五端直流電網電壓控制及功率分配策略

王凱，孫海順，胡曉波，張珂

(1.強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學)，武漢市 430074；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

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五端直流電網電壓控制及功率分配策略

王凱1，孫海順1，胡曉波2，張珂1

(1.強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學)，武漢市 430074；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

電壓源直流電網適用于風力發電場并網及遠距離電力輸送，為保證直流電網電力傳輸的靈活性，研究人員提出了多種直流電壓控制及功率分配策略。基于對直流電壓偏差控制和直流電壓下垂控制策略優缺點的分析，提出了一種新的控制策略。該控制策略可提高直流電網穩態運行時的電壓精確跟蹤能力，并實現主換流站退出運行后直流電網控制模式的平穩轉換。基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，建立了含有1個大型海上風電場和4個陸上交流系統的五端電壓源直流電網平均值模型，通過對比風功率波動、主換流站退出運行等不同場景下直流電網的穩態、暫態特性，驗證了所提出控制策略的有效性和優勢。

電壓控制；功率分配；偏差控制；下垂控制；主垂控制

0 引 言

近年來，遠距離大容量電力傳輸及可再生能源并網問題得到了廣泛關注[1-2]。傳統的兩端高壓直流輸電系統在一定程度上解決了該問題，而含多個直流端的多端高壓直流輸電系統和高壓直流電網具有更多的優勢：(1)在與交流電網相連接處建設換流站，降低了換流站數量，不僅可以顯著降低成本，也能夠降低輸電損耗；(2)單個換流站獨立傳輸功率，轉換傳輸狀態(由發送/接收變為接收/發送)過程中不影響其他換流站狀態；(3)冗余更多，單條線路的停運，不影響其他線路的送電可靠性；(4)通常擁有超過1個直流電壓等級，便于不同電壓等級直流系統間的互聯[3-7]。

為建立直流電網，需解決大量的技術難題，其中最重要的問題之一為直流電網各換流站電壓控制和功率分配策略的選擇。相對于二端直流輸電系統，直流電網中換流站控制策略的選擇要復雜得多[8-9]。由于電壓源直流電網的正常運行需要穩定的直流電壓，而直流電壓的穩定性直接取決于直流電網中各換流站輸出功率的平衡，各換流站間的潮流應當在各種情況下得到正確的控制。這就是說，流入和流出直流電網的潮流應當平衡，以維持直流電網電壓穩定。為了滿足該需求，研究者們針對直流電壓控制和功率分配策略做出了大量的研究。

文獻[10]提到，現有的直流電網控制策略可以分為3類：(1)單點直流電壓控制策略，該類控制策略的特點是直流電網中有單個換流站控制直流電壓，其余換流站控制交流電壓、交流頻率或交流功率等其他變量，該類控制策略以主從控制(master-slave control)為代表；(2)多點直流電壓控制策略，該類控制策略的特點是直流電網中有多個換流站具備控制直流電壓的能力，除單個換流站控制直流電壓外，直流電網中其余換流站具備備用的直流電壓控制能力，該類控制策略以主從備用控制和直流電壓偏差控制(DC voltage margin control)[11-12]為代表；(3)直流電壓斜率控制策略，該類控制策略的特點是直流電網中各換流站具備獨立的直流功率-直流電壓(或直流電流-直流電壓)特性曲線，可以實現各種工況下的功率快速分配，該類控制策略以直流電壓下垂控制(DC voltage droop control)[13-14]和自適應控制(autonomous converter control)[15-16]為代表。

主從控制實現起來簡單方便，但由于直流電網中只有1個換流站具備直流電壓控制能力(該換流站相當于交流系統中的平衡節點)，當該直流電壓控制站因故障退出運行或失去直流電壓控制能力時，整個直流電網將失穩，故該控制策略適用性較差。直流電壓偏差控制相當于主從控制的改進，在直流電壓控制站故障失去電壓控制能力后，后備定直流電壓控制站可檢測到直流電壓偏移，轉換為直流電壓控制站，控制直流電壓，保證系統繼續穩定運行，但其偏差值的選取較為困難，響應速度也較慢。直流電壓下垂控制將電壓控制和功率分配任務分配給每個換流站，實現了工況轉換后功率指令的快速再分配，能夠適應潮流頻繁變換的直流電網，但其下垂斜率較難選取，且直流電壓、直流功率控制不精確，容易發生直流電壓和直流功率的偏移。

針對直流電壓控制及功率分配策略的研究現狀，本文提出一種新型的控制策略，避免直流電壓偏差控制與直流電壓下垂控制的缺點。為了驗證該控制策略的有效性，本文基于PSCAD/EMTDC仿真平臺建立含DC/DC變換器的五端直流電網仿真模型，實現直流電網穩態運行時直流電壓精確跟蹤以及主換流站退出運行時控制模式的快速平滑轉換。

1 五端直流電網

根據國際大電網會議(CIGRE)“HVDC Grid Feasibility Study”工作組報告中給出的定義，直流電網應當是“由換流器直流端互聯所構成的網格化結構電網”[4]。根據直流電網的定義，不失一般性，本文所研究的五端直流電網如圖 1所示。

圖1 五端直流電網拓撲

圖1所示五端直流電網由5個兩電平電壓源型換流站(voltage source converter，VSC)和1個DC/DC變換器構成，其中換流站1、換流站2、換流站3、換流站4通過網格狀直流架空輸電線路互聯形成四端直流系統，經DC/DC變換器升壓后，由直流海底電纜連接至換流站5，形成含網格和星形結構的五端直流電網拓撲。

該直流電網中，換流站5經過換流變壓器連接海上風電場，通過海底電纜線路45和DC/DC變換器將海上風電場的發電功率輸送至陸上四端直流系統中；四端直流系統中各換流站通過換流變壓器分別連接4個各自獨立的有源交流系統，并具有功率雙向傳輸能力。海上風電場向五端直流電網輸入功率，因此換流站5為逆變站；穩態運行時，換流站3向五端直流電網注入功率，為整流站；換流站1、換流站2、換流站4從五端直流電網吸收功率并輸送至所連接的交流系統中，為逆變站。輸入四端直流系統中的功率發生變化時，可通過各換流站功率變化甚至翻轉來平衡系統功率，因此該系統為1個多電源的靈活供電系統，其運行可靠性、經濟性均較高。

五端直流電網各換流站額定參數如表 1所示。

表1 五端直流電網各換流站額定參數

Table 1 Rated parameters of each converter station in five-terminal DC grid

五端直流電網中線路采用π型等效電路建模，等效電路如圖 2所示。圖中：RL、LL、CL分別為線路電阻、線路電感、線路電容；R0、L0、C0分別為單位長度線路的電阻、電感、電容。五端直流電網中各條線路參數如表2所示。

圖2 π型等效電路

2 直流電壓控制及功率分配策略

五端直流電網的直流電壓控制及功率分配策略，其關鍵在于保持直流電壓不變，以保證海上風場產生的電能能夠穩定地傳輸至陸上交流系統中。穩態運行時，換流站5和DC/DC變換器的任務是保證海上風場的電能能夠通過換流站5、海底電纜和DC/DC變換器傳輸至四端直流系統，因此，直流電壓控制及功率分配的任務由四端直流系統中的換流站1、換流站2、換流站3和換流站4完成。

2.1 直流電壓偏差控制

直流電壓偏差控制是一種多點直流電壓控制策略，可實現無通信條件下的換流站控制模式自動切換。以圖 1所示的五端直流電網為例，假設換流站1、換流站2、換流站3、換流站4均采用偏差控制。其中，換流站1采用定直流電壓控制模式，控制四端系統直流電壓為額定值，吸收不平衡功率；換流站2、換流站3、換流站4控制各自輸出功率為額定值，同時作為定直流電壓后備站，在換流站1失去直流電壓控制能力時轉換為直流電壓控制模式；換流站5控制風場功率輸出為指令值。

五端直流電網正常工作時，換流站1、換流站2、換流站3、換流站4采用的直流電壓偏差控制策略的控制原理圖如圖 3所示，本報告規定直流功率的正方向為換流站功率從交流系統注入直流電網的方向。

圖3中，udcref為換流站1直流電壓指令值；P2、P3、P4分別為換流站2、換流站3、換流站4工作于定功率控制模式時其功率指令值；Δudc2、Δudc3、Δudc4分別為換流站2、換流站3、換流站4的直流電壓上下限值之差，即直流電壓偏差值。

圖3 直流電壓偏差控制原理

當換流站1因故障退出運行或失去直流電壓控制能力，直流電網中的功率無法平衡，直流電壓發生較大的變化，定直流電壓后備站檢測到較大直流電壓偏差后，即依次轉入定直流電壓控制模式。如圖 3(b)所示，以額定工況下換流站1從直流電網向交流電網輸出功率為例，當換流站1因故障退出運行后，直流電網中多余功率無法外送，直流電壓因此上升，優先級最高的定直流電壓后備站投入運行。由圖 3(a)可見，Δudc2>Δudc3，較之換流站2的電壓上限，四端直流系統的電壓更先達到換流站3的電壓上限，故換流站3的備用優先級高于換流站2。換流站3轉換為定直流電壓控制模式后，換流站3承擔了平衡節點換流站的任務，改變了功率值，平衡了直流電網功率，使四端直流系統電壓穩定在其電壓上限值。在換流站2容量允許的情況下，若換流站3也失去直流電壓控制能力，則由備用優先級較低的換流站2來控制直流電壓。另外，當額定工況下向直流電網注入功率的換流站1退出運行時，直流電網的直流電壓控制任務轉換過程與上述情況相似，區別在于直流電壓最終將穩定在定直流電壓控制備用站電壓下限值。

直流電壓偏差控制策略不需通信，可實現主換流站失去直流電壓控制能力后直流電壓控制任務的多次重新分配；但是，直流電壓偏差控制策略除了未解決各時刻只有單個換流站控制直流電壓，帶來的直流電壓控制站功率平衡壓力過大的問題外，還具備以下缺陷：多個定直流電壓后備站對應了多個后備優先級，增加了各后備站控制器的設計復雜度；當直流電網端數增加、定直流電壓后備站數量增加時，為體現各后備換流站后備優先級的不同，優先級越低的后備換流站直流電壓偏差越大，而該偏差值不應當超過直流電網允許的電壓波動范圍，故偏差值的選取限制了定直流電壓后備站的個數。

2.2 直流電壓下垂控制

較之直流電壓偏差控制，直流電壓下垂控制是一種較晚提出的直流電壓控制策略。以圖 1所示的五端直流電網為例，換流站1、換流站2、換流站3、換流站4均采用直流電壓下垂控制。因此，四端直流系統中各換流站均同時具有直流電壓控制和功率分配的功能。換流站5控制風場功率輸出為指令值。

換流站1、換流站2、換流站3、換流站4采用的直流電壓下垂控制策略的控制原理圖如圖 4所示，本文規定直流功率的正方向為換流站功率從交流系統注入直流電網的方向。

圖4 直流電壓下垂控制原理

如圖 4所示，采用直流電壓下垂控制的各換流站可根據各自直流側電壓值調整功率指令值，以滿足直流電網內功率平衡的要求。對于向直流電網注入功率的整流站，直流電壓上升(下降)時，為滿足直流電網功率平衡的要求，其功率指令絕對值則會下降(上升)；對于從直流電網吸收功率的逆變站，直流電壓上升(下降)時，為滿足直流電網功率平衡的要求，其功率指令絕對值則會上升(下降)。采用直流電壓下垂控制的換流站中任一換流站因故障退出運行后，所引起的功率缺額由其他所有繼續運行的換流站共同承擔。

采用直流電壓下垂控制的換流站能夠迅速響應直流電網潮流變化，調整功率指令值，適用于潮流頻繁變化的直流電網；另外，由于直流電網中多個換流站同時具備直流電壓控制和潮流分配能力，系統中出現的功率缺額可由多個換流站共同補償，令系統快速平穩地進入新的穩態；但其缺陷在于對直流電壓和功率的跟蹤不夠精確，直流電壓容易隨著功率的重新分配而發生變化，只有在各換流站輸出功率均為指令值時，系統電壓才能維持在額定值。

2.3 主垂控制策略

結合主從控制和直流電壓下垂控制，本文提出一種新型控制策略，稱之為主垂控制。采用主垂控制策略的直流電網，選取1個合適的換流站作為主換流站，運行于定電壓控制模式，其余各換流站采用下垂控制，如此可以保證穩態情況下直流電壓的精確控制以及主換流站退出運行后的控制模式平穩轉換。主垂控制策略原理如圖 5所示。

如圖 5所示，直流電網運行于穩態時各換流站共同維持直流電壓穩定和潮流平衡，若電網內潮流發生小幅度的波動，由主換流站(即換流站1)平抑該部分功率波動，將直流電壓控制在定值，可避免功率小幅波動帶來的直流電壓改變；當主換流站因故障退出運行后，直流電網內功率缺額由其他各換流站共同補償，可實現系統控制模式的平穩轉換。

圖5 主垂控制原理

3 仿真研究

選取海上風電場風功率波動和換流站1退出運行這2種仿真場景，研究采用各控制策略時五端直流電網的穩態、暫態特性。

3.1 風功率波動

6.0 s前，五端直流電網進入穩態。海上風場輸出功率于6.0 s開始下降，0.5 s內由800 MW下降至400 MW；海上風場輸出功率于7.0 s重新上升，0.5 s內由400 MW上升至800 MW。采用直流電壓偏差控制、直流電壓下垂控制和主垂控制情況下的五端直流電網仿真波形如圖 6所示。圖中UdcL1、UdcL2、UdcL3、UdcL4、UdcL5和PdcL1、PdcL2、PdcL3、PdcL4、PdcL5分別為換流站1、換流站2、換流站3、換流站4、換流站5的直流側電壓和輸出功率；Udcdc為DC/DC變換器低壓側直流電壓。

如圖 6(a)所示，海上風場風功率發生波動時，采用直流電壓偏差控制的五端直流電網中，換流站5輸出功率發生相應變化，注入五端直流電網的功率也隨之變化，換流站5直流電壓產生波動；換流站1發揮直流電壓控制站作用，吸收該部分功率變化，并維持陸上四端直流系統直流電壓恒定；由于換流站2、換流站3和換流站4輸出功率均未偏離指令值，四端直流輸電系統中其余各換流站未受到影響。

如圖6(b)所示，采用直流電壓下垂控制的五端直流電網中，輸入陸上四端直流系統的功率發生變化后，各下垂控制換流站共同吸收功率變化；6.0～6.5 s，換流站1、換流站2和換流站4減小了輸出至交流系統的功率，換流站3增加了輸入至直流電網的功率，共同維持了五端直流電網的功率平衡和電壓穩定；在此期間，根據各換流站的下垂特性曲線，陸上四端直流系統電壓有所下降。

如圖6(c)所示，采用主垂控制的五端直流電網，在風功率波動過程中的表現與采用直流電壓偏差控制時幾乎一致，這是2種情況下因為風功率波動造成的功率變化均全部由主換流站吸收。可見，采用主垂控制的五端直流電網在風功率波動場景下的表現良好，四端直流系統實現了直流電壓的精確跟蹤，避免了采用下垂控制時直流電壓發生偏移的現象。

圖6 風功率波動仿真波形

3.2 換流站1退出運行

6.0 s前，五端直流電網進入穩態。t=6.0 s，換流站1因內部故障退出運行，采用直流電壓偏差控制、直流電壓下垂控制和主垂控制情況下的五端直流電網仿真波形如圖7所示。

圖7 換流站1退出運行仿真波形

如圖7(a)所示，采用偏差控制的五端直流電網中，換流站1退出運行后，其功率輸出快速下降至0 MW；由于換流站1退出運行前向其所連接的交流系統注入功率，陸上四端直流系統產生功率過剩，直流電壓快速上升，各功率站均受到影響，輸出功率發生偏移；換流站2檢測到本地的直流電壓越限，直流電壓控制外環替代功率外環產生作用，控制模式由定功率控制轉換為定直流電壓控制，吸收系統內過剩的功率，穩定直流電壓。

如圖7(b)所示，采用下垂控制的五端直流電網中，換流站1功率輸出下降至0 MW過程中，四端直流系統中其余各換流站一同承擔該功率缺額，直流電網潮流在短時間內達到新的平衡。

如圖7(c)所示，采用主垂控制的五端直流電網仿真波形與采用下垂控制時基本一致，實現了主換流站退出運行時控制模式的平穩轉化，避免了采用偏差控制時直流電網短時的直流電壓和功率振蕩。

4 結 論

直流電壓偏差控制和直流電壓下垂控制是現有的最為典型的直流電網控制策略，但二者具有較明顯的缺陷。為結合上述2種控制策略的優勢，避免二者的缺陷，本文提出了主垂控制策略，實現了直流電網穩態運行情況下的直流電壓精確跟蹤以及主換流站退出運行情況下控制模式的快速平穩轉換。基于PSCAD/EMTDC仿真平臺建立的五端直流電網模型在不同場景下的表現，驗證了該控制策略的有效性和優勢。主垂控制雖具備上述優勢，但仍然存在控制模式轉換后直流電網電壓偏移的問題，今后的研究中將會通過多種方法進行改進。

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(編輯：蔣毅恒)

DC Voltage Control and Power Dispatch Strategy of a Five-Terminal VSC-Based DC Grid

WANG Kai1, SUN Haishun1, HU Xiaobo2, ZHANG Ke1

DC grids based on voltage source converters (VSCs) have been proposed for integrating large wind farms and delivering remote energy source power through long distance. A number of DC voltage control and power dispatch strategies have been presented by researchers to guarantee the power transmission’s flexibility and capacity of such DC grids. Based on the analysis on the advantages and disadvantages of DC voltage margin control strategy and DC voltage droop control strategy, a novel control strategy was proposed to achieve the goal of both precise DC voltage tracking under normal operation and steady control mode conversion after slack-bus terminal loss. Based on PSCAD/EMTDC simulation platform, a mean value model of a five-terminal VSC-based DC grid with four onshore AC systems and one offshore DC system was built. Through the comparison on the steady-state and dynamic-state characteristics of the DC grid under wind power variation, main converter station tripping and other conditions, the validity and advantages of the proposed control strategy were verified.

voltage control; power dispatch; voltage margin control; voltage droop control; master-droop control

國家電網公司科技項目(直流電網基礎理論研究)。

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

TM 721.1

A

1000-7229(2015)04-0052-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.009

2014-09-05

2014-10-20

王凱(1989)，男，碩士研究生，主要從事直流電網結構、穩態控制特性、暫態控制特性方面的研究工作；

孫海順(1971)，男，博士，副教授，主要從事電力系統分析、電力系統次同步振蕩、高壓直流輸電及柔性交流輸電、風場并網及能量儲存方面的研究工作；

胡曉波(1981)，男，博士，高級工程師，主要從事新能源發電仿真與建模技術方面的研究工作；

張珂(1992)，女，碩士研究生，主要從事直流電網控制策略方面的研究工作。