雙向VSC-HVDC傳輸系統的歸一化控制與運行

趙婷婷, 肖宇，韓肖清，王鵬

(太原理工大學電氣與動力工程學院，太原市 030024)

雙向VSC-HVDC傳輸系統的歸一化控制與運行

趙婷婷, 肖宇，韓肖清，王鵬

(太原理工大學電氣與動力工程學院，太原市 030024)

針對部分地區由于地理位置以及季節性差異引起的能源不平衡現象，提出了基于電壓源換流器的高壓直流輸電(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)系統雙向傳輸的歸一化控制策略，實現了分區聯絡電網能源優勢互補。首先，將電壓源換流器兩側的下垂特性歸一化，獲得交直流電網的傳輸功率參考值；然后，比較直流輸電線路兩端傳輸功率參考值的大小與方向，確定直流輸電線路的傳輸功率；最后，通過控制直流線路兩端的直流電壓，實現功率雙向傳輸，平衡兩側交流電網的功率。設計了3種不同的工作情景，采用實時數字仿真器(real time digital simulator， RTDS)進行了仿真研究，仿真結果驗證了控制的有效性, 實現了低碳電力調度。

電壓源換流器高壓直流輸電(VSC-HVDC)；雙向傳輸；分區聯絡；下垂特性；歸一化；能源互補

0 引 言

我國的能源中心和負荷中心呈逆向分布，煤炭等一次能源和水電、風能、太陽能等清潔能源主要分布在用電需求少、人口密度小、經濟欠發達的西南、西北和北部邊遠地區，而能源需求主要集中在中東部和南部沿海經濟發達地區[1-3]。此外，水電、風能、太陽能等具有間歇性和隨機性，隨著季節不斷變化，如太陽能和水資源在夏季較豐富，而冬季匱乏；風能在冬春季豐富，而夏秋季稀缺，季節差異性較大。

同樣用電需求量也有很大的差異，大部分地區在夏冬季是用電高峰期，但是由于工農業生產的差異性，部分地區在春季或秋季才達到用電高峰。全國很多地方已經開始實行階梯電價、用電高峰切負荷等措施解決電力供求不平衡矛盾[4-5]。基于此，本文提出基于電壓源換流器的高壓直流輸電(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)系統雙向傳輸的歸一化控制策略，通過潮流控制，實現能源的優勢互補，形成良性的電力市場，實現最大限度的風全網低碳電力調度。

VSC-HVDC是近年來興起的一種輕型直流輸電技術，其占地面積小、不需要外網提供換相電壓、具有靈活快速的控制能力、可以實現4象限運行、具備黑啟動能力等[6]。在風能、太陽能等間歇性新能源并網的研究中發揮了重要的作用[7-11]。文獻[12-13]對風電場通過VSC-HVDC并網的控制策略進行了詳細研究。文獻[14]提出了一種新的光伏電站經VSC-HVDC并網的拓撲結構及控制策略。文獻[15-19]詳細研究了在正常情況與故障情況下電壓源轉換器的各種控制策略。

上述文獻均針對VSC-HVDC中單側換流器的控制進行研究，并不能滿足未來電力市場互動的需求。本文提出VSC-HVDC的雙向傳輸控制策略，通過實時調整聯絡電網的潮流，來平衡由于地理與季節性差異造成的能源不均衡性。實際上，VSC本身就可以實現雙向傳輸，本文的重點在于將VSC兩側的下垂特性歸一化，由交流電網頻率與直流線路電壓共同決定傳輸功率的大小與方向，同時結合直流輸電線路兩端換流器的工作狀態，實現實時的雙向傳輸，并在RTDS中仿真驗證3種不同的工作情景。

1 VSC-HVDC系統

VSC-HVDC系統中的換流器采用的是基于全控型器件和脈寬調制控制技術的電壓源換流器。與傳統的高壓直流輸電換流器相比，VSC-HVDC不存在由于交流電網擾動而出現的換相失敗問題，可連接弱電網，甚至無源電網；可以實現有功功率和無功功率的獨立控制；諧波含量少，可以連接異步交流電網[20]。兩電平VSC-HVDC的直流輸電系統結構如圖1所示[21-22]，一端連接交流電網A區，含有風電場，另一端連接交流電網B區。其中：T1，T2為換流變壓器；

RL為直流輸電線路電阻；C1、C2為直流側電容；PS1、PS2為區域交流電網的輸出功率。

2 系統運行控制策略

2.1 數學模型

根據圖1輸電系統結構，有：

(1)

式中：usa、usb、usc為交流側三相電壓瞬時值；ia、ib、ic為交流側三相電流瞬時值；uca、ucb、ucc為換流器輸出的三相電壓瞬時值；電阻R和電抗L為聯結變壓器的等值參數。

經過派克變換，其暫態數學模型為

(2)

式中：usd、usq為交流母線電壓在d、q軸的分量；ucd、ucq為換流器輸出電壓在d、q軸的分量；id、iq為交流電網電流在d、q軸的分量。

2.2 系統控制器設計

控制系統由系統控制層和換流控制層2部分構成。系統控制層完成直流輸電的起停、雙向控制、輸送功率的定值整定等指令。換流控制層完成VSC-HVDC的控制。VSC-HVDC的矢量控制系統采用內外環控制。整個直流輸電系統必須保證有功功率的動態平衡，送端的輸出功率減去直流輸電系統的損耗等于受端的輸入功率，否則直流系統的能量堆積或釋放會導致直流輸電線路電壓大幅波動。因此，兩端換流站的有功控制目標必須不同，一端工作于定有功功率控制時，另一端必須工作于定直流電壓控制，控制目標與原理如圖2所示。

圖1 VSC-HVDC的輸電系統結構圖Fig.1 Transmission system structure of VSC-HVDC

圖2 VSC-HVDC控制目標與原理Fig.2 Control target and principle structure of VSC-HVDC

2.2.1 VSC兩側下垂特性歸一化

為了對分區聯絡電網的潮流進行控制與功率平衡，實現低碳電力調度，首先應該對VSC兩側交直流電網的下垂特性進行歸一化處理，統一到同一個坐標系下，獲得VSC傳輸功率參考值的大小及方向。

圖1虛線框中簡化的系統結構如圖3所示。

(1)交流側。交流電網頻率f與其輸出功率的關系如下：

f=f*+mPac

(3)

(4)

圖3 VSC系統結構圖Fig.3 Structure of VSC system

(2)直流側。直流電源的下垂特性如下：

(5)

(6)

(3)歸一化。歸一化的過程如圖4所示，歸一化公式如下：

(7)

式中：γ表示f或Udc；(γ)′為標準化的γ；γmax、γmin為對應的最大值與最小值；γn為額定值。

設定γmax-γn=γn-γmin，將式(3)—(6)代入(7)，則歸一化后的交直流系統下垂特性為

(8)

交直流系統結合后的下垂特性具有相同的x軸和y軸，如圖4(c)和4(d)所示，可以放在同一參考坐標系下，如圖4(e)所示。因此，采用PI控制器來均衡 (f) ′與(Udc) ′，實現交直流電網間的功率傳輸。

圖4 交直流下垂特性的歸一化Fig.4 Normalization of AC and DC droop characteristics

(9)

式中：P1和P1′分別為交、直流側的功率；kp與ki分別為對應PI控制器的比例和積分系數，具體控制如圖2中的(1)部分所示。

同時為保證接入交流母線電壓穩定，采用定交流電壓控制，如圖2中(2)部分所示。通過比較參考電壓Usref1與測得的交流電壓Us1來獲得相應的電壓差，再經過比例積分器獲得q軸電流的參考值。

2.2.2 VSC-HVDC的雙向傳輸控制

由歸一化控制得出兩端換流器傳輸功率的參考值P1和P2。規定功率由交流側流向直流側時為正方向。當P1與P2異號時，說明一區發電功率過剩，另一區出現功率缺額，此時設定線路傳輸功率ΔP=min(|P1|,|P2|)來實現能源互補，仍然有功率差額的區域可以進行切機或切負荷操作；當P1與P2同號時，說明兩區域發電功率都過剩或都有缺額，過剩時可以切部分火力發電機組，最大限度利用清潔能源，出現缺額時切部分不重要負荷，此時設定線路傳輸功率ΔP=0，兩區域各自實現功率平衡；當P1與P2有一個為0時，說明一區域平衡，另一區域過剩或有缺額，此時同樣設定ΔP=0。

通過控制直流線路兩端的直流電壓實現VSC-HVDC輸電系統的雙向傳輸，使兩端的直流電壓設定值存在一定的差值ΔUd，即輸電線路壓降，如圖2中(3)部分。

當P1ΔP>0時，即要求潮流從A區流向B區時，運行特性如圖5(a)所示，整流側A端實現定電壓控制，逆變側B端實現定功率控制。

整流側A端：參考電壓Udc,ref1=U-0=U，其中U為直流輸電線路的額定電壓。Udc,ref1與A端的測量電壓Udc比較后經PI控制得到A端指令電流Idref1。其中，直流輸電線路需要傳輸的功率ΔP為PI控制器的上下限幅。整流側A端實現定電壓控制。

逆變側B端：線路傳輸功率為定值ΔP時，線路壓降ΔUd=ΔPR/U，此時B端的直流電壓參考值設定為Udc,ref2=U-ΔPR/U。這里不考慮線路電阻R隨溫度的變化。Udc,ref2與B端的測量電壓Udc2比較后經PI控制得到B端指令電流Idref2。其中，直流輸電線路需要傳輸的功率ΔP為PI控制器的上下限幅。此時，Idref2為PI控制器的下限，即傳輸的功率為ΔP。逆變側B端實現定功率控制。

反之，當P1ΔP<0時，A端為逆變側，B端為整流側，運行特性如圖5(b)所示。

當P1ΔP=0時，兩區域各自實現功率平衡，設定Udc,ref1=U，Udc,ref2=U，兩端直流電壓相等，傳輸功率為0。

圖5 電壓控制下雙向傳輸特性Fig.5 Bidirectional transmission characteristics under voltage control

2.2.3 內環電流控制

ucdref和ucqref為VSC的輸出電壓參考值。usd、usq為交流電壓在d、q軸的分量。Kp、Ki分別為相應PI控制器的比例和積分系數。根據式(2)及電流前饋解耦控制規律，VSC內環電流控制方程為

(10)

電流控制器的d軸和q軸成為2個獨立的控制環，具體內環控制見圖2中的(4)部分。

3 RTDS仿真驗證

3.1 建模環境

RTDS為實時數字仿真儀，其計算速度快、精度高、頻率范圍大、靈活性強，可以更準確地測試VSC-HVDC控制器。小步長封裝模塊是RTDS特有的建模環境，可以進行VSC-HVDC的仿真計算，仿真步長為1.4到2.5 μs。由于系統采用直流輸電，輸電線路的發送端與接收端不能為同一端口，本文發送端在1處理器3端口，接收端在1處理器4端口，采用光纖接線，如圖6所示。時，A區域與B區域均需要各自通過切機切負荷或

3.2 仿真結果驗證

由2.2.2部分的分析可知，當P1與P2有一個為0者能源調度來實現功率平衡，此時直流輸電路傳輸功率ΔP=0，即相當于兩區域無聯系。為此本文不再仿真分析P1P2≥0的情況，重點仿真分析P1與P2異號時分區聯絡電網的優勢。為了驗證本文控制策略的有效性，設計了3種不同的工作情景，并在RTDS中進行了仿真驗證。仿真結構見圖1，換流站額定容量為100 MW，直流輸電線額定電壓為110 kV，輸電線路全長100 km，0.032 06 Ω/km。采用SPWM調制方法，載波頻率為21倍基頻。系統主要參數見表1。

圖6 RTDS光纖接線Fig.6 Connection using fiber in RTDS

表1 VSC-HVDC系統參數
Table 1 Parameters of VSC-HVDC system

(1)情景1：A地區冬季風比較大，但由于經濟落后用電負荷小，有剩余電能；B地區則比較發達，主要能源為水電，但冬季為枯水期，需要實行階梯電價或切負荷來維持穩態運行。為了避免A區電網清潔能源的浪費、減少儲能費用，同時減輕B區電網的負荷壓力，通過VSC-HVDC將交流電網A區與交流電網B區連接起來。在冬季由A區向B區傳輸電能，達到A區、B區和環境共贏的目的。仿真時間為0～2 s，仿真結果如圖7中情景1所示。

此時，控制系統會采集交流系統頻率與直流線路電壓，歸一化后測得P1=50 MW，P2=-100 MW，P1ΔP>0，VSC1工作于整流狀態，VSC2工作于逆變狀態。從圖中可以看出，控制系統性能良好，直流輸電線路電壓穩定在110 kV；A區與B區母線電壓與頻率恒定；通過VSC-HVDC由A區向B區輸送風電功率50 MW。

(2)情景2：由于A地區的風能具有隨機和不確定性，在t=2 s時風能增大，t=4 s時風能又減小，其波形如圖7中情景2所示。

圖7 系統響應Fig.7 System response

此時，仍然有P1ΔP>0，監測到的交流電網頻率與直流輸電線路電壓歸一化后回饋給VSC實現有功功率傳輸。下垂特性歸一化后有P1=100 MW，P2=-100 MW，在t=2 s時，A區流向B區的功率由50 MW上升到100 MW；在t=4 s時，P1=50 MW，P2=-100 MW，傳輸功率由100 MW降到了50 MW。從仿真結果可以看出，控制系統響應速度快，控制性能良好，兩區域交流母線電壓穩定，最大幅值波動為0.002 pu。直流輸電線路電壓出現了小幅波動，從105 kV到115 kV，維持在了允許范圍內。A區頻率偏差最大為±0.07 Hz，B區最大頻率偏差為±0.02 Hz，均滿足電能質量要求。VSC-HVDC的輸送功率跟隨交流網功率變化而波動，可見本文所設計的控制策略適用于具有不確定性和隨機性的新能源發電，可以根據交流電網頻率與直流母線電壓實時確定傳輸功率，最大限度地利用清潔能源。

(3)情景3：夏季A地區風力匱乏，又沒有其他的能源資源，出現了供不應求的現象；夏季卻為B地區的豐水期，水電能源豐富，有剩余電能。為了實現最大限度的低碳電力調度， VSC-HVDC工作在反向傳輸狀態，由B區向A區傳輸功率，波形如圖7中情景3所示。在7 s時實現了反向傳輸。

此時，控制系統歸一化后計算出P1=-50 MW，P2=50 MW，P1ΔP<0，VSC1工作于逆變狀態，VSC2工作于整流狀態。從圖中可以看出，在t=7 s時潮流反向傳輸，從B區流向A區50 MW，直流輸電線路電壓最高上升到126 kV又恢復到了110 kV。兩側的交流母線電壓在小幅震蕩后都穩定在了額定電壓。A區頻率增大0.04 Hz后恢復到60 Hz。B區頻率下降了0.06 Hz后恢復到了50 Hz。可見該控制系統性能良好，可以根據兩區域交流電網的具體情況瞬時實現潮流反向傳輸。

4 結 論

本文針對部分地區能源資源由于地理位置及季節性差異引起的不平衡性，提出了電壓源換流器高壓直流輸電系統雙向傳輸的控制策略,實現分區聯絡電網能源的實時優勢互補。仿真結果表明,VSC-HVDC可以連接不同頻率的交流電網,提出的控制策略可以根據直流輸電線路兩端交流電網的具體情況控制有功功率的大小與方向，實現低碳電力調度，滿足兩區域交流電網的需求。同時說明控制策略適用于具有不確定性和隨機性的新能源發電，可以根據交流電網頻率與直流母線電壓實時確定傳輸功率，最大限度地利用清潔能源。

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肖宇(1979), 女，博士，主要研究方向為高壓直流輸電、交直流電網電壓穩定研究；

韓肖清(1964)，女，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統運行與控制、新能源發電與控制；

王鵬(1955)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統可靠性規劃和運行、微電網及新能源技術。

(編輯 張小飛)

Normalized Control and Operation of VSC-HVDC Bidirectional Transmission System

ZHAO Tingting, XIAO Yu, HAN Xiaoqing, WANG Peng

(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In view of the imbalanced phenomenon of energy caused by the geographical location and seasonal variation, this paper proposes a normalized control strategy with bidirectional transmission based on voltage source converter-high voltage direct current (VSC-HVDC) system, which can contact grid by partition to realize the complementary advantages. Firstly, the control system determines the reference value of transmission power between AC and DC system through normalizing the droop characteristics on both sides of voltage source converter. Then, we obtain the transmission power of DC transmission line through comparing the size and direction of the reference value of the transmission power between the two ends of DC transmission line. Finally, it achieves bidirectional transmission and power balance between two grids by controlling the DC voltage at both ends of DC line. We design three different work situations and carry out simulation study in real time digital simulator (RTDS). The simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy, which realizes the low carbon power dispatching.

voltage source converter-high voltage direct current (VSC-HVDC); bidirectional transmission; contacting by partition; droop characteristic; normalization; complementary energy

山西省煤基重點科技攻關項目 (MD 2014-06)

TM 721

A

1000-7229(2016)04-0110-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.017

2015-12-22

趙婷婷(1990)，女，碩士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電、電力系統運行與控制；