一种多端柔性直流输电系统双构网控制及能量控制方法

本技术属于电力电子与柔性直流输电控制领域，更具体地，涉及一种多端柔性直流输电系统双构网控制及能量控制方法。

背景技术：

1、多端柔性直流输电（mmc-mtdc）系统通过直流网络连接多个交流电网，可实现异步电网互联与功率灵活调配，在新能源高比例接入和远距离大容量输电场景中发挥着至关重要的作用。随着电力电子设备接入比例不断提高，部分交流电网呈现低惯量和弱电网特征，对换流器提出了构网运行要求，即换流器需要自主建立交流电压和频率并提供惯量支撑。

2、目前，针对柔性直流系统的构网控制主要包括基于直流电压同步和基于有功功率同步的控制策略。通过控制器的调节回路，建立换流器输出频率与系统直流电压或有功功率之间的耦合反馈关系，以此响应交流电网的变化并维持直流侧的功率平衡与状态稳定。

3、然而，上述控制策略中交流侧频率与直流侧变量存在深度耦合，电网频率的大幅扰动极易引起直流电压的剧烈偏移或互联电网间的功率波动，影响系统安全。此外，现有方法多针对点对点直流系统设计，难以兼顾多端直流系统交流侧自主同步、直流电压稳定及多端潮流的协调分配。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种多端柔性直流输电系统双构网控制及能量控制方法，旨在解决现有柔性直流构网控制中交流侧频率与直流侧变量深度耦合，难以同时兼顾多端直流系统交流侧自主同步、直流电压稳定及潮流协调分配的问题。

2、本技术的第一方面涉及一种多端柔性直流输电系统双构网控制方法，所述方法包括：获取目标换流器的桥臂子模块电容能量，并确定所述桥臂子模块电容能量与能量参考值之间的能量偏差；基于所述能量偏差生成交流侧控制器频率和控制相位，并基于所述控制相位生成用于控制交流侧输出电压幅值的交流侧控制量；基于多端柔性直流输电系统的运行模式，通过与交流侧控制量生成过程相互独立设置的直流控制环，生成直流侧控制量；基于所述交流侧控制量和所述直流侧控制量，分别获取对应的交流侧调制量和直流侧调制量，基于所述交流侧调制量和直流侧调制量，共同确定所述目标换流器的桥臂子模块的投入状态。

3、本技术打破了传统构网控制中交直流变量深度耦合的局限，通过提取桥臂子模块电容能量与能量参考值的偏差来独立生成交流侧控制频率和相位，使换流器能够利用内部固有的储能变化实现交流侧频率自同步。同时，直流侧控制量根据系统运行模式独立生成，实现了交、直流控制在物理逻辑上的解耦，从而在交流侧构网及提供惯量支撑的同时，有助于减小电网频率扰动对直流电压和直流潮流的不利影响，提升多端系统在弱电网环境下的运行协调性与稳定性。

4、在一些实施方式中，所述获取目标换流器的桥臂子模块电容能量，包括：采集所述目标换流器全部桥臂子模块的当前电容电压，并计算所述当前电容电压的平均值；基于所述当前电容电压的平均值以及预设的子模块电容容值，计算得到标幺化后的当前电容能量，作为所述桥臂子模块电容能量。

5、本方案通过采集全部桥臂子模块的电容电压并取平均值计算电容能量，使能量状态反映换流器整体储能水平而非个别子模块的局部状态，避免了因个别子模块电压波动导致的能量计算偏差；同时通过标幺化处理将能量统一至相对基准，使不同额定容量的换流器在多端系统中采用一致的控制参数整定方式。

6、在一些实施方式中，所述基于所述能量偏差生成交流侧控制器频率和控制相位，包括：根据所述能量偏差确定控制器频率改变量；将所述控制器频率改变量与系统额定频率进行叠加，得到所述交流侧控制器频率，实现所述目标换流器的频率自同步；对所述交流侧控制器频率执行积分运算，输出所述控制相位。

7、本方案将能量偏差转化为控制器频率改变量并与系统额定频率叠加，使电容能量的变化直接映射为控制器频率的变化，经积分输出控制相位，由此建立了电容能量与交流侧频率之间的动态耦合关系，使换流器利用内部储能变化响应系统频率波动，从而在无外部锁相环依赖的情况下完成频率自同步，并为系统提供虚拟惯量支撑能力。

8、在一些实施方式中，所述根据所述能量偏差确定控制器频率改变量，包括：将所述能量偏差输入比例控制环节或比例积分控制环节，输出所述控制器频率改变量；或者，将所述能量偏差输入比例控制环节生成功率控制增量，将所述功率控制增量与所述目标换流器的实际直流侧功率相加得到功率控制参考值，计算所述功率控制参考值与所述目标换流器的实际交流侧功率的差值，并将所述差值输入功率控制环节，输出所述控制器频率改变量；其中，所述功率控制环节为比例控制环节或比例积分控制环节。

9、本方案提供了三种能量偏差到频率改变量的转换路径：比例控制环节直接将能量偏差映射为频率调节量，提供快速的惯量响应；比例积分控制环节在比例调节基础上引入积分作用，消除稳态频率偏差；功率控制通道将能量偏差转化为功率参考值后经功率控制环节生成频率调节量，在频率调节与功率调节之间建立中间解耦层。上述多种路径可根据系统对响应速度、稳态精度或功率解耦程度的需求灵活选择，增强了控制策略对不同工程场景的适应性。

10、在一些实施方式中，所述基于所述控制相位生成用于控制交流侧输出电压幅值的交流侧控制量，包括：基于所述控制相位建立旋转坐标系，获取目标换流器交流侧电压的d轴电压分量和q轴电压分量，并分别计算所述d轴电压分量和所述q轴电压分量与各自设定参考值的电压偏差；当采用双环控制结构时，将所述电压偏差分别经电压控制外环转化为对应的交流电流参考值；分别计算所述交流电流参考值与实际交流侧电流分量之间的电流偏差，并将所述电流偏差输入交流电流控制内环，分别生成d轴调制比和q轴调制比，共同作为所述交流侧控制量；当采用单环控制结构时，将所述电压偏差分别输入控制环节，对应生成d轴调制比和q轴调制比，共同作为所述交流侧控制量。

11、本方案基于控制相位建立旋转坐标系，分别对d轴和q轴电压偏差进行控制以生成调制比。双环结构下经电压外环转化为电流参考值后再由电流内环生成调制比，电流内环有利于提供电流限幅能力并改善动态响应特性；单环结构下直接由电压偏差生成调制比，有利于简化控制结构并降低计算量。两种结构可根据换流器控制带宽、采样噪声水平及硬件算力条件进行选择，可以在不同工程约束下平衡电压控制精度与动态响应速度。

12、在一些实施方式中，所述基于多端柔性直流输电系统的运行模式，通过与交流侧控制量生成过程相互独立设置的直流控制环，生成直流侧控制量，包括：若所述多端柔性直流输电系统配置为主从控制模式，则当所述目标换流器为主站时，基于实际直流电压与直流电压参考值的电压偏差，执行直流电压控制生成所述直流侧控制量；当所述目标换流器为从站时，基于实际直流功率与直流功率参考值的功率偏差，执行直流功率控制生成所述直流侧控制量；若所述多端柔性直流输电系统配置为下垂控制模式，则基于直流电压与直流功率的综合偏差量，执行下垂控制生成所述直流侧控制量。

13、本方案根据多端系统运行模式为不同换流站配置对应的直流控制策略：主从模式下主站执行直流电压控制以维持系统直流电压，从站执行直流功率控制以调节直流潮流分布；下垂模式下各站基于直流电压与直流功率的综合偏差量执行下垂控制，使多个换流站按照预设下垂系数共同承担功率不平衡。由于上述直流控制策略在独立的直流控制环中执行，各换流站可在维持交流构网功能的同时承担不同的直流侧职责，兼顾了直流电压稳定与多端功率协调分配。

14、在一些实施方式中，所述直流电压控制、所述直流功率控制和所述下垂控制采用单环控制结构或双环控制结构，具体包括：将所述电压偏差、所述功率偏差或所述综合偏差量，作为当前控制模式对应的直流运行偏差；当采用双环控制结构时，将所述直流运行偏差经比例积分控制环节转化为直流电流参考值，并结合实际直流侧电流经直流电流内环生成直流侧调制比作为所述直流侧控制量；当采用单环控制结构时，将所述直流运行偏差直接输入控制环节生成直流侧调制比作为所述直流侧控制量。

15、本方案为直流电压控制、直流功率控制和下垂控制分别提供双环与单环两种结构。双环结构下，直流运行偏差经比例积分环节转化为直流电流参考值后，再由直流电流内环生成直流调制比，电流内环有利于提供直流电流限幅能力并改善动态响应特性；单环结构下，直流运行偏差直接经控制环节生成直流调制比，简化控制结构并减少环路间的耦合路径。两种结构可根据直流侧动态性能要求与控制系统复杂度进行选择。

16、本技术的第二方面涉及一种换流器的能量控制方法，包括：获取目标换流器的桥臂子模块电容能量，并确定所述桥臂子模块电容能量与能量参考值之间的能量偏差；提取并网点电压的q轴分量，将所述q轴分量作为表征同步偏差的电压反馈量；基于所述能量偏差和所述电压反馈量，生成控制器频率改变量，并结合系统额定频率输出控制相位，所述控制相位用于构建所述目标换流器的交流侧输出电压；当所述桥臂子模块电容能量触发设定的能量限值时，启动能量抗饱和调节以反向调节所述能量参考值，从而动态更新所述能量偏差，限制所述控制器频率改变量的持续偏移。

17、本方案在能量偏差的基础上引入并网点电压q轴分量作为表征同步偏差的电压反馈量，将其与能量偏差共同生成控制器频率改变量，由于q轴电压分量能够反映换流器端电压与电网电压之间的相位偏差，将其注入频率调节通道能够形成等效阻尼作用以抑制同步过程中的振荡。同时，当电容能量触发设定限值时通过反向调节能量参考值动态更新能量偏差，限制了频率改变量的持续偏移，从而提升换流器在极端工况下的安全运行能力与持续构网性能。

18、在一些实施方式中，所述基于所述能量偏差和所述电压反馈量，生成控制器频率改变量，包括：将所述电压反馈量通过比例控制环节生成阻尼调节分量；将所述能量偏差输入比例控制环节或比例积分控制环节，生成第一同步调节分量；或者，将所述能量偏差输入比例控制环节生成功率控制增量，将所述功率控制增量与所述目标换流器的实际直流侧功率相加后，计算与实际交流侧功率的差值并输入功率控制环节，生成第二同步调节分量；将所述阻尼调节分量，与所述第一同步调节分量或所述第二同步调节分量进行叠加运算，得到所述控制器频率改变量。

19、本方案将q轴电压反馈量经比例控制环节生成阻尼调节分量，并将能量偏差经比例、比例积分或功率控制通道生成同步调节分量后与阻尼调节分量叠加。由于q轴电压分量反映端电压与电网电压的相位偏差，经比例控制引入频率调节通道后可形成与相位偏差成正比的阻尼效应，能够抑制能量同步过程中的低频振荡模态；同时保留了多种同步调节路径，有助于适应不同控制架构对惯量响应速度或功率解耦程度的需求。

20、在一些实施方式中，所述反向调节所述能量参考值，包括：当所述桥臂子模块电容能量上升并超过设定的上限值时，按照设定的控制增益下调所述能量参考值的数值；当所述桥臂子模块电容能量下降并低于设定的下限值时，按照设定的控制增益上调所述能量参考值的数值。

21、本方案在电容能量超过设定上限值时下调能量参考值、低于设定下限值时上调能量参考值，通过反向调节使能量偏差方向反转，从而限制控制器频率改变量的持续偏移趋势，减缓电容能量继续向限值方向偏移的速率，降低子模块电容过充或过放的风险，从而在大范围频率变化条件下维持构网功能的连续性与设备安全性。

22、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第二方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

23、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第二方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

24、第五方面，本技术提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第二方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

25、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

26、（1）本技术通过构建能量同步与直流控制相互独立的双构网架构，利用换流器内部电容能量作为交流侧同步状态变量，使交流侧频率与相位的生成不再直接依赖于直流电压或外部电网信号，同时直流侧通过独立环路维持电压或功率稳定，这种解耦设计减少了交流侧构网动态对直流系统运行的直接影响，从而有助于提升多端柔性直流系统在弱电网及新能源高比例接入场景下的整体协调性与运行可靠性。

27、（2）本技术在能量同步控制中引入q轴电压阻尼反馈，该反馈量能够表征换流器端电压与电网电压之间的相位偏差，将其注入频率调节通道后可形成类似同步发电机的阻尼转矩效应，能够抑制小信号扰动下的同步振荡，提高系统在低短路比或弱连接条件下的动态稳定性，同时能量抗饱和调节可在频率大幅变化时主动约束能量偏移范围，有助于避免电容能量越限引发的保护动作或控制失效，增强换流器在极端工况下的持续运行能力。

28、（3）本技术的控制方法在能量同步、交流电压控制及直流控制环节均提供多种可选实现结构，包括比例/pi控制、单环/双环结构、主从/下垂模式等，各模块可根据换流器硬件条件、系统运行需求及工程实施约束进行灵活组合配置，扩大了双构网控制策略在不同拓扑结构与运行场景下的适用范围，提升技术方案的实际工程适配性。