多端柔性直流输电系统的功率协调控制策略

蔡明，陈涛，张松光，岳伟，刘小勇

(1. 广东电网有限责任公司，广东 广州510620；2. 广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515041；3.荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114000)

随着电压源换流器(voltage source converter，VSC)的快速发展，基于其的柔性直流输电(VSC based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)技术成为直流输电技术的主流趋势。传统直流输电以双端单点直流电压控制较多，而多端VSC-HVDC技术可实现多个电源区向多个负荷区供电，换流站既可以作为整流站也可以作为逆变站，充分体现了多端VSC-HVDC系统的灵活性和经济性[1-2]。

多端VSC-HVDC系统是在同一直流网络中，含有2个以上VSC换流站的VSC-HVDC系统，其最显著的特点是能够实现多电源供电、多落点受电。作为一种灵活快捷的输电方式，多端VSC-HVDC技术在风电等新能源并网、构筑城市直流配电网等领域具有广阔的应用前景。目前，直流电压控制有主从控制、直流电压偏差控制及直流电压斜率控制3种模式，其中主从控制实现简单，但对换流站间的通信要求较高，换流站间通信的准确性直接影响控制效果[3-4]；电压偏差控制无需站间通信，但设计复杂，控制器参数的选取会对控制效果造成影响[5-7]；直流电压斜率控制无需站间通信，结构简单，根据各换流站不同的容量特性设定各自的斜率和不同的调差特性曲线，可实现多个换流站共同作用、同时决定系统运行状态，能够弥补只采用一个换流站作为主站进行直流电压控制的缺陷[8-10]。关于直流电压斜率下垂控制，文献[11-15]中提到了下垂控制的具体实现方法和控制结果，但均未考虑到直流输电线路阻抗对多点定直流电压换流站功率分配的影响，以致在系统功率波动时引起直流电压偏移，以及功率分配不能精确跟随设定值和各换流站容量比例。

本文分析了多端VSC-HVDC的功率协调控制，提出一种适用于两端及多端VSC-HVDC系统直流电压控制换流站的功率分配协调控制策略；所提控制策略可实现单点和多点定直流电压控制换流站依据各站容量以及运维人员的设定合理分配负荷功率，消除因负荷功率变化引起的直流电压偏移和功率分配误差。

1 多端VSC-HVDC系统结构

多端VSC-HVDC系统指的是在同一直流网架下，含有2个以上VSC换流站的VSC-HVDC系统，能够实现多电源供电，多落点受电。三端VSC-HVDC系统简化结构如图1所示。

图1 三端VSC-HVDC系统简化结构Fig.1 Simplified structure of three-terminal VSC-HVDC system

图1中，R1、R2和R3为直流线路电阻，T1、T2和T3为换流站。各个换流站通过直流侧线路接到直流母线上，每个换流站交流侧所接既可以为有源系统，也可以为无源系统，因此每个换流站的控制方式可能不同。为了维持各个换流站交换功率平衡，必须有至少一个换流站采用定直流电压控制，以维持直流侧电压的稳定。

在基于VSC的多端VSC-HVDC系统中，除了负责控制直流电压的换流站外，还有功率节点，每个换流站向多端直流网络发出或吸收设定的有功功率。对交流侧来说，有功功率和无功功率可以同时独立进行调节，多端VSC-HVDC系统中各换流站的有功功率控制模式主要为定有功功率控制和无源系统的电压频率控制两种[16-21]。

2 常规多端协调控制策略

多端VSC-HVDC系统比两端系统具有更高的经济性和灵活性，但是其控制器的设计更为复杂，多端VSC-HVDC系统的控制器主要有带通信的控制和不带通信的控制两种模式。前者的控制方式为主从控制，即所有换流站中有一个换流站为主站，负责稳定直流电压和功率平衡；后者的控制方式主要为直流电压偏差控制和直流电压斜率控制。直流电压偏差控制实质上是在定直流电压主站故障退出运行后，后备定直流电压从站能够检测到直流电压偏差，并自动转入定直流电压模式，与带通信的主从控制有相似性；采用直流电压斜率控制器的多端系统，各换流站有独立的功率与直流电压关系曲线，可以实现不同运行情况下的直流功率快速平衡和分配。常规工程中采用的是较为简单可靠的、带通信的主从控制和电压偏差控制。

在已有工程中，更多的是采用带通信的控制，站间有带冗余的通信光纤，南澳三端系统为典型的带站间通信控制的多端系统。基于主从控制的多端系统中，定直流电压站一般选取功率最大站，同时也是多端系统的主站，其他站则被选取为定功率站。在正常运行模式下，主换流站控制直流系统的直流电压，其他换流站按照设定的有功功率点运行，不参与直流电压调节；当直流电压过高时，附加控制启动过压限流控制，将系统直流电压稳定下来，如图2中定功率站的虚线部分。图2中，Udc为直流电压，Udcref为直流电压参考值，Idc为直流电流，Imax、Imin分别为允许直流电流的最大值和最小值，Idcref为直流电流参考值。

如果系统多个送端为新能源并网等纯送电电源，或经交流联络线存在第二送电通道时，当唯一受端退出运行，送端亦将退出运行，系统不设置从换流站。以南澳工程为例(如图2所示)，空心点为各换流站的实际运行工作点，图中2个定功率站为送端，受端为定直流电压站，受端功率等于2个送端功率之和。当受端交流系统故障或其他原因导致直流电压上升，2个送端启动过压限流功能，送端功率减小，直至直流电压恢复至正常水平；当受端换流站故障退出运行时，送端2个送电换流站也退出，三端停运，转为交流送能。

图2 基于简单控制的多端柔性直流输电系统控制策略Fig.2 Control strategy for multi-terminal VSC-HVDC system based on simplified control

如果系统设置了从换流站，当主换流站因故障退出运行时，主换流站控制系统会向从换流站发出控制模式切换命令，从换流站接替主换流站完成功率平衡的任务，同时稳定直流电压，其他换流站保持原有控制模式不变。

若多端直流系统设置带有直流电压偏差控制的换流站，当负责定直流电压的主换流站出现故障退出运行后，直流电网功率失衡，换流站注入直流网络的功率大于或小于换流站从直流电网吸收的功率；因此直流电压升高或降低，当达到从换流站的电压阈值时，从换流站自动转换为定直流电压控制。

3 基于电压-电流下垂控制的多端协调控制策略

3.1 多点定直流电压-电流下垂控制

多端VSC-HVDC系统稳定运行的重要前提是直流电压稳定，除了采用带通信的主从控制和电压偏差控制外，目前研究热点是多点定电压电流下垂控制，可支持更多节点的直流网络。多点定直流电压下垂控制策略通过预先设计各站的下垂特性，保证各定直流电压换流站按照各站容量比例输出，提高多端VSC-HVDC系统的安全稳定性。

定直流电压斜率控制有电压-有功功率下垂控制和电压-电流下垂控制两种方式，本文采用直流电压-电流下垂控制，图3所示为其特性曲线。采用直流电压-电流下垂特性控制，可实现多站控制直流电压时的动态分担负载；同时，各站有自己的最大允许直流电流Imax(目前采用额定直流电流)，当Idc超出允许时，将转入限流控制，不再维持Udc，斜率rdr一般按容量进行整定。

图3 直流电压-电流下垂特性Fig. 3 Droop characteristic of DC voltage and current

直流电压-电流下垂控制结构框图如图4所示，首先根据交流侧有功功率参考值Pref和直流侧额定电压Udcref计算得到直流电流参考值Idcref，经过下垂控制得到直流电压控制参考值Udcref，将其与采样得到的直流电压Udc进行比较，并经过比例积分(proportional integral，PI)调节器调节得到电流内环参考值idref(另加下标max和min分别表示该值的最大和最小值)，LPF为低通滤波器。

图4 定直流电压站控制结构Fig. 4 Control diagram of constant DC voltage station

3.2 附加电压调节的多端定有功功率控制

图5所示为多端有功功率控制换流站定有功功率对外特性图。当Udc在一定范围内(如额定±3%)时，控制有功功率等于设定值；当Udc超出范围并且Udc在最大允许范围内时，采用定直流电压的下垂特性控制；当Udc超出最大允许范围时，转入限流控制；具体控制策略如图6所示。定功率站控制采用3个PI调节器，其中：2个PI调节器对给定电压进行下垂特性调整；1个PI调节器对有功进行调整，确保当Udc在范围内时，对有功功率的调节是无差的。通过对3个调节器的输出取最大/最小操作，保证三者之间的稳态切换；任何一个调节器起作用时，通过退饱和调节器动态设定其他两个调节器中的积分输出，保证三者之间的动态平稳切换。图6中，ki_Vdc为直流电压调节器的积分模块、kp_Vdc为直流电压调节器的比例模块、ki_p为有功调节器的积分模块、kp_p为有功调节器的比例模块、P为1个比例模块。

图5 定功率站对外特性Fig. 5 External characteristic of constant power converter station

4 基于二次功率协调控制的多端协调控制策略

4.1 二次功率协调调整控制

定直流电压斜率控制有2个问题：①由于定直流电压站采用了直流电压斜率控制，当实际功率偏离下垂特性设计的额定功率，会导致Udc抬升或降低偏移额定电压；②当涉及到多个定直流电压站之间的功率分配时，在未考虑线路电阻的影响时，其值的准确性将直接影响控制效果，这将直接导致多个定直流电压控制站之间的功率分配偏离设计的分配比例。

因此，对定直流电压站m(1≤m≤n)，将其有功功率之和乘以系数km作为该站有功功率的设定值，设定值与反馈值进行比较后，经PI调节，与设定值叠加，生成该站直流电压斜率控制的有功指令，两站控直流电压时二次调整如图7所示。图7中，Pf为有功功率反馈值，Pfbk为有功功率反馈值经滤波后的值。

图7 2个定电压站集控中心控制框图Fig. 7 Control diagram of centralized control center of two constant DC voltage stations

4.2 多点定直流电压控制器设计

多站采用直流电压控制时的功率协调控制策略如图8所示，n为多端VSC-HVDC系统中定直流电压站个数，Pf1,Pf2, …,Pfn为各定直流电压站有功功率反馈值；Pfbk1,Pfbk2, …,Pfbkn分别为各定直流电压站有功功率反馈值经滤波后的值；PI1, PI2, …, PIn分别为各定直流电压站比例积分器；Pref1,Pref2, …,Prefn分别为功率分配控制生成的各定直流电压站直流电压斜率控制的有功指令；PN1,PN2, …,PNn分别为各定直流电压站额定有功功率；k1,k2, …,kn分别为各定直流电压站可设定的有功功率分配系数。各定直流电压站输出有功功率按照各站额定有功功率进行比例分配，满足

(1)

5 仿真验证

在PSCAD/EMTDC平台上搭建三端VSC-HVDC系统模型，其中2个换流站采用定直流电压斜率控制，1个换流站采用定有功功率控制，仿真系统参数设置见表1，设置相关参数时，在不同时间段下降斜率和直流线路电阻值不同。

表1 仿真系统参数Tab.1 Parameters of simulation system

设T1、T2按2∶1吸收T3发出的100 MW有功功率，直流线路在各时间段内的电阻值见表2，下降斜率k2=2k1，在控直流电压换流站未使用和使用二次功率协调控制时的仿真波形如图9所示。

表2 线路电阻Tab.2 Resistance of DC transmission lines

由图9可以看出，在定直流电压换流站使用二次协调控制后，由于功率分配部分根据各定直流电压站的实际有功功率不断修正直流电压斜率控制的有功功率参考值，使得各定直流电压站按照设定比例分配有功功率，并在线路阻抗发生变化时不影响各站的功率分配。

图9 输出有功功率波形Fig.9 Output active power waveforms

T3发出50 MW有功功率，6～8 s后，T3发出150 MW有功功率，未使用二次协调控制的功率分配和直流电压仿真波形，以及使用功率协调控制后的直流电压波形如图10所示。由于采用直流电压斜率控制，当T3功率阶跃、系统出现功率缺额时，实际功率偏离了下垂特性设计的额定功率，会导致直流电压偏移额定电压。使用二次功率协调控制后，由于引入功率分配，不断修正直流电压斜率控制有功功率参考值，使得不同负载稳态时直流电压稳定在额定值附近。

图10 直流侧电压波形Fig. 10 Waveform of DC voltage

6 结论

本文提出一种多端柔VSC-HVDC系统改进的直流电压下垂控制策略，通过在单点或多点定直流电压控制换流站控制中引入二次功率协调控制，消除直流输电线路阻抗，使得功率分配不受输电线路阻抗影响，能够准确跟踪系统设定值；该策略可为多端VSC-HVDC系统的工程应用提供理论依据。

通过PSCAD仿真，验证了在直流电压下垂控制基础上二次功率协调控制的正确性，以及对未使用和使用功率二次协调控制的直流电压下垂控制在多端VSC-HVDC系统功率发生阶跃时进行了比较分析；相关结果表明功率协调控制能够在功率阶跃的情况下保持直流电压稳定不产生偏移，提高整个多端VSC-HVDC系统的稳定性。