五端直流电网电压控制及功率分配策略

王凯，孙海顺，胡晓波，张珂

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉市 430074；2.中国电力科学研究院，北京市 100192)

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)



五端直流电网电压控制及功率分配策略

王凯1，孙海顺1，胡晓波2，张珂1

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉市 430074；2.中国电力科学研究院，北京市 100192)

电压源直流电网适用于风力发电场并网及远距离电力输送，为保证直流电网电力传输的灵活性，研究人员提出了多种直流电压控制及功率分配策略。基于对直流电压偏差控制和直流电压下垂控制策略优缺点的分析，提出了一种新的控制策略。该控制策略可提高直流电网稳态运行时的电压精确跟踪能力，并实现主换流站退出运行后直流电网控制模式的平稳转换。基于PSCAD/EMTDC仿真平台，建立了含有1个大型海上风电场和4个陆上交流系统的五端电压源直流电网平均值模型，通过对比风功率波动、主换流站退出运行等不同场景下直流电网的稳态、暂态特性，验证了所提出控制策略的有效性和优势。

电压控制；功率分配；偏差控制；下垂控制；主垂控制

0 引 言

近年来，远距离大容量电力传输及可再生能源并网问题得到了广泛关注[1-2]。传统的两端高压直流输电系统在一定程度上解决了该问题，而含多个直流端的多端高压直流输电系统和高压直流电网具有更多的优势：(1)在与交流电网相连接处建设换流站，降低了换流站数量，不仅可以显著降低成本，也能够降低输电损耗；(2)单个换流站独立传输功率，转换传输状态(由发送/接收变为接收/发送)过程中不影响其他换流站状态；(3)冗余更多，单条线路的停运，不影响其他线路的送电可靠性；(4)通常拥有超过1个直流电压等级，便于不同电压等级直流系统间的互联[3-7]。

为建立直流电网，需解决大量的技术难题，其中最重要的问题之一为直流电网各换流站电压控制和功率分配策略的选择。相对于二端直流输电系统，直流电网中换流站控制策略的选择要复杂得多[8-9]。由于电压源直流电网的正常运行需要稳定的直流电压，而直流电压的稳定性直接取决于直流电网中各换流站输出功率的平衡，各换流站间的潮流应当在各种情况下得到正确的控制。这就是说，流入和流出直流电网的潮流应当平衡，以维持直流电网电压稳定。为了满足该需求，研究者们针对直流电压控制和功率分配策略做出了大量的研究。

文献[10]提到，现有的直流电网控制策略可以分为3类：(1)单点直流电压控制策略，该类控制策略的特点是直流电网中有单个换流站控制直流电压，其余换流站控制交流电压、交流频率或交流功率等其他变量，该类控制策略以主从控制(master-slave control)为代表；(2)多点直流电压控制策略，该类控制策略的特点是直流电网中有多个换流站具备控制直流电压的能力，除单个换流站控制直流电压外，直流电网中其余换流站具备备用的直流电压控制能力，该类控制策略以主从备用控制和直流电压偏差控制(DC voltage margin control)[11-12]为代表；(3)直流电压斜率控制策略，该类控制策略的特点是直流电网中各换流站具备独立的直流功率-直流电压(或直流电流-直流电压)特性曲线，可以实现各种工况下的功率快速分配，该类控制策略以直流电压下垂控制(DC voltage droop control)[13-14]和自适应控制(autonomous converter control)[15-16]为代表。

主从控制实现起来简单方便，但由于直流电网中只有1个换流站具备直流电压控制能力(该换流站相当于交流系统中的平衡节点)，当该直流电压控制站因故障退出运行或失去直流电压控制能力时，整个直流电网将失稳，故该控制策略适用性较差。直流电压偏差控制相当于主从控制的改进，在直流电压控制站故障失去电压控制能力后，后备定直流电压控制站可检测到直流电压偏移，转换为直流电压控制站，控制直流电压，保证系统继续稳定运行，但其偏差值的选取较为困难，响应速度也较慢。直流电压下垂控制将电压控制和功率分配任务分配给每个换流站，实现了工况转换后功率指令的快速再分配，能够适应潮流频繁变换的直流电网，但其下垂斜率较难选取，且直流电压、直流功率控制不精确，容易发生直流电压和直流功率的偏移。

针对直流电压控制及功率分配策略的研究现状，本文提出一种新型的控制策略，避免直流电压偏差控制与直流电压下垂控制的缺点。为了验证该控制策略的有效性，本文基于PSCAD/EMTDC仿真平台建立含DC/DC变换器的五端直流电网仿真模型，实现直流电网稳态运行时直流电压精确跟踪以及主换流站退出运行时控制模式的快速平滑转换。

1 五端直流电网

根据国际大电网会议(CIGRE)“HVDC Grid Feasibility Study”工作组报告中给出的定义，直流电网应当是“由换流器直流端互联所构成的网格化结构电网”[4]。根据直流电网的定义，不失一般性，本文所研究的五端直流电网如图 1所示。

图1 五端直流电网拓扑

图1所示五端直流电网由5个两电平电压源型换流站(voltage source converter，VSC)和1个DC/DC变换器构成，其中换流站1、换流站2、换流站3、换流站4通过网格状直流架空输电线路互联形成四端直流系统，经DC/DC变换器升压后，由直流海底电缆连接至换流站5，形成含网格和星形结构的五端直流电网拓扑。

该直流电网中，换流站5经过换流变压器连接海上风电场，通过海底电缆线路45和DC/DC变换器将海上风电场的发电功率输送至陆上四端直流系统中；四端直流系统中各换流站通过换流变压器分别连接4个各自独立的有源交流系统，并具有功率双向传输能力。海上风电场向五端直流电网输入功率，因此换流站5为逆变站；稳态运行时，换流站3向五端直流电网注入功率，为整流站；换流站1、换流站2、换流站4从五端直流电网吸收功率并输送至所连接的交流系统中，为逆变站。输入四端直流系统中的功率发生变化时，可通过各换流站功率变化甚至翻转来平衡系统功率，因此该系统为1个多电源的灵活供电系统，其运行可靠性、经济性均较高。

五端直流电网各换流站额定参数如表 1所示。

表1 五端直流电网各换流站额定参数

Table 1 Rated parameters of each converter station in five-terminal DC grid

五端直流电网中线路采用π型等效电路建模，等效电路如图 2所示。图中：RL、LL、CL分别为线路电阻、线路电感、线路电容；R0、L0、C0分别为单位长度线路的电阻、电感、电容。五端直流电网中各条线路参数如表2所示。

图2 π型等效电路

2 直流电压控制及功率分配策略

五端直流电网的直流电压控制及功率分配策略，其关键在于保持直流电压不变，以保证海上风场产生的电能能够稳定地传输至陆上交流系统中。稳态运行时，换流站5和DC/DC变换器的任务是保证海上风场的电能能够通过换流站5、海底电缆和DC/DC变换器传输至四端直流系统，因此，直流电压控制及功率分配的任务由四端直流系统中的换流站1、换流站2、换流站3和换流站4完成。

2.1 直流电压偏差控制

直流电压偏差控制是一种多点直流电压控制策略，可实现无通信条件下的换流站控制模式自动切换。以图 1所示的五端直流电网为例，假设换流站1、换流站2、换流站3、换流站4均采用偏差控制。其中，换流站1采用定直流电压控制模式，控制四端系统直流电压为额定值，吸收不平衡功率；换流站2、换流站3、换流站4控制各自输出功率为额定值，同时作为定直流电压后备站，在换流站1失去直流电压控制能力时转换为直流电压控制模式；换流站5控制风场功率输出为指令值。

五端直流电网正常工作时，换流站1、换流站2、换流站3、换流站4采用的直流电压偏差控制策略的控制原理图如图 3所示，本报告规定直流功率的正方向为换流站功率从交流系统注入直流电网的方向。

图3中，udcref为换流站1直流电压指令值；P2、P3、P4分别为换流站2、换流站3、换流站4工作于定功率控制模式时其功率指令值；Δudc2、Δudc3、Δudc4分别为换流站2、换流站3、换流站4的直流电压上下限值之差，即直流电压偏差值。

图3 直流电压偏差控制原理

当换流站1因故障退出运行或失去直流电压控制能力，直流电网中的功率无法平衡，直流电压发生较大的变化，定直流电压后备站检测到较大直流电压偏差后，即依次转入定直流电压控制模式。如图 3(b)所示，以额定工况下换流站1从直流电网向交流电网输出功率为例，当换流站1因故障退出运行后，直流电网中多余功率无法外送，直流电压因此上升，优先级最高的定直流电压后备站投入运行。由图 3(a)可见，Δudc2>Δudc3，较之换流站2的电压上限，四端直流系统的电压更先达到换流站3的电压上限，故换流站3的备用优先级高于换流站2。换流站3转换为定直流电压控制模式后，换流站3承担了平衡节点换流站的任务，改变了功率值，平衡了直流电网功率，使四端直流系统电压稳定在其电压上限值。在换流站2容量允许的情况下，若换流站3也失去直流电压控制能力，则由备用优先级较低的换流站2来控制直流电压。另外，当额定工况下向直流电网注入功率的换流站1退出运行时，直流电网的直流电压控制任务转换过程与上述情况相似，区别在于直流电压最终将稳定在定直流电压控制备用站电压下限值。

直流电压偏差控制策略不需通信，可实现主换流站失去直流电压控制能力后直流电压控制任务的多次重新分配；但是，直流电压偏差控制策略除了未解决各时刻只有单个换流站控制直流电压，带来的直流电压控制站功率平衡压力过大的问题外，还具备以下缺陷：多个定直流电压后备站对应了多个后备优先级，增加了各后备站控制器的设计复杂度；当直流电网端数增加、定直流电压后备站数量增加时，为体现各后备换流站后备优先级的不同，优先级越低的后备换流站直流电压偏差越大，而该偏差值不应当超过直流电网允许的电压波动范围，故偏差值的选取限制了定直流电压后备站的个数。

2.2 直流电压下垂控制

较之直流电压偏差控制，直流电压下垂控制是一种较晚提出的直流电压控制策略。以图 1所示的五端直流电网为例，换流站1、换流站2、换流站3、换流站4均采用直流电压下垂控制。因此，四端直流系统中各换流站均同时具有直流电压控制和功率分配的功能。换流站5控制风场功率输出为指令值。

换流站1、换流站2、换流站3、换流站4采用的直流电压下垂控制策略的控制原理图如图 4所示，本文规定直流功率的正方向为换流站功率从交流系统注入直流电网的方向。

图4 直流电压下垂控制原理

如图 4所示，采用直流电压下垂控制的各换流站可根据各自直流侧电压值调整功率指令值，以满足直流电网内功率平衡的要求。对于向直流电网注入功率的整流站，直流电压上升(下降)时，为满足直流电网功率平衡的要求，其功率指令绝对值则会下降(上升)；对于从直流电网吸收功率的逆变站，直流电压上升(下降)时，为满足直流电网功率平衡的要求，其功率指令绝对值则会上升(下降)。采用直流电压下垂控制的换流站中任一换流站因故障退出运行后，所引起的功率缺额由其他所有继续运行的换流站共同承担。

采用直流电压下垂控制的换流站能够迅速响应直流电网潮流变化，调整功率指令值，适用于潮流频繁变化的直流电网；另外，由于直流电网中多个换流站同时具备直流电压控制和潮流分配能力，系统中出现的功率缺额可由多个换流站共同补偿，令系统快速平稳地进入新的稳态；但其缺陷在于对直流电压和功率的跟踪不够精确，直流电压容易随着功率的重新分配而发生变化，只有在各换流站输出功率均为指令值时，系统电压才能维持在额定值。

2.3 主垂控制策略

结合主从控制和直流电压下垂控制，本文提出一种新型控制策略，称之为主垂控制。采用主垂控制策略的直流电网，选取1个合适的换流站作为主换流站，运行于定电压控制模式，其余各换流站采用下垂控制，如此可以保证稳态情况下直流电压的精确控制以及主换流站退出运行后的控制模式平稳转换。主垂控制策略原理如图 5所示。

如图 5所示，直流电网运行于稳态时各换流站共同维持直流电压稳定和潮流平衡，若电网内潮流发生小幅度的波动，由主换流站(即换流站1)平抑该部分功率波动，将直流电压控制在定值，可避免功率小幅波动带来的直流电压改变；当主换流站因故障退出运行后，直流电网内功率缺额由其他各换流站共同补偿，可实现系统控制模式的平稳转换。

图5 主垂控制原理

3 仿真研究

选取海上风电场风功率波动和换流站1退出运行这2种仿真场景，研究采用各控制策略时五端直流电网的稳态、暂态特性。

3.1 风功率波动

6.0 s前，五端直流电网进入稳态。海上风场输出功率于6.0 s开始下降，0.5 s内由800 MW下降至400 MW；海上风场输出功率于7.0 s重新上升，0.5 s内由400 MW上升至800 MW。采用直流电压偏差控制、直流电压下垂控制和主垂控制情况下的五端直流电网仿真波形如图 6所示。图中UdcL1、UdcL2、UdcL3、UdcL4、UdcL5和PdcL1、PdcL2、PdcL3、PdcL4、PdcL5分别为换流站1、换流站2、换流站3、换流站4、换流站5的直流侧电压和输出功率；Udcdc为DC/DC变换器低压侧直流电压。

如图 6(a)所示，海上风场风功率发生波动时，采用直流电压偏差控制的五端直流电网中，换流站5输出功率发生相应变化，注入五端直流电网的功率也随之变化，换流站5直流电压产生波动；换流站1发挥直流电压控制站作用，吸收该部分功率变化，并维持陆上四端直流系统直流电压恒定；由于换流站2、换流站3和换流站4输出功率均未偏离指令值，四端直流输电系统中其余各换流站未受到影响。

如图6(b)所示，采用直流电压下垂控制的五端直流电网中，输入陆上四端直流系统的功率发生变化后，各下垂控制换流站共同吸收功率变化；6.0～6.5 s，换流站1、换流站2和换流站4减小了输出至交流系统的功率，换流站3增加了输入至直流电网的功率，共同维持了五端直流电网的功率平衡和电压稳定；在此期间，根据各换流站的下垂特性曲线，陆上四端直流系统电压有所下降。

如图6(c)所示，采用主垂控制的五端直流电网，在风功率波动过程中的表现与采用直流电压偏差控制时几乎一致，这是2种情况下因为风功率波动造成的功率变化均全部由主换流站吸收。可见，采用主垂控制的五端直流电网在风功率波动场景下的表现良好，四端直流系统实现了直流电压的精确跟踪，避免了采用下垂控制时直流电压发生偏移的现象。

图6 风功率波动仿真波形

3.2 换流站1退出运行

6.0 s前，五端直流电网进入稳态。t=6.0 s，换流站1因内部故障退出运行，采用直流电压偏差控制、直流电压下垂控制和主垂控制情况下的五端直流电网仿真波形如图7所示。

图7 换流站1退出运行仿真波形

如图7(a)所示，采用偏差控制的五端直流电网中，换流站1退出运行后，其功率输出快速下降至0 MW；由于换流站1退出运行前向其所连接的交流系统注入功率，陆上四端直流系统产生功率过剩，直流电压快速上升，各功率站均受到影响，输出功率发生偏移；换流站2检测到本地的直流电压越限，直流电压控制外环替代功率外环产生作用，控制模式由定功率控制转换为定直流电压控制，吸收系统内过剩的功率，稳定直流电压。

如图7(b)所示，采用下垂控制的五端直流电网中，换流站1功率输出下降至0 MW过程中，四端直流系统中其余各换流站一同承担该功率缺额，直流电网潮流在短时间内达到新的平衡。

如图7(c)所示，采用主垂控制的五端直流电网仿真波形与采用下垂控制时基本一致，实现了主换流站退出运行时控制模式的平稳转化，避免了采用偏差控制时直流电网短时的直流电压和功率振荡。

4 结 论

直流电压偏差控制和直流电压下垂控制是现有的最为典型的直流电网控制策略，但二者具有较明显的缺陷。为结合上述2种控制策略的优势，避免二者的缺陷，本文提出了主垂控制策略，实现了直流电网稳态运行情况下的直流电压精确跟踪以及主换流站退出运行情况下控制模式的快速平稳转换。基于PSCAD/EMTDC仿真平台建立的五端直流电网模型在不同场景下的表现，验证了该控制策略的有效性和优势。主垂控制虽具备上述优势，但仍然存在控制模式转换后直流电网电压偏移的问题，今后的研究中将会通过多种方法进行改进。

[1]武小梅，刘国祥，欧英龙．双馈风力发电机组对电力系统稳定性的影响[J]．电力建设，2014，35(6)：7-12． Wu Xiaomei, Wen Fushuan, Liu Guoxiang, et al .Impact of doubly-fed induction generator on power system stability[J]. Electric Power Construction, 2014, 35(6): 7-12.

[2]苏盛，王超，赵杰，等．阿根廷风能资源评估与开发前景分析[J]．电力建设，2014，35(6)：160-164． Su Sheng, Wang Chao, Zhao Jie, et al .Wind Energy resource assessment and development prospects in argentine[J]. Electric Power Construction, 2014, 35(6): 165-168.

[3]汤广福，罗湘，魏晓光．多端直流输电与直流电网技术[J]．中国电机工程学报，2013，33(10)：8-17,24． Tang Guangfu, Luo Xiang, Wei Xiaoguang. Multi-terminal HVDC and DC-grid technology[J].Proceedings of the CSEE,2013(10):8-17,24.

[4]CIGRE B4-52 Working Group. HVDC grid feasibility study[R]. Melbourne，Australia：CIGRE B4-52 Working Group，2011．

[5]梁旭明，张平，常勇．高压直流输电技术现状及发展前景[J]．电网技术，2012，36(4)：1-9． Liang Xuming, Zhang Ping, Chang Yong. Recent advances in high-voltage direct-current power transmission and its developing potential[J].Power System Technology,2012(4):1-9.

[6]温家良，吴锐，彭畅，等．直流电网在中国的应用前景分析[J]．中国电机工程学报，2012，32(13)：7-12． Wen Jialiang, Wu Rui, Peng Chang, et al. Analysis of DC grid prospects in China[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(13):7-12,185.

[7]汤广福，贺之渊，庞辉．柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J]．电力系统自动化，2013，37(15)：3-14． Tang Guangfu, He Zhiyuan, Pang Hui. Research, application and development of VSC-HVDC engineering technology[J].Automation of Electric Power Systems,2013,37(15):3-14.

[8]Flourentzou N, Agelidis V G, Demetriades G D. VSC-based HVDC power transmission system: An overview[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(3)：592-602．

[9]Gonzalez-Longatt F，Roldan J. Effects of DC voltage control strategy on voltage response on multi-terminal HVDC following loss of a converter station[C]// Power and Energy Society General Meeting, Vancouver：IEEE, 2013:1-5．

[10]唐庚，徐政，刘昇，等．适用于多端柔性直流输电系统的新型直流电压控制[J]．电力系统自动化，2013，37(15)：125-132． Tang Geng, Xu Zheng, Liu Sheng, et al. A novel DC voltage control strategy for VSC-MTDC systems[J].Automation of Electric Power Systems,2013,37(15):125-132.

[11]陈海荣，徐政．适用于VSC-MTDC系统的直流电压控制策略[J]．电力系统自动化，2006，30(19)：28-33． Chen Hairong, Xu Zheng. A novel DC voltage control strategy for VSC based multi-terminal HVDC system[J]. Automation of Electric Power Systems,2006,30(19): 28-33.

[12]阮思烨，李国杰，孙元章.多端电压源型直流输电系统的控制策略[J].电力系统自动化，2009, 33(12)：57-60． Ruan Siye, Li Guojie, Sun Yuanzhang. A control strategy for multi-infeed VSC-HVDC systems[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(12):57-60.

[13]Wang W，Barnes M, Marjanovic O. Droop control modelling and analysis of multi-terminal VSC-HVDC for offshore wind farms[C]//10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission．Birmingham：IEEE. 2012：1-6．

[14]Prieto A E，Bianchi F D，Junyent F A.，et al．Methodology for droop control dynamic analysis of multiterminal VSC-HVDC grids for offshore wind farms[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011， 26(4)：2476-4285．

[15]Barker C D，Whitehouse R S．Autonomous converter control in a multi-terminal HVDC system[C]//9th IET International Conference on AC and DC Power Transmission．London：IEEE. 2010：1-5．

[16]Barker C D，Whitehouse R S．Further developments in autonomous converter control in a multi-terminal HVDC system[C]//10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission．Birmingham：IEEE. 2012：1-6．

(编辑：蒋毅恒)

DC Voltage Control and Power Dispatch Strategy of a Five-Terminal VSC-Based DC Grid

WANG Kai1, SUN Haishun1, HU Xiaobo2, ZHANG Ke1

DC grids based on voltage source converters (VSCs) have been proposed for integrating large wind farms and delivering remote energy source power through long distance. A number of DC voltage control and power dispatch strategies have been presented by researchers to guarantee the power transmission’s flexibility and capacity of such DC grids. Based on the analysis on the advantages and disadvantages of DC voltage margin control strategy and DC voltage droop control strategy, a novel control strategy was proposed to achieve the goal of both precise DC voltage tracking under normal operation and steady control mode conversion after slack-bus terminal loss. Based on PSCAD/EMTDC simulation platform, a mean value model of a five-terminal VSC-based DC grid with four onshore AC systems and one offshore DC system was built. Through the comparison on the steady-state and dynamic-state characteristics of the DC grid under wind power variation, main converter station tripping and other conditions, the validity and advantages of the proposed control strategy were verified.

voltage control; power dispatch; voltage margin control; voltage droop control; master-droop control

国家电网公司科技项目(直流电网基础理论研究)。

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

TM 721.1

A

1000-7229(2015)04-0052-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.009

2014-09-05

2014-10-20

王凯(1989)，男，硕士研究生，主要从事直流电网结构、稳态控制特性、暂态控制特性方面的研究工作；

孙海顺(1971)，男，博士，副教授，主要从事电力系统分析、电力系统次同步振荡、高压直流输电及柔性交流输电、风场并网及能量储存方面的研究工作；

胡晓波(1981)，男，博士，高级工程师，主要从事新能源发电仿真与建模技术方面的研究工作；

张珂(1992)，女，硕士研究生，主要从事直流电网控制策略方面的研究工作。