多端柔性直流输电系统控制策略的研究

严治勇

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东广州，510000）

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，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

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；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；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。

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，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。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

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。

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

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

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。

当系统某一侧潮流突然变化，出现ΔP的功率变化量，主从控制的主控制器分担，当负荷变动较大超过主控制器的容量裕度或主控制器故障闭锁，由采用下垂控制的VSC分担。设第i个VSC正常运行点为(Pi，Udc)，平衡后运行点为(Pi*，Udc*)，Piref－Pi*为第i个VSC平衡前后的功率变化量ΔPi，可得采用直流电压下垂控制的VSC分配到的功率变化量为

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%。

通过计算可以得出，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

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：

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，控制结构如图5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器结构

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。图6考虑电压、功率裕度的综合下垂控制器结构。

此时，动作电压上下限可分别表示为：

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；不仅增加了控制器设计的复杂度，也使电压偏差变大。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。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。

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 结论

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。