多端柔性直流输电系统的控制策略设计

李燕青， 王子睿

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003)

多端柔性直流输电系统的控制策略设计

李燕青， 王子睿

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003)

主要对柔性直流输电系统的控制策略进行了研究。首先对柔性直流输电系统主从控制、电压裕度控制和直流电压下垂控制的控制原理及特点进行详细的介绍，并在此基础上，提出了一种协调控制策略，该策略综合三种控制方式并加入裕度思想分层协调各换流站，能够适应较大范围的不平衡功率，避免换流站过载的现象。最后，在Matlab/simulink平台上构建了多端柔性直流输电模型，分别仿真验证了所提控制策略的有效性。对于深入了解柔性直流输电系统的控制的原理具有重要的理论意义，也可为采用下垂控制的柔性直流输电系统设计提供理论依据。

柔性直流； 风电； 协调控制策略； 下垂控制； 多端柔性直流

0 引 言

柔性直流输电技术(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)是20世纪90年代在高压直流输电技术的基础上发展起来的一项以全控性器件和电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)为基础的新的输电技术。多端柔性直流输电(Voltage Source Converter Multi-terminal DC System,VSC-MTDC)是VSC-HVDC的扩展，由至少三个VSC及其相连的线路所组成的直流输电系统，最大的优势是实现多电源供电、多落点受电，联系多个交流系统，能够灵活、方便、可靠的控制潮流变化，弥补了两端柔性直流输电由于一端换流站或线路故障，则需退出运行的弊端[1-2]，是目前实现新能源并网最具潜力的方式，同时也是直流电网未来发展的必然方向。

文献[3]提出了一种风电场和柔性直流的协调控制策略，论证了柔性直流的接入可以有效的减弱由于大规模风电并网引起的功率输出的波动。文献[4]证实了柔性直流输电的接入可以提供很好的动态无功支撑；文献[5]基于电压下垂控制提出了一种通用控制策略；文献[6]提出了一种考虑各个换流站的动态功率裕度，调整下垂系数的控制策略；文献[7]将电压裕度控制应用到直流电压下垂控制中，使VSC-MTDC保持稳定并能够适应较大的功率变化量；文献[8]在直流电压下垂控制的基础上增加一恒定参考值，根据功率变化实时调整直流电压；文献[9, 10]结合了频率控制和直流电压控制提出了直流电压、频率下垂双重控制策略；文献[11]在直流电压下垂控制基础上提出了一种改进的策略。文献[12]介绍了VSC-MTDC系统下垂系数对直流电压下垂控制的作用原理，提高了运行性能。综上，现有文献中研究的改进控制方式，均是在电压裕度控制和电压下垂策略的基础上进行的，本文在结合以上控制策略的基础上提出了一种可协调各换流站的控制策略，使其能够适应较大范围内的不平衡功率，最大程度的避免换流站过载的现象。

1 VSC-MTDC控制策略

目前，根据VSC之间对通信要求的情况VSC-MTDC控制方式主要包含以下两种：有通信类控制和无通信类控制。有通信类控制主要是指主从控制，设计思想是将所有的换流站分为主站和从站，主站要作为平衡节点控制直流电压的稳定和系统有功功率的平衡，当主站故障被迫退出运行时，从站则通过通信系统接收信号，从而转变控制方式接替原主站控制直流电压。

无通信类控制包括电压裕度控制(直流电压偏差控制)和直流电压下垂控制。电压裕度控制是主从控制的一种延伸，采用多点直流电压控制，即多端柔性直流输电系统中至少有两端VSC具备控制直流电压的能力。当采用直流电压控制的换流器故障或者达到系统限制，该端转为其他控制方式，另一端换流站将转换为直流电压控制模式。采用电压裕度的外环控制器结构如图1所示。

图1 电压裕度外环控制器 Fig.1 Voltage margin out loop controller

但该控制方法存在以下几点缺陷：在同一时间只有一个VSC维持电压恒定保持功率平衡，所以导致响应速度较慢[8]；在主控制器切换时会导致电压突然地偏移，引起系统振荡，潮流变化较大时，会引起电压偏差较大；电压裕度过大，将导致直流电压偏差过大，裕度选取较小，直流电压波动又易引起误动作[9]；VSC较多时，设置的备用VSC也多，电压裕度等级就多，不仅增加设计的复杂度，也使电压偏差变大[10]。目前实际已投运的VSC-MTDC工程中，中国广东南澳多端柔性直流输电工程，采用主从式直流电压控制；中国浙江舟山五端柔性直流输电工程则结合主从控制和裕度控制备份两种模式。

直流电压下垂控制的是基于发电机的静态频率特性的思想[10]，得到的直流电压和功率或电流的关系，当潮流变化时各换流站均参与功率的平衡，随着功率的变化直流电压沿着下垂曲线相应变化。直流电压下垂控制法具有操作便捷、直流电压可连续调节，避免了像电压裕度控制一样当模式切换时导致的电气冲击的问题[11]。采用直流电压下垂控制，选择合适的下垂系数至关重要。电压下垂控制的控制器结构，如图2所示。

图2 直流电压下垂控制器结构Fig.2 DC voltage droop controller structure

直流电压下垂控制策略比较适合功率频繁波动的柔性直流输电系统。然而，也具有其固有缺陷：潮流不能精确控制、直流电压工作点不固定，下垂斜率较大，则功率分配特性相对较好，且不易发生功率波动，会导致电压偏差较大，因此使得直流电压质量较差，若直流电压偏差越限会导致系统无法正常运行；反之，若下垂斜率较小，直流电压波动较小，则电压质量相对较好，但会导致功率分配能力降低[11, 12]。

2 VSC-MTDC协调控制

本文所采用的VSC-MTDC系统，如图3所示。

图3 五端VSC-HVDC系统结构Fig.3 Structure of VSC-HVDC system with five terminals

2.1 直流电压下垂控制特性

假设多端柔性直流输电系统中有m个VSC采用直流电压下垂控制，其它n-m个VSC均采用定功率控制，则系统的功率平衡方程可为

(1)

式中：Pi表示第i个VSC的有功功率；Ki表示采用直流电压下垂控制的VSC的下垂系数。

(2)

VSC的功率：

(3)

(4)

(5)

(6)

可得采用直流电压下垂控制的VSC分配到的功率变化量为

(7)

(8)

可以看出，各VSC分担的功率变化量由下垂系数决定，且下垂系数越大分配的功率越小。根据KiPimax=KjPjmax设置各自的下垂系数，容量越大下垂系数越小，反而使得容量小的VSC分担的功率变化量较小，所以考虑功率裕度的下垂控制策略是很好的避免功率过载问题的控制方式。

为了保证电压偏差在直流电压极限内，引入一直流电压百分数α，0%<α<100%,记

(9)

则下垂系数为

(10)

其中，R为VSC的功率裕度，为

(11)

代入式(8)则可得各VSC按照功率裕度分配的功率变化量，即

(12)

可以看出，当下垂系数采用考虑功率裕度的方式选取，各VSC分担到的功率可按各自裕度分配，裕度越小分配的功率越小，最大程度的避免换流站过载，得到合理的下垂系数范围。运行原理图如图4(a)所示。

图4 考虑功率裕度的下垂控制原理图Fig.4 Principle of droop control considering power margin

当功率变化量进一步增大，VSC达到功率极限，此时控制策略改为定有功功率控制，直流电压同时也达到了其裕度的上下限，需要原来采用定有功功率转换控制策略为[Udch,Udcmax]或[Udcmin,Udcl]之间的直流电压下垂控制分担功率变化量。下垂系数为

(13)

式中：功率裕度R为

(14)

上述控制模式的转换进一步分担系统中剩余的功率变化量，使系统能够较大范围有效稳定运行，运行原理图如图4(b)所示。

通过以上分析，可以进一步设计一种控制方式，控制原理和结构分别如图5、6所示。该策略在图4(a)的基础上加入了定有功功率环节，结合了裕度控制可作为主从控制策略中的从换流站，当主站退运行或达功率限额时，由该站切换为直流电压下垂控制，承担起平衡功率、稳定直流电压的任务。

图5 考虑电压、功率裕度的综合下垂控制原理图Fig.5 Margin of the integrated droop control schematic considering the voltage, power

图6 考虑电压、功率裕度的综合下垂控制器结构Fig.6 Integrated droop controller structure considering voltage and power margin

关于动作电压udc1、udc2的值的选取，其值太大会影响系统的灵敏度，动态响应慢；取值太小又容易引起误动作，影响稳态性能。为了选取合适的动作电压，引入一个参数n，表示直流电压波动比。此时，动作电压上下限可分别表示为

(15)

式中：n的取值稍大于直流电压正常运行的波动比即可。

2.2 VSC-MTDC协调控制策略

电压裕度控制旨在同一时间只有一个VSC维持电压恒定保持功率平衡，所以导致响应速度较慢；主控制器切换时会导致电压偏移，引起系统振荡，当潮流变化较大时或电压裕度选取的过大，会引起电压偏差较大；裕度选取较小，又易引起误动作[37]；不仅增加了控制器设计的复杂度，也使电压偏差变大[38]。直流电压下垂控制也有其固有的缺陷：潮流不能精确控制、直流电压工作点不能固定，如下垂斜率较大，会导致电压偏差较大，因此使得直流电压质量差，电压偏差越限会导致系统无法正常运行；反之直流电压波动较小，电压质量相对较好，但会导致功率分配能力降低。

通过以上的介绍，本文设计了五端柔性直流输电系统的协调控制策略，结合了主从控制的直流电压恒定、裕度控制的可靠以及下垂控制的连续等特点，最大程度的避免了换流站过载的现象，可以使VSC-HVDC系统能够最大范围的有效稳定的运行，如图7。VSC1采用定直流电压控制；VSC2和VSC3采用电压裕度控制与基于功率裕度下垂控制相结合的综合控制策略；VSC4和VSC5采用定有功功率控制，VSC5在裕度电压和极限电压之间附加基于功率裕度的下垂控制。

图7 VSC-MTDC系统协调控制策略Fig.7 Coordinated control strategy of VSC-MTDC system

该协调控制策略可分为三层：第一层采用主从控制，VSC1作为主控制换流站，负责稳定直流电压和平衡有功功率。VSC2、VSC3结合裕度控制和下垂控制，做为后备主控制，系统在稳态点A运行时，其他各换流站均处于定功率运行模式，该运行状态不仅可以保持直流电压恒定，同时可以避免功率波动问题；第二层VSC1故障闭锁(或满载)时，不能控制直流电压恒定，运行点由A点到B点，VSC2、VSC3作为备用主换流站，自动的转换到直流电压下垂控制模式，进一步平衡由VSC1导致的功率变化量，而VSC5由于电压裕度较大仍工作于定有功功率状态下；第三层当VSC4负荷增加，VSC2、VSC3电压达到裕度电压上限，同时功率也达到了极限，VSC2、VSC3则进入限流状态，此时VSC5的模式切换到直流电压下垂控制，由VSC5保持直流电压恒定，平衡剩余的功率变化量。该策略能协调各换流站，且能够适应较大范围的功率波动，最大程度的避免了换流站过载的现象。

3 仿真分析

本文根据所提的控制策略设计了上述五端柔性直流输电系统，对于站间混合控制策略，推荐使用低阶协调控制器(一般为二到三阶)，其结构简单，适用于多端系统，主要通过多个换流站站间的协调控制达到多端系统直流电压平滑稳定控制的目的。对于交流电网强度和稳定性较高的换流站，可以配置成直流电压斜率控制模式或者较低的电压偏差，从而优先对直流电压进行支撑；而对于负荷潮流要求较高的区域，可以通过设置较高的直流电压偏差，从而保证该落点在多端系统直流电压偏差范围内的交流负荷不受直流电压暂态扰动的影响。为了验证所提策略的有效性，在Matlab/simulink平台上搭建了对应的五端柔性系统，各VSC分别采用如图7所示对应的控制策略。假设直流电缆的平均阻抗为0.01Ω/km，VSC2、VSC3的波动比n取4%，直流电压百分数α取8%。各下垂系数可根据各VSC的容量和控制模式切换的动作电压确定。系统相关的其他主要参数如表所示。

(1) 稳态模式

初始状态下，VSC2、VSC3的功率指令值分别为-20 MW和20 MW，VSC4、VSC5的功率指令值分别为-20 MW和-10 MW。系统工作在稳态点A点，由VSC1作为主换流站，控制着直流电压稳定和有功功率的平衡。在3.5 s时刻，VSC4的负荷由20 MW突变为30 MW，即功率指令值由-20 MW变为-30 MW，各换流站的功率分布及直流电压的仿真波形如图8、9所示。

表1 参数取值表

图8 各VSC功率波形图Fig.8 Power waveform of each VSC

图9 直流电压波形图Fig.9 DC voltage waveform

可知，系统稳态运行时，当出现VSC4的不平衡功率时，VSC1可以稳定直流电压，VSC2、VSC3的直流电压波动并不会越限而导致控制模式切换为直流电压下垂控制，VSC2、VSC3和VSC5均继续工作于定有功功率的模式上，由VSC1分担所产生的不平衡功率。

(2) 暂态模式

为了验证主站VSC1因故障退出运行时，有VSC2、VSC3作为后备，仍能维持系统稳定的情况，在上述条件的基础上进行继续仿真，VSC4的负荷维持在30 MW，功率指令值为-30 MW，设在7 s时刻VSC1因故障突然退出运行(VSC1 换流站网侧发生三相金属性接地故障，接地电阻0.01 Ω，7.5 s网侧接地故障消除)，此时各换流站的功率和电压情况如图10、11所示。

图10 各VSC功率波形图Fig.10 Power waveform of each VSC

图11 直流电压波形图Fig.11 DC voltage waveform

可以看出，当主站退出运行时，VSC1向直流网络输送的功率突然降为0，直流系统吸收的功率小于向外输送的功率，功率出现不平衡，此时VSC1直流电压开始下降。当电压降低到VSC2和VSC3的动作电压，则控制方式切换为直流电压下垂控制，承担功率平衡和稳定电压的任务。在故障初始时刻，直流电压跌落较多，VSC3约提供了20%的功率参与暂态直流电压控制，当直流电压进一步被控制以后，VSC3很快退出了直流电压斜率协调控制模式，当交流电网恢复时，由于直流电压波动较小，且在VSC1恢复直流电压控制以后，VSC2很快退出了直流电压偏差控制，整个过程平稳可控；同时可以看出，下垂系数是按照功率裕度设置的，VSC2和VSC3分担的功率也按照各自的功率裕度分配，不会出现单个换流站过载的现象。

4 结 论

VSC-HVDC是以电压源换流器为基础的新型的直流输电系统，具有电能质量好、功率可控、无换相失败以及隔离故障等众多优点，弥补了交流系统与传统直流系统的众多劣势，具有广阔的应用前景。VSC-MTDC可协调多个电源与负荷，容易实现潮流的任意反转，控制灵活、高效，随着换流器拓扑结构和电力电子等技术的不断改进，VSC-MTDC必然会成为未来直流输电系统的发展趋势。本文首先对VSC-MTDC的三种典型的控制策略，包含主从控制、电压裕度控制和直流电压下垂控制的控制原理进行介绍；然后，根据各自的特点提出了一种协调控制策略，该策略结合了主从控制的直流电压恒定、裕度控制的可靠以及下垂控制的连续等特点，协调各换流站使其能适应较大范围的不平衡功率，最大程度的避免了换流站过载的现象；最后，在Matlab/simulink平台建立了五端柔性直流输电系统仿真模型，结果表明，所提控制策略可有效协调各换流站，在较大范围的功率波动的情况下，仍能安全、可靠、稳定的运行。但本文所提VSC-MTDC协调控制策略是在理想条件下建立的，各站直流电压阈值认为基本一致，未考虑直流线路压降，因此为了实现各站的精确控制还需进一步对各站的电压偏差进行考虑。

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Design of Control Strategy for Multi-terminal VSC-HVDC Transmission System

LI Yanqing, WANG Zirui

(Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

This paper mainly conducts a study on the control strategy of VSC - HVDC transmission system. Firstly, the principles and features of master-slave control, voltage margin control and DC voltage droop control of VSC - HVDC system were detailedly introduced. Then, the paper proposed a coordinated control strategy composed of the above three control ways and margin concept to hierarchically coordinate all convertor stations, which can adapt to wide-range unbalanced power and avoid overload problem. Finally, VSC-MTDC model was established in the Matlab/simulink platform and the simulation analysis verified the availability of the proposed control strategy. This paper is of important theoretical significance for the deeper understanding of the control principle of the VSC-HVDC system, and can provide a theoretical basis for the design of VSC-HVDC transmission system adopting droop control.

VSC-HVDC; wind power; coordinated control strategy; droop control; VSC-MTDC

2017-04-13.

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.06.07

TM721.1

A

1007-2691(2017)06-0041-06

李燕青(1974-)，男，教授，主要研究方向为电网规划，新能源发电与微电网控制;王子睿(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为分布式发电、虚拟发电厂与微电网控制。