多端柔性直流輸電系統控制策略的研究

嚴治勇

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000）

1 VSC-MTDC控制策略

目前，根據VSC之間對通信要求的情況VSC-MTDC控制方式主要包含以下兩種：有通信類控制和無通信類控制。有通信類控制主要是指主從控制，設計思想是將所有的換流站分為主站和從站，主站要作為平衡節點控制直流電壓的穩定和系統有功功率的平衡，當主站故障被迫退出運行時，通過通信系統接收信號，從而轉變控制方式接替原主站控制直流電壓。無通信類控制包括電壓裕度控制(直流電壓偏差控制)和直流電壓下垂控制。

電壓裕度控制是主從控制的一種延伸，采用多點直流電壓控制，即多端柔性直流輸電系統中至少有兩端VSC具備控制直流電壓的能力。

當采用直流電壓控制的換流器故障或者達到系統限制，該端轉為其他控制方式，另一端換流站將轉換為直流電壓控制模式。采用電壓裕度的外環控制器結構如圖1所示。

圖1 電壓裕度外環控制器

但該控制方法存在以下幾點缺陷：在同一時間只有一個VSC維持電壓恒定保持功率平衡，所以導致響應速度較慢；在主控制器切換時會導致電壓突然地偏移，引起系統振蕩，潮流變化較大時，會引起電壓偏差較大；電壓裕度過大，將導致直流電壓偏差過大，裕度選取較小，直流電壓波動又易引起誤動作；VSC較多時，設置的備用VSC也多，電壓裕度等級就多，不僅增加設計的復雜度，也使電壓偏差變大。

目前實際已投運的VSC-MTDC工程中，中國廣東南澳多端柔性直流輸電工程，采用主從式直流電壓控制；中國浙江舟山五端柔性直流輸電工程則結合主從控制和裕度控制備份兩種模式。

直流電壓下垂控制的是基于發電機的靜態頻率特性的思想，得到的直流電壓和功率或電流的關系，當潮流變化時各換流站均參與功率的平衡，隨著功率的變化直流電壓沿著下垂曲線相應變化。

直流電壓下垂控制法具有操作便捷、直流電壓可連續調節，避免了像電壓裕度控制一樣當模式切換時導致的電氣沖擊的問題。采用直流電壓下垂控制，選擇合適的下垂系數至關重要。電壓下垂控制的控制器結構，如圖2所示。

圖2 直流電壓下垂控制器結構

直流電壓下垂控制策略比較適合功率頻繁波動的柔性直流輸電系統。然而，也具有其固有缺陷：潮流不能精確控制、直流電壓工作點不固定，下垂斜率較大，則功率分配特性相對較好，且不易發生功率波動，會導致電壓偏差較大，因此使得直流電壓質量較差，若直流電壓偏差越限會導致系統無法正常運行；反之，若下垂斜率較小，直流電壓波動較小，則電壓質量相對較好，但會導致功率分配能力降低。

2 VSC-MTDC協調控制

本文所采用的VSC-MTDC系統，如圖3所示。

圖3 五端VSC-HVDC系統結構

2.1 直流電壓下垂控制特性

假設多端柔性直流輸電系統中有m個VSC采用直流電壓下垂控制，其它n-m個VSC均采用定功率控制，則系統的功率平衡方程可為

式中：Pi表示第i個VSC的有功功率；Ki表示采用直流電壓下垂控制的VSC的下垂系數。

當系統某一側潮流突然變化，出現ΔP的功率變化量，主從控制的主控制器分擔，當負荷變動較大超過主控制器的容量裕度或主控制器故障閉鎖，由采用下垂控制的VSC分擔。設第i個VSC正常運行點為(Pi，Udc)，平衡后運行點為(Pi*，Udc*)，Piref－Pi*為第i個VSC平衡前后的功率變化量ΔPi，可得采用直流電壓下垂控制的VSC分配到的功率變化量為

可以看出，各VSC分擔的功率變化量由下垂系數決定，且下垂系數越大分配的功率越小。根據KiPimax=KjPjmax設置各自的下垂系數，容量越大下垂系數越小，反而使得容量小的VSC分擔的功率變化量較小，所以考慮功率裕度的下垂控制策略是很好的避免功率過載問題的控制方式。

為了保證電壓偏差在直流電壓極限內，引入一直流電壓百分數α，0%＜α＜100%。

通過計算可以得出，當下垂系數采用考慮功率裕度的方式選取，各VSC分擔到的功率可按各自裕度分配，裕度越小分配的功率越小，最大程度的避免換流站過載，得到合理的下垂系數范圍。運行原理圖如圖4(a)所示。

圖4 考慮功率裕度的下垂控制原理圖

當功率變化量進一步增大，VSC達到功率極限，此時控制策略改為定有功功率控制，直流電壓同時也達到了其裕度的上下限，需要原來采用定有功功率轉換控制策略為［Udch，Udcmax］或［Udcmin，Udcl］之間的直流電壓下垂控制分擔功率變化量。下垂系數為：

上述控制模式的轉換進一步分擔系統中剩余的功率變化量，使系統能夠較大范圍有效穩定運行，運行原理圖如圖4(b)所示。

通過以上分析，可以進一步設計一種控制方式，控制結構如圖5所示。該策略在圖4(a)的基礎上加入了定有功功率環節，結合了裕度控制可作為主從控制策略中的從換流站，當主站退運行或達功率限額時，由該站切換為直流電壓下垂控制，承擔起平衡功率、穩定直流電壓的任務。

圖5 考慮電壓、功率裕度的綜合下垂控制器結構

關于動作電壓Udc1、Udc2的值的選取，其值太大會影響系統的靈敏度，動態響應慢；取值太小又容易引起誤動作，影響穩態性能。

為了選取合適的動作電壓，引入一個參數n，表示直流電壓波動比。圖6考慮電壓、功率裕度的綜合下垂控制器結構。

此時，動作電壓上下限可分別表示為：

式中：n的取值稍大于直流電壓正常運行的波動比即可。

2.2 VSC-MTDC協調控制策略

電壓裕度控制旨在同一時間只有一個VSC維持電壓恒定保持功率平衡，所以導致響應速度較慢；主控制器切換時會導致電壓偏移，引起系統振蕩，當潮流變化較大時或電壓裕度選取的過大，會引起電壓偏差較大；裕度選取較小，又易引起誤動作；不僅增加了控制器設計的復雜度，也使電壓偏差變大。直流電壓下垂控制也有其固有的缺陷：潮流不能精確控制、直流電壓工作點不能固定，如下垂斜率較大，會導致電壓偏差較大，因此使得直流電壓質量差，電壓偏差越限會導致系統無法正常運行；反之直流電壓波動較小，電壓質量相對較好，但會導致功率分配能力降低。

通過以上的介紹，本文設計了五端柔性直流輸電系統的協調控制策略，結合了主從控制的直流電壓恒定、裕度控制的可靠以及下垂控制的連續等特點，最大程度的避免了換流站過載的現象，可以使VSC-HVDC系統能夠最大范圍的有效穩定的運行。VSC1采用定直流電壓控制；VSC2和VSC3采用電壓裕度控制與基于功率裕度下垂控制相結合的綜合控制策略；VSC4和VSC5采用定有功功率控制，VSC5在裕度電壓和極限電壓之間附加基于功率裕度的下垂控制。

該協調控制策略可分為三層：第一層采用主從控制，VSC1作為主控制換流站，負責穩定直流電壓和平衡有功功率。VSC2、VSC3結合裕度控制和下垂控制，做為后備主控制，系統在穩態點A運行時，其他各換流站均處于定功率運行模式，該運行狀態不僅可以保持直流電壓恒定，同時可以避免功率波動問題；第二層VSC1故障閉鎖(或滿載)時，不能控制直流電壓恒定，運行點由A點到B點，VSC2、VSC3作為備用主換流站，自動的轉換到直流電壓下垂控制模式，進一步平衡由VSC1導致的功率變化量，而VSC5由于電壓裕度較大仍工作于定有功功率狀態下；第三層當VSC4負荷增加，VSC2、VSC3電壓達到裕度電壓上限，同時功率也達到了極限，VSC2、VSC3則進入限流狀態，此時VSC5的模式切換到直流電壓下垂控制，由VSC5保持直流電壓恒定，平衡剩余的功率變化量。該策略能協調各換流站，且能夠適應較大范圍的功率波動，最大程度的避免了換流站過載的現象。

3 結論

VSC-MTDC可協調多個電源與負荷，容易實現潮流的任意反轉，控制靈活、高效，隨著換流器拓撲結構和電力電子等技術的不斷改進，VSC-MTDC必然會成為未來直流輸電系統的發展趨勢。