雙向VSC-HVDC傳輸系統(tǒng)的歸一化控制與運(yùn)行

趙婷婷, 肖宇，韓肖清，王鵬

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原市 030024)

雙向VSC-HVDC傳輸系統(tǒng)的歸一化控制與運(yùn)行

趙婷婷, 肖宇，韓肖清，王鵬

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原市 030024)

針對(duì)部分地區(qū)由于地理位置以及季節(jié)性差異引起的能源不平衡現(xiàn)象，提出了基于電壓源換流器的高壓直流輸電(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)系統(tǒng)雙向傳輸?shù)臍w一化控制策略，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。首先，將電壓源換流器兩側(cè)的下垂特性歸一化，獲得交直流電網(wǎng)的傳輸功率參考值；然后，比較直流輸電線路兩端傳輸功率參考值的大小與方向，確定直流輸電線路的傳輸功率；最后，通過控制直流線路兩端的直流電壓，實(shí)現(xiàn)功率雙向傳輸，平衡兩側(cè)交流電網(wǎng)的功率。設(shè)計(jì)了3種不同的工作情景，采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(real time digital simulator， RTDS)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制的有效性, 實(shí)現(xiàn)了低碳電力調(diào)度。

電壓源換流器高壓直流輸電(VSC-HVDC)；雙向傳輸；分區(qū)聯(lián)絡(luò)；下垂特性；歸一化；能源互補(bǔ)

0 引 言

我國(guó)的能源中心和負(fù)荷中心呈逆向分布，煤炭等一次能源和水電、風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源主要分布在用電需求少、人口密度小、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西南、西北和北部邊遠(yuǎn)地區(qū)，而能源需求主要集中在中東部和南部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)[1-3]。此外，水電、風(fēng)能、太陽(yáng)能等具有間歇性和隨機(jī)性，隨著季節(jié)不斷變化，如太陽(yáng)能和水資源在夏季較豐富，而冬季匱乏；風(fēng)能在冬春季豐富，而夏秋季稀缺，季節(jié)差異性較大。

同樣用電需求量也有很大的差異，大部分地區(qū)在夏冬季是用電高峰期，但是由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的差異性，部分地區(qū)在春季或秋季才達(dá)到用電高峰。全國(guó)很多地方已經(jīng)開始實(shí)行階梯電價(jià)、用電高峰切負(fù)荷等措施解決電力供求不平衡矛盾[4-5]。基于此，本文提出基于電壓源換流器的高壓直流輸電(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)系統(tǒng)雙向傳輸?shù)臍w一化控制策略，通過潮流控制，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成良性的電力市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)最大限度的風(fēng)全網(wǎng)低碳電力調(diào)度。

VSC-HVDC是近年來興起的一種輕型直流輸電技術(shù)，其占地面積小、不需要外網(wǎng)提供換相電壓、具有靈活快速的控制能力、可以實(shí)現(xiàn)4象限運(yùn)行、具備黑啟動(dòng)能力等[6]。在風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性新能源并網(wǎng)的研究中發(fā)揮了重要的作用[7-11]。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC并網(wǎng)的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)研究。文獻(xiàn)[14]提出了一種新的光伏電站經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略。文獻(xiàn)[15-19]詳細(xì)研究了在正常情況與故障情況下電壓源轉(zhuǎn)換器的各種控制策略。

上述文獻(xiàn)均針對(duì)VSC-HVDC中單側(cè)換流器的控制進(jìn)行研究，并不能滿足未來電力市場(chǎng)互動(dòng)的需求。本文提出VSC-HVDC的雙向傳輸控制策略，通過實(shí)時(shí)調(diào)整聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)的潮流，來平衡由于地理與季節(jié)性差異造成的能源不均衡性。實(shí)際上，VSC本身就可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，本文的重點(diǎn)在于將VSC兩側(cè)的下垂特性歸一化，由交流電網(wǎng)頻率與直流線路電壓共同決定傳輸功率的大小與方向，同時(shí)結(jié)合直流輸電線路兩端換流器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的雙向傳輸，并在RTDS中仿真驗(yàn)證3種不同的工作情景。

1 VSC-HVDC系統(tǒng)

VSC-HVDC系統(tǒng)中的換流器采用的是基于全控型器件和脈寬調(diào)制控制技術(shù)的電壓源換流器。與傳統(tǒng)的高壓直流輸電換流器相比，VSC-HVDC不存在由于交流電網(wǎng)擾動(dòng)而出現(xiàn)的換相失敗問題，可連接弱電網(wǎng)，甚至無源電網(wǎng)；可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制；諧波含量少，可以連接異步交流電網(wǎng)[20]。兩電平VSC-HVDC的直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[21-22]，一端連接交流電網(wǎng)A區(qū)，含有風(fēng)電場(chǎng)，另一端連接交流電網(wǎng)B區(qū)。其中：T1，T2為換流變壓器；

RL為直流輸電線路電阻；C1、C2為直流側(cè)電容；PS1、PS2為區(qū)域交流電網(wǎng)的輸出功率。

2 系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有：

(1)

式中：usa、usb、usc為交流側(cè)三相電壓瞬時(shí)值；ia、ib、ic為交流側(cè)三相電流瞬時(shí)值；uca、ucb、ucc為換流器輸出的三相電壓瞬時(shí)值；電阻R和電抗L為聯(lián)結(jié)變壓器的等值參數(shù)。

經(jīng)過派克變換，其暫態(tài)數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中：usd、usq為交流母線電壓在d、q軸的分量；ucd、ucq為換流器輸出電壓在d、q軸的分量；id、iq為交流電網(wǎng)電流在d、q軸的分量。

2.2 系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由系統(tǒng)控制層和換流控制層2部分構(gòu)成。系統(tǒng)控制層完成直流輸電的起停、雙向控制、輸送功率的定值整定等指令。換流控制層完成VSC-HVDC的控制。VSC-HVDC的矢量控制系統(tǒng)采用內(nèi)外環(huán)控制。整個(gè)直流輸電系統(tǒng)必須保證有功功率的動(dòng)態(tài)平衡，送端的輸出功率減去直流輸電系統(tǒng)的損耗等于受端的輸入功率，否則直流系統(tǒng)的能量堆積或釋放會(huì)導(dǎo)致直流輸電線路電壓大幅波動(dòng)。因此，兩端換流站的有功控制目標(biāo)必須不同，一端工作于定有功功率控制時(shí)，另一端必須工作于定直流電壓控制，控制目標(biāo)與原理如圖2所示。

圖1 VSC-HVDC的輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Transmission system structure of VSC-HVDC

圖2 VSC-HVDC控制目標(biāo)與原理Fig.2 Control target and principle structure of VSC-HVDC

2.2.1 VSC兩側(cè)下垂特性歸一化

為了對(duì)分區(qū)聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)的潮流進(jìn)行控制與功率平衡，實(shí)現(xiàn)低碳電力調(diào)度，首先應(yīng)該對(duì)VSC兩側(cè)交直流電網(wǎng)的下垂特性進(jìn)行歸一化處理，統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下，獲得VSC傳輸功率參考值的大小及方向。

圖1虛線框中簡(jiǎn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)交流側(cè)。交流電網(wǎng)頻率f與其輸出功率的關(guān)系如下：

f=f*+mPac

(3)

(4)

圖3 VSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of VSC system

(2)直流側(cè)。直流電源的下垂特性如下：

(5)

(6)

(3)歸一化。歸一化的過程如圖4所示，歸一化公式如下：

(7)

式中：γ表示f或Udc；(γ)′為標(biāo)準(zhǔn)化的γ；γmax、γmin為對(duì)應(yīng)的最大值與最小值；γn為額定值。

設(shè)定γmax-γn=γn-γmin，將式(3)—(6)代入(7)，則歸一化后的交直流系統(tǒng)下垂特性為

(8)

交直流系統(tǒng)結(jié)合后的下垂特性具有相同的x軸和y軸，如圖4(c)和4(d)所示，可以放在同一參考坐標(biāo)系下，如圖4(e)所示。因此，采用PI控制器來均衡 (f) ′與(Udc) ′，實(shí)現(xiàn)交直流電網(wǎng)間的功率傳輸。

圖4 交直流下垂特性的歸一化Fig.4 Normalization of AC and DC droop characteristics

(9)

式中：P1和P1′分別為交、直流側(cè)的功率；kp與ki分別為對(duì)應(yīng)PI控制器的比例和積分系數(shù)，具體控制如圖2中的(1)部分所示。

同時(shí)為保證接入交流母線電壓穩(wěn)定，采用定交流電壓控制，如圖2中(2)部分所示。通過比較參考電壓Usref1與測(cè)得的交流電壓Us1來獲得相應(yīng)的電壓差，再經(jīng)過比例積分器獲得q軸電流的參考值。

2.2.2 VSC-HVDC的雙向傳輸控制

由歸一化控制得出兩端換流器傳輸功率的參考值P1和P2。規(guī)定功率由交流側(cè)流向直流側(cè)時(shí)為正方向。當(dāng)P1與P2異號(hào)時(shí)，說明一區(qū)發(fā)電功率過剩，另一區(qū)出現(xiàn)功率缺額，此時(shí)設(shè)定線路傳輸功率ΔP=min(|P1|,|P2|)來實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)，仍然有功率差額的區(qū)域可以進(jìn)行切機(jī)或切負(fù)荷操作；當(dāng)P1與P2同號(hào)時(shí)，說明兩區(qū)域發(fā)電功率都過?；蚨加腥鳖~，過剩時(shí)可以切部分火力發(fā)電機(jī)組，最大限度利用清潔能源，出現(xiàn)缺額時(shí)切部分不重要負(fù)荷，此時(shí)設(shè)定線路傳輸功率ΔP=0，兩區(qū)域各自實(shí)現(xiàn)功率平衡；當(dāng)P1與P2有一個(gè)為0時(shí)，說明一區(qū)域平衡，另一區(qū)域過?；蛴腥鳖~，此時(shí)同樣設(shè)定ΔP=0。

通過控制直流線路兩端的直流電壓實(shí)現(xiàn)VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的雙向傳輸，使兩端的直流電壓設(shè)定值存在一定的差值ΔUd，即輸電線路壓降，如圖2中(3)部分。

當(dāng)P1ΔP>0時(shí)，即要求潮流從A區(qū)流向B區(qū)時(shí)，運(yùn)行特性如圖5(a)所示，整流側(cè)A端實(shí)現(xiàn)定電壓控制，逆變側(cè)B端實(shí)現(xiàn)定功率控制。

整流側(cè)A端：參考電壓Udc,ref1=U-0=U，其中U為直流輸電線路的額定電壓。Udc,ref1與A端的測(cè)量電壓Udc比較后經(jīng)PI控制得到A端指令電流Idref1。其中，直流輸電線路需要傳輸?shù)墓β师為PI控制器的上下限幅。整流側(cè)A端實(shí)現(xiàn)定電壓控制。

逆變側(cè)B端：線路傳輸功率為定值ΔP時(shí)，線路壓降ΔUd=ΔPR/U，此時(shí)B端的直流電壓參考值設(shè)定為Udc,ref2=U-ΔPR/U。這里不考慮線路電阻R隨溫度的變化。Udc,ref2與B端的測(cè)量電壓Udc2比較后經(jīng)PI控制得到B端指令電流Idref2。其中，直流輸電線路需要傳輸?shù)墓β师為PI控制器的上下限幅。此時(shí)，Idref2為PI控制器的下限，即傳輸?shù)墓β蕿棣。逆變側(cè)B端實(shí)現(xiàn)定功率控制。

反之，當(dāng)P1ΔP<0時(shí)，A端為逆變側(cè)，B端為整流側(cè)，運(yùn)行特性如圖5(b)所示。

當(dāng)P1ΔP=0時(shí)，兩區(qū)域各自實(shí)現(xiàn)功率平衡，設(shè)定Udc,ref1=U，Udc,ref2=U，兩端直流電壓相等，傳輸功率為0。

圖5 電壓控制下雙向傳輸特性Fig.5 Bidirectional transmission characteristics under voltage control

2.2.3 內(nèi)環(huán)電流控制

ucdref和ucqref為VSC的輸出電壓參考值。usd、usq為交流電壓在d、q軸的分量。Kp、Ki分別為相應(yīng)PI控制器的比例和積分系數(shù)。根據(jù)式(2)及電流前饋解耦控制規(guī)律，VSC內(nèi)環(huán)電流控制方程為

(10)

電流控制器的d軸和q軸成為2個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)，具體內(nèi)環(huán)控制見圖2中的(4)部分。

3 RTDS仿真驗(yàn)證

3.1 建模環(huán)境

RTDS為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀，其計(jì)算速度快、精度高、頻率范圍大、靈活性強(qiáng)，可以更準(zhǔn)確地測(cè)試VSC-HVDC控制器。小步長(zhǎng)封裝模塊是RTDS特有的建模環(huán)境，可以進(jìn)行VSC-HVDC的仿真計(jì)算，仿真步長(zhǎng)為1.4到2.5 μs。由于系統(tǒng)采用直流輸電，輸電線路的發(fā)送端與接收端不能為同一端口，本文發(fā)送端在1處理器3端口，接收端在1處理器4端口，采用光纖接線，如圖6所示。時(shí)，A區(qū)域與B區(qū)域均需要各自通過切機(jī)切負(fù)荷或

3.2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

由2.2.2部分的分析可知，當(dāng)P1與P2有一個(gè)為0者能源調(diào)度來實(shí)現(xiàn)功率平衡，此時(shí)直流輸電路傳輸功率ΔP=0，即相當(dāng)于兩區(qū)域無聯(lián)系。為此本文不再仿真分析P1P2≥0的情況，重點(diǎn)仿真分析P1與P2異號(hào)時(shí)分區(qū)聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。為了驗(yàn)證本文控制策略的有效性，設(shè)計(jì)了3種不同的工作情景，并在RTDS中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)構(gòu)見圖1，換流站額定容量為100 MW，直流輸電線額定電壓為110 kV，輸電線路全長(zhǎng)100 km，0.032 06 Ω/km。采用SPWM調(diào)制方法，載波頻率為21倍基頻。系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

圖6 RTDS光纖接線Fig.6 Connection using fiber in RTDS

表1 VSC-HVDC系統(tǒng)參數(shù)
Table 1 Parameters of VSC-HVDC system

(1)情景1：A地區(qū)冬季風(fēng)比較大，但由于經(jīng)濟(jì)落后用電負(fù)荷小，有剩余電能；B地區(qū)則比較發(fā)達(dá)，主要能源為水電，但冬季為枯水期，需要實(shí)行階梯電價(jià)或切負(fù)荷來維持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為了避免A區(qū)電網(wǎng)清潔能源的浪費(fèi)、減少儲(chǔ)能費(fèi)用，同時(shí)減輕B區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷壓力，通過VSC-HVDC將交流電網(wǎng)A區(qū)與交流電網(wǎng)B區(qū)連接起來。在冬季由A區(qū)向B區(qū)傳輸電能，達(dá)到A區(qū)、B區(qū)和環(huán)境共贏的目的。仿真時(shí)間為0～2 s，仿真結(jié)果如圖7中情景1所示。

此時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)采集交流系統(tǒng)頻率與直流線路電壓，歸一化后測(cè)得P1=50 MW，P2=-100 MW，P1ΔP>0，VSC1工作于整流狀態(tài)，VSC2工作于逆變狀態(tài)。從圖中可以看出，控制系統(tǒng)性能良好，直流輸電線路電壓穩(wěn)定在110 kV；A區(qū)與B區(qū)母線電壓與頻率恒定；通過VSC-HVDC由A區(qū)向B區(qū)輸送風(fēng)電功率50 MW。

(2)情景2：由于A地區(qū)的風(fēng)能具有隨機(jī)和不確定性，在t=2 s時(shí)風(fēng)能增大，t=4 s時(shí)風(fēng)能又減小，其波形如圖7中情景2所示。

圖7 系統(tǒng)響應(yīng)Fig.7 System response

此時(shí)，仍然有P1ΔP>0，監(jiān)測(cè)到的交流電網(wǎng)頻率與直流輸電線路電壓歸一化后回饋給VSC實(shí)現(xiàn)有功功率傳輸。下垂特性歸一化后有P1=100 MW，P2=-100 MW，在t=2 s時(shí)，A區(qū)流向B區(qū)的功率由50 MW上升到100 MW；在t=4 s時(shí)，P1=50 MW，P2=-100 MW，傳輸功率由100 MW降到了50 MW。從仿真結(jié)果可以看出，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，控制性能良好，兩區(qū)域交流母線電壓穩(wěn)定，最大幅值波動(dòng)為0.002 pu。直流輸電線路電壓出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，從105 kV到115 kV，維持在了允許范圍內(nèi)。A區(qū)頻率偏差最大為±0.07 Hz，B區(qū)最大頻率偏差為±0.02 Hz，均滿足電能質(zhì)量要求。VSC-HVDC的輸送功率跟隨交流網(wǎng)功率變化而波動(dòng)，可見本文所設(shè)計(jì)的控制策略適用于具有不確定性和隨機(jī)性的新能源發(fā)電，可以根據(jù)交流電網(wǎng)頻率與直流母線電壓實(shí)時(shí)確定傳輸功率，最大限度地利用清潔能源。

(3)情景3：夏季A地區(qū)風(fēng)力匱乏，又沒有其他的能源資源，出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象；夏季卻為B地區(qū)的豐水期，水電能源豐富，有剩余電能。為了實(shí)現(xiàn)最大限度的低碳電力調(diào)度， VSC-HVDC工作在反向傳輸狀態(tài)，由B區(qū)向A區(qū)傳輸功率，波形如圖7中情景3所示。在7 s時(shí)實(shí)現(xiàn)了反向傳輸。

此時(shí)，控制系統(tǒng)歸一化后計(jì)算出P1=-50 MW，P2=50 MW，P1ΔP<0，VSC1工作于逆變狀態(tài)，VSC2工作于整流狀態(tài)。從圖中可以看出，在t=7 s時(shí)潮流反向傳輸，從B區(qū)流向A區(qū)50 MW，直流輸電線路電壓最高上升到126 kV又恢復(fù)到了110 kV。兩側(cè)的交流母線電壓在小幅震蕩后都穩(wěn)定在了額定電壓。A區(qū)頻率增大0.04 Hz后恢復(fù)到60 Hz。B區(qū)頻率下降了0.06 Hz后恢復(fù)到了50 Hz?？梢娫摽刂葡到y(tǒng)性能良好，可以根據(jù)兩區(qū)域交流電網(wǎng)的具體情況瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)潮流反向傳輸。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)部分地區(qū)能源資源由于地理位置及季節(jié)性差異引起的不平衡性，提出了電壓源換流器高壓直流輸電系統(tǒng)雙向傳輸?shù)目刂撇呗?實(shí)現(xiàn)分區(qū)聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)能源的實(shí)時(shí)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。仿真結(jié)果表明,VSC-HVDC可以連接不同頻率的交流電網(wǎng),提出的控制策略可以根據(jù)直流輸電線路兩端交流電網(wǎng)的具體情況控制有功功率的大小與方向，實(shí)現(xiàn)低碳電力調(diào)度，滿足兩區(qū)域交流電網(wǎng)的需求。同時(shí)說明控制策略適用于具有不確定性和隨機(jī)性的新能源發(fā)電，可以根據(jù)交流電網(wǎng)頻率與直流母線電壓實(shí)時(shí)確定傳輸功率，最大限度地利用清潔能源。

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肖宇(1979), 女，博士，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、交直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定研究；

韓肖清(1964)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源發(fā)電與控制；

王鵬(1955)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可靠性規(guī)劃和運(yùn)行、微電網(wǎng)及新能源技術(shù)。

(編輯 張小飛)

Normalized Control and Operation of VSC-HVDC Bidirectional Transmission System

ZHAO Tingting, XIAO Yu, HAN Xiaoqing, WANG Peng

(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In view of the imbalanced phenomenon of energy caused by the geographical location and seasonal variation, this paper proposes a normalized control strategy with bidirectional transmission based on voltage source converter-high voltage direct current (VSC-HVDC) system, which can contact grid by partition to realize the complementary advantages. Firstly, the control system determines the reference value of transmission power between AC and DC system through normalizing the droop characteristics on both sides of voltage source converter. Then, we obtain the transmission power of DC transmission line through comparing the size and direction of the reference value of the transmission power between the two ends of DC transmission line. Finally, it achieves bidirectional transmission and power balance between two grids by controlling the DC voltage at both ends of DC line. We design three different work situations and carry out simulation study in real time digital simulator (RTDS). The simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy, which realizes the low carbon power dispatching.

voltage source converter-high voltage direct current (VSC-HVDC); bidirectional transmission; contacting by partition; droop characteristic; normalization; complementary energy

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目 (MD 2014-06)

TM 721

A

1000-7229(2016)04-0110-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.017

2015-12-22

趙婷婷(1990)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制；