一種適用于MMC-MTDC的主站直流電壓控制策略

熊　毅,龐　丹,齊海濤

(1.東北電力大學 研究生院,吉林 吉林 132012; 2.國網吉林省長春供電公司,長春 130000;3.國網江西省電力公司 吉安供電分公司,江西 吉安 343000)

?

一種適用于MMC-MTDC的主站直流電壓控制策略

熊毅1,龐丹2,齊海濤3

(1.東北電力大學 研究生院,吉林 吉林 132012; 2.國網吉林省長春供電公司,長春 130000;3.國網江西省電力公司 吉安供電分公司,江西 吉安 343000)

針對多端直流電網控制方式在緊急情況時存在的不足,提出了一種以UDC為參考信號,允許直流電網中多個換流站參與電壓調節,在換流站退出運行的緊急狀況下,都能夠保證電網運行的可靠性和電壓穩定性的控制策略。在RT-Lab中搭建了一個連接海上風場和陸上交流系統五端直流電網模型。分析了換流站運行于UDC-Q控制模式(主換流站)或者P-Q控制模式(下垂控制)或者是UAC-f控制模式,仿真研究了一個換流站退出運行后的動態過程,驗證了直流電壓控制策略的有效性。

模塊化多電平換流器;高壓直流輸電;多端直流電網;下垂控制;電壓穩定性

能源需求的不斷增長以及新能源的大量接入,加上碳排放降低的目標都迫使現有的電力網絡接近于極限運行,這就迫切需要對現有系統進行強化。歐洲電網建立超級電網的方式就是一種很好地解決方法[1-2],構建多端直流電網以連接海上風場和陸上交流系統,其他國家也在經歷相似的情形。中國建設多端直流電網主要是解決風場接入問題,如中國舟山項目就是一個包含海上風場和陸上交流電網的五端直流電網,其中包含五個換流站,風場模型為雙饋風機,換流站為模塊化多電平換流器(MMC)。該換流器具有較低開關頻率、較小損耗,節省了濾波設備,而且模塊化設計提升了換流站可靠性,所以它適于構建多端直流電網。

多端直流電網的控制方法可歸納為“定直流電壓運行”(主從模式)和“P-U下垂控制”[3]。主從控制中,主換流站是唯一一個調節功率以平衡直流電壓的節點,整個直流電網會在主換流站(直流電網的平衡節點)退出運行時受到威脅。P-U下垂控制中,換流站都能夠參與到電壓控制中,提升了直流電網運行的可靠性;但在高負荷運行情況,該方法并不能精確調控直流電壓,一個換流站退出運行時,要求直流電壓變化±5%以內。另一方面,所有換流站參與電壓控制不可避免產生沖突。本文提出一個不依靠遠程通信而能保持電壓穩定的控制策略,即搭建有兩個主換流站(平衡節點)的多端直流電網,采用改進的電壓下垂控制策略,以保證動態工況時直流電壓在運行限值內。

1　模塊化多電平換流器(MMC)

1.1MMC結構

MMC換流器有3個相,分別由上橋臂、下橋臂組成。子模塊(SM)的個數由標稱電壓決定,子模塊串聯形成橋臂。每個子模塊有兩對開關(IGBT和二極管)和一個電容組成。每個橋臂由大量子模塊串聯組成,從而降低了每個子模塊的額定電壓值,因而提升了波形質量。文獻[4]以嵌套的快速同步方法仿真,能降低電磁暫態仿真的計算時間,對每一個子模塊能提供一個精確模型,也能仿真子模塊損壞的情形。

1.2MMC控制

MMC控制器分為上層控制(外環、內環控制)和底層控制(電容電壓平衡和環流控制),如圖1所示。

圖1　MMC控制框圖

上級控制采用了向量控制:內環控制中,電流通過分解到dq旋轉坐標系下實現了有功功率及無功功率的解耦控制;兩個外環控制中P、Q、Udc及交流電壓用來決定dq軸的電流參考值。下級控制中,環流抑制控制(CCSC)用來降低二次諧波和保護子模塊。電容電壓平衡控制用來保證運行工況下各子模塊電容電壓的平衡。

2　模塊化多電平換流器的控制

多端直流電網(MTDC)通常采用三種控制方法:傳統的主從控制、P-U下垂控制、多電壓控制換流站的控制方法。

2.1定直流電壓控制(主從控制)

直流電網中直流電壓是平衡信號,在運行時必須保持恒定。在主從控制中,主換流站用以控制直流電壓,其他換流站控制各自的有功功率。主換流站調節功率維持直流電網的有功功率動態平衡。這種集中控制需要主換流站具有快速的暫態響應速度和足夠的有功功率,并與強交流系統相連。但該控制方法在主換流站退出運行后無法保持系統運行的可靠性和穩定性。

為控制直流電網的潮流,維持直流電壓與設定值,直流電壓控制器調節內環參考值idref。直流電壓測量值和設定值之間的差值經過一個PI控制器得到idref。有功功率控制器的控制過程與其類似,如圖2所示。

圖2　換流站直流電壓控制及有功功率控制

2.2P-U下垂控制

下垂控制是為了維持某一換流站退出運行時多端柔性直流輸電系統的功率平衡，這種模式使得所有換流站都能夠參與到功率平衡控制中,減少了主從控制中主換流站功率不匹配的問題。對于多平衡節點會帶來沖突問題,可以通過隨直流電壓波動的下垂控制環節保證潮流的控制。P-U下垂控制流程類似于交流系統中的頻率下垂控制;但是由于線路的電阻而導致直流電壓并不是一個單一值。下垂控制的實現解決了MTDC中必須有一個主換流站的問題。按設計需求直流電網電壓必須保持在-0.95～+1.05 V之間。P-U下垂控制的流程如圖3所示。

圖3　P-Q控制站的P-UDC下垂控制

檢測到直流電壓變化時可以通過下垂控制調節有功功率的參考值。下垂常數β決定了不同換流站之間功率分配的不同。相同的下垂常數會導致所有換流站的有功功率平均分配。如果各換流站選取不同的下垂系數,則下垂系數較大的換流站會對控制環節做出更多響應。通過靈敏度分析可以選取最合適的下垂控制常數β。

文獻[5-6]對使用下垂控制的多端直流電網進行了應急分析。定義Pi是第i個換流站的有功功率輸出,Pi*是功率參考值,Ploss是直流導線電壓降造成的總損耗,穩態下,它們的計算表達式分別為

(1)

Ploss=-ΣiPi

(2)

(3)

換流站n退出運行后,換流站的功率參考值變為

(4)

假設所有換流站擁有相同的功率額定值,并且忽略直流功率損耗,簡化后的功率表達式(n換流站退出運行后,剩下的n-1個換流站平均分配功率。為

(5)

2.3主從下垂控制(UDC-Q換流站)

一般情況下,直流電網中同時有兩個平衡節點換流站,會引起控制沖突。在主換流站退出運行時,定直流電壓控制和P-U下垂控制都不能保證電網運行的可靠性和直流電壓的穩定性。為解決這一問題,本文提出一種控制策略,即多電壓控制換流站的控制方法。

主控站直流電壓控制如圖4所示,電壓的參考

值通過下垂控制獲得,并引入換流站測得的直流電流IDC。選擇直流電流IDC是因為換流站退出運行時,最直接的變化就是IDC。下垂控制常數γ隨著運行工況和換流站額定參數而改變。γ值通過靈敏度求解確定,其取值有嚴格要求;若γ<γmin,下垂控制不起作用,若γ>γmax,電壓設定值偏差太大,嚴重影響系統的穩定。主下垂控制可以在某個主控制站退出運行時保證電壓的快速恢復。

圖4　主控站直流電壓控制

3　建立多端直流系統模型

在RT-Lab中建立的5端柔性直流輸電系統模型如圖5所示。

該系統包含了陸上交流電網及海上風場:換流站1號、2號、3號、5號與理想電壓源表示的交流系統連接;換流站4號與海上風場相連接,其中海上風場為雙饋式感應風機。所有換流站均采用上述描述的模塊化多電平換流器(MMC),各換流站通過100 km長的地下直流電纜相連。算例柔性直流輸電系統的參數如表1、2所示。

表1　風電機組參數

圖5　RT-Lab系統中建立5端直流電網模型

交流系統側直流系統側直流電纜SCR220kV±320kVR0.0127Ω/km1000MW14mHL0.93mH/km203e7ΩC12.74nF/km

在該系統中,換流站1號是主換流站運行于UDC-Q模式,換流站2號、3號、5號為P-Q運行方式。風場控制交流電壓UAC及頻率f保證風場的功率最大限度的注入電網。由于電壓源型換流器(VSC)擁有雙向傳輸功率的能力,每個換流站都能夠根據運行需求運行于整流模式或逆變模式。

4　仿真及結果

用上述在RT-Lab中建立5端柔性直流輸電系統進行仿真試驗,以驗證本文提出的控制策略的有效性。常數系數β和γ通過靈敏度分析方法確定。穩態情況下系統的潮流狀態如圖6所示,在1 s時換流站1號退出運行。之后分兩種情形分析系統的動態特性。

情形1:換流站1號是算例系統的唯一的主換流站;換流站2號、3號、5號運行于P-UDC下垂控制或運行于P-Q模式;換流站4號運行于UAC-f模式。

情形2:換流站1號和2號均為主換流站,換流站3號運行于P-UDC下垂控制,換流站4號運行于UAC-f模式,換流站5號運行于P-Q模式。

4.1P-UDC下垂控制

通過換流站1號的退出運行檢驗系統的動態特性。常數系數β的取值范圍為βmin<β<βmax。β<βmin(=β1)時整個系統都無法保持穩定,系統潮流可變范圍很小,能量的不匹配需要較長時間才能達到平衡,直流電壓也會超出限值范圍。而當β>βmax(=β3)時P-UDC下垂控制的影響可忽略不計。事故前系統電壓維持在1 p.u.;事故狀態電壓允許調整范圍為(+1.05 p.u.;-0.95 p.u.)。可以看到由于β1數值太小，當β=β1時電壓相應最差,上升到1.4 p.u.;而選擇較大數值的β2、β3時能有效補償能量的不匹配并只引起電壓輕微上升至1.3 p.u.(β2)、1.15 p.u.(β3)。

從圖6可知,β3產生了最佳電壓響應,所以P-UDC下垂控制最佳常數系數β取值為β3。在換流站1號退出運行，P1減小為0 p.u.時,P-UDC下垂控制可控制換流站2號、3號及5號的功率補償系統功率不匹配,維持了電網能量的均衡(Pin=Pout+Ploss),上述動態測試可得出P-UDC下垂控制雖然能夠維持換流站間功率的平衡,但無法保證直流電壓UDC維持在正常范圍內。

圖6　情形1換流器直流母線電壓及潮流狀態

4.2多主站控制

換流站1號、2號作為直流電網的主換流站,通過直流電壓信號UDC進行電壓控制。1s時換流站1號退出運行,直流電網直流電壓和功率特性曲線如圖7所示。通過靈敏度分析可以確定常數系數γ,其值確定了主下垂控制的特性。常數系數γ的取值范圍為γmin<γ<γmax,其中γmin=0.01,γmax=0.1。γ<γmin時主下垂控制無效,而γ>γmax時兩個主換流站的電壓背離太大,導致電壓值上升至限值,系統的穩定也無法保證。考慮P-UDC下垂控制中β=β3選擇γ。直流電壓UDC在γmin、γ2時維持在可接收限值內,首先升高至1.05 p.u.,之后下降至標稱電壓值,則在γmin、γ2之間取值時可得到很好的電壓特性,這樣取γ=γ2。在故障發生的暫態瞬間小范圍內受到P-UDC下垂控制的影響,P3和P5降低以彌補P2的變化。次主控站(2號)主要負責功率的平衡。

由圖7可知,本文提出的控制策略在保證功率分配平衡的同時具有快速的電壓恢復特性。

圖7　情形2換流器直流母線電壓及潮流狀態

5　結　語

本文提出了一種可選擇的控制策略,保證主控站退出運行時并滿足電壓穩定的前提下維持直流電網功率平衡,通過兩個主控站的配合克服了其他控制策略的不足。在控制回路中直流電壓UDC參考信號得到修改防止了電壓控制的沖突。為驗證所提出控制策略的合理性與有效性,在RT-Lab系統中建立了基于MMC的5端直流電網，并進行仿真試驗，結果表明,該控制策略可以保證在電壓穩定的前提下維持直流電網功率的合理分配。

[1] AHMED N, HAIDER A, VAN HERTEM D, et al. Prospects and challenges of future HVDC Super Grids with modular multilevel converters[J].in Power Electronics and Applications (EPE 2011),Proceedings of the 2011-14th European Conference on, 2011, pp.

[2] VAN HERTEM D,GHANDHARI M.Multiterminal VSC HVDC for the euro pean super grid: Obstacles[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010,14(9):3156-3163.

[3] HAILESELASSIE T M,UHLEN K. Impact of DC line voltage drops on power flow of MTDC using droop control[J].Power Systems, IEEE Transactions on, 2012,27(3):1441-1449.

[4] GNANARATHNA U N, GOLE A M, JAYASINGHE R P.Efficient modeling of modular multilevel HVDC converters (MMC) on electro magnetic transient simulation programs[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on, 2011,26(1):316-324.

[5] CHAUDHURI N R,CHAUDHURI B. Adaptive droop control for effectivepower sharing in multi-terminal DC (MTDC) grids[J]. Power Systems, IEEE Transactions on, 2013,28(1):21-29.

[6] ABDELWAHED, MOHAMED A, ELSAADANY, EHAB. Adaptive droop based power sharing control algorithm for offshore multiterminal VSC-HVDC transmission[C]//Electrical Power and Energy Conference (EPEC), 2015 IEEE. IEEE, 2015.

(責任編輯郭金光)

DC voltage control strategy for main station of MMC-MTDC

XIONG Yi1, PANG Dan2, QI Haitao3

(1.Graduate School, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2.State Grid Jilin Electric Power Supply Company, Changchun 130000, China; 3.Ji′an Power Supply Branch, State Grid Jiangxi Electric Power Company, Jian 343000, China)

Aiming at the shortcomings of the existing multi-terminal DC power control mode in emergency circumstances, this paper proposed the control strategy which allowed multiple converter stations to regulate grid voltage, takingUDCas the referential signal, so as to ensure reliability and voltage stability of power grid operation. In the RT-Lab, the five-terminal DC power gird model connecting offshore wind farm and onshore AC system was established. The paper analyzed the converter station operating underUDC-Qcontrol mode (main station),P-Qcontrol mode (droop control) orUAC-fcontrol mode, and simulated the dynamic process of the converter station after the operation, and verified the effectiveness of DC voltage control strategy.

MMC; HVDC; MTDC,Droop control; voltage stability

2016-01-17；

2016-03-04。

熊毅(1986—),男,碩士研究生,主要從事柔性直流輸電系統的控制策略研究。

TM761

A

2095-6843(2016)03-0204-05