基于組合方式的多端柔性直流輸電系統控制方法研究

葉林

摘? 要：基于組合方式的多端柔性直流輸電系統在特高壓直流輸電、孤島供電、直流配電網、分布式能源接入等領域具有顯著優勢，因此得到廣泛地研究與應用。穩定的直流電壓控制和負載功率合理匹配是多端柔性直流輸電系統控制的核心，研究基于組合方式的多端柔性直流輸電系統控制方法具有重要意義。該文分析了基于組合方式的多端柔性直流輸電系統控制方法，為多端柔性直流輸電系統的設計與應用提供理論借鑒。

關鍵詞：多端直流;柔性直流輸電系統;控制方法;直流電壓控制

中圖分類號：TM72? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

步入21世紀以來，隨著工業化和電氣化的不斷提高，電力能源逐漸成為世界各國秉力發展的重要動力源泉之一。在我國，電力能源承擔著實現國民經濟大發展的重擔，其重要地位不言而喻。然而，由于對電力能源需求不斷擴大以及我國東西部不平衡的發展狀況，使我國電力能源分布不均，必須依賴跨區域的輸電系統實現全國電力能源的均衡。傳統的交流輸電系統和兩端直流輸電系統正在發揮著不可替代的作用。然而，隨著新能源分布式發電接入、孤島供電、城市供電和配電網設置等應用領域的擴大，傳統的兩端直流輸電系統已經難以適應，多端直流輸電系統（Multi-Terminal Direct Current，MTDC）逐漸成為研究和應用的熱點。

傳統直流輸電系統因可控性強、電壓等級高等特點得到廣泛應用。但是常規直流輸電系統基本采用電流源型換流器（Line Commutated Converter，LCC），實際運行中存在吸收無功、需改變直流電壓極性才可改變功率輸送方向，因此不適用于多端直流輸電系統。相比LCC，電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）具有較小的電力損耗和動態無功補償等優勢，使多端柔性直流輸電系統（Voltage Source Converter Based Multi-Terminal Direct Current ，VSC-MTDC）實際應用成為可能。VSC-MTDC相比兩端直流輸電系統具有更加靈活的結構，但是也給VSC-MTDC的控制設計帶來挑戰。該文將分析針對VSC-MTDC的控制方法，通過梳理VSC-MTDC控制方法和策略，為VSC-MTDC的設計與應用提供理論借鑒。

1 多端柔性直流輸電系統介紹

多端柔性直流輸電系統（VSC-MTDC）是指擁有3個或以上的換流器，通過并聯或串聯而組成的直流輸電系統。相比傳統的兩端直流輸電系統，VSC-MTDC系統具有更加靈活的控制方式、更低的輸電成本，支持多電源供電、多落點受電、高安全性、高穩定性等優點，因此得到廣泛的應用。

目前VSC-MTDC系統常用的網絡拓撲結構包括串聯拓撲結構、并聯拓撲結構及混聯拓撲結構，如圖1所示。串聯拓撲結構是將所有的變換器以串聯的形式級聯在一起，串聯拓撲結構的VSC-MTDC系統，變換器承受的電流是相同的，通過調節直流側電壓實現負載端功率分配。串聯拓撲結構的VSC-MTDC系統容易受到線路故障、變換器故障等造成全系統供電故障，可靠性較低。并聯拓撲結構VSC-MTDC系統采取的是并聯端口直流母線電壓相同，通過調節輸送直流電流實現功率匹配。并聯拓撲結構的VSC-MTDC系統具有方便清除故障、系統動態穩定性高等優勢。混聯拓撲結構的VSC-MTDC系統是既有串聯結構也有并聯結構的輸電系統結構，這種輸電系統拓撲結構有效結合了串聯拓撲結構和并聯拓撲結構的優勢，既能極大提高系統靈活性，也能減少直流輸電系統的能耗損失。

2 VSC-MTDC系統控制方法與策略

隨著VSC-MTDC系統在電力能源輸送保障中應用越來越廣泛，VSC-MTDC系統的網絡拓撲結構越來越復雜，因此不斷增加VSC-MTDC系統的控制難度。針對不同的VSC-MTDC系統，選擇合適的控制方式與控制策略，對提高VSC-MTDC系統的輸電效率具有重要意義。目前，VSC-MTDC系統應用的控制方法與策略主要有以下3種：下垂控制、主從控制及電壓裕度控制。下面將分別介紹3種主要的VSC-MTDC系統控制方法。

2.1 VSC-MTDC系統電壓型下垂控制

VSC-MTDC系統電壓型下垂控制是將VSC-MTDC系統中各個端口的直流側輸出電壓控制為定值，并配合有功功率實現對VSC-MTDC系統的控制。由于VSC-MTDC系統中不存在無功功率，而有功功率與直流電壓之間存在線性約束，因此電壓型下垂控制實際屬于一種存在靜態偏差的控制策略。

傳統的電壓型下垂控制策略，通過調整下垂系數實現VSC-MTDC系統中直流電壓和有功功率的分配。而下垂系數的取值，則是影響VSC-MTDC系統直流電壓質量的重要影響因素。象下垂系數取值過大，則會導致VSC-MTDC系統輸出直流電壓低于實際;下垂系數取值過小，則會使VSC-MTDC系統功率分配性能差。因此，如何選取下垂系數是傳統電壓型下垂控制策略的關鍵之一。

電壓型下垂控制的優勢在于，在多個變換站之間形成協同控制時，無須過度依賴VSC-MTDC系統的上層控制，而且對各個變換站之間的信號傳輸速度和精度要求不高，比較適應于結構簡單的VSC-MTDC系統。但是，采用電壓型下垂控制的VSC-MTDC系統，一旦發生大范圍、長時間的功率波動，則VSC-MTDC系統無法保證自身穩定性。因此，基于電壓型的下垂控制策略只是能用于功率穩定、波動較小的VSC-MTDC系統。

2.2 VSC-MTDC系統主從控制

主從控制就是將VSC-MTDC系統進行主變換站、從變換站“角色”設置，并分別對主變換站和從變換站實施進行不同的控制策略。對于某一個VSC-MTDC系統，假設由3個變換站組成，其中A為主變換站，其具有足夠大的容量，可對變換站的直流側實施輸出電壓控制，從而確保A變換站輸出的電壓是恒定的。另有B和C兩個變換站，B變換站通過控制有功功率，C變換站通過控制交流電壓，實現對直流輸電線路的控制。在3個變換站主從控制過程中，要求A變換站線路損耗視為零損耗，B變換站有功功率恒定，C變換站交流電壓恒定。3個變換站的協同控制就形成主從控制策略。

雖然主從控制比較容易實現，但需要保證3個變換站間信號傳輸速度和精度較高，且對VSC-MTDC系統的頂層控制具有較高的依賴性，因此常用于兩端直流輸電系統中。

2.3 VSC-MTDC系統電壓裕度控制

由于主從控制對VSC-MTDC系統的頂層控制依賴性較高，且對變換站之間的通信速度和精度要求高等特點，使其無法適應于長距離的特高壓直流柔性輸電系統。為此，對于長距離柔性直流輸電系統而言，常采用電壓裕度控制策略。

電壓裕度控制就是在主從控制的基礎上，主變換站不僅要控制恒定的輸出電壓，而且還應具有功率控制余量，因此當VSC-MTDC系統受到輸電電流干擾時，可通過主變換站的電壓裕度控制實現功率控制與調節。與之對應，從變換站也在原有功率或交流電壓控制基礎上，增加了輸電系統電壓裕度控制余量。當VSC-MTDC系統存在干擾并造成功率超限時，從變換站可通過電壓裕度控制實現功率和電壓的交替控制調節，確保VSC-MTDC系統的穩定運行。

電壓裕度控制策略常采用模擬控制法，將VSC-MTDC系統直流電壓控制和有功功率控制切換過程進行模擬控制。在電壓裕度控制下的直流電壓和有功功率切換時，若電壓值超過控制策略中設定的電壓裕度，可采用PI控制器對直流電壓控制和有功功率控制進行切換。此外，在切換過程中，單獨的直流電壓控制與有功功率控制相互排斥。目前，通過改進電壓裕度控制算法，已經可實現直流電壓控制與有功功率控制之間的快速切換，在切換過程中能更好地調整和控制VSC-MTDC系統直流母線電壓。

3 結語

在我國“西電東送”、節能減排、分布式能源發展等電力能源應用的背景下，VSC-MTDC系統這種新穎的輸電技術逐漸成為研究和應用的熱點。隨著VSC-MTDC系統的網絡結構越來越復雜，對控制策略的要求也越來越高。通過該文對VSC-MTDC系統的結構形式和控制方式的分析，在VSC-MTDC系統研究和構建過程中，必須結合VSC-MTDC系統的結構特點，針對性的設計控制方式和控制策略，從而確保VSC-MTDC系統能夠穩定、可靠地運行。

參考文獻

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