VSC-MTDC系統(tǒng)變截距直流電壓下垂控制策略

張海波，袁志昌，趙宇明，劉國偉，姚森敬

（1.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，能源已成為推動人類社會飛速發(fā)展的強勁動力，煤炭、石油等化石能源日漸枯竭，風(fēng)能、太陽能等可再生能源得到國際社會的廣泛關(guān)注和大力開發(fā)。風(fēng)能是一種可再生的清潔能源，資源豐富，其中大規(guī)模近海風(fēng)電場的建設(shè)已成為風(fēng)能利用的一個重要方面。由于海上風(fēng)電場遠(yuǎn)離海岸，以及隨著風(fēng)電場裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電并網(wǎng)采用傳統(tǒng)的交流輸電接入時，將會對所連接電網(wǎng)的穩(wěn)定性及電能質(zhì)量等產(chǎn)生較大影響［1-3］。風(fēng)電功率的隨機(jī)波動性制約了其直接接入電網(wǎng)的容量，柔性直流輸電提供了一種全新的解決思路。通過柔性直流輸電將風(fēng)電場接入交流電網(wǎng)，可以利用交流側(cè)換流站的無功能力平滑風(fēng)電功率波動對交流電壓的影響，還可以隔離交流側(cè)的故障防止其影響風(fēng)電場運行。由于直流輸電單回線路輸電容量高于交流輸電，在海上風(fēng)電等線路施工困難的領(lǐng)域，柔性直流輸電可節(jié)省大量投資。此外，柔性直流輸電可以方便地構(gòu)成直流電網(wǎng)，非常適用于多個海上風(fēng)電平臺的匯集和接入。因此基于電壓源換流器的高壓直流（VSC-HVDC）輸電技術(shù)成為目前最適合也是運用最多的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)［4-7］。當(dāng)大規(guī)模地開發(fā)海上風(fēng)電時，需要采用基于電壓源換流器的多端直流（VSC-MTDC）輸電系統(tǒng)［8-11］。

與雙端直流系統(tǒng)相比，多端直流系統(tǒng)運行更加靈活、可靠，但其控制也更加復(fù)雜。文獻(xiàn)［12］提出了直流電壓偏差控制策略，即主導(dǎo)站停運引起的直流電壓偏差大于一定值后，備用站進(jìn)入直流電壓控制模式，該策略需要備用站具有足夠大的備用容量，這在實際中很難實現(xiàn)。文獻(xiàn)［13］提出了基于直流電壓下降特性的多點直流電壓控制策略，用于主導(dǎo)站與輔助站間的有功功率分配，避免了單個換流站過載情況的發(fā)生，并能維持換流站停運故障后系統(tǒng)的直流電壓控制。文獻(xiàn)［14］將多點直流電壓控制策略運用到適用于風(fēng)電場并網(wǎng)的VSC-MTDC系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性，但同一時刻只有單個換流站參與功率調(diào)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢；該方法另外一點不足之處在于多個備用VSC控制器需要多個定電壓的優(yōu)先級，控制器的設(shè)計顯得冗余和復(fù)雜，這限制了VSC的數(shù)目。文獻(xiàn)［15］提出一種適用于風(fēng)電場并網(wǎng)的多點直流電壓自適應(yīng)控制策略，該策略保證了功率裕度較小的換流站分擔(dān)較少的功率變化量，功率裕度較大的換流站分擔(dān)較多的功率變化量，實現(xiàn)風(fēng)電功率變化量的合理分配，但是該策略并未考慮系統(tǒng)會出現(xiàn)直流電壓偏差過大的情況。

風(fēng)電場發(fā)出的功率具有隨機(jī)性、間歇性和波動性等特點，本文提出一種變截距直流電壓下垂控制策略，該策略通過設(shè)定新的功率參考值改變截距實現(xiàn)下垂特性曲線的平行移動，進(jìn)行電壓調(diào)整，將系統(tǒng)的直流電壓控制在允許的運行范圍內(nèi)，若系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定運行的狀態(tài)，該策略可消除電壓偏差，將電壓調(diào)節(jié)回額定值；最后利用EMTDC／PSCAD電磁暫態(tài)仿真驗證了該控制策略的可行性和準(zhǔn)確性。

1 VSC-MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及建模

圖1是某一VSC-MTDC系統(tǒng)應(yīng)用于海上風(fēng)電場并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，本文以該系統(tǒng)為例進(jìn)行控制策略的研究。

圖1 海上風(fēng)電場經(jīng)VSC-MTDC系統(tǒng)并網(wǎng)的原理圖Fig.1 Schematic diagram of offshore wind farms connected to grid via VSC-MTDC system

2 傳統(tǒng)的直流電壓下垂控制策略

傳統(tǒng)的直流電壓下垂控制策略是定直流電壓控制和定有功功率控制模式的結(jié)合，其優(yōu)點在于各換流站之間無需通信，常用于潮流頻繁變化的風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)中，其基本原理和外環(huán)控制器分別如圖2和圖3所示。

圖2 直流電壓下垂控制基本原理Fig.2 Basic principle of DC-voltage droop control

圖3 直流電壓下垂控制器Fig.3 DC-voltage droop controller

傳統(tǒng)的直流電壓下垂控制特性曲線滿足：

其中，Udcref為直流電壓的額定值；Pref為功率參考值；K為下垂斜率。

當(dāng)換流站從A點運行到B點，直流電壓偏離額定值，電壓偏差為：

不同的下垂斜率K對系統(tǒng)的影響很大。若K值過小，則直流系統(tǒng)的電壓質(zhì)量較好，但功率分配性能較差，易發(fā)生功率振蕩；若K值過大，則直流系統(tǒng)具有良好的功率分配特性，但直流電壓質(zhì)量較差。因此需選擇合理的下垂斜率來兼顧系統(tǒng)的功率分配特性和電壓質(zhì)量。傳統(tǒng)的直流電壓下垂控制策略通過讓不同的換流站選擇不同的下垂斜率K來實現(xiàn)有功功率的分配。在功率頻繁變化的風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)中，采用下垂控制會出現(xiàn)直流電壓偏差，在運行工況惡劣的情況下甚至?xí)霈F(xiàn)直流電壓偏離額定值較大的情況。

3 變截距直流電壓下垂控制策略

當(dāng)采用直流電壓下垂控制的系統(tǒng)出現(xiàn)電壓偏差時，首先考慮消除電壓偏差，如圖4所示。

圖4 直流電壓的初步調(diào)整Fig.4 Preliminary DC-voltage adjustment

該換流站的初始運行點為A，直流電壓運行在額定值。當(dāng)風(fēng)電場的輸出功率增大時，換流站的運行點沿著下垂曲線1轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定點B，即電壓將上升為 U′dc，功率增加至 P′0，電壓偏差為 ΔUdc。 此時將 P′0設(shè)定為新的功率參考值，則直流電壓-有功功率特性曲線將向下平行移動，下垂曲線的截距發(fā)生改變，得到新的下垂曲線2，系統(tǒng)的運行點將最終穩(wěn)定在C點，電壓偏差被消除，直流電壓恢復(fù)到額定值。調(diào)整功率參考值改變截距實現(xiàn)直流電壓-有功功率特性的平行移動可消除因功率變化引起的電壓偏差，該過程類似于電力系統(tǒng)中頻率的二次調(diào)整（二次調(diào)頻），這里可以稱為直流系統(tǒng)的電壓調(diào)整。

6.形成濃厚的人工成本管理的理念與氛圍。人工成本管理是需要企業(yè)全員參與的一項工作，因此打造濃厚的文化氛圍就十分重要。當(dāng)全體企業(yè)員工特別是領(lǐng)導(dǎo)人員具有了較強的人工成本理念以后，就會在管理措施上注意加強人工成本的管理、控制，提高其產(chǎn)出效率。員工會自覺學(xué)習(xí)新的知識與技能，提升各自的工作效率、產(chǎn)出水平；單位或者部門也會通過流程再造、架構(gòu)改革等措施提升管理水平，精簡人員，以提升整體競爭力。

電壓的調(diào)整需要在系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運行點之后進(jìn)行，該條件必不可少。若系統(tǒng)在未達(dá)到穩(wěn)定運行的情況下修改功率參考值，則系統(tǒng)會失去穩(wěn)定，發(fā)生功率振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生更惡劣的后果。為防止在功率頻繁變化的過程中無法實現(xiàn)電壓的調(diào)整，導(dǎo)致電壓偏離額定值較大，設(shè)定系統(tǒng)電壓的正常運行范圍，上限為Udcmax，下限為Udcmin。當(dāng)系統(tǒng)直流電壓運行到上限或下限時，同樣進(jìn)行電壓的調(diào)整。

由圖5進(jìn)行分析，系統(tǒng)初始運行點為A，若風(fēng)電場輸出功率增大，當(dāng)換流站沿著下垂曲線1運行到D點時，功率增加至P″0，電壓上升到運行范圍的上限Udcmax，此時進(jìn)行調(diào)壓，將P″0設(shè)定為新的功率參考值，下垂曲線截距減小同時平行向下移動至曲線3，換流站將在新的下垂曲線3上運行，并且在達(dá)到新的穩(wěn)定點時進(jìn)行電壓調(diào)整，消除電壓偏差。同理當(dāng)換流站沿著下垂曲線1運行到F點時，功率減小至P?0，電壓下降到運行范圍的下限Udcmin，同樣進(jìn)行功率參考值的修改得到下垂曲線4，并且在曲線4上按照同樣的規(guī)律運行。

圖5 變截距直流電壓下垂控制Fig.5 Variable intercept DC-voltage droop control

本文提出的變截距直流電壓下垂控制策略所采用的外環(huán)控制器如圖6所示。該控制基于換流站本地控制，無需上層控制器。其中功率參考值指令控制器輸出不同的功率參考值可以改變直流電壓-有功功率特性曲線的截距，實現(xiàn)下垂特性曲線的平行移動，達(dá)到調(diào)整電壓的效果。功率參考值指令控制器的工作流程如圖7所示。

圖6 變截距直流電壓下垂控制器Fig.6 Variable intercept DC-voltage droop controller

圖7 功率參考值指令控制器工作流程Fig.7 Flowchart of power reference controller

首先采集直流電壓Udc和換流站的有功功率P，Udc和P中均含有高頻波動分量，采用濾波器濾除高頻波動分量之后分別得到U和Pf；判斷U是否在系統(tǒng)電壓的正常運行范圍［Udcmin，Udcmax］之內(nèi)。若不是，設(shè)定新的功率參考值為Pf，改變截距，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓，將電壓調(diào)節(jié)在允許運行的范圍之內(nèi)。若是，再判斷Pf是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，即系統(tǒng)是否達(dá)到新的穩(wěn)定運行點，若是，則設(shè)定新的功率參考值為Pf，改變截距，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓，消除電壓偏差，電壓被調(diào)節(jié)回額定值；否則功率參考值保持不變，下一個采樣步長以相同的步驟操作。

判斷Pf是否達(dá)到了穩(wěn)態(tài)值，即判斷微分計算dPf／dt是否為0。微分計算采用數(shù)字方法，設(shè)Δt為采樣步長，t時刻的 Pf為 Pf（n），t- Δt時刻的 Pf為Pf（n-1），t+mΔt時刻的 Pf為 Pf（n+m）。 為避免個別點的擾動引起微分計算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，dPf／dt的計算采用多點微分再取平均值的方法，計算公式為：

由于采樣步長Δt一般設(shè)置為微秒級，dPf／dt很難達(dá)到零值，在這里只需滿足（在EMTDC／PSCAD平臺中M的取值范圍一般在1～20 MW／s之間），即可判斷功率達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

經(jīng)過上述分析，系統(tǒng)的直流電壓只有在允許的運行范圍［Udcmin，Udcmax］內(nèi)，且在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運行時，才會通過設(shè)定新的功率參考值改變截距以實現(xiàn)下垂曲線的平行移動，消除電壓偏差，將電壓調(diào)節(jié)回額定值；而一旦電壓達(dá)到上限或下限就設(shè)定新的功率參考值改變截距以實現(xiàn)下垂曲線的平行移動，進(jìn)行調(diào)壓，以確保電壓運行在［Udcmin，Udcmax］內(nèi)。

4 算例分析

為了驗證本文所提出的控制策略的正確性，在PSCAD／EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件中對如圖1所示的五端VSC-MTDC輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。系統(tǒng)的部分仿真參數(shù)如下：正負(fù)極直流電壓參考值為400 kV，VSC1、VSC2、VSC4容量均為 300 MW，VSC3容量為 100 MW，VSC5容量為 250 MW，RL13、RL25、RL24、RL12均為 0.1 Ω，RL34、RL45均為 0.5 Ω，VSC1的斜率 K1為 0.2，VSC2的斜率 K2為 0.4，Udcmax為 405 kV，Udcmin為395 kV。

仿真時間設(shè)定為15 s。風(fēng)電場2通過換流站VSC5并入直流母線，15 s內(nèi)輸出功率保持不變，為230 MW。風(fēng)電場1通過換流站VSC4并入直流母線，15 s內(nèi)的輸出功率一直處于頻繁變化之中。換流站VSC3向無源交流網(wǎng)絡(luò)供電，15 s內(nèi)的負(fù)荷一直維持在25 MW。換流站VSC2和VSC1的初始功率參考值分別為-124 MW和-173 MW。

初始時刻，直流電壓穩(wěn)定在額定值400kV。由于各換流站之間的阻抗非常小，各個換流站輸出端口的直流電壓幾乎一樣，為方便分析，仿真結(jié)果中只采用換流站VSC1的端口電壓來說明。

（1）采用傳統(tǒng)的直流電壓下垂控制策略，風(fēng)電場輸出功率的變化量將由換流站VSC1和VSC2按照下垂斜率之比 1∶2進(jìn)行分配，如圖8（a）所示。

換流站VSC1和VSC2的運行點將在下垂曲線上不斷變化，直流系統(tǒng)的電壓也將偏移額定值400 kV，甚至出現(xiàn)較大的偏差，如圖8（b）所示。1.5 s左右，風(fēng)電場1輸出功率幾乎為0，換流站VSC1和VSC2的輸出功率也隨之降低，直流電壓降低到385 kV左右，偏離額定值約3.75%。在7～11 s時間段內(nèi)，風(fēng)電場輸出功率較大，達(dá)到260 MW左右，換流站VSC1和VSC2的輸出功率增大，直流電壓上升到420kV左右，偏離額定值約5%。

圖8 直流電壓下垂控制策略下的仿真結(jié)果Fig.8 Simulative results of DC-voltage droop control

（2）采用本文所提出的變截距直流電壓下垂控制策略的仿真結(jié)果如圖9所示。設(shè)定系統(tǒng)運行時的電壓上限值為405 kV，下限值為395 kV。

仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的直流電壓得到明顯改善，始終被限制在允許的運行范圍［395，405］kV，如圖9（b）所示。該策略下各換流站的輸出功率如圖9（a）所示。隨著風(fēng)電場輸出功率的變化，直流電壓一旦達(dá)到電壓上限或下限，功率參考值將被設(shè)定為當(dāng)前時刻換流站的輸出功率采樣值，直流電壓-有功功率特性曲線截距發(fā)生改變，曲線平行移動，進(jìn)行調(diào)壓，系統(tǒng)的工作點將在新的曲線上運行，直流電壓會一直被維持在運行范圍內(nèi)。從圖9（a）中可以看出，4～5 s和8～10 s這2個時間段內(nèi)，風(fēng)電場1的輸出功率為恒定值，換流站VSC1和VSC2的輸出功率也為恒定值，滿足的條件，換流站VSC1和VSC2的功率參考值被設(shè)定為當(dāng)前時刻換流站的輸出功率采樣值，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓，電壓偏差被消除，直流電壓被調(diào)節(jié)回額定值400 kV。整個過程中，換流站VSC1和VSC2的功率參考值變化情況如圖9（c）所示。

圖9 變截距直流電壓下垂控制策略下的仿真結(jié)果Fig.9 Simulative results of variable intercept DC-voltage droop control

5 結(jié)論

風(fēng)電場輸出功率是頻繁變化的，這造成采用傳統(tǒng)直流電壓下垂控制策略的風(fēng)電并網(wǎng)VSC-MTDC系統(tǒng)的直流電壓也頻繁發(fā)生變化，與額定值存在偏差，在惡劣的運行工況下，甚至?xí)霈F(xiàn)偏差較大的情形。本文提出變截距直流電壓下垂控制策略，并利用EMTDC／PSCAD電磁暫態(tài)仿真驗證了該控制策略的正確性和可行性。得出以下結(jié)論：當(dāng)系統(tǒng)的直流電壓在允許的運行范圍內(nèi)時，若系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定運行的狀態(tài)，該策略通過設(shè)定新的功率參考值改變截距實現(xiàn)下垂特性曲線的平行移動，消除電壓偏差，將電壓調(diào)節(jié)回額定值；當(dāng)系統(tǒng)的電壓運行到上限或者下限時，同樣設(shè)定新的功率參考值改變截距實現(xiàn)下垂特性曲線的平行移動進(jìn)行調(diào)壓，確保電壓運行在允許的運行范圍之內(nèi)，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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