MMC-HVDC互聯系統協調控制策略與頻率響應分析

，， ，興源，

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

MMC-HVDC互聯系統協調控制策略與頻率響應分析

楊林，張英敏，李丹，李興源，劉天琪

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)型直流輸電技術是近年來新能源集中送出和遠距離異步聯網較好的解決方案。負荷變化通過直流電網對交流系統產生的頻率響應是一個重點研究課題。研究了基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流輸電(modular multilevel converter based multi-terminal high voltage direct current，MMC-MTDC)系統的協調控制策略，通過交流電網的頻率下垂控制和MMC換流站的直流電壓下垂控制實現瞬時功率的平衡。通過引入換流站附加頻率控制策略，使某個換流站交流系統出現負荷-頻率變化時其他交流系統可以通過直流電網參與功率和頻率調整，并進行理論推導頻率響應關系，得出頻率響應矩陣。在PSCADX4/EMTDC仿真軟件搭建四端直流電網模型進行驗證，結果表明控制策略的有效性與頻率響應分析的可行性。

MMC-MTDC；互聯系統；協調控制；電壓下垂控制；頻率響應

0 引 言

基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術在新能源集中送出和全球能源互聯等方面具有明顯優勢[1-4]。多端直流和直流電網能夠實現大容量傳輸，對換流站所連交流系統實現無功支撐，不同交流系統之間實現頻率解耦和連接不同剛性強度的交流系統[5]。基于電壓源換流器的多端直流系統或者直流電網系統的相關技術還未完全成熟，很多相關技術需要在裝備工程前進行攻關。其中一個核心問題是如何決定換流站的運行條件(如直流電壓、電壓下垂和頻率下垂等)和在交直流故障情況下的電壓穿越能力。為了決定換流站頻率下垂的調節能力，有必要研究換流站交流側負荷變化引起其他換流站交流側頻率變化以及換流站傳輸功率變化的數學關系。

目前文獻研究側重于多端直流電網的直流電壓下垂控制策略和附加頻率控制策略，鮮有文獻研究直流電網的交流側頻率響應和穩定問題。文獻[6]研究了直流電壓下垂控制策略，能夠對直流網絡的潮流做出快速的響應，改善主導換流站容易滿載的情況，但該策略不能對功率進行精確控制。文獻[7]研究了多端直流系統的電壓下垂控制策略，并在此基礎上引入附加頻率控制，實現了互聯系統的頻率穩定控制，但是該文沒有研究各個換流站之間的頻率、功率和電壓之間的變化關系。電網頻率是發電有功功率與負荷之間的關系，是電力系統穩定控制的重要參數[5,8]。交流系統通過MMC-MTDC實現互聯時，由于換流站對有功無功采用解耦控制，使得直流側功率對交流系統頻率不敏感，有隔絕交流側系統相互影響的優勢，但失去了在交流側發生故障時的頻率相互緊急支援能力。利用直流系統對交流側電網進行頻率輔助控制和事故時換流站相互緊急功率支援，能夠提高交直流電網的安全穩定性和實現區域間能源互補[9-10]。

為了使互聯交流系統在發生事故時能夠功率相互支撐，研究了適用于MMC-MTDC互聯系統的協調控制策略。該控制策略集交流電網頻率下垂控制、直流電壓下垂控制以及換流站頻率下垂控制于一體，在一端換流站交流電網頻率變化較大時，具有調頻能力的交流電網通過直流電網實現功率支援，減少故障端系統頻率變化量。通過研究直流電壓變化量、功率變化量和頻率變化量之間的數學關系，得出頻率響應矩陣。最后通過PSCADX4/EMTDC進行仿真驗證，仿真結果符合所提協調控制策略和頻率響應分析。

1 MMC-HVDC互聯系統

基于模塊化多電平換流器的多端直流輸電系統如圖1所示。圖中：G1、G2、G3、G4分別表示交流系統中的發電機組；Load1、Load2、Load3、Load4表示交流系統的負荷；MMC1、MMC2、MMC3、MMC4表示四端換流站；直流互聯系統搭建成張北四端換流站的口字型直流電網結構[1,11-12]。

圖1 MMC-MTDC系統結構

2 MMC的數學模型與控制結構

2.1 MMC的數學模型

MMC的簡化單線圖如圖2所示。PCC點為換流站與交流系統的公共耦合點，L和R分別代表等值電抗和等值電阻，在數學模型分析中忽略半導體的損耗。

圖2 MMC簡化單線圖

運用同步旋轉坐標系對MMC的數學模型進行分析，在圖2所示的MMC單線圖中，流過阻抗的電流滿足式(1)方程：

(1)

式中，Usabc、Ucabc、iabc分別為PCC點三相電壓、換流器端口三相電壓和換流器端口三相電流。

為了便于實現換流器的控制，將三相參考系下的參量轉換到兩相同步旋轉參考坐標系(d-q坐標系)。式(1)在d-q坐標系下轉換為[13]

(2)

在控制系統中，d-q變換中的角度是利用鎖相環(PLL)追蹤PCC點穩態三相坐標系中A相的電壓相位角度。當以d軸定向時，Usq=0和Usd=Us。將式(2)簡化為

(3)

交直流側電壓滿足式(4)：

(4)

式中，[md，mq]為d-q坐標系下交流電壓的調制系數。聯立式(3)和式(4)，得到：

(5)

式(5)表示了MMC在線性運行區域的數學模型，該模型的參數用于電流內環的PI控制環節。

2.2 MMC的控制結構

MMC換流站的控制策略是基于同步旋轉坐標系進行設計的，控制器中的內環電流控制器包括有功分量和無功分量。為了適應各種運行模式，外環電壓控制器中有功分量包括直流電壓、有功功率或者頻率，無功分量包括交流電壓或無功功率，如圖3和圖4所示。

圖3 內環電流控制環節

圖4 包含外環控制器的完整MMC控制結構

圖4為包含外環控制器的完整MMC控制結構。換流器的有功分量可以采用控制直流電壓，有功功率或者兩者同時控制的直流電壓下垂控制。表示直流電壓下垂控制中的下垂系數，其大小影響著換流站之間功率傳輸的大小。功率流進換流器的方向為正方向。同樣，換流器的無功分量可以采用控制無功功率，公共耦合點的交流電壓或者兩者同時控制的無功下垂控制。

3 MMC-MTDC互聯系統控制策略

3.1 交流電網頻率下垂控制

交流電網的頻率下垂控制是所有交流電網穩定運行主要控制方式，發電機組和負荷之間功率暫態平衡通過頻率變化來反應。交流電網的一次頻率調整是通過主調頻發電廠調速器的頻率下垂控制模塊實現的，其控制機制是將頻率作為全局變量來平衡交流電網的功率交換。頻率下垂控制的控制結構如圖5所示，其詳細的下垂特性和結構參考文獻[5,14]。

頻率下垂系數ρac的大小表示發電機在交流電網功率不平衡導致頻率偏移時的補償能力。在圖5中，頻率下垂系數越小，交流系統就越強。典型的頻率下垂系數為0.04～0.08 pu。

圖5 發電機組頻率下垂控制

3.2 直流電壓下垂控制

在直流電網中，若單一換流站承擔直流網絡的不平衡功率，可能會導致與換流站連接交流系統的頻率發生較大的變化。為使具備系統功率調整的換流站參與直流網絡的不平衡功率的調整，換流站應工作在平衡節點的狀態。直流電壓下垂控制策略來源于交流系統的調頻控制思想，其控制方式可以采用一條直流電壓和功率的關系曲線來表示，控制器特性和控制器結構如圖6所示[15]。圖中，Udcref為直流電壓參考值，Pref為有功功率參考值，kdc為直流電壓下垂系數。

圖6 直流電壓下垂控制器

直流電壓下垂控制結合了功率控制和直流電壓控制的特點，其目的在于實現直流網絡的功率平衡。err為直流電壓的偏差量，在穩態工作點時可近似為0。圖6中直流電壓和直流功率之間的關系為

Udc=Udcref+kdc(Pref-P)

式中，kdc決定了每個換流站分擔直流網絡中不平衡功率的大小，較小的值意味著該換流站承擔較多的不平衡功率。直流電壓下垂控制策略不需要換流站間通信，不用切換換流站的控制模式，具備功率調節的換流站根據其所測得的直流電壓按固定的斜率調整至功率指定值，來承擔網絡不平衡功率。

3.3 附加頻率控制

采用直流電壓下垂控制策略的換流站參與直流網絡不平衡功率的調整，減緩單個主導換流站所連交流系統承受的沖擊。采用前面討論的直流電壓下垂控制策略時，換流站不能對交流系統頻率做出響應，使得其他換流站不能通過MTDC進行功率支援，交流系統的頻率只能取決于本地發電機組的調頻能力和負荷的功頻特性，不能充分利用整個互聯系統的頻率調整能力。

為了使具有調頻能力的交流系統通過MMC-MTDC系統實現互聯系統頻率協調控制，在電壓下垂控制器中引入頻率下垂控制，如圖7所示。

圖7 MMC換流站的頻率控制

3.4 MTDC的頻率響應分析

圖7中可以看出，換流站的有功功率的變化與直流電壓的偏移和交流電網的頻率偏移相關。直流電壓下垂系數表示電壓變化量與功率變化量之比，頻率下垂系數表示電壓變化量與頻率變化量之比。為了研究交直流互聯電網的頻率響應，這里定義每個換流站的交直流側的參數如圖8所示。

圖8 交直流側參數的定義

圖8中的交流系統以集中模型來表示，圖7、圖8中的參數定義如下：

PMi為交流系統向MTDC傳輸的功率，GW；PLi為當地負荷，GW；PGi為交流系統集中發電容量，GW；fi為系統頻率，Hz；Udc為直流電壓，kV；ρi為集中交流系統頻率下垂系數；kdc為換流站直流電壓下垂系數；kf為換流站頻率下垂系數。

在直流電網中，由于線路電阻很小，所以假設不同換流站直流側端口直流電壓相等。從圖8的控制結構可以看出，交流系統功率的平衡關系滿足如式(6)的方程：

ΔPLi+ΔPMi=ΔPGi

(6)

式中，ΔPLi、ΔPMi、ΔPGi分別為當地負荷變化量、換流站MMC功率變化量、發電機功率變化量。交流系統頻率下垂特性與發電功率變化的關系為

(7)

在圖7中的控制策略可以得出：

ε=Udcref-Udc+kdc(Pref-P)-kf(fref-f)

(8)

當系統穩態運行時，ε=0。則交流頻率的變化和(或者)直流母線電壓的變化導致的功率變化量為

(9)

當忽略直流系統的損耗時，MTDC的換流站不會產生，也不會消耗功率，所有換流站交換功率的變化量等于0。

(10)

對于n個換流站，則有

(11)

聯立式(6)、式(7)、式(9)和式(11)，可得負荷功率變換為

(12)

將式(12)簡記為

(13)

式中，

將式(13)改寫成矩陣形式

(14)

式(14)表示了直流電網的交流側負荷與頻率變化的關系，式中變量上方加“-”為變量的標幺值。將矩陣的主對角元素Aii定義為換流站的頻率自響應因子，定義非對角元素Aij為換流站之間的頻率互響應因子。頻率自響應因子反應了第i個換流站交流側負荷變化引起的頻率偏移的強度，頻率互響應因子反應了第i個換流站交流側負荷變化引起第j個換流站交流側頻率偏移的強度。在式(12)分析可知，式(14)中矩陣元素由換流站控制器的參數、交流電網的下垂系數、發電機組發出的功率和換流站交換的功率來決定的，將該矩陣稱之為頻率響應矩陣。交流系統負荷變化量通過式(14)即可求出參與頻率調節的交流電網的頻率偏移。將方程(11)改寫為如下矩陣形式：

(15)

圖7中交直流參數全部給定后，通過式(14)和式(15)求出頻率和直流電壓的變化量，可以快速地確定各個換流站潮流的變化和參與交流電網調頻的強度。

4 仿真驗證

為了驗證所研究的互聯系統協調控制策略和頻率響應分析方法，在PSCADX4/EMTDC仿真軟件中搭建基于模塊化多電平換流器的四端直流電網。交流網絡利用水輪發電機和當地負荷進行等值。直流電網的換流站都采用所研究的基于附加頻率控制的直流電壓下垂控制策略。仿真中的所有控制參數設定如表1所示。

根據表1得出

(16)

(17)

在本仿真模型中，在換流站MMC1的交流電網增加1.5 GW的額外負荷。將ΔPL1=1.5 GW，代入式(16)和式(17)，可得理論計算下的電壓偏移、換流站功率偏移和頻率偏移，其中ΔPL2=ΔPL3=ΔPL4=0 GW。

表1 仿真系統參數

圖9 頻率響應仿真結果

圖10 直流電壓響應仿真結果

ΔUdc=-0.0050p.u.ΔPM1=-0.300GWΔf1=-0.0040p.u.ΔPM2=0.108GWΔf2=-0.0004p.u.ΔPM3=0.090GWΔf3=-0.0006p.u.ΔPM4=0.102GWΔf4=-0.0005p.u.

表3 相關物理量的仿真結果

圖11 功率響應仿真結果

5 結 語

研究了基于MMC-MTDC互聯直流電網的協調控制策略和頻率響應分析方法。該協調控制策略無需站間通信，通過在換流站控制器中加入附加頻率控制策略，使有調頻能力的交流電網參與故障交流電網的頻率響應，并使換流站共同分擔直流電網的不平衡功率。前面研究的是各個換流站交流系統頻率的響應，下一步的工作將對交流網絡頻率偏移范圍、系統的剛性強度、換流站的允許容量范圍與滿載情況、直流電壓等級，以及控制器參數等相關參量之間的相互影響進行研究。

[1] 湯廣福，龐輝， 賀之淵．先進交直流輸電技術在中國的發展與應用[J]．中國電機工程學報，2016，36(7)：1760-1771．

[2] 湯廣福，羅湘， 魏曉光．多端直流輸電與直流電網技術[J]．中國電機工程學報，2013，33(10)：8-17．

[3] Rouzbehi K， Miranian A， Luna A， etal．DC Voltage Control and Power Sharing in Multiterminal DC Grids Based on Optimal DC Power Flow and Voltage-droop Strategy[J]．Emerging & Selected Topics in Power Electronics of IEEE Journal，2014，2(4)：171-1180．[4] Xu L，Williams B W， Yao L．Multi-terminal DC Transmission Systems for Connecting Large Offshore Wind Farms[C]// Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the Century IEEE，2008:1-7．

[5] Prahba Kundur．Power System Stability and Control[M].TataMcGraw-Hill，1994：396.

[6] 陳謙，唐國慶， 潘詩鋒． 采用多點直流電壓控制方式的VSC多端直流輸電系統[J].電力自動化設備， 2004， 24(5)：10-14．

[7] 朱瑞可，李興源，應大力． VSC-MTDC互聯系統頻率穩定控制策略[J]．電網技術， 2014，38(10)：2729-2734．

[8] 程麗敏， 李興源．多區域交直流互聯系統的頻率穩定控制[J]．電力系統保護與控制，2011，39(7)：56-62．

[9] 姚良忠，吳婧，魯宗相，等． 含大規模風電場接入的多端直流系統對交流系統頻率調節的作用[J]．高電壓技術， 2016，42(10)：3038-3044．

[10] 凌衛家，孫維真，張靜，等．舟山多端柔性直流輸電示范工程典型運行方式分析[J]．電網技術，2016，40(6)：1751-1758．

[11] 王艷婷，張保會，范新凱. 柔性直流電網架空線路快速保護方案[J].電力系統自動化，2016， 40(21)：13-19.

[12] 韓亮，白小會，陳波，等．張北±500kV柔性直流電網換流站控制保護系統設計[J]．電力建設，2017，38(3)：42-47.

[13] Haileselassie T M， Molinas M， Undeland T．Multi-terminal VSC-HVDC System for Integration of Offshore Wind Farms and Green Electrification of Platforms in the North Sea[C]．Proceedings of the Nordic Workshop on Power & Industrial Electronics， 2008．

[14] Jan Machowski， Janusz W. Bialek， Jams R. Bumby．Power System Dynamics and Stability[M].John Wiley & Sons，1997：327．

[15] 徐政．柔性直流輸電系統[M]．北京：機械工業出版社，2013．

Modular multilevel converter based HVDC technology is a good solution to the centralized dispatch of new energy sources and remote asynchronous interconnection in recent years. The response of load /frequency variation to the AC system through the DC power grid is a key research topic. The coordinated control strategy of multi-terminal flexible DC transmission system based on modular multilevel converter (MMC-MTDC) is studied, which realizes the balance of instantaneous power by means of frequency droop control of AC power grid and DC voltage droop control of MMC converter station. By introducing the additional frequency control strategy of converter station, the AC system can be used to participate in the power and frequency response through the DC power grid when the load frequency changes in the AC system of a converter station, and the frequency response matrix is obtained by theoretical derivation. The simulation results show that the effectiveness of control strategy and the feasibility of frequency response analysis are verified by the four terminal DC power grid model with PSCADX4/EMTDC simulation software.

MMC-MTDC; interconnected system; coordinated control; voltage droop control; frequency response

TM721

A

1003-6954(2017)06-0001-06

國家重點研發項目(2016YFB0900901)

楊 林(1991)，碩士研究生，主要研究方向為電力系統穩定與控制、柔性直流輸電技術；

張英敏(1974)，博士、副教授、碩導，主要研究方向為電力系統穩定與控制、高壓直流輸電等；

李 丹(1987)，碩士研究生，主要研究方向為電力電子、柔性直流輸電技術；

李興源(1945)，教授、博導、IEEE高級會員，主要研究方向為電力系統穩定與控制、高壓直流輸電、分布式發電；

劉天琪(1962)，博士、教授、博導，主要研究方向為電力系統穩定與控制、高壓直流輸電。

2017-08-01)