柔性直流和常规直流互联输电系统协调控制策略

王 曦 ，李兴源 ，魏 巍 ，丁理杰

（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610000；2.四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

0 引言

高压直流输电技术根据采用电力电子换流器的类型可分为基于电网换相的常规直流输电系统LCC-HVDC（Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current）和基于电压源换流器的柔性直流输电系统VSC-HVDC（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current）。 现阶段，常规直流输电技术已较为成熟，其电压等级高、输送容量大，主要用于远距离大规模输电或异步联网。与常规直流相比，柔性直流控制更为灵活，其可以完成有功功率和无功功率的独立控制，且对交流电网具有较好的动态无功支撑能力，非常适用于大规模新能源电能并网。与常规直流相比，柔性直流电压等级较低，传输容量相对较小［1-8］。

根据柔性直流和常规直流各自的特点，在大规模新能源汇集和外送系统中，极有可能出现一种新型的柔性直流与常规直流互联的输电系统。对于柔性直流和常规直流同时存在的混合输电系统，已有较多文献进行了研究，主要关于2种直流的运行特性、相互间的影响以及故障后的恢复策略等［9-13］。文献［9］研究了无源网络中通过VSC-HVDC启动LCCHVDC的方法，并设计了双馈入直流输电系统（Double-Infeed HVDC）控制策略，使整个输电系统具有良好的动态和故障恢复能力；文献［10］定量分析了VSCHVDC对LCC-HVDC的影响，结果表明VSC-HVDC可以有效提高LCC-HVDC的最大有功功率传输，减小暂态过电压，降低LCC-HVDC换相失败风险。

上述研究主要针对VSC-HVDC和LCC-HVDC并联馈入型结构，本文则着重研究VSC-HVDC和LCC-HVDC互联输电系统，这种输电系统主要用于大规模新能源的汇集及外送，而新能源基地通常交流强度较弱。因此，本文着重考虑送端系统可能存在的功率不平衡问题，提出2种直流间的协调策略，充分利用直流系统可控性强、响应速度快的特点，有效提升整个输电系统的安全稳定性。

1 VSC-HVDC和LCC-HVDC互联输电系统结构及特点

为了研究方便，将VSC-HVDC与LCC-HVDC串联输电系统简化为图1所示结构。其中，VSC-HVDC由于可控性强、动态调节能力好，通常被用于大规模风电、光伏基地本地电能的并网和汇集，而LCCHVDC由于送电规模大、输送距离远，被用于大规模功率由电源基地到受端负荷的输送。

本文所研究的VSC-HVDC与LCC-HVDC互联输电系统包括以下重要特点。

（1）功率流向。通过VSC-HVDC将新能源进行汇集，并和本地交流电网共同为LCC-HVDC外送直流供电。

（2）交流强度。由于新能源基地常常位于电网结构较为薄弱的地区，因此本文研究的拓扑结构中所考虑的本地电网为弱交流系统。

（3）地理位置分布。由于功率汇集的主要目的在于外送，因此考虑VSC-HVDC传输功率不再经过远距离交流网络传输，即VSC-HVDC逆变站与LCC-HVDC整流站位置较近。

（4）VSC-HVDC送端所联交流系统有功调节能力。由于在新能源电厂参与电网功率调节领域已有较多研究成果［14-15］，因此本文认为VSC-HVDC送端所联交流系统是具有有功调节能力的。

若2种直流输电系统均采用常规控制器，则整个送出系统中功率的平衡主要依靠本地弱交流电网，而新能源出力随机性较强，仅仅依靠弱交流电网的调节难以保证系统的安全稳定裕度。因此，本文从有功平衡及无功平衡两方面考虑，设计能提高送出系统区域1内稳定性的VSC-HVDC及LCC-HVDC附加控制策略。

图1 柔性直流和常规直流互联输电系统Fig.1 Interconnected transmission system of LCC-HVDC and VSC-HVDC

2 VSC-HVDC和LCC-HVDC有功附加控制器设计

本文所研究的输电系统中2种直流系统的基本控制策略分别为：LCC-HVDC整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制；VSC-HVDC整流侧采用定有功功率及定交流电压控制，逆变侧采用定直流电压和定无功功率控制。

2.1 有功附加控制器设计

忽略功率传输过程中的损耗，正常运行情况下，根据功率平衡，有：

其中，PLCC为 LCC-HVDC外送功率；PVSC为 VSCHVDC向区域1中注入的功率；PG为本地电网向区域1注入的功率。LCC-HVDC和VSC-HVDC在采用常规控制器时保持有功功率恒定。因此，当区域1内出现有功功率不平衡时，系统的频率稳定只能依靠本地电网PG的调节。如果本地系统的调频能力较小，会导致功率波动情况下系统频率偏差过大甚至频率失稳，则这种情况下系统的运行可靠性难以得到保证。基于此，提出LCC-HVDC及VSC-HVDC有功附加控制器，以提升送出系统有功功率平衡能力，维持频率稳定。附加控制器结构框图如图2和图3 所示［16-17］。

图2 常规直流有功附加控制器Fig.2 Active power supplementary controller of LCC-HVDC

图3 柔性直流有功附加控制器Fig.3 Active power supplementary controller of VSC-HVDC

图2和图3中2种直流系统主控制器分别为LCC-HVDC的定电流控制器以及VSC-HVDC的定有功功率控制器。在附加控制器中，Δf为区域1内的频率偏差信号，Δf=f-fref，K1、K2分别为附加控制器参数。为了避免附加控制器频繁动作，附加控制器还设置有死区环节。加入附加控制器后，2种直流系统的有功-频率特性如图4所示。

图4 加入有功附加控制器后的有功-频率特性Fig.4 Active power-frequency characteristic of HVDC with supplementary controller

在本地电网、LCC-HVDC、VSC-HVDC均进行功率调节的情况下，当注入区域1的功率存在波动ΔP时，有：

其中，KG、KLDC、KVDC分别为电网、LCC-HVDC 以及VSC-HVDC的频率调节系数，其值等于各自有功变化量与频率变化量之比的绝对值。可以看出，有功附加控制的引入可以有效提升系统有功功率平衡能力，减小系统频率波动。

2.2 有功附加控制器的协调策略及工作原理

为简化分析，本地电网中仅考虑发电机调速器的功率调节能力，设调速器动作死区为［-Δf0，Δf0］，LCC-HVDC 有功附加控制动作死区为［-Δf1，Δf1］，VSC-HVDC 有功附加控制器动作死区为［-Δf2，Δf2］。

为了使设计的有功附加控制器协调工作，设置Δf0＜Δf1＜Δf2，则系统的有功功率调节可分为以下几个阶段。

阶段1：系统功率平衡，即PLCC=PVSC+PG，频率保持稳定。

阶段2：系统内出现不平衡功率，此不平衡功率可能来自本地电网负荷的增减、VSC送出功率的变化或者其他故障。假设本地电网失部分负荷，则区域1内出现过剩功率ΔP，系统频率增加。

阶段3：频率偏差超过Δf0时，发电机调速器开始作用，减小出力ΔPA以平衡缺失负荷ΔP，若系统可以稳定在新的平衡点 f，f∈［50 Hz- Δ f1，50 Hz+Δ f1］，说明负荷波动可由本地电网平衡，直流功率附加控制器不启动。

阶段4：若本地发电机进行功率调节后，系统频率超过50 Hz+Δf1，说明功率波动难以被本地电网平衡，则LCC-HVDC有功附加控制器启动。附加控制器根据区域1内频率偏差调整整流侧电流整定值，增大LCC-HVDC有功功率传输容量，以平衡区域1内的过剩功率。若此阶段系统频率可以稳定在f∈［50 Hz-Δf2，50 Hz+Δf2］，则 VSC-HVDC 有功附加控制不启动。

阶段5：若在本地电网和LCC-HVDC有功附加控制器作用下频率依然上升超过50 Hz+Δf2，VSCHVDC有功附加控制器启动。根据其有功-频率特性曲线，区域1频率上升时，VSC-HVDC在附加控制器作用下减小输送容量，进一步平衡区域1内的过剩功率。

当系统的不平衡功率消失时，各有功附加控制器的退出过程与上述5个阶段时序相反，VSCHVDC附加控制首先退出，LCC-HVDC附加控制随后退出。系统频率从升高到恢复的整个过程中控制器的投切时序关系如图5所示。当系统内出现功率缺额时的分析与上述5个阶段类似，各控制器投切过程示意图与图5关于t轴对称，此处不再赘述。

图5 有功附加控制器随频率变化动作时序图Fig.5 Action sequence of active power supplementary controller according to frequency deviation

3 VSC-HVDC与LCC-HVDC无功功率协调

LCC-HVDC在传输有功功率的同时，会消耗相当于40%～60%有功容量的无功功率，这部分功率通常由换流站的无功补偿装置及滤波器提供。因此，当LCC-HVDC进行有功功率调节时（输送有功功率变化时），为了维持换流站母线电压，无功补偿装置和滤波器需要进行相应的投切。无功补偿装置的投切是一种阶梯式不连续的调节方式，频繁投切滤波器不仅影响其自身寿命，更可能引起电压的大幅度波动。

在VSC-HVDC与LCC-HVDC串联系统中，由于VSC-HVDC具备无功控制能力，且其逆变站地理位置距离LCC-HVDC整流站较近，因此可以通过VSC-HVDC的无功调节能力在LCC-HVDC进行有功功率调节时为其提供无功支撑，起到稳定LCCHVDC整流侧换流母线电压的作用。VSC-HVDC的这种调节方式相当于起到了静止无功补偿器（STATCOM）的作用，可以避免LCC-HVDC整流侧无功补偿装置的频繁投切。

为了实现上述目的，在VSC-HVDC逆变侧增加无功附加控制器，控制器如图6所示。

图6 柔性直流无功附加控制器Fig.6 Reactive power supplementary controller of VSC-HVDC

图6 中，ΔU=U-Uref，Uref和 U 分别为 LCC-HVDC整流侧换流母线参考电压和实际电压；Kv为无功附加控制器比例系数。当LCC-HVDC换流母线电压偏差 ΔU 越过死区［-ΔU0，ΔU0］时，无功附加控制器启动。若实际电压小于参考电压，VSC-HVDC按一定比例输出无功功率，反之，VSC-HVDC吸收无功功率。此外，为保证无功调节不影响有功功率的传输，对附加控制器输出设置限幅环节。VSC-HVDC的无功-电压特性见图7。

图7 柔性直流无功-电压特性Fig.7 Reactive power-voltage characteristic of VSC-HVDC

VSC-HVDC无功附加控制器工作原理如下。

当LCC-HVDC进行有功调节，外送有功功率增加ΔP时，其换流站相应地需要增加无功功率ΔQ，若保持换流站内无功补偿装置不投切，则换流母线电压下降ΔU，当电压跌落超过VSC-HVDC无功附加控制器死区时，VSC-HVDC调节逆变侧定无功功率控制器整定值，增大无功功率输出，维持LCCHVDC换流站母线电压稳定。当LCC-HVDC外送有功功率减少时，通过类似的分析可知VSC-HVDC无功附加控制器同样可以维持LCC-HVDC换流站母线电压水平。

当系统内存在过剩功率时，各有功、无功附加控制器动作时序如图8所示。从上述分析可知，本文设计的VSC-HVDC和LCC-HVDC有功、无功附加控制器并不是单独存在的，两者协调配合可以有效提高送端系统频率及电压稳定性。

图8 有功-无功附加控制器随频率、电压变化动作时序图Fig.8 Action sequence of active and reactive power supplementary controllers according to frequency and voltage deviation

4 仿真验证

为验证本文所提VSC-HVDC与LCC-HVDC协调控制策略的有效性，在仿真软件PSCAD／EMTDC中搭建如图1所示的系统，其中LCC-HVDC采用单极输电方式。本地电网由7台参数相同的发电机构成，系统主要参数见表1—3（表3中电抗为标幺值）。

表1 LCC-HVDC主要参数Table 1 Main parameters of LCC-HVDC

表2 VSC-HVDC主要参数Table 2 Main parameters of VSC-HVDC

表3 发电机调速器主要参数Table 3 Main parameters of dynamo governor

正常运行时，交流系统电压345 kV，频率50 Hz，本地电网出力600MW，VSC-HVDC输送容量400MW，两者共同向LCC-HVDC供电，LCC-HVDC传输容量1000 MW，区域1内功率平衡，系统频率保持稳定。正常状况下的仿真结果如图9所示。图中，f为区域1频率信号。

图9 正常运行时系统频率及输送功率Fig.9 Frequency and power flow of system during normal operation

为验证本文所提LCC-HVDC和VSC-HVDC功率附加控制器的效果，仿真设置2 s时VSC-HVDC输送容量由400 MW降低至250 MW。VSC-HVDC和LCC-HVDC均无附加控制时，仿真结果如图10所示。

图10 无附加控制时的仿真结果Fig.10 Simulative results of system without supplementary controllers

由图10可以看出，VSC-HVDC输送功率减小后，区域1内出现150 MW功率缺额。由于LCCHVDC、VSC-HVDC均采用定功率输送，因此功率缺额全部由本地电网承担，而本地电网强度较小，调节容量有限，因此系统频率持续下降，最终崩溃。

在LCC-HVDC和VSC-HVDC中加入有功附加控制器，控制器主要参数如表4所示，仿真结果如图11所示。

由图11可以看出，加入附加控制器后系统可以保持稳定，频率最终维持在49.43 Hz左右。这是因为当系统频率下降时，LCC-HVDC和VSC-HVDC共同作用，通过调节自身传输容量与本地电网一起平衡区域1内的功率缺额。系统稳定时，本地电网出力由原来的 600 MW 变为 692.5 MW，增加出力92.5 MW；LCC-HVDC输送容量由 1 000 MW 变为965 MW，减少外送35 MW；VSC-HVDC输送容量由250 MW 增加至 272.5 MW，增加输送 22.5 MW。 在有功附加控制器作用下，本地电网、LCC-HVDC、VSC-HVDC共同承担了系统150 MW的功率缺额，保证系统的功率平衡，提升了稳定性。

进一步分析各控制器动作时序，LCC-HVDC和VSC-HVDC有功附加控制器输出如图12所示（图中uL和 uV为标幺值）。 可以看出，在 2.0～ 2.2 s的功率不平衡初始阶段，两附加控制器均未动作，系统依靠本地电网进行功率平衡。当频率偏差超过LCC-HVDC有功附加控制器动作死区后，依靠本地电网难以保证频率在合理范围内，LCC-HVDC附加控制器首先动作。 2.2～2.5 s，LCC-HVDC 有功附加控制投入后频率依然下降，超过VSC-HVDC有功附加控制动作死区，VSC-HVDC有功附加控制器开始动作。最终，本地电网、LCC-HVDC及VSC-HVDC共同配合，使系统保持稳定。

值得注意的是，VSC-HVDC和LCC-HVDC附加控制对于系统内不平衡功率的补偿量主要取决于两者输入频率偏差信号动作死区以及各自频率调节系数KLDC、KVDC的设置。若希望VSC-HVDC尽量保证自身功率传输，不参与功率平衡，可以增大 LCC-HVDC调节系数KLDC，减小本身调节系数KVDC，增大本身输入信号频率偏差死区范围。

无功功率协调配合方面，若VSC-HVDC逆变侧仅采用常规定无功功率为0 Mvar，在进行有功功率平衡的同时，LCC-HVDC整流侧换流母线电压及VSC-HVDC逆变侧输出无功功率如图13所示。图中uLCC为LCC-HVDC整流侧换流母线电压，QVSC为VSC-HVDC逆变侧输出无功功率。

表4 有功附加控制器参数Table 4 Parameters of active power supplementary controller

图11 柔性直流和常规直流配备有功附加控制时仿真结果Fig.11 Simulative results of VSC-HVDC and LCCHVDC with active power supplementary controllers

图12 常规直流及柔性直流有功附加控制器输出Fig.12 Outputs of active power supplementary controllers for LCC-HVDC and VSC-HVDC

图13 柔性直流无无功附加控制器时仿真结果Fig.13 Simulative results of VSC-HVDC without reactive power supplementary controller

从图13中可以看出，在有功平衡的过程中VSC-HVDC逆变侧输出无功一直保持为0 Mvar，不考虑LCC-HVDC换流站本身无功补偿装置的投切，2.2 s后LCC-HVDC有功功率输送容量减小，而系统无功并没有相应地变化，因此LCC-HVDC整流侧换流母线电压升高至362 kV。

由于VSC-HVDC逆变站离LCC-HVDC整流站位置较近，因此可以发挥VSC-HVDC无功调节的能力，在其常规定无功控制器基础上增加无功附加控制器，以减小LCC-HVDC整流侧换流母线电压波动。加入无功附加控制器后，仿真结果如图14所示。

图14 柔性直流有无功附加控制器时仿真结果Fig.14 Simulative results of VSC-HVDC with reactive power supplementary controller

由图14可以看出，增加无功附加控制器后，当LCC-HVDC整流侧电压升高时，VSC-HVDC逆变侧吸收多余无功功率，以保证电压稳定在额定运行点。通过VSC-HVDC无功附加控制器的作用，LCCHVDC整流侧换流母线电压最大幅值为358 kV，相比没有无功附加控制时减小4 kV，有效减小了LCCHVDC整流侧换流母线电压的波动。

上述仿真说明本文所提的LCC-HVDC与VSCHVDC有功附加控制可以共同提高系统有功平衡能力，同时VSC-HVDC无功附加控制器可以有效配合LCC-HVDC的有功功率调整，维持其换流母线的电压水平。

5 结论

a.本文针对一种新型的LCC-HVDC与VSCHVDC互联输电系统，分别设计了LCC-HVDC和VSC-HVDC有功附加控制器。通过有功附加控制器改变直流的输送容量，可以有效提升系统有功功率平衡能力，改善频率稳定性。同时，通过设置合适的死区和控制器参数，可以使平衡功率在LCC-HVDC和VSC-HVDC之间合理分配，使两者协调运行。

b.考虑到LCC-HVDC本身不具备无功功率调节能力，本文还设计了VSC-HVDC无功附加控制器。当LCC-HVDC改变输送容量以维持系统内有功功率平衡时，VSC-HVDC无功控制器发出／吸收无功功率，起到STATCOM的作用，以改善LCC-HVDC整流侧换流母线电压稳定性。仿真表明本文设计的附加控制器对LCC-HVDC与VSC-HVDC互联系统内的有功、无功平衡具有较好的控制效果。

参考文献：

［1］戴熙杰.直流输电基础［M］.北京：水利电力出版社，1990：12-20.

［2］KIMBARK E W.Direct current transmission［M］.New York，USA：John Wiley&Sons，Inc.，1971：120-125.

［3］李兴源.高压直流输电系统的运行和控制［M］.北京：科学出版社，1998：1-8.

［4］WANG W，BARNES M.Power flow algorithms for multi-terminal VSC-HVDC with droop control［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2014，29（4）：1721-1730.

［5］汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术［M］.北京：中国电力出版社，2009：85-92.

［6］FLOURENTZOU N，AGELIDIS V G，DEMETRIADES G D.VSC-based HVDC power transmission systems：an overview［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（3）：592-602.

［7］NAMI A，LIANG J，DIJKHUIZEN F，et al.Modular multilevel converters for HVDC applications：review on converter cells and functionalities［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（1）：18-36.

［8］SHEN L，BARNES M，PREECE R，et al.The effect of VSC HVDC control and operating condition on dynamic behavior of integrated AC ／DC system［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2016，31（3）：1085-1095.

［9］GUO C Y，ZHAO C Y.Supply of an entirely passive AC network through a double-infeed HVDC system［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（11）：2835-2841.

［10］GUO C Y，ZHANG Y，GOLE A M，et al.Analysis of dual-infeed HVDC with LCC-HVDC and VSC-HVDC［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27（3）：1529-1537.

［11］董云龙，凌卫家，田杰，等.舟山多端柔性直流输电控制保护系统［J］. 电力自动化设备，2016，36（7）：169-174.DONG Yunlong，LING Weijia，TIAN Jie，etal.Control&protection system for Zhoushan multi-terminal VSC-HVDC ［J］.Electric Power Automation Equipment，2016，36（7）：169-174.

［12］赵成勇，孙营，李广凯.双馈入直流输电系统中VSC-HVDC的控制策略［J］.中国电机工程学报，2008，28（7）：97-103.ZHAO Chengyong，SUN Ying，LI Guangkai.Control strategy of VSC-HVDC in dual-infeed HVDC systems［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28（7）：97-103.

［13］赵成勇，胡冬良，李广凯.新型双馈入直流输电系统无功调节特性分析［J］.电力系统自动化，2008，32（21）：51-55.ZHAO Chengyong，HU Dongliang，LIGuangkai.Analysison reactive power regulation in new type double-infeed HVDC system［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（21）：51-55.

［14］刘巨，姚伟，文劲宇，等.大规模风电参与系统频率调整的技术展望［J］. 电网技术，2014，38（3）：638-646.LIU Ju，YAO Wei，WEN Jinyu，et al.Prospect of technology for large-scale wind farm participating into power grid frequency regulation［J］.Power System Technology，2014，38（3）：638-646.

［15］李晓钰.双馈风电机组参与电力系统调频的策略研究［D］.北京：华北电力大学，2012.LI Xiaojue.Research on strategy of DFIG participate in power system frequency regulation ［D］.Beijing：North China Electric Power University，2012.

［16］贺静波，张剑云，李明节，等.直流孤岛系统调速器稳定问题的频域分析与控制方法［J］.中国电机工程学报，2013，33（16）：137-143.HE Jingbo，ZHANG Jianyun，LI Mingjie，et al. Frequency domain analysis and control for governor stability problem in islanded HVDC sending systems［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（16）：137-143.

［17］陈亦平，程哲，张昆，等.高压直流输电系统孤岛运行调频策略［J］.中国电机工程学报，2013，33（4）：96-102.CHEN Yiping，CHENG Zhe，ZHANG Kun，etal. Frequency regulation strategy for islanding operation of HVDC［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（4）：96-102.