基于附加信號(hào)的VSC-HVDC系統(tǒng)改進(jìn)有功功率控制策略

任敬國(guó)，李可軍，牛 林，趙建國(guó)，，于大洋，任敬剛，梁永亮

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；3.東營(yíng)供電公司，山東 東營(yíng) 257091）

0 引言

電壓源換流器型高壓直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，如能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制，具有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能力，改善電能質(zhì)量，向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電以及易實(shí)現(xiàn)多端直流輸電等[1-4]。因此，VSC-HVDC技術(shù)非常適用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)、孤島供電、交流系統(tǒng)的非同步互聯(lián)、電力市場(chǎng)交易以及多端直流輸電等領(lǐng)域[5-8]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了維持有功功率平衡，VSC-HVDC系統(tǒng)的一側(cè)換流站必須采用定直流電壓控制（DCVC），稱之為主導(dǎo)換流站。當(dāng)主導(dǎo)站的交流側(cè)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落導(dǎo)致主導(dǎo)站輸出相同功率需要更大的電流；同時(shí)，鑒于限流器的作用，電網(wǎng)電壓跌落導(dǎo)致主導(dǎo)站實(shí)際用于維持有功功率平衡的容量減小。若故障前主導(dǎo)站輸送的有功功率值與故障后電網(wǎng)電壓的比值大于一定值，主導(dǎo)站將進(jìn)入限流模式，系統(tǒng)直流電壓失去控制；最嚴(yán)重的情況是主導(dǎo)站因內(nèi)部故障停運(yùn)，系統(tǒng)完全失去了直流電壓控制的能力。由于兩側(cè)換流站間沒(méi)有通信，或雖然采用了通信但存在一定的延時(shí)，定有功功率控制（APC）換流站仍按照參考值進(jìn)行有功功率的輸送，引起直流電壓迅速上升或下降，最終導(dǎo)致直流過(guò)電壓或欠電壓保護(hù)裝置動(dòng)作，使VSC-HVDC系統(tǒng)被迫停運(yùn)。

VSC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓控制問(wèn)題受到了廣泛的關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[9]提出了一種新型廣義直流電壓控制策略，將APC換流站的外環(huán)有功功率控制器設(shè)計(jì)為一種廣義直流電壓控制器，有效地解決了上述問(wèn)題，但其控制器中的PI環(huán)節(jié)偏多，參數(shù)調(diào)試比較困難。文獻(xiàn)[10-12]提出了采用滯環(huán)控制的模式切換控制策略，給出了該控制策略的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算方法，并驗(yàn)證了不同運(yùn)行方式和故障情況下該策略的有效性。文獻(xiàn)[13]將依賴于直流電壓的電流指令限制單元（VDCCOL）引入到VSC-HVDC系統(tǒng)中，較好地解決了故障期間系統(tǒng)的直流電壓控制問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種更容易實(shí)現(xiàn)的、可自動(dòng)適應(yīng)正常與故障狀態(tài)的改進(jìn)有功功率控制策略，即在外環(huán)有功功率參考值中加入了依賴于本地直流電壓的修正值信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)故障期間有功功率的平衡，保證直流電壓在安全范圍內(nèi)。

1 VSC-HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

聯(lián)接有源交流系統(tǒng)時(shí)VSC-HVDC系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1，P1和i1分別為交流電網(wǎng)流入換流站1的有功功率和電流，Pdc1和Idc1分別為換流站1流入直流線路的直流功率和電流，Udc1和Udc2分別為換流站1和換流站2的直流電壓，Rd和Ld分別為直流線路的等效電阻和電感。由于優(yōu)秀的過(guò)電流控制能力，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的雙環(huán)矢量控制[14-15]在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，本文也采用此方式。為研究方便，假設(shè)換流站1采用APC來(lái)控制有功功率的傳送（APC換流站），換流站2采用DCVC來(lái)維持直流電壓穩(wěn)定（主導(dǎo)換流站）。

圖1 VSC-HVDC系統(tǒng)示意圖Fig.1 Block diagram of VSC-HVDC system

VSC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓波動(dòng)本質(zhì)上是直流側(cè)電容和線路的充／放電功率不平衡所引起的，即兩端換流站的有功功率以及系統(tǒng)有功損耗的不平衡。當(dāng)直流電容器和線路儲(chǔ)存的能量增大時(shí)，直流電壓也隨之上升。主導(dǎo)站作為直流系統(tǒng)的有功功率平衡節(jié)點(diǎn)，當(dāng)其進(jìn)入限流模式或因故障停運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法維持有功功率平衡，因此失去了對(duì)直流電壓的控制，此時(shí)需要APC換流站實(shí)現(xiàn)有功功率的平衡，提供直流電壓控制能力。

2 改進(jìn)控制器的功率特性曲線

2.1 功率特性曲線

當(dāng)APC換流站工作于整流狀態(tài)時(shí)，主導(dǎo)站停運(yùn)或進(jìn)入限流模式會(huì)導(dǎo)致從直流系統(tǒng)汲取的有功功率減少，直流電壓上升，此時(shí)，APC換流站需要減少充電功率；反之，APC換流站需要減少放電功率。因此，可基于直流電壓的變化特點(diǎn)，相應(yīng)地改變故障期間 APC 控制器的有功功率參考值[16-17]，以保持故障期間的有功功率平衡，故本文提出的有功功率控制器功率特性曲線如圖2所示。右側(cè)曲線為APC換流站工作于整流狀態(tài)時(shí)的特性曲線，左側(cè)曲線為其工作于逆變狀態(tài)時(shí)的特性曲線。

圖2 有功功率控制器的功率特性曲線Fig.2 Power characteristic curve of active power controller

圖2中，P1ref為APC換流站的有功功率參考值，[Udc1min，Udc1max]為直流電壓最大工作范圍，[Ulimdc1min，Ulimdc1max]為安全電壓范圍，krec和kinv分別為整流和逆變狀態(tài)下功率特性曲線的斜率。相比于自動(dòng)限制有功電流參考值，該方法的控制響應(yīng)偏慢，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，且其控制響應(yīng)時(shí)間能夠滿足直流電壓控制的要求。

2.2 直流電壓最大工作范圍的求取

安全電壓范圍[Udlicm1min，Uldicm1max]可以根據(jù)開(kāi)關(guān)器件和電容器等設(shè)備的安全電壓來(lái)確定；直流電壓最大工作范圍[Udc1min，Udc1max]則需要根據(jù)直流系統(tǒng)參數(shù)和指令值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，且需要考慮一定的裕度值以防止計(jì)算誤差影響控制器的正常運(yùn)行。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，對(duì)直流線路有：

在正常穩(wěn)定狀態(tài)下，忽略直流線路的諧波分量而僅考慮直流分量，則直流電流Idc1為常數(shù)，故：

由上式知，APC換流站的直流功率Pdc1可表示為：

假設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)主導(dǎo)站始終處于DCVC模式，未進(jìn)入限流模式且直流電壓參考值不變，則Udc2可視為常數(shù)。忽略 APC 換流站的損耗，得[10]：

其中，Us為APC換流站側(cè)交流相電壓幅值；i1d為電抗器電流的有功分量，其取值范圍取決于APC換流站的有功電流限流器設(shè)計(jì)，見(jiàn)式（5）。

聯(lián)合式（3）—（5）即可解出 APC換流站的直流電壓工作范圍。為了防止計(jì)算誤差導(dǎo)致正常運(yùn)行狀態(tài)下修正值不為零，引入裕度值σ，使直流電壓工作范圍的計(jì)算結(jié)果增大2σ，以保證有功功率控制的精確度。

3 基于附加信號(hào)的有功功率控制

3.1 外環(huán)控制器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)如圖2所示的直流電壓-功率特性，本文給出了相應(yīng)的外環(huán)有功功率控制器設(shè)計(jì)方法，見(jiàn)圖3。其中，ΔP1ref為有功功率修正值，i1dref、i1dmax和 i1dmin分別為APC換流站的電抗器電流i1有功分量的參考值、最大值和最小值。

ΔP1ref計(jì)算模塊通過(guò)對(duì)變量 Udc1、P1ref和常量Udc1min、Udc1max、Ulimdc1min、Ulimdc1max進(jìn)行計(jì)算從而得到有功功率修正值ΔP1ref，并附加到有功功率參考值上，以實(shí)時(shí)地控制換流站的有功功率輸出。

圖3 外環(huán)有功功率控制器Fig.3 Outer-loop active power controller

3.2 有功功率修正值的計(jì)算

由圖2知，在正常情況下，APC換流站有功功率修正值應(yīng)為0，即：

當(dāng)APC換流站運(yùn)行于整流狀態(tài)時(shí)，若主導(dǎo)站失去直流電壓控制能力，系統(tǒng)直流電壓上升且滿足Udc1＞Udc1max，根據(jù)線性定律，得：

整理上式，得：

式（8）即為整流狀態(tài)下APC換流站有功功率修正值ΔP1ref的計(jì)算公式。同理，逆變狀態(tài)下ΔP1ref的計(jì)算公式為：

因此，由式（6）、（8）、（9）可以得到 ΔP1ref計(jì)算模塊的實(shí)現(xiàn)方法，如圖4所示。其中，Pdirection取決于APC換流站的有功功率參考值：若P1ref＞0，則Pdirection=1；反之，Pdirection=0。

圖4 有功功率修正值的計(jì)算Fig.4 Calculation of active power correction

3.3 工作原理分析

以換流站1工作于整流狀態(tài)為例進(jìn)行說(shuō)明，P1ref＞0，則Pdirection=1，此時(shí)有功功率從換流站1流向換流站2，換流站2工作于逆變狀態(tài)。

正常工作情況下，換流站1的有功功率控制器工作于如圖2所示的右側(cè)功率特性曲線上，且有以下不等式成立：

由式（8）和式（10）可知：

由圖4知，Ptemp1與0進(jìn)行求最小值運(yùn)算，其結(jié)果為0，即ΔP1ref=0，則有功功率指令值沒(méi)有修正，保證了正常運(yùn)行狀態(tài)下有功功率控制不受修正值計(jì)算環(huán)節(jié)的影響。

當(dāng)換流站2側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落使得輸出相同的功率需要更大的電流，因此換流站2進(jìn)入限流模式，導(dǎo)致其向交流系統(tǒng)輸送的有功功率下降（下降程度取決于并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓幅值以及換流器限流范圍）。由于有功功率不平衡，直流電容開(kāi)始充電，直流電壓失去控制并開(kāi)始上升。更為嚴(yán)重的情況是換流站2因內(nèi)部故障緊急停運(yùn)，閉鎖觸發(fā)脈沖或者斷開(kāi)與交流系統(tǒng)的電氣聯(lián)系導(dǎo)致其向交流系統(tǒng)輸送的有功功率下降為零，直流電壓迅速上升。

在以上2種故障情況下，換流站1采用基于修正信號(hào)的有功功率控制策略，通過(guò)檢測(cè)本地直流電壓信號(hào)計(jì)算得到有功功率修正值。當(dāng)本地直流電壓滿足不等式 Udc1＞Udc1max時(shí)，由式（8）和式（10）可知：

由圖4知，ΔPtemp1與0進(jìn)行求最小值運(yùn)算，其結(jié)果為 ΔPtemp1，即 ΔP1ref=ΔPtemp1。ΔP1ref附加到原有功功率指令值上，則實(shí)際的有功功率指令值減小，并且隨著直流電壓的升高，有功功率指令值減小的幅度逐漸增大，直至直流系統(tǒng)的有功功率平衡為止，最終直流電壓穩(wěn)定在[Udc1max，Ulimdc1max]范圍內(nèi)的某一工作點(diǎn)，這樣就保證了故障期間有功功率平衡和直流電壓控制。

換流站1工作于逆變狀態(tài)時(shí)，改進(jìn)控制器的工作原理類似，故不再贅述。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文提出的控制策略，本文在PSCAD／EMTDC環(huán)境中建立了如圖1所示的VSC-HVDC系統(tǒng)仿真模型，模型參數(shù)選擇如下：額定直流電壓1kV，交流系統(tǒng)線電壓有效值400 V，電抗器電感5 mH，電抗器電阻0.2 Ω，直流電容器 2000 μF，直流線路等效電阻Rd=2 Ω，直流線路等效電感Ld=20 mH，開(kāi)關(guān)頻率4950 Hz，換流站1側(cè)有功電流限流-31～31 A，換流站2側(cè)有功電流限流-41～41 A。

根據(jù)式（3）—（5）計(jì)算得到換流站1直流電壓的工作范圍（單位kV）為：

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取裕度值σ=0.02kV，則：

考慮設(shè)備的安全電壓限制和低壓過(guò)電流限制，得到：

算例1：換流站1處于整流狀態(tài)且P1ref=12 kW，換流站2的直流電壓參考值為1kV。1 s時(shí)刻，換流站2側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生三相接地短路故障，故障持續(xù)0.15 s后切除，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 算例1的仿真結(jié)果Fig.5 Simulative results of case 1

由圖 5（a）、（b）知：故障前，換流站 1 的有功功率維持在12 kW，直流側(cè)電壓維持在1.023kV；故障初期1～1.017 s，由于換流站1向直流側(cè)注入的有功功率大于換流站2吸收的有功功率，直流電容充電，直流電壓開(kāi)始上升；換流站1的直流電壓在1.017 s左右達(dá)到1.0495kV，此后，附加控制環(huán)節(jié)開(kāi)始作用，計(jì)算得到有功功率修正值，并使換流站1有功功率迅速減小。因此，故障期間直流電壓被維持在1.12kV以下，防止了直流過(guò)電壓的出現(xiàn)。故障清除后，換流站2恢復(fù)了直流電壓控制能力。由圖5（b）可知，1.15 s故障清除后，換流站2從直流系統(tǒng)吸收的有功功率迅速增加，將直流系統(tǒng)多余的能量回饋到交流網(wǎng)絡(luò)，直至直流電壓恢復(fù)到正常水平。故障清除后，VSC-HVDC系統(tǒng)恢復(fù)到故障前運(yùn)行狀態(tài)，安全地度過(guò)了故障過(guò)程。

算例2：換流站1處于逆變狀態(tài)且P1ref=-12 kW，換流站2的直流電壓參考值為1kV。1 s時(shí)刻，換流站2側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生三相接地短路故障，故障持續(xù)0.15 s后切除，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 算例2的仿真結(jié)果Fig.6 Simulative results of case 2

由圖 6（a）、（b）知：故障前，換流站 1 直流側(cè)電壓維持在0.975kV；故障初期1～1.012 s，換流站2有功功率迅速下降而換流站1的有功功率不變，直流電容放電，導(dǎo)致直流電壓快速下降；換流站1的直流電壓在1.012 s左右達(dá)到0.9486kV，此后，附加控制環(huán)節(jié)開(kāi)始作用并使得換流站1從直流系統(tǒng)吸收的有功功率迅速減小。因此，故障期間直流電壓被維持在0.86kV以上，防止了直流欠電壓的出現(xiàn)。由圖6（b）知，1.15 s故障清除后，換流站2恢復(fù)了直流電壓控制能力，有功功率迅速增加，從交流網(wǎng)絡(luò)吸收能量用于直流電容充電，直至直流電壓恢復(fù)到正常水平。故障清除后，VSC-HVDC系統(tǒng)恢復(fù)到故障前運(yùn)行狀態(tài)。

由圖7知：故障初期1～1.013 s，換流站2閉鎖并斷開(kāi)與交流系統(tǒng)的聯(lián)系后，換流站1有功功率保持不變，直流電壓開(kāi)始迅速上升；1.013 s左右，附加控制環(huán)節(jié)開(kāi)始作用，有功功率指令值迅速下降，直流系統(tǒng)的有功功率不平衡度也隨之減緩，因此，直流電壓的上升逐漸趨于平緩，并最終穩(wěn)定在1.145kV左右；換流站1的有功功率穩(wěn)定在0.5 kW，僅用于維持直流系統(tǒng)電壓。由此可見(jiàn)，附加控制策略保證了主導(dǎo)站停運(yùn)情況下的直流電壓控制和系統(tǒng)非故障設(shè)備的持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文提出了一種更容易實(shí)現(xiàn)的、基于附加信號(hào)的VSC-HVDC系統(tǒng)有功功率控制策略。該策略根據(jù)本地直流電壓計(jì)算得到有功功率修正值并附加到指令值中，以達(dá)到維持有功功率平衡的目的，從而減少故障時(shí)系統(tǒng)直流側(cè)過(guò)電壓和欠電壓現(xiàn)象，保證了故障期間直流系統(tǒng)的持續(xù)、安全和穩(wěn)定運(yùn)行，提高了故障后VSC-HVDC系統(tǒng)的快速恢復(fù)能力。PSCAD／EMTDC仿真結(jié)果表明，本文提出的控制策略能夠維持正常情況和故障期間VSC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓控制，具有良好的響應(yīng)特性。