一种适用于多端柔性直流输配电系统的新型电压下垂控制方法

王秀茹，刘 刚，王一振，张 科，董平平，赵航宇

（1.江苏国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司，宿迁 223800；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072）

随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等的要求不断提高，现有交流系统面临分布式电源灵活友好接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战[1−3]。

首先，在高压输电领域，基于电压源型换流器VSC（voltage source converter）的柔性直流输电系统占地面积小，可以为无源系统供电，没有无功补偿及换相失败等问题，为海上风电并网提供了一种可行方案[4−5]。相比于点对点的柔性直流输电系统，多端柔性直流 VSC−MTDC（VSC based multi−terminal DC）系统具有投资少、灵活可控等优势。其次，在中低压配电领域，由于分布式电源具有强随机性和间歇性的特点，直接接入交流配电网会对电能质量产生很大的影响，而且常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力发电和燃气轮机等，这些电源产生的电能均为直流电或可通过简单整流后变为直流电，所以将分布式电源接入直流母线不仅能够节省大量换流环节及损耗，而且直流母线可以作为缓冲环节降低分布式电源功率波动带来的负面影响，满足分布式电源灵活、高渗透率接入的需求[6−7]。所以，多端柔性直流技术在输配电领域均具备良好的应用前景。然而，在直流系统中，直流电压反映了功率平衡的情况，当整流侧功率大于逆变侧功率时直流电压上升，反之，直流电压下降[8]。因此，直流电压控制能力是评价多端柔性直流输配电系统性能的关键指标之一。

目前，多端柔性直流输配电系统电压协调控制方法主要可以分为3类：主从控制、直流电压偏差控制和直流电压下垂控制。其中，主从控制指在柔性直流系统中，所有与交流系统连接的有源换流器中，有且只有一个换流器作为主换流器，工作于直流电压控制模式，而其他换流器均为从换流器，可以工作在功率控制模式或者交流电压控制模式。主从控制优势是结构简单，能够实现各个换流站功率的精确控制，电压调节性能和功率分配特性具备良好的刚性。但是，主从控制的不足是各个换流站之间必须具备良好的通讯，一旦出现通讯故障、控制直流电压的主站发生功率越限或者故障退出运行等情况，整个直流系统将失去电压控制环节而失稳，系统可靠性较低[9−11]。

直流电压偏差控制是在主从控制的基础上发展起来的。一旦控制电压的主站失去控制电压的能力，当直流电压超出预设的电压偏差阈值时，按照备用主站优先级的顺序，具备优先控制电压的备用主站控制直流电压。直流电压偏差控制具备主从控制的优势，避免了主站失去电压控制能力后系统电压失去稳定情况的发生。但是，多个后备主站之间需要引入直流电压优先级，直流电压偏差过大，可能会引起系统内直流电压越限，直流电压偏差越过小易引起系统振荡[12−14]。

直流电压下垂控制指换流器直流电压随输出功率的变化而变化，为了保证并联直流系统稳定运行，一般采用电压−功率（V−P）下垂输出特性。电压下垂控制属于多点直流电压控制，由几个换流站共同承担系统的不平衡功率，动态响应速度快，运行可靠性高，不需要通讯，系统扩展方便，适应多端柔性直流输配电系统的发展要求[15−16]。但直流电压下垂控制不能精确控制换流站输出的有功功率，且下垂系数对整个系统的电压调节特性和功率分配特性影响较大。尤其是一旦发生扰动，下垂控制下的多端柔性直流输配电系统容易出现电压越限。针对下垂控制的缺点，国内外很多专家学者提出改进下垂控制策略。文献[17]结合电压偏差控制和电压下垂控制的优势，修正了换流站的直流电压与有功功率的特性曲线，提出了一种基于直流电压偏差的改进下垂控制策略；文献[18−20]提出基于功率影响因子的自适应下垂控制策略，旨在提高直流系统的功率分配特性；文献[21]在电压影响因子和功率影响因子的基础上，研究提出通过改变下垂斜率实现直流电压和功率的良好分布。现有的电压下垂控制策略主要针对下垂控制的下垂系数进行整定和改进，忽略了运行工作点的作用。

针对上述控制策略的不足，本文在多端柔性直流系统控制架构的基础上，提出通过改变下垂控制参考工作点的方法实现多端柔性直流输配电系统在各类扰动下的稳定运行。最后，在PSCAD/EMT⁃DC中搭建四端柔性直流系统验证所提控制方法的正确性和有效性。

1 多端柔性直流控制系统架构

1.1 柔性直流换流站典型控制架构

柔性直流换流站控制系统如图1所示，VSC控制器一般包括外环电压控制和内环电流控制。内环控制旨在通过调节VSC并网点PCC（point of common coupling）的交流电压快速跟踪电流指令，即由电流指令生成调制波的过程；外环控制基于VSC换流站运行状态和控制指令（有功功率、无功功率、直流电压等），生产内环电流控制器的dq轴电流参考值。一般地，外环控制包含2类控制参数：一类是有功类控制，主要控制直流电压，与交流系统交换的有功功率，交流系统频率等指令生成d轴电流参考值；另一类是无功类控制，主要控制馈入交流系统的无功功率，并网点交流电压幅值等指令生成q轴电流参考值。在本文中，主要考虑多端柔性直流输配电系统有功类控制。

图1 柔性直流换流站控制系统Fig.1 Control system of a VSC station

1.2 柔性直流换流站有功类控制

如图1所示，柔性直流换流站有功类控制主要包括3种控制模式：定电压控制模式、定有功功率控制模式以及电压下垂控制模式。3类控制模式下直流电压和有功功率的关系及逻辑框图如图2所示。定直流电压控制模式如图2（a）所示，无论交换有功功率的多少，VSC控制直流电压恒定；定有功功率控制模式如图2（b）所示，不管直流电压如何变化，VSC控制与交流系统交换的有功功率恒定；电压下垂控制模式如图2（c）所示，直流电压和有功功率满足方程

图2 柔性直流换流站3种控制模式及其框图Fig.2 Three control modes of a VSC station and the corresponding block diagrams

2 一种新型的下垂控制方法

2.1 传统电压下垂控制方法

对于一个点对点的柔性直流系统，假设VSC1和VSC2均采用电压下垂控制策略，则VSC1和VSC2根据所定义的下垂控制曲线进行功率分配。

为简化问题，假设忽略网损，即不考虑网络参数，且VSC1和VSC2的直流电压相同。点对点柔性直流系统电压下垂控制特性如图3所示，在稳态时，VSC1和VSC2分别运行在工作点OP1和OP2。

图3 点对点柔性直流系统电压下垂控制特性Fig.3 Voltage droop control characteristics of a twoterminal VSC based DC system

一旦发生了扰动，导致点对点的柔性直流系统产生了不平衡功率ΔP，则VSC1和VSC2同时承担一部分不平衡功率，即

式中：ΔP为总的不平衡功率；ΔP1和ΔP2分别为VSC1和VSC2承担的不平衡功率；β1和β2分别为VSC1和VSC2的下垂系数。

从式（3）和式（4）可以看到，当下垂系数β变大时，VSC分配的不平衡功率变大。所以，在一个无损的多端柔性直流系统中，为了实现功率的合理分配，每个换流站的下垂系数应与各自的最大传输能力（容量）成正比。

然而，一旦考虑线路参数，各个换流站由于线路压降的原因而变得不同。在一些扰动下，比如故障后换流站退出运行，在分担不平衡功率的同时，一些换流站的直流电压偏差会超过限制，这就需要对传统下垂控制进行改进。

2.2 适合多端柔性直流输配电系统的新型下垂控制策略

直流电压偏差是评价多端柔性直流输配电系统性能的一个重要指标，所以本文提出利用直流电压偏差改变下垂系数工作点参考值的新型下垂控制策略，实现多端柔性直流系统在各类扰动下电压不越限。VSCi的直流电压偏差ΔVdci可以表示为

式中：Vdci和Vdcn分别代表VSCi的直流电压和额定直流电压；HVi为电压影响因子，表示电压裕度；ξ为直流电压限制系数，通常情况下，ξ=5%～10%。

为了实现电压不越限的目的，VSCi在检测到本站直流电压Vdci接近电压限制（上限）时，本文提出一种自适应调节运行工作点参考电压的方法，具体实现方式为

式（7）说明，当直流电压Vdci接近电压限制（上限）时，电压影响因子HVi持续减小，则参考直流电压自适应减小以防止直流电压越限。当直流电压等于额定电压时，即Vdci=Vdcn，通过调节λi可以得到。

将式（7）代入式（1），则所提出的电压下垂控制策略可以表示为

对比式（7）和式（8），VSC下垂曲线运行点的参考电压会因为VSC工作状态的变化而自适应地变化。新型的下垂控制策略框图如图4所示。

图4 下垂控制框图Fig.4 Block diagram of voltage droop control

3 仿真验证

为了验证所提新型下垂控制策略的正确性和有效性，在PSCAD/EMTDC软件中建立一个±320 kV四端柔性直流输电系统模型，如图5所示。四端柔性直流输电系统将位于VSC1换流站的风能传输给VSC2、VSC3和VSC4消纳。VSC1工作在Vf控制模式，VSC2、VSC3和VSC4工作在电压下垂控制模式，具体参数如表1所示。

图5 四端柔性直流输电系统示意Fig.5 Diagram of four-terminal VSC-based DC system

表1 四端柔性直流输电系统参数Tab.1 Parameters of four-terminal VSC-based DC system

在本例中，VSC2、VSC3和VSC4分别采用传统定下垂控制方法和所提出的新型下垂控制方法进行仿真对比。传统下垂控制逻辑框图如图4（a）所示，下垂系数如表1所示。新型下垂控制逻辑框图如图4（b）所示，权重系数λi=0.05。在稳态情况下，VSC1输出有功功率1 500 MW，VSC2、VSC3和VSC4分别接收有功功率257、598和452 MW。

扰动情况设置如下。

（1）t=6 s时，VSC1和 VSC3之间的直流线路T13无故障断开（见图5的F1故障）。

（2）t=9 s时，VSC3换流站无故障退出运行（见图5的F2故障）。

整个柔性直流输电系统的动态过程和仿真结果如图6～图8所示，其中Vdc2、Vdc3和Vdc4分别代表VSC2、VSC3、VSC4的直流电压，P1、P2、P3、P4分别代表VSC1、VSC2、VSC3、VSC4的从交流侧馈入到直流侧的有功功率。

图6 新型下垂控制方法下各有源换流站直流电压仿真结果Fig.6 Simulation results of DC voltage of grid-connected VSC stations when using the novel voltage droop control method

图7 传统下垂控制方法下各个有源换流站直流电压仿真结果Fig.7 Simulation results of DC voltage of grid-connected VSC stations when using the traditional voltage droop control method

图8 在各种扰动下各个换流站输出有功功率仿真结果Fig.8 Simulation results of active power output from grid-connected VSC stations under different disturbances

在t=6 s时，直流线路T13无故障断开，各个VSC换流站的直流电压和有功功率经过波动后达到一个稳定的运行状态。

在t=9 s时，VSC3换流站无故障退出运行，VSC3换流站的有功功率快速降低到0，VSC3所承担的功率被VSC2和VSC4承担。

如图7所示，在传统下垂控制的方式下，由于下垂系数及参考运行工作点不变，在扰动发生以后，直流电压偏差较大，甚至出现超过直流电压限定值的现象。如图6所示，在所提新型下垂控制方法下，直流电压偏差较小，不会出现直流电压偏差超过电压典定制的问题。

在整个扰动过程中，由于采取新型下垂控制的换流站的参考电压随着直流电压偏差而自适应地改变，所以在整个扰动过程中，所有采用采取新型下垂控制的换流站的直流电压均不超过电压限定值（672 kV）。以VSC2为例，VSC2下垂控制参考点电压的仿真结果如图9所示，当VSC2的电压变化后，其下垂控制参考点电压自适应地变化，保障VSC2电压不超过电压限定值。四端柔性直流输电系统在扰动下的仿真结果验证了所提出新型下垂控制方法的正确性和有效性。

图9 VSC2下垂控制参考点电压仿真结果Fig.9 Simulation results of voltage at the reference point under droop control of VSC2

4 结语

在充分考虑直流电压偏差的基础上，本文提出一种适用于多端柔性直流输配电系统的新型下垂控制方法，利用直流电压偏差实时改变下垂控制参考点电压，保障在各类故障下直流电压偏差不超过限定值。该方法在四端±320 kV柔性直流输电系统中得到了验证。在未来工作中，需要进一步研究新型下垂控制方法的参数选取问题。