柔性直流輸電系統(tǒng)交直流并列運(yùn)行與孤島運(yùn)行方式間的切換控制

文 安，鄧 旭，魏承志，尋斌斌，鄧建俊，黃維芳，莫天文，田 霖

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；3.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623）

0 引言

為了解決能源緊缺問(wèn)題以及滿足低能耗可持續(xù)發(fā)展的需要，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生的清潔能源發(fā)電得到大力開(kāi)發(fā)與利用[1-3]。新能源發(fā)電存在供電質(zhì)量不穩(wěn)定且遠(yuǎn)離交流主電網(wǎng)的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)或基于電流源換流器的直流輸電技術(shù)用于可再生能源并網(wǎng)并不經(jīng)濟(jì)，而基于電壓源換流器的柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)能很好地解決該問(wèn)題[4-8]。 電壓源換流器型直流輸電技術(shù)是以電壓源換流器、自關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)，具有有功和無(wú)功獨(dú)立控制、能向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗等諸多優(yōu)勢(shì)[9-11]。近年來(lái)，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)在新能源并網(wǎng)、海上孤島送電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

柔性直流輸電系統(tǒng)主要有3種不同的運(yùn)行方式：交直流并列運(yùn)行、孤島運(yùn)行、STATCOM運(yùn)行。在不同運(yùn)行方式下柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略有較大不同，目前針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下的控制策略已有廣泛研究：文獻(xiàn)[12-15]研究了柔性直流輸電系統(tǒng)的建模及基本控制策略，文獻(xiàn)[16]研究了柔性直流輸電系統(tǒng)在定直流電壓控制端交流電網(wǎng)故障下的模式切換控制策略，文獻(xiàn)[17]研究了適用于風(fēng)電場(chǎng)接入的柔性直流輸電系統(tǒng)定有功功率與頻率輔助控制策略。這些研究均是針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)在某種特定運(yùn)行方式下的控制策略，對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)不同運(yùn)行方式之間的切換控制方法尚未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，如柔性直流輸電系統(tǒng)從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)，送端系統(tǒng)只能通過(guò)柔性直流輸電線路向受端系統(tǒng)注入功率，由于柔性直流輸電系統(tǒng)在交直流并列運(yùn)行時(shí)采用的是定有功功率控制，這將導(dǎo)致大部分電能無(wú)法外送，產(chǎn)生“窩電”現(xiàn)象，若系統(tǒng)控制策略不進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，系統(tǒng)的頻率將持續(xù)上升，最終導(dǎo)致頻率崩潰。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，需要及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)控制策略的自動(dòng)調(diào)整，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。可見(jiàn)，研究柔性直流輸電系統(tǒng)在交直流并列與孤島運(yùn)行方式間的切換控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，本文分析了柔性直流輸電系統(tǒng)在交直流并列運(yùn)行與孤島運(yùn)行方式下的控制策略，提出了2種運(yùn)行方式之間進(jìn)行切換時(shí)所采取的控制策略，并基于實(shí)際工程參數(shù)在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上搭建了兩端柔性直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，仿真驗(yàn)證了所提方案的可行性和有效性。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略

根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的連接關(guān)系，柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式通?？煞譃?種[18-21]。

a.交直流并列運(yùn)行。送端系統(tǒng)通過(guò)柔性直流輸電線路和并列的交流線路共同與受端交流系統(tǒng)相連。

b.孤島運(yùn)行。送端系統(tǒng)僅通過(guò)柔性直流輸電線路與受端交流系統(tǒng)相連。

c.STATCOM運(yùn)行。柔性直流輸電系統(tǒng)不參與有功潮流傳輸，僅參與交流系統(tǒng)的電壓和無(wú)功調(diào)節(jié)。

由于運(yùn)行方式c只應(yīng)用于特定場(chǎng)合，因此本文僅研究運(yùn)行方式a、b間的切換控制。假設(shè)交流聯(lián)絡(luò)線路為2條，柔性直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖Fig.1 Simplified structure of VSC-HVDC transmission system

下面分別介紹柔性直流輸電系統(tǒng)在交直流并列運(yùn)行和孤島運(yùn)行方式下所采取的控制策略。

1.1 交直流并列運(yùn)行方式下的控制策略

柔性直流輸電系統(tǒng)有2個(gè)獨(dú)立的控制量，包括有功類控制量和無(wú)功類控制量，通常每個(gè)換流器同時(shí)采用有功類控制器和無(wú)功類控制器各一種[22-23]。柔性直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，送端系統(tǒng)通過(guò)柔性直流輸電線路和并列運(yùn)行的交流輸電線路共同向受端系統(tǒng)送電，即處于交直流并列運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，為了保證系統(tǒng)有功平衡和直流電壓的穩(wěn)定，柔性直流輸電系統(tǒng)通常至少有一個(gè)站采用定有功功率控制，另一個(gè)站采用定直流電壓控制。本文研究中柔性直流輸電系統(tǒng)交直流并列運(yùn)行時(shí)采取的控制策略為：送端換流站采用定有功功率控制和定交流電壓控制，受端換流站采用定直流電壓控制和定交流電壓控制。送、受端換流站采用的控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，P、Pref分別為送端換流站直流輸送功率的測(cè)量值和設(shè)定值；Us1和Us1ref分別為送端換流站交流電壓的測(cè)量值和參考值；Udc2和Udcref分別為直流電壓的測(cè)量值和參考值；Us2和Us2ref分別為受端換流站交流電壓的測(cè)量值和參考值。將直流有功功率、送端交流電壓的測(cè)量值與參考值進(jìn)行比較之后，通過(guò)比例積分環(huán)節(jié)得到送端電流的參考值is1dref和is1qref，再將其送到送端內(nèi)環(huán)電流控制器進(jìn)行控制；將直流電壓和受端交流電壓通過(guò)比例積分環(huán)節(jié)后得到受端電流的參考值is2dref和is2qref，再分別將其送到受端內(nèi)環(huán)電流控制器進(jìn)行控制。

圖2 柔性直流輸電系統(tǒng)交直流并列運(yùn)行時(shí)的控制器Fig.2 Controller for AC-DC parallel operation of VSC-HVDC transmission system

1.2 孤島運(yùn)行方式下的控制策略

柔性直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，與直流線路并列運(yùn)行的N條交流線路全部跳閘或者當(dāng)其中N-1條線路處于停電檢修狀態(tài)下另一條線路因事故跳閘時(shí)，送端系統(tǒng)只能通過(guò)柔性直流線路向受端系統(tǒng)送電，此時(shí)柔性直流輸電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行方式。該運(yùn)行方式下，送端風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率只能通過(guò)柔性直流線路輸出，如果換流站的控制策略不進(jìn)行改變，即送端換流站仍采用定有功功率控制，則送端系統(tǒng)將有大量的功率剩余，從而形成“窩電”現(xiàn)象，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率持續(xù)上升。此時(shí)送端換流站處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，而受端換流站仍保持與交流大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，因此為了保證系統(tǒng)孤島運(yùn)行方式下的穩(wěn)定運(yùn)行，通常讓送端換流站采用定頻率控制，無(wú)功類控制器仍采用定交流電壓控制?？刂颇繕?biāo)是將送端交流系統(tǒng)的頻率保持為額定值，同時(shí)保證交流電壓幅值在規(guī)定范圍內(nèi)。頻率控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3（a）為交流電壓控制，usd為換流變網(wǎng)側(cè)交流相電壓幅值，u*sd為換流變網(wǎng)側(cè)交流相電壓幅值的參考值。usd與參考值u*sd比較之后，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)與直饋信號(hào)Edc相加后得到換流器的交流調(diào)制電壓幅值U*m。直饋信號(hào)Edc的引入主要是為了加快電壓控制的響應(yīng)速度，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)果無(wú)影響，在本研究中取為直流極線的對(duì)地電壓。換流器交流調(diào)制電壓的相角由圖3（b）所示的控制決定，直接令換流站輸出頻率等于系統(tǒng)額定頻率50 Hz，從而保證了送端交流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。由控制原理可知，該控制策略直接對(duì)交流系統(tǒng)頻率進(jìn)行控制。

圖3 柔性直流輸電系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)送端換流站控制器Fig.3 Controller of rectifier station for islanded operation of VSC-HVDC transmission system

換流器三相正弦調(diào)制電壓信號(hào)可由U*m和θ（t）得到，表示如下：

其中，δ為電壓初相位。

對(duì)于受端換流站，由于換流站仍與交流電網(wǎng)保持聯(lián)絡(luò)，因此換流站控制系統(tǒng)可采取交直流并列運(yùn)行方式下的控制策略，即如圖2所示的控制器。

柔性直流輸電系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下所采取的控制策略的主要區(qū)別在于外環(huán)控制器，而其內(nèi)環(huán)控制均采用如圖4所示的內(nèi)環(huán)電流解耦控制器，并且送、受端換流站的內(nèi)環(huán)電流控制器原理相同。圖中，電流參考值isdref、isqref從外環(huán)控制輸出獲得；isd和isq分別為交流電流測(cè)量值isabc經(jīng)dq變換后得到的d軸分量和q軸分量；內(nèi)環(huán)電流控制器采用電流反饋和電壓前饋，usd和usq為電壓前饋分量；電流控制器的輸出量udref和uqref分別對(duì)應(yīng)換流器期望輸出的正弦參考基波電壓的d軸和q軸分量；最后通過(guò)脈寬調(diào)制獲得各橋臂的觸發(fā)脈沖。

圖4 換流站內(nèi)環(huán)電流控制器Fig.4 Inner current controller of converter station

2 交直流并列與孤島運(yùn)行方式間切換控制

根據(jù)前文分析可知，當(dāng)柔性直流輸電系統(tǒng)因故障或操作等原因突然從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)換為孤島運(yùn)行模式時(shí)，如果控制系統(tǒng)不能及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)控制策略的切換，將導(dǎo)致送端交流系統(tǒng)的頻率急劇上升，對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。因此需要研究一種能檢測(cè)出系統(tǒng)孤島運(yùn)行狀態(tài)并自動(dòng)將換流站控制系統(tǒng)進(jìn)行切換的孤島控制策略。此外，當(dāng)并列運(yùn)行的交流線路故障排除后，需要將柔性直流輸電系統(tǒng)重新恢復(fù)到正常運(yùn)行方式，即交直流并列運(yùn)行，因此需要研究系統(tǒng)從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為并列運(yùn)行的切換控制策略。

2.1 從交直流并列轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行的控制

柔性直流輸電系統(tǒng)從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)，與柔性直流輸電線路并列運(yùn)行的所有交流線路全部斷開(kāi)，送端系統(tǒng)只能通過(guò)柔性直流線路向受端系統(tǒng)送電。因此，整個(gè)切換控制的關(guān)鍵在于如何根據(jù)系統(tǒng)電氣量變化特征及時(shí)準(zhǔn)確地判斷出柔性直流輸電系統(tǒng)處于交直流并列運(yùn)行還是孤島運(yùn)行模式，并在判斷出系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行方式后自動(dòng)將控制模式切換到與之對(duì)應(yīng)的控制策略，并保證整個(gè)切換過(guò)程中系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法主要有主動(dòng)檢測(cè)法、被動(dòng)檢測(cè)法和基于通信技術(shù)的檢測(cè)法[24-25]3種。主動(dòng)檢測(cè)法需要向系統(tǒng)注入檢測(cè)信號(hào)，可能對(duì)系統(tǒng)造成不利影響，如使系統(tǒng)電能質(zhì)量惡化，因此在實(shí)際應(yīng)用中很少采用。而基于通信技術(shù)的檢測(cè)方法涉及到通信設(shè)備的投資建設(shè)以及通信可靠性問(wèn)題，因此其應(yīng)用也受到限制。被動(dòng)檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)、便于實(shí)現(xiàn)，但是其檢測(cè)性能受孤島系統(tǒng)中功率不匹配程度的影響較大，存在靈敏性和可靠性的問(wèn)題。文獻(xiàn)[26-27]研究了微電網(wǎng)中基于相位偏移、相位突變等原理的孤島檢測(cè)技術(shù)。但是柔性直流輸電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中的孤島運(yùn)行模式存在較大區(qū)別，微電網(wǎng)中分布式電源通過(guò)逆變器直接與大電網(wǎng)相連，而柔性直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)柔性直流輸電線路和并列運(yùn)行的交流線路一起與受端大電網(wǎng)相連。因此，本文針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，提出了一種綜合考慮相位偏移和頻率變化的孤島檢測(cè)方法，該方法能根據(jù)交流線路輸送的額定功率不同而采取不同的檢測(cè)方法，從而實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。

柔性直流輸電系統(tǒng)交直流并列運(yùn)行時(shí)，送端和受端交流系統(tǒng)的相位偏移很小，兩端系統(tǒng)的相位差由交流線路傳輸?shù)墓β蕸Q定。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)，失去了交流聯(lián)絡(luò)線路，原本通過(guò)交流線路輸送的功率會(huì)累積在送端換流站，從而導(dǎo)致送端系統(tǒng)頻率抬升，兩端系統(tǒng)之間的電壓相位偏移會(huì)逐漸增大。因此，可以通過(guò)檢測(cè)相位偏移來(lái)判斷系統(tǒng)是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。相位偏移角Δθ是頻率變化Δf引起的累計(jì)值，其大小由頻率變化的大小和檢測(cè)持續(xù)的時(shí)間決定，它們之間的關(guān)系可表示如下：

其中，t1、t2為孤島檢測(cè)時(shí)間；Δf為頻率變化瞬時(shí)值，Δf=f-fN，f為系統(tǒng)頻率瞬時(shí)值，fN為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的頻率，在本文中由于受端系統(tǒng)始終與電網(wǎng)相連，故可認(rèn)為fN恒為50 Hz。

系統(tǒng)的相位偏移通過(guò)基于滑動(dòng)窗口的檢測(cè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要原理是利用最新的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算相位偏移，而相應(yīng)剔除最早的采樣數(shù)據(jù)，從而加快采樣數(shù)據(jù)的更新速度。滑動(dòng)窗口內(nèi)存儲(chǔ)的是最近T時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，即滿足t2-t1=T，如圖5所示。

圖5 基于滑動(dòng)窗口的檢測(cè)算法原理Fig.5 Principle of detection algorithm based on sliding-window

柔性直流輸電系統(tǒng)從交直流并列轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

a.設(shè)置系統(tǒng)相位偏移的門(mén)檻值Δθmax。當(dāng)交流線路輸送的額定功率較大時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行后送端系統(tǒng)的電壓相位偏移會(huì)迅速增大，因此可通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)相位偏移來(lái)判斷系統(tǒng)是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到相位偏移Δθ＞Δθmax，且持續(xù)一定時(shí)間Tset時(shí)，即判斷系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行模式，并將控制策略進(jìn)行切換?？紤]到系統(tǒng)的負(fù)荷擾動(dòng)也會(huì)引起相位偏移，為了避免該情況造成誤判，在本檢測(cè)方法中相位偏移的門(mén)檻值Δθmax一般取得較大。

b.當(dāng)交流線路輸送的功率較小時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)僅通過(guò)相位偏移Δθ可能無(wú)法判斷出系統(tǒng)是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)頻率檢測(cè)來(lái)進(jìn)行判定，并且在檢測(cè)過(guò)程中通過(guò)不斷調(diào)整直流系統(tǒng)輸送的功率定值來(lái)加速頻率變化。

檢測(cè)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)頻率變化的累計(jì)值Δf∑：

設(shè)置 2個(gè)門(mén)檻值Δf∑min和 Δf∑max，并且 Δf∑min＜Δf∑max。

其中，Pref為新設(shè)定的功率定值；Pref0為系統(tǒng)交直流并列運(yùn)行方式下的功率定值；K為系數(shù)。

下面分2種情況進(jìn)行分析。

第一種情況是當(dāng)系統(tǒng)交流線路全部跳閘后，由于柔性直流輸電系統(tǒng)采用定有功功率控制，送端系統(tǒng)發(fā)出的功率將大于柔性直流輸電線路輸送的功率，系統(tǒng)頻率f將上升。在該檢測(cè)方法中，由于設(shè)置了功率調(diào)整環(huán)節(jié)，使得柔性直流線路輸送的功率定值減小，從而送端系統(tǒng)發(fā)出的功率和直流線路輸送的功率差額將進(jìn)一步增大，加速系統(tǒng)頻率f的上升，當(dāng)檢測(cè)到超過(guò)閾值Δf∑max，且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，判斷系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。

第二種情況是假設(shè)系統(tǒng)通過(guò)2條交流線路與受端系統(tǒng)相連，當(dāng)其中一條交流線路跳閘后，系統(tǒng)頻率上升使得，此時(shí)由于系統(tǒng)中仍有一條交流線路運(yùn)行，系統(tǒng)處于交直流并列運(yùn)行方式，此時(shí)系統(tǒng)中的潮流將重新分配，交流故障線路上的潮流將會(huì)轉(zhuǎn)移到健全的交流線路上，一段時(shí)間后頻率又會(huì)回降到系統(tǒng)穩(wěn)定值，因此系統(tǒng)頻率偏差將會(huì)逐步減小直至小于Δf∑min，系統(tǒng)繼續(xù)保持交直流并列運(yùn)行方式。

綜上所示，柔性直流輸電系統(tǒng)從交直流并列轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行的切換控制流程如圖6所示。

圖6 柔性直流輸電系統(tǒng)從交直流并列轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行的切換控制流程圖Fig.6 Flowchart of mode switching control from AC-DC parallel operation to islanded operation

2.2 從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的控制

在交流線路故障清除后，需要將柔性直流輸電系統(tǒng)恢復(fù)到正常的運(yùn)行模式，即交直流并列運(yùn)行。從孤島轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行時(shí)，需要保證送端和受端交流系統(tǒng)的電壓幅值和相角近似一致，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁暫態(tài)沖擊，對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重沖擊。柔性直流輸電系統(tǒng)從孤島轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換控制原理如下。

a.檢測(cè)交流聯(lián)絡(luò)線是否存在故障。若交流聯(lián)絡(luò)線故障，則不執(zhí)行并列運(yùn)行操作，柔性直流輸電系統(tǒng)的控制不進(jìn)行切換，仍采用孤島運(yùn)行方式下的控制策略；若交流聯(lián)絡(luò)線路無(wú)故障，則執(zhí)行并列運(yùn)行操作。

b.檢測(cè)送端和受端交流系統(tǒng)的電壓幅值和相角差。當(dāng)檢測(cè)到電壓幅值和相角分別滿足ΔU＜ΔUmax和Δθ＜Δθmax時(shí)，執(zhí)行由孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換控制，同時(shí)閉合交流聯(lián)絡(luò)線路的斷路器，并將直流換流站的控制策略進(jìn)行相應(yīng)切換；若檢測(cè)到電壓幅值和相角不滿足要求，則繼續(xù)保持孤島運(yùn)行。

綜上所述，柔性直流輸電系統(tǒng)從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換控制流程如圖7所示。

圖7 柔性直流輸電系統(tǒng)從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換控制流程圖Fig.7 Flowchart of mode switching control from islanded operation to AC-DC parallel operation

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的柔性直流輸電系統(tǒng)交直流并列與孤島運(yùn)行方式之間的切換控制策略的可行性和有效性，以某實(shí)際工程參數(shù)為例，利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC對(duì)該柔性直流輸電系統(tǒng)的切換控制進(jìn)行建模仿真。仿真所采用的系統(tǒng)參數(shù)為：系統(tǒng)額定直流電壓為±160 kV；送端和受端交流系統(tǒng)額定電壓等級(jí)均為110 kV；換流器采用基于模塊化多電平換流器MMC（Modular Multilevel Converter）技術(shù)，每個(gè)橋臂采用100個(gè)子模塊；交流輸電線路共2條，交流線路1、2的額定輸送功率均為30MW；柔性直流輸電線路的額定輸送功率為80MW。換流站的控制系統(tǒng)采用前文所提出的控制策略，系統(tǒng)在交直流并列運(yùn)行與孤島運(yùn)行之間進(jìn)行切換時(shí)采用本文第2節(jié)所提出的切換控制策略。其中，對(duì)于本仿真算例，從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行的切換控制時(shí)，滑動(dòng)窗口的時(shí)間T取為500 ms，系統(tǒng)相位偏移的門(mén)檻值Δθmax取為60°。對(duì)于其他工程，相關(guān)控制參數(shù)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況確定。

3.1 從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行仿真結(jié)果

假定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至3.5s時(shí)，交流線路1突然跳閘，4.5 s時(shí)交流線路2跳閘，此后系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，在仿真中不考慮系統(tǒng)頻率上升對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)性能的影響，即不考慮風(fēng)機(jī)從系統(tǒng)中切除的情況。仿真結(jié)果如圖8—11所示。

圖8 從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行，不采取切換控制時(shí)送端系統(tǒng)頻率變化Fig.8 Frequency variation of rectifier system during uncontrolled mode switching from AC-DC parallel operation to islanded operation

圖9 從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行，采取切換控制時(shí)送端系統(tǒng)頻率變化Fig.9 Frequency variation of rectifier system during controlled mode switching from AC-DC parallel operation to islanded operation

圖10 從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)送端交流系統(tǒng)的電壓相位偏移Fig.10 Voltage phase shift of rectifier AC system during mode switching from AC-DC parallel operation to islanded operation

圖11 從交直流并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)交流線路1、2和直流線路有功功率Fig.11 Active power of AC line 1，2 and DC line during mode switching from AC-DC parallel operation to islanded operation

從上述仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，3.5 s時(shí)刻系統(tǒng)切除交流線路1，隨后由于柔性直流換流站采用定有功功率控制，系統(tǒng)的有功潮流由交流線路1轉(zhuǎn)移到線路2，即如圖11所示的功率變化情況。在轉(zhuǎn)移過(guò)程中由于交流線路功率的變化，送端交流系統(tǒng)的頻率也會(huì)有一定波動(dòng)，但在持續(xù)一段時(shí)間擾動(dòng)后頻率又恢復(fù)到額定值。在4.5 s時(shí)刻，系統(tǒng)將另一條交流線路2切除，此后系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。由于交流聯(lián)絡(luò)線路全部被切斷，系統(tǒng)只能通過(guò)柔性直流輸電線路向受端系統(tǒng)傳輸有功。此時(shí)不同控制策略下的系統(tǒng)的仿真結(jié)果如下。

a.當(dāng)系統(tǒng)不采取相應(yīng)的控制切換措施時(shí)，由于柔性直流輸電系統(tǒng)采用了定有功功率的控制策略，傳輸?shù)挠泄β示S持在80 MW，這使得送端系統(tǒng)無(wú)法將電能完全送出，從而產(chǎn)生“窩電現(xiàn)象”，送端換流站交流側(cè)系統(tǒng)的頻率急劇上升，由于在本仿真中不考慮因系統(tǒng)頻率上升導(dǎo)致風(fēng)機(jī)切除的情況，可見(jiàn)送端系統(tǒng)的頻率在7 s時(shí)達(dá)到56 Hz，而實(shí)際工程中當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)如圖中所示的急劇上升時(shí)，系統(tǒng)早已崩潰。

b.當(dāng)系統(tǒng)采取本文所提出的控制切換措施時(shí)，4.5 s時(shí)刻系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，由于失去了交流聯(lián)絡(luò)線路，送端換流站在控制切換前仍采用定有功功率控制，因此原本通過(guò)交流聯(lián)絡(luò)線路傳輸?shù)墓β蕦⒗鄯e在送端交流系統(tǒng)，從而導(dǎo)致送端交流系統(tǒng)的相位偏移不斷增大，如圖10所示。控制系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后檢測(cè)到Δθ＞Δθmax，判斷系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)將控制策略由交直流并列運(yùn)行的控制切換到孤島運(yùn)行方式下的控制，即送端換流站由定有功功率控制切換為定頻率控制，此后系統(tǒng)頻率逐漸降為額定值，因此送端系統(tǒng)的相位偏移也隨之降為0。從仿真結(jié)果可以看到，控制策略切換后，系統(tǒng)的頻率經(jīng)過(guò)一定的波動(dòng)后最終穩(wěn)定在額定頻率50 Hz左右，交流線路1、2的有功功率都降為0，柔性直流輸電線路輸送的有功功率上升至140 MW，即送端系統(tǒng)發(fā)出的有功全部通過(guò)柔性直流線路輸送，從而使系統(tǒng)在孤島運(yùn)行時(shí)保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。

從圖8—11的仿真波形也可以看出，本文所提的控制策略能根據(jù)系統(tǒng)電氣量變化特征及時(shí)準(zhǔn)確地判斷出柔性直流輸電系統(tǒng)處于交直流并列運(yùn)行還是孤島運(yùn)行模式，并且從交直流并列轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行的切換過(guò)程中，系統(tǒng)各電氣量沒(méi)有劇烈的波動(dòng)，從而保證了切換過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，當(dāng)送端交流系統(tǒng)由于風(fēng)速變化引起的風(fēng)電機(jī)組隨機(jī)切機(jī)和投入而導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)以及送端交流系統(tǒng)發(fā)生母線電壓跌落等工況時(shí)，也可能引起送端交流系統(tǒng)頻率的波動(dòng)。為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略不存在檢測(cè)死區(qū)，即便在上述故障工況下也能正確判斷出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，本文對(duì)上述典型工況也進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，當(dāng)柔性直流輸電線路的額定輸送功率為其他值時(shí)，控制系統(tǒng)能正確判斷出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)中一條或幾條交流線路跳閘，但仍有交流線路保持兩端系統(tǒng)相連時(shí)，檢測(cè)裝置不會(huì)因?yàn)榻涣骶€路的跳閘而誤判為孤島運(yùn)行；當(dāng)送端交流系統(tǒng)由于功率不平衡而導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，也不會(huì)誤判。限于篇幅，本文對(duì)各種故障下的仿真結(jié)果不再一一列舉，在此僅列出一種典型故障下的仿真結(jié)果，故障工況為假定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至5 s時(shí)，交流線路1發(fā)生單相接地故障（C相），100 ms后保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)該回線路，此時(shí)只有一回交流線路投入運(yùn)行，10 s時(shí)另外一條交流線路發(fā)生單相接地故障，100 ms后保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)該回線路，此時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行。送端交流系統(tǒng)的相位偏移檢測(cè)結(jié)果如圖12所示，由圖可見(jiàn)，當(dāng)其中一回線路跳閘，但仍有交流線路保持兩端系統(tǒng)相連時(shí)，相位偏移小于相位偏移的門(mén)檻值Δθmax（60°），且只在故障瞬間有一較大的瞬時(shí)值，故檢測(cè)系統(tǒng)不會(huì)誤判為孤島運(yùn)行狀態(tài)。從仿真結(jié)果可以看見(jiàn)，當(dāng)2回交流線路均從系統(tǒng)中切除時(shí)，送端交流系統(tǒng)的相位偏移持續(xù)超過(guò)門(mén)檻值60°，故此時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)可判斷出系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，并將柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行相應(yīng)切換。

圖12 交流線路單相接地時(shí)送端交流系統(tǒng)的電壓相位偏移Fig.12 Voltage phase shift of rectifier AC system during single-phase grounding fault

3.2 從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行仿真結(jié)果

按照第2.2節(jié)提出的系統(tǒng)從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換控制策略，對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真時(shí)設(shè)置在10s發(fā)出并列運(yùn)行指令，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)電氣量變化Fig.13 Variation of electrical parameters during mode switching from islanded operation to AC-DC parallel operation

從圖13所示的各電氣量仿真波形可以看出，10s發(fā)出并列運(yùn)行指令，隨后控制系統(tǒng)開(kāi)始不斷檢測(cè)送、受端系統(tǒng)的電壓幅值和相角是否滿足并列運(yùn)行條件，即 ΔU＜ΔUmax且 Δθ＜Δθmax。 從圖中兩端系統(tǒng)的相位差變化波形可以看出，在t=13.3 s時(shí)滿足并列運(yùn)行要求，執(zhí)行由孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換控制，同時(shí)閉合交流聯(lián)絡(luò)線路的斷路器，并將直流換流站的控制策略進(jìn)行相應(yīng)切換。切換瞬間，送端交流系統(tǒng)的頻率會(huì)有一定波動(dòng)，但隨之便很快恢復(fù)到額定值，并穩(wěn)定在50 Hz左右。系統(tǒng)從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行后，送端系統(tǒng)發(fā)出的電能一部分繼續(xù)通過(guò)柔性直流線路輸送，另一部分由交流線路輸送，從圖中可知，交流線路2的有功功率由0逐步升至60MW，柔性直流線路輸送的功率則由140 MW降為額定輸送功率80 MW，交流線路1由于此時(shí)尚未合閘，因此功率一直保持為0。系統(tǒng)切換為交直流并列運(yùn)行后，相位差保持為一個(gè)較小的正值，這是因?yàn)橄到y(tǒng)通過(guò)交流線路傳輸一部分有功，從而兩端系統(tǒng)存在相角差，且送端交流系統(tǒng)的相位超前于受端系統(tǒng)。

從仿真波形也可以看出，從孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換過(guò)程中，系統(tǒng)各電氣量沒(méi)有劇烈的波動(dòng)，可以保證切換過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)交直流并列和孤島2種運(yùn)行方式之間的切換控制進(jìn)行了研究，分別分析了柔性直流輸電系統(tǒng)在交直流并列運(yùn)行和孤島運(yùn)行方式下所采取的控制策略，提出了系統(tǒng)從交直流并列轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行和從孤島轉(zhuǎn)為交直流并列運(yùn)行的切換控制策略?；谀硨?shí)際工程參數(shù)，通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真軟件，對(duì)所提出的控制方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的切換控制策略能及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)控制方式的切換，在切換過(guò)程中系統(tǒng)各電氣量沒(méi)有劇烈的波動(dòng)，可以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。研究結(jié)果可為實(shí)際工程的運(yùn)行控制提供指導(dǎo)，也可以為相關(guān)柔性直流輸電系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)提供參考。