2、多点直流电压自适应斜率控制
直流电压斜率控制是系统内多个换流站根据直流电压值按固定斜率调整其功率指令参考值，能够快速地实现系统功率平衡和站间分配的策略。直流电压斜率控制器见图1。图1中，Ps，ref为有功功率指令值，Ps为换流站运行功率值，Udc为直流电压值，Udc，ref为直流电压指令值，K为换流站的直流电压斜率控制系数。
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由图1可知，直流电压与功率之间的关系为
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需要0 <β∞1，以使直流电压梯度控制曲线在电压波动的限制范围内。其中，取β=0.75。类型(1)、类型(2)表明，在平衡直流系统功率时，直流电压梯度控制策略不考虑每个换流站的容量裕量，因此，由于直流电压梯度控制的换流站的满载，很容易切换到恒定的有效功率模式。本文针对直流电压梯度控制策略的不足，提出了考虑换流站功率裕度的多点直流电压自适应梯度控制策略。该控制策略不需要站间通信，同时，在灵活的直流传输系统中电力合理分配，防止了因满载操作而导致换流站转换为恒定电力操作的情况。另一方面，添加了系统平衡点，确保了整个系统的稳定运行。考虑换流站容量裕度的直流电压自适应梯度控制策略的基本思路是根据换流站容量裕度和速度调节关系修改公式(5)中的斜率k值。一般来说，换流站工作时间容量容差越大，调整速度v可能越大。也就是说，希望k值小。相反，容量裕度越小，调整速度越小，k值越大。也就是说，可以使用v和η构造函数修改斜率系数k。这里是η(0.9%，0.8%，0.7%，0.6%，0.5%，0.4%，0.3%，0.2%，0.1%)和v(10，10，10)用F(η)修改斜率系数K，即K*=K×f(η)。基于K*的控制器结构如图2所示。在图2中，Ps、为了验证取能电源的理论推导和设计的准确性与可行性，搭建了硬件平台进行验证。首先验证第二部分取能线圈加气隙 后的运行特性，用厚度约为 0.5mm 的两片材料加在开合式电流互感器的两端，采用了 FLUKE 199C 测试 CT 二次侧电压输出波形，一次电流值范围从 0A 加到 1200A，没加气隙的二次侧输出波形，CT 加气隙后，在 400A、800A、1000A、1200A 电流下取能线圈带200 欧姆电阻负载输出波形。在一次电流 100A 时就已经发生畸变，一次电流增至 200A 时，畸变非常严重，CT 严重饱和；可以得出当 I1=1000A 时 CT 二次侧电压波形稍微畸变，当 I 1=1200A时，已经严重畸变，可知加气隙明显增大 CT 工作的线性区。CT 二次侧带不同阻值负载以及实际负载输出电压曲线图，可知在线监测设备阻值在 20Ω 到 200Ω 之间，在1000ACT 线性区内，不同阻值的输出电压值与理论值相吻合，其最大误差不超过 5%。因为在线监测设备的功率一般很低，实验的 10KV 电缆中间接头在线检测设备，其工作功率最大为 0.6W，可以看出，一次母线电流值大于 220A 时，能保证负载可靠供电。通过实验平台测试，得出有无超级电容的实际在线监测负载的电压与母线电流，结合超级电容后可保证供电的可靠性。通过实验测试，设计可以保证高压在线监测系统设备不间断供电。
结论
最终通过理论分析与实验的测试，此设计可以为城区 10KV、800A 电缆线路的电缆分接头在线监测设备供电。因选取的 CT 的横截面积有限以及硅钢片的初始磁导率较小，会导致加气隙后 CT 启动电流较大，通过增大铁心截面积和初始磁导率会降低启动电流。
参考文献
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[2]高迎霞,毕卫红.电子式电流互感器高压端供能电源的设计[J].高电压技术,2017,(10):73-75.