面向大規模風電并網的VSC-MTDC模糊自適應頻率控制

摘" 要：大規模風電并網對電網調頻提出了嚴重挑戰。VSC-MTDC（Voltage Source Converter Based Multi-Terminal Direct Current）是實現大規模風電并網的主要方式之一。VSC-MTDC可以通過采用頻率下垂控制為交流電網提供輔助調頻服務。然而傳統頻率下垂控制采用固定的控制參數，忽略直流系統運行狀態和交流電網的調頻能力差異，可能導致換流站過度調制。通過分析傳統頻率下垂控制的功率支援特性，提出一種VSC-MTDC模糊自適應頻率控制，根據交流電網頻率變化量、直流電壓變化量、換流站功率裕度調節頻率控制系數，在保證系統穩定的前提下增強交流電網頻率穩定性。最后，仿真驗證了所提控制策略的有效性。

關鍵詞：風電；VSC-MTDC；頻率下垂控制；模糊自適應控制

中圖分類號：TP273+.4" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）24-0016-06

Fuzzy Adaptive Frequency Control of VSC-MTDC for Large-scale Integration of Wind Power

SHEN Peng， CAI Wu

（Guangzhou Panyu Polytechinic， Guangzhou" 511483， China）

Abstract： The large-scale integration of wind power poses a serious challenge to the power grid frequency modulation. VSC-MTDC （Voltage Source Converter Based Multi-Terminal Direct Current） is one of the main ways to realize the large-scale integration of wind power. VSC-MTDC can provide auxiliary frequency modulation services to the AC power grids by using frequency droop control. However， the traditional frequency droop control adopts a fixed control parameter， without considering the different operating conditions of DC power systems and the frequency modulation capacity of the AC power grids， which may lead to over-modulation of the converter stations. By analyzing the power support characteristics of traditional frequency drooping control， a fuzzy adaptive frequency control of VSC-HVDC is proposed， which regulates the frequency control coefficients according to the frequency deviation of AC power grids， the DC voltage deviation， and the power margin of converter stations. It can enhance the frequency stability of AC power grids in the condition of ensuring the stability of the system. Finally， the simulation verifies the effectiveness of the proposed control strategy.

Keywords： wind power; VSC-MTDC; frequency droop control; fuzzy adaptive control

0" 引" 言

作為技術最成熟的新能源發電技術，風電具有資源豐富、綠色無污染、適宜大規模集中開發等特點，其裝機并網容量逐年遞增。截至2024年，我國風電并網總容量已達4.67億千瓦，成為繼火電和水電后的第三大電源[1]。大規模風電并網勢必會替換傳統同步發電機組，導致電網慣性降低、調頻資源減少，嚴重威脅電網的頻率運行安全。VSC-MTDC是大規模風電并網的主要方式之一[2]。VSC-MTDC具有快速靈活的功率調節能力，可以通過在VSC-MTDC上附加頻率控制實現對交流電網的功率支援，增強其頻率穩定性。為了實現直流系統對交流電網的輔助調頻服務，文獻[3-4]在VSC-MTDC傳統直流下垂控制引入頻率下垂環節構建頻率下垂控制，通過將受擾交流電網的頻率偏差轉化為直流電壓變化，直流換流站在電壓下垂控制的作用下自動調節其輸出功率，實現對受擾交流電網的功率支援。文獻[5-7]在傳統頻率下垂控制的基礎上，考慮了換流站的實時運行狀態差異、直流電壓約束、風電場運行狀態等因素，通過動態調節電壓下垂系數，實現不平衡功率在直流系統內部的合理分配。然而，目前報道的頻率下垂控制未考慮交流電網調頻能力的差異，在實現對受擾電網功率支援的同時可能導致非受擾電網分擔的不平衡功率過量，威脅其頻率穩定性[8-9]。

針對上述問題，通過分析頻率下垂控制的功率支援特性，設計面向大規模風電并網的VSC-MTDC模糊自適應頻率控制，動態調節頻率下垂系數和電壓下垂系數，在保證交直流系統穩定的前提下最大限度地發揮直流的功率支援能力。最后在DigSilent/PowerFactory仿真平臺上建立四端柔性直流系統模型對所提控制策略進行了仿真驗證。

1" 頻率下垂控制的功率支援特性

傳統頻率下垂控制是在傳統電壓下垂控制的基礎上通過增加頻率下垂控制環節而實現的，其結構如圖1所示。圖中P和Pset分別表示換流站的有功功率實際值和設定值；Udc和Udc，ref分別表示換流站直流電壓的參考值和實際值；f和fref分別表示換流站所連交流電網的頻率和參考值；Kf和KD分別表示頻率下垂系數和電壓下垂系數；Δf = f-fref和ΔUdc = Udc-Udc，ref分別表示頻率偏差值和直流電壓偏差值；ΔPf和ΔPdc分別表示頻率下垂控制和電壓下垂控制所產生的附加有功功率調節量；id，ref表示功率環PI控制器輸出的d軸電流參考值。

傳統頻率下垂控制下的換流站會根據受擾電網的頻率偏差調節其輸出功率，將交流電網的不平衡功率吸收進直流系統，然后在電壓下垂控制的作用下將換流站的功率波動轉化為直流電壓的變化，其他換流站根據直流電壓變化按照電壓下垂特性自動調節其輸出功率，協調完成VSC-MTDC輔助調頻任務。

傳統下垂控制下換流站的功率支援特性可以由式（1）表示：

（1）

對于一個包含n個換流站VSC-MTDC的交直流混合系統，忽略直流系統傳輸損耗并近似認為各換流站的直流電壓Udc相等。

對一個包含了m個用于連接風電場的送端換流站和n個連接交流電網的受端換流站的VSC-MTDC，其中送端換流站執行幅頻控制，將風電場發出的電能及時送出[8]；受端換流站執行頻率下垂控制，將風電饋入交流電網。穩態時，交直流系統運行于額定狀態，即各交流電網頻率等于參考值，直流系統電壓等于額定值。此時，各換流站的附加有功功率調節量ΔPf = 0、ΔPdc = 0，各換流站的有功功率P都等于其設定值Pset。規定：受端換流站以流出直流系統的功率為正。由能量守恒定理可得：

（2）

式中下標j、i分別表示第j個送端換流站和第i個受端換流站；m和n分別表示送端換流站和受端換流站的數量。

受擾時，交流電網頻率和直流電壓都將偏離其參考值，相應的附加頻率功率ΔPf和附加調壓功率ΔPdc都不再為零。針對VSC-MTDC，暫態過程中其功率設定值Pset保持不變，應用能量守恒定理，考慮式（1）和式（2）可得：

（3）

定義如式（4）所示的ΔPunbalance，用以表示直流系統通過頻率下垂控制從交流電網吸收的不平衡功率，其數值等于各換流站的附加調頻功率ΔPf之和，取決于各換流站的頻率下垂系數Kf和交流電網的頻率偏差Δf的數值。其中，Δf的數值與電網調頻能力和頻率擾動程度有關。針對受擾電網，由于其自身調頻能力是確定的，Δf主要反應的電網頻率擾動程度；針對非受擾電網，由于其頻率擾動的來源是直流系統換流站功率變化，擾動程度一般較小，Δf主要反應的調頻能力。

（4）

根據式（4），可得：

（5）

由式（5）可知，直流系統吸收的不平衡功率會導致直流電壓波動，且電壓波動值ΔUdc與不平衡功率ΔPunbalance數值成正比例關系，符號相反。因此，直流電壓的波動值ΔUdc可以反映直流系統從交流電網吸收不平衡功率的能力，其數值受直流系統運行狀態和直流安全穩定運行條件的約束。

綜合式（4）和式（5），可以看出頻率下垂控制下VSC-MTDC對交流電網的頻率支援能力受直流系統運行狀態和直流電壓安全運行范圍約束，支援程度取決于調頻系數Kf的數值大小。傳統頻率下垂控制使用固定的頻率下垂系數Kf，未考慮直流系統運行狀態的差異，難以充分發揮直流電網的調頻潛力。

整理式（5）可得受端換流站i的附加調壓功率ΔPdc，i：

（6）

由式（6）可知，對于直流系統而言，各換流站按照其電壓下垂特性分擔不平衡功率，即換流站分擔的不平衡主要取決于其電壓下垂系數KD的數值：KD越大，分擔的不平衡功率越少；KD越小，分擔的不平衡功率越多。傳統頻率下垂控制策略的電壓下垂系數在暫態過程中保持不變，忽略了換流站運行狀態差異以及其所連交流電網的調頻能力差異，可能會導致換流站過度調節，威脅其所連交流電網的頻率穩定性。

2" 模糊自適應頻率控制策略

針對傳統頻率下垂系數采用固定的頻率下垂系數和電壓下垂系數所存在的問題，同時考慮各換流站實際運行時的功率限制，設計了由模糊自適應頻率下垂控制和模糊自適應電壓下垂控制構成的VSC-MTDC模糊自適應頻率控制策略如圖2所示。

2.1" 模糊自適應頻率下垂控制

模糊自適應頻率下垂控制根據交流電網的頻率變化量和直流電壓變化量自適應調節下垂控制系數Kf，控制直流系統對交流電網的附加頻率功率數值，在保證直流系統穩定運行的前提下充分挖掘其調頻潛力，為交流電網提供頻率支撐。

根據電力系統頻率穩定要求設置Δf的論域為[-1，1] Hz，根據直流系統電壓運行約束設置ΔUdc的論域為[-0.1，0.1] PU。輸出1/Kf的論域通過仿真確定，設置為[5，20]，相應的隸屬度函數如圖3所示。

Δf和ΔUdc的模糊集為{NB，NS，ZR，PS，PB}，Kd的模糊集為{VS（很小），RS（小），M（中），PB（大），VB（很多）}，模糊規則如表1所示，去模糊化采用加權平均法。

2.2" 模糊自適應電壓下垂控制

模糊自適應電壓下垂控制根據交流電網的頻率變化量和換流站的功率調節裕度自適應調節電壓下垂系數KV，通過將電網頻率變化量小（調頻能力強）、功率調節裕度大的換流站設置較大的電壓下垂系數，使其承擔更多的不平衡功率，實現不平衡功率的合理分配。定義如式（7）所示的換流站功率調節裕度為ΔPmarg，其數值主要與換流站輸出有功功率實際值和功率極限值有關，取決于換流站的運行狀態。

（7）

根據電力系統頻率穩定要求設置Δf的論域為[-1，-0.033] Hz，考慮VSC換流站具備功率逆轉能力，即輸出功率的范圍為[-1，1] PU（以換流站額定功率為基準值，不考慮換流站過載運行能力），設置功率裕度ΔPmarg的論域為[0，2] PU。輸出1/KD的論域通過仿真確定，設置為[5，30]，相應的隸屬度函數如圖4所示。

Δf的模糊集為{NB，NS，ZR，PS，PB}，ΔP和Kd的模糊集為{VS，RS，M，PB，VB}，模糊規則如表2所示，去模糊化仍然采用加權平均法。

3" 仿真驗證

在DigSilent/PowerFactory中搭建如圖5所示的一個模擬海上風電場經VSC-MTDC向陸上多個電網輸電的交直流混合電網，對所提控制策略進行仿真驗證。其中交流電網4是一座由100臺6 MW雙饋風電機組構成的海上風電場，與其相連的換流站4是送端換流站，執行幅頻控制用以將風電場發出的電能及時外送。換流站1、2、3是受端換流站，將風電功率饋入陸上電網。

陸上電網都采用一臺等效同步發電機來模擬，發電機參數如表3所示，可以看出電網1的調頻能力最強，電網3的調頻能力最弱，電網2的調頻能力介于電網1和電網3之間。對于大型風電場，可以忽略風電場功率分鐘級的波動，認為在仿真時間段內風電場出力保持不變[10]。穩態時，換流站1、2、3額定容量都是400 MW，輸出有功功率分別為200 MW、300 MW、100 MW，代表三種不同的運行狀態。VSC-MTDC受端換流站考慮三中不種的控制條件：模糊自適應頻率控制、傳統頻率下垂控制和無頻率控制（記為無控制），設置擾動對系統進行仿真研究。

設置擾動：交流電網1內部10 s時發生負荷突增20%，不同控制條件下的交流電網頻率和受端換流站功率如圖6和圖7所示。對受擾電網1，與無控制相比，模糊自適應頻率控制和傳統頻率下垂控制都可以有效提高受擾系統的頻率，提高暫態過程中的頻率最低值和穩態頻率。相對而言，模糊自適應頻率控制下的交流電網的頻率最低點高于傳統頻率下垂系數，表明所提模糊自適應頻率控制可以充分挖掘直流系統的調頻潛力，為交流電網提供功率支撐。對非擾電網2和3，傳統頻率下垂控制下，電網2和電網3分擔的不平衡功率基本相同，但由于電網3的調頻能力較弱，會導致電網3的頻率下跌嚴重，暫態過程中最低頻率為49.2 Hz，嚴重威脅其頻率穩定。相對而言，模糊自適應頻率控制則可以根據交流電網的調頻能力差異實現不平衡功率的合理分配，表現為：調頻能力較強的交流電網2分擔了更多的不平衡功率，相應的電網穩態頻率較傳統頻率下垂控制時有所降低，但仍在電網允許的范圍之內；調頻能力較弱的交流電網3分擔了較少的直流不平衡功率，相應的電網暫態頻率和穩態頻率數值都有所提高。綜合而言，模糊自適應頻率控制可以實現不平衡功率的合理分配。

4" 結" 論

VSC-MTDC被廣泛應用于大規模風電并網工程。本文通過分析傳統頻率下垂控制策略的功率支援特性，在此基礎上設計了VSC-MTDC模糊自適應頻率控制，該控制一方面可以在保證直流系統電壓穩定的前提為交流電網提供更多功率支援，另一方面可以按照所連交流電網調頻能力強、功率裕度大的換流站承擔更多直流不平衡功率的原則，實現不平衡功率在換流站間的合理分配。所提控制對提高電網風電消納能力，對構建綠色電網具有一定的參考意義。

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作者簡介：沈鵬（1988—），男，漢族，河南周口人，講師，博士，研究方向：柔性直流系統控制。