基于备用容量的自适应下垂控制用于在集成可再生能源的多端直流电网中调节直流电压和有功功率

在可再生能源未来中保持供电

随着越来越多的电力来自远离城市的风电场和光伏电站，电力公司日益依赖高压直流（HVDC）“超级公路”来高效传输这些能源。但当云层遮挡太阳能电站或换流站发生故障时，突发的功率波动可能会使这些直流电网失稳，在最坏情况下引发停电。本文提出了一种更智能的方式，使HVDC换流站能在遭遇重大扰动时自动分担负荷并保持电压稳定。

为什么直流输电需要谨慎调控

如今的长距离输电通常采用由电压源换流器（VSC）构成的HVDC线路。当多条此类线路互联时，就形成了可以从多个可再生能源场址收集电力并同时向多个交流网络供电的多端直流（MTDC）电网。该构型承诺提供更高的灵活性和效率，但也带来了控制难题：每个换流器必须在每一刻决定注入或吸收多少功率，以保持公共直流电压在安全范围内。传统的“下垂控制”允许各站根据测得的直流电压自行调整功率，从而避免站间快速通信的需求。然而，在大规模扰动——例如风电场突然掉失或换流器故障——下，这一简单规则可能使部分换流器超出额定能力并引发危险的直流电压剧烈波动。

现有智能控制的局限性

研究者提出了更先进的控制策略，从分层控制器到模型预测方法以及所谓的可变下垂控制（VDC）。这些方法中许多仍然假定换流器具有固定的额定容量：事先决定每个站在平衡电网时应承担多少。较新的方案尝试通过考虑“备用容量”——换流器未使用的能力来改进，但它们通常只关注系统的一侧（例如收集可再生能源的整流侧），或依赖在故障时可能失效的通信网络。因此，当发生大的扰动时，功率可能被不均匀分配，直流电压仍有可能越过安全上下限。

一种新方法：两端都利用备用容量

作者提出了一种基于备用容量的自适应下垂控制（HR-ADC），将每个换流器的剩余能力视为其对直流电压变化响应的关键输入。简单来说，每个整流器（向直流电网注入功率）和每个逆变器（从直流侧取出功率）不断监测自身距离极限的远近。该“备用容量”值用于自适应下垂系数——把电压偏差转换为功率变化的比例。具有更多备用能力的换流器会自动承担更多的调节任务，而接近极限的换流器则降低出力。这种调整在每个站点本地进行，仅使用自身测量值，因此该方法不依赖快速通信链路或单一“主控”站。

在虚拟电网中的测试

为了验证新控制的性能，研究团队建立了一个详细的计算模型，模拟一个±400千伏的四端MTDC电网。两个端点代表可再生能源：一个风电场和一个大型光伏电站，另两个端点连接到传统交流电网。研究者将所提HR-ADC与标准的可变下垂控制在一系列苛刻测试中进行对比：每个换流器的突发停运，以及风场、光伏和电网侧端点的故障。在几乎所有情景中，传统方案导致某些换流器达到或超过额定功率，直流电压升高到超出安全阈值——有时甚至超过500千伏。相比之下，HR-ADC会根据可用备用容量自动切换运行模式并重新分配功率，使直流电压更接近目标范围并避免严重过载。

稳定直流电压对日常用户意味着什么

研究表明，通过尊重每台换流器的备用容量并允许其自主响应，HR-ADC可以使承载可再生能源的直流电网在面对故障和突发功率变化时更具鲁棒性。对非专业读者而言，关键信息是该控制方法有助于防止可能引发连锁停电的电压冲击和设备过载。虽然该方法仍依赖于对各站剩余容量的较为准确估计，并且尚未针对如最小化损耗等目标进行优化，但它已为使未来近海风电枢纽和太阳能走廊更可靠提供了切实可行的途径。简言之，更智能的负荷分配能让我们沿着直流“超级公路”输送的可再生能源既更清洁又更可靠。

引用: Jiang, ZH., Raza, A., Ye, YD. et al. Headroom based adaptive droop control for regulating DC voltage and active power in MTDC grid with integrated renewable energy. Sci Rep 16, 7703 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38678-2

关键词: 高压直流输电（HVDC）, 多端直流电网, 可再生能源并网, 换流器控制, 电网稳定性