交直流混联电网交直流协调控制技术综述

1、交直流混联电网交直流协调控制技术综述屠竟哲，贾俊川，顾卓远，云雷，于强，侯金秀(中国电力科学研究院，北京市100192)Overview of the ACDC Coordinated Control Technology of the ACDC Hybrid Power Grid TU Jingzhe，JIA Jllrlchuall,GU Zhuoyuan，YUN Lei，YU Qiang(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192)ABSTRACT：The western energy base is far away fr

2、om the流站电气耦合紧密、直流容量比例高，对交直流eastern load center in Chin乱with the large scale of the混联电网的运行和控制提出了更高要求。交直流electric power transmissionSO the HVDC transmission is anecessary technique choiceMultiple HVDC sending and协调控制技术根据系统运行状态，实现多回直流receiving power grids have been formed in China SO far,之间以及交流和直流之间的协调

3、控制，使得系统which bnngs higher requirements to the operation and control总体性能最优，是提高整个交直流电网平安稳定of the AC仍C hybrid power耐d1k ACC coordinatcdcontrol technology call achieve the coordinated control水平的关键技术之一pJ。among the multiple HVDCs and between the AC and DC国内外学者对交直流协调摔制技术开展了广泛的systems，and is one of the key

4、technology for ineasing the研究，本文将从线性协调控制技术、非线性协调stability and security level of the AC，DC power PdSehorlars all over the wodd have eonducetd extensive控制技术这两个方面对交直流协调控制技术的最research on the ACDC coordinated con缸ol technology,and新开展进行综述。the newest developments ofwhich have been overviewedKEY WORDS：ACDC：

5、coordinated control；linear control；1线性协调控制技术nonlinear control摘要：我国西部能源基地远离东部负荷中心，外送电力规 多直流交直流线性协调控制技术开展相对成熟， 模较大，开展直流输电是必然技术选择。目前我国已形成 较为普遍的协调控制方法是通过直流附加控制实 多直流送出和多直流馈入电网，对交直流混联电网的运行 现多直流交直流间的相互协调。直流附加控制是和控制提出了更高要求。交直流协调控制技术可以实现多充分利用直流系统的长期短期过负荷能力，根据回直流之间以及交流和直流之间的协调控制，是提高整个交直流电网平安稳定水平的关键技术之一。国内外学者对

6、事先选定的交流系统状态参数进行调整控制，以交直流协调控制技术开展了广泛的研究，本文对交直流混改善整个交直流系统的运行性能。直流附加控制联电网交商流协调控制技术的最新开展进行了综述。主要包括两类：1)直流紧急功率控制：2)直流关键词：交直流；协调控制；线性控制；非线性控制调制。0引言1，1直流紧急功率控制我国西南水电基地、西北煤电风电基地地理位置 直流紧急功率控制是根据事先确定的策略，由系 偏远，远离东中部负荷中心，外送电力规模较大，统中发生的故障触发，实现直流功率的紧急快速 要实现电力平安高效送出，开展直流输电是必然提升回降。直流紧急功率控制具有类似切机和切 技术选择lll。随着直流输电在远距

7、离大容量输电 负荷的稳定控制效果，因而可以有效减少系统稳 和全国联网方面的不断应用，多回直流输电线路 定控制代价，提高多直流交直流系统的暂态稳定 落点于同一个交流电网将是不可防止的【2】【41。 性。从本质上而言直流紧急功率控制属于开环控 目前，四川电网和西北电网已经形成了多直流送 制，需要事先进行稳定计算以确定控制策略表， 出电网，华东电网和广东电网已经形成了多直流不具有自动控制的功能。 馈入电网。由于直流多送出多馈入直流系统各换 直流紧急功率控制提高系统暂态稳定性的机理可以用等面积法解释，直流紧急功率提升可以有效 了多回直流系统的辅助功率频率控制方案，研究 减小系统的等效加速面积，同时直流

8、紧急功率控 结果显示两侧交流系统发生大扰动时，能够实现 制的效果与很多因素密切相关。文献【6】阐述了直 功率的相互紧急支援并能显著改善系统频率。文 流紧急功率支援的本质，并分析了直流紧急功率 献171研究了直流紧急功率支援导致换流站近区 支援的数量、起始时刻、功率改变速率等因素对 暂态电压跌落问题，提出了可实现无功功率合理 改善系统稳定性的影响和机理。文献7分析了紧 分布的协调控制等策略，仿真结果验证了所提控 急直流功率支援提高系统暂态稳定性的机理，研 制策略的有效性。究了支援起始时刻、支援速率、支援数量和支援12直流调制持续时间等对功角稳定和电压稳定的影响。文献【8】综述了直流输电系统调制控

9、制对改善交流系统 直流调制主要包括直流功率调制和直流频率调制 动态和暂态稳定性的作用，计算分析说明多直流 两类，区别在于前者是基于交流系统功率信号而 输电系统的协调控制减少了送端系统切机和受端 后者是基于频率信号进行直流功率调整。无论是 电网切负荷。文献【9】研究了交直流互联电网小信直流功率调制还是直流频率调制，根据输出调制 号直流功率调制以及大方式直流紧急功率支援的 信号幅度和控制目的都可分为大方式调制和小方 相关问题，说明直流有功和无功调制需要配合共 式调制两种。从本质上而言直流调制是闭环自动 同提高系统的稳定性。文献【10】对直流紧急功率支控制，控制目标和效果取决于输入信号的选择和 援提

10、高交流互联系统暂态稳定性以及直流调制阻 控制器的设计，与直流紧急功率控制相比具有更 尼特高压线路功率振荡进行了研究，仿真结果表好的控制适应性。 明系统暂态稳定性和阻尼水平有效提高。大方式调制的直流功率调节幅度一般为直流额定 国内外学者在应用直流紧急功率控制(包括直流功率的10一50，调制目的主要是用于提高多直 紧急功率提升和直流紧急功率回降)提高交直流流交直流系统的暂态稳定性。文献181针对交流 系统暂态稳定性方面进行了详细研究。文献【11 系统发生大扰动故障，提出了一种直流有功无功 探索了利用直流过负荷能力对交流系统进行紧急 调制的协调控制器，动态仿真结果说明控制器可 功率支援，减少交流系统

11、安控装置的复杂性，增 以有效提高交直流混合输电系统的暂态稳定性。 强交直流系统的稳定性减少对系统动态特性的不 文献19比照研究了直流双侧频率调制和直流非 利影响。文献12在提出了利用直流功率调制实现 线性调制对改善系统暂态稳定性的作用，仿真结 故障回路原有的直流功率向其它回路转移的紧急 果说明两种调制方式效果相近，双侧频率调制的 转移控制器，所设计的控制器能有效提高两侧交 适应性更好。文献【20】研究了直流系统在一定的控 流系统的平安稳定性。文献【13】分析了直流双极闭 制方式下调制增益的变化以及大方式调制和双侧 锁及交流通道故障情况下直流紧急功率提升的作 频率调制等措施对混联系统暂态稳定裕度

12、、送端 用，研究说明不同的直流紧急功率支援策略对改 电网机组及直流系统的影响。文献21研究了直流 善稳定性的效果不同。文献14】提出了充分利用直 双极闭锁时利用其他正常运行直流双侧频率调制 流过负荷能力的多回直流系统协调功率调制策略， 功能改善系统暂态稳定性的措施，仿真结果说明 仿真结果说明该策略可以减少送端切机数量并避 协调一致的直流双侧频率调制控制效果明显。文 免大量功率向交流通道转移。文献151分析了直流 献221提出了直流附加控制器输入信号的选取原 紧急功率支援的机制以及实现方法，并对直流双 那么，评估了多回直流有功协调控制对系统稳定性 极闭锁时系统的平安稳定水平进行了仿真分析， 的影

13、响，计算说明控制措施可以提高系统抵御严 结果说明直流紧急功率支援具有良好的效果。 重故障的能力。 直流紧急功率控制除了可以提高暂态稳定性外还 小方式调制的直流功率调节幅度一般为直流额定 可以辅助提高系统的频率稳定性，同时还需协调 功率的310，调制目的主要是提高多直流交 兼顾系统的无功特性和电压稳定性。文献161给出 直流系统的阻尼抑制功率振荡。文献23】分析了利用直流有功无功调制阻尼系统低频振荡的方法， 2非线性协调控制技术研究了直流有功调制和无功调制最有效的条件及反应信号的选择，讨论了直流无功调制的约束条 基于线性控制的交直流协调控制器是根据系统 件。文献24】研究了多直流馈入系统中通过直

14、流控 在某个运行点的线性化模型设计的，而交直流系 制器设计提高系统动态特性、运行灵活性及输电 统本质上是一个强非线性系统，因而在大扰动情 能力的方法，讨论了直流调制的最有效条件及多 况下根据线性控制设计的控制器很难到达较为 直流协调控制的重要性。文献25】开展了一种用 精准的控制效果。因此，国内外学者开始将非线 Prony算法辨识系统等值线性模型的方法，并设 性控制理论引入到交直流系统的控制研究中，将 计出用于抑制区域间功率振荡的直流阻尼控制， 非线性系统反应线性化技术与最优控制、鲁棒控 仿真结果证明了直流阻尼控制的有效性和鲁棒性。 制、自适应控制、模糊控制、变结构控制等先进 文献【26】提出

15、了一种PSS和直流阻尼调制的协调 控制理论相结合，形成了一系列交直流非线性协 控制策略，在PSS参数优化的前提下再进行直流 调控制新方法。调制的参数优化，仿真计算验证了协调控制策略 21反应线性化的合理性和有效性。文献27】通过时域仿真分析电反应线性化是对非线性系统施加状态反应或输网的区域功率振荡模式，设计了可以有效抑制区出反应使得到的闭环系统成为线性系统的一种域功率振荡的直流调制控制器，仿真结果说明可映射线性化技术，使得可以应用符合思维习惯的以提高交直流并联系统运行的稳定性。文献281介绍了直流调制控制器的设计，包括调制控制器 线性控制理论分析问题。较为典型的反应线性化方法包括直接反应线性化

16、方法、微分几何方法、信号的选取、传递函数的选取，参数确实定等，并研究了直流调制控制器对电网平安性和稳定性 逆系统方法等，反应线性化方法还可以分为状态反应线性化法和输出反应线性化法。的影响。文献129提出了利用直流系统过负荷能力国内外应用反应线性化技术研究交直流协调控和频率调制功能实现直流系统间协调控制，改善了系统在严重故障下稳定水平，仿真计算结果验 制问题，取得了一系列成果。文献34提出了一种提高弱交直流系统小扰动稳定性的非线性控证了所提控制策略的有效性。文献【301提出了一种制策略，这种方法基于扩展的反应线性化技术，基于Prony算法的PSS和直流附加控制器协调运仿真结果显示该策略可以提高系

17、统稳定性并具行的策略，仿真研究说明该控制策略有效抑制了交直流系统的低频振荡并具有一定的鲁棒性。有适应性。文献35提出了一种基于微分几何理论的改善交直流系统暂态稳定性的非线性控制直流调制除了提高系统的暂态稳定性和抑制功率方法，可应用全局线性化方法求得控制变量，给振荡的功能外，还可以设计直流调制器改善系统出了基于测试系统的仿真结果。文献36应用非的频率稳定性。文献【3 1】以考虑频率偏差的综合性线性控制系统理论设计了多馈入直流系统中的能指标为标准采用分层寻优方法对反应增益进行直流附加控制器，推导稳定控制规律时考虑了直优化，并与未考虑频率偏差的结果进行比拟，结流间的相互影响，仿真结果说明能很好地改善

18、系果说明前者对频率稳定更为有利。文献321基于不完全微分PID控制原理设计了一种直流附加频 统稳定性。文献【37】提出了一种基于微分代数模型的直流附加控制新方法，该方法将微分模型和率控制器，可根据频率变化调节HVDC功率指令，关联代数模型的反应分别线性化，仿真结果说明时域仿真分析证明了所设计控制器的有效性。文可有效改善互联系统的动态稳定性。献33】提出了结合负荷频率控制和直流功率调制在反应线性化技术中，状态精确反应线性化技术的频率协调控制方案，采用重叠分解技术和线性和输入一输出精确反应线性化技术取得了广泛最优理论设计了控制器，仿真结果证明了协调控制方案的有效性。应用。文献【38】研究了一种交直

19、流系统非线性输 入输出精确反应线性化技术，通过非线性前馈转化为线性系统，仿真说明可以同时提高系统的 于多馈入系统中各直流调制的优化协调，仿真结 小干扰稳定性和暂态稳定性。文献39】设计了发 果说明增强了对低频振荡的阻尼能力。文献48】 电机励磁与高压直流输电的协调控制器，利用非 将混沌优化算法应用于多馈入直流系统进行直 线性精确线性化理论及最优协调控制理论得出 流调制的协调控制研究，直流调制参数调节问题 协调控制规律，仿真结果说明能有效地提高系统 被转化为混沌优化问题，算例说明了该方法的有稳定性。文献【40】提出了一种直流功率调制和汽效性及鲁棒性。 门开度的协调控制方法，采用了非线性系统状态2

20、3鲁棒控制反应精确线性化理论，数字仿真说明可以有效地提高交直流系统的暂态稳定性。文献4U提出了 鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点，鲁棒性 一种可以同时提高系统暂态稳定性和小干扰稳 是控制系统在一定结构和大小的参数摄动下维 定性的多直流协调控制技术，控制基于输入一输 持某些性能的特性，以闭环系统的鲁棒性作为设 出精确反应线性化，同时在摇摆方程中考虑了直 计目标得到的固定控制器成为鲁棒控制器。主要 流动态特性。的鲁棒控制理论有：Kharitonov区间理论、H无穷控制理论、结构奇异值理论(1a理论)等。22最优控制国内外应用鲁棒控制理论研究交直流协调控制最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要

21、 问题，取得了一系列成果。文献【49】分析了电力 问题是在满足一定约束条件下，寻求最优控制策 系统不同运行方式下直流控制的鲁棒稳定性，应 略，使得性能指标取极大值或极小值。用鲁棒控制理论设计了一种新型控制器，对算例 研究交直流协调控制问题时集合最优控制理论， 系统进行了仿真并与传统控制技术进行了比拟。 可以取得较好的效果。文献【42】提出了一种新的 文献501结合状态反应精确线性化方法和线性H 直流系统的非线性紧急控制策略，应用非线性最 一控制理论，详细设计并推导了交直流联合输电 优变目标控制策略推导出直流系统控制规律，仿 系统的鲁棒非线性稳定控制器决策，并就其特性真结果说明能够提高交直流系统

22、暂态稳定性。文 及其作用给于了讨论。文献511运用直接反应线 献43采用非线性优化方法对各直流小信号调制 性化理论和H2控制理论，设计HVDC与发电 器参数进行参数协调优化，该方法不需要进行网 机励磁的协调非线性控制器，仿真结果说明控制 络简化或线性化近似，仿真结果说明能提高系统 器鲁棒性好并可以有效地提高系统暂态稳定性。阻尼并具有鲁棒性。文献441提出了一种用于改 文献521提出了一类五阶非仿射非线性的控制模 善交直流系统暂态稳定性的非线性控制策略，应 型，引入相应的鲁棒控制策略设计了系统的鲁棒 用最优目标控制策略推导直流与励磁的综合控 线性控制器，仿真结果验证了可以实现系统稳定 制规律，仿

23、真结果说明了该控制的有效性。文献 和对外界干扰的抑制。45将带参数约束的非线性最优化方法应用于直 24自适应控制流调制之间的协调控制研究，在最优和全局协调方式下增强系统的阻尼，算例说明了该方法的有 自适应控制是不管外界发生巨大变化或系统产 效性和鲁棒性。生不确定性，控制系统能自行调整参数或产生控 将智能优化算法及混沌思想等引入交直流协调制作用，使系统仍能按某一性能指标运行在最正确 控制研究中，形成了一系列新方法。文献46并IJ状态的种控制方法。 用参与因子选取控制器装设地点，引入遗传算法研究交直流协调控制问题时采用自适应控制理 进行参数协调，算例说明利用参与因子和遗传算论，可以取得较好的效果。

24、文献53提出了一种 法选择的控制器参数能对低频振荡模式起到很直流增益调度自适应控制以适应交流系统的大 好的抑制作用。文献47】提出了一种新的基于混扰动故障，系统短路比和故障等信息作为在线输 沌优化思想的自适应混沌粒子群优化算法，应用入信号，仿真说明系统动态特性和鲁棒性均有效291提高。文献54】提出了一种最小方差自适应控制to Enhance AC System Performance in the Western United StatesIEEETransactions on Power Systems，1993，8(1)：264274策略作为励磁和直流的附加协调控制，协调控制余涛，沈善德

25、，任震华中一华东多回HVDC紧急功率转移控制的研器设计采用在线辨识技术，仿真结果说明系统阻究电网技术，2004，28(12)：14，19徐政，高慧敏，杨靖萍南方电网中直流紧急功率调制的作用高电尼特性得到了有效改善。文献【55提出了一种可压技术，2004，30(11)：2426以更好适应系统结构和运行方式的直流自适应陈汉雄，胡劲松金沙江一期送端特高压直流输电系统的协调控制控制策略，利用自动整定和增益调度技术增强鲁电网技术，2021，32(8)：1014段瑶，陈龙，张步涵，等华中电网的直流紧急功率支援问题电网棒性，仿真显示此时直流具有较好的故障恢复特技术，202136(2)：104108性。文献【

26、56】针对直流系统设计了一种鲁棒自适余涛，沈善德华中一华东多回HVDC辅助功率频率控串电力系统自动化200529(1)：7782应输出反应控制器，应用Lyapunov稳定性理论王珂，杨胜春，姚建国，等考虑无功功率协调控制的并行直流系统构造出控制器和自适应参数的表达式，仿真说明紧急功率支援电力系统自动化，201 1，35(18)：103107Vovns N A，Galanos G DEnhancement of the transient stability of可以提高系统的稳定性和鲁棒性。文献57】应用integrated ACDC systems using active and reac

27、tive power modulation非线性自适应控制设计方法，通过递推法得到了IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1985，104(7)：1696-1702应用于交直流互联系统直流功率调制的非线性荆勇，杨晋柏，李柏青，等直流调制改善交直流混联系统暂态稳定自适应控制策略，仿真结果说明对功率振荡具有性的研究电网技术，2004，28(10)：1-4良好的阻尼功能。束洪春，董俊，孙士云，等直流调制对南方电网交直流混联输电系 统暂态稳定裕度的影响电网技术，2006，30(20)：29333结论陈汉雄，莫骏双侧频率调制改善特高压直流输电系

28、统暂态稳定性研 究中国电力，2021，42(2)：3438黄震，郑超，庞晓艳，等四川多回800kV直流外送系统直流有功功交直流系统协调控制技术的核心思想是电力系统率协调控制电网技术，2021，35(5)：5258中各个元件相互之间要协调配合使得系统整体性Smed T，Andersson GUtilising HVDC to damp power oscillationsIEEETransactions onPowerDefivery,19938(2)：620-627能趋向最优，关键问题是应用各种先进的控制理Pilloto L A S，Szechunan M，Wey A，et a1Synchro

29、nizing and damping论实现各元件之间的协调控制。随着今后国内外torque modulation controllers for multi-infeed HVDC systems IEEETransactions onPowerDelivery,199510(3)：15051513电力系统中交直流工程的日渐增多，交直流协调刘红超，李兴源基于Prony辨识的交直流并联输电系统直流阻尼控控制的研究将发挥至关重要的作用。目前交直流制的研究中国电机工程学报，2002，22(7)：5457协调控制技术还多是基于线性控制，因此基于非毛晓明，张尧，管霖，等南方交直流混合电网区域振荡的协调控

30、制策略电力系统自动化，2005，29(20)：5559线性控制的交直流协调控制技术具有良好的开展荆勇，洪潮，杨晋柏，等直流调制抑制南方电网区域功率振荡的研前景，需要进一步的深入研究和开展。究电网技术，2005，29(20)：5356 许爱东，金小明，贺静波，等特高压直流输电系统调制研究南方参考文献电网技术，2021。2(4)：5558郭小江，h广全，马世英。等西南水电送华东多送出多馈入直流系浙江大学发电教研组直流输电科研组直流输电北京：水利电力出统稳定控制策略电网技术，2021，33(2)：5661版社，1985魏巍，王渝红，李兴源，等交直流电力系统PSS和直流附加控制的 李兴源高压直流输电系

31、统的运行和控制北京：科学出版社，1998协调电力自动化设备，2021，30(1)：5357，61 赵畹君高压直流输电工程技术北京中国电力出版社，2004吴华坚，王渝红，李兴源，等基于综合性能指标的交直流混合系统 徐政交直流电力系统动态行为分析北京：机械工业出版社，2004直流调制研究电力系统保护与控制，2021，38(22)6873 郭小江，马世英，h广全，等多馈入直流系统协调控制综述电力张少康，李兴源，王渝红HVDC附加控制策略对频率稳定性的影响 系统自动化，2021，33(3)：9-15研究电力系统保护与控制，201l，39(19)：100103，109 杨卫东，薛禹胜，荆勇，等南方电网中

32、直流输电系统对交流系统的程丽敏，李兴源多区域交直流互联系统的频率稳定控制电力系统 紧急功率支援电力系统自动化。2003，27(17)：6872保护与控制201 1，39(7)：5662 谢惠藩，张尧，夏成军特高压紧急直流功率支援策略研究电力自Kaprielian S，Clements K，Turi J Applications of cxact linearization动化设备，2021，28(8)：1-7techniques for steadystate stability enhancement in a weak AaDC陈辉祥，黄河多回直流输电系统问协调控制的研究中国电力，syst

33、emEE Transactions on Power Systems19927(2)：536543 200740(4)：3033杨卫东，徐政，韩祯祥混合交直流电力系统的非线性调制策略中 谢惠藩，张尧，夏成军，等交直流互联电网直流功率调制相关问题 国电机工程学报，2002，22(7)：l-6电网技术，2021，33(4)：4350李兴源，陈凌云，颜泉，等多馈入高压直流输电系统非线性附加控张步涵，陈龙，李皇，等利用直流功率调制增强特高压交流互联系 制器的设计中国电机工程学报，2005，25(15)：1619 统稳定性高电压技术，2021，36(1)：116121李国庆，陈厚合，姜涛，等基于微分代数

34、模型的直流非线性附加控 Lee R L，Melvold D J，Szumlas D J，ct a1Potential DC System Support 制电子自动化设备，2021，31(6)：3438292Eriksson R，Knazkins V Soder L Coordinated control ofmultiple HVDC高电压技术，2021，36(4)：10551060links using input-output exact linearization Electric Power SystemVenkataraman S，Khammash M H，Vittal V Ana

35、lysis and synthesis of Research，2021，80：14061412HVDC controls for robust stability of power systems髓E Transactions邓盼盼，李兴源，王渝红，等发电机励磁与高压赢流输电的协调控on Power Systems199510(4)：1933-1938 制电网技术，2021，35(12)：5660李明，梁小冰，程丽高压直流输电系统的鲁棒非线性控制规律的设 程丽敏，李兴源，刘剑提高交直流系统暂态稳定的非线性最优协调计电力系统及其自动化学报，2004，16(1)：1921，27 控制高电压技术，201l，37(4)：10291034张跃锋，颜伟，黄淼，等基于LMI技术的交直流非线性H2控制中Eriksson R，Soder L On the coordinated control