基于電壓下垂特性的MMC-MTDC協(xié)調控制策略

楊 林，張英敏，李興源

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

基于電壓下垂特性的MMC-MTDC協(xié)調控制策略

楊 林，張英敏，李興源

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

基于模塊化多電平換流器的多端高壓直流輸電(modular multilevel converter based multi-terminal high voltage direct current，MMC-MTDC)系統(tǒng)中各個換流站的控制對整個系統(tǒng)電壓和功率的穩(wěn)定是至關重要的?；陔妷号c功率的關系進行設計的傳統(tǒng)下垂控制器無法實現(xiàn)受端換流站之間的功率分配。針對這一問題，提出了一種基于電壓下垂特性的多端組網(wǎng)協(xié)調控制策略。對MMC型換流站數(shù)學模型進行了詳細地分析并根據(jù)多端直流組網(wǎng)結構的特點，推導出各換流站之間電壓和電流關系。基于換流站U-I特性曲線，設計了電壓外環(huán)控制器，通過改變U-I特性曲線的斜率即可實現(xiàn)換流站之間的功率分配。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建了四端模型，仿真結果顯示，通過調整U-I特性曲線斜率即可實現(xiàn)受端換流站功率按既定要求分配，驗證了該控制策略的正確性和有效性。

MMC-HVDC；功率分配；電壓下垂特性；U-I特性曲線；多端組網(wǎng)協(xié)調控制

0 引 言

電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)具有功率獨立控制、潮流反轉易于控制、具備黑啟動能力和向無源電網(wǎng)供電的特點，使多端柔性直流輸電系統(tǒng)(voltage source converter based multi-terminal high voltage direct current,VSC-MTDC)能夠穩(wěn)定運行并且便于控制潮流[1-2]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)是由相同結構的子模塊級聯(lián)而成，其特點為極易擴展，適用于各個電壓等級、電平數(shù)較高、電壓電流畸變率低[3-4]?；谀K化多電平換流器的高壓直流輸電(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)突破了傳統(tǒng)柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)電壓和容量的等級，使之在高壓大容量多端直流輸電網(wǎng)絡中具有明顯的優(yōu)勢[5]。

在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，各個換流站之間可以實現(xiàn)功率的協(xié)調控制，從而具有靈活可靠的優(yōu)勢，但控制系統(tǒng)也相對復雜。目前，國內外的文獻針對不同的控制目標提出了各種控制策略，主要分為兩大類：主從控制和下垂控制。文獻[6-7]研究了多端系統(tǒng)的主從控制策略，該策略必須要求有且僅有一端換流站采用定直流電壓控制，其余換流站采用定有功功率或定直流電流控制。文獻[8]對主從控制中的電壓裕度控制策略進行改進，提出了考慮線路損耗的精確電壓裕度控制策略。文獻[9-10]針對多端系統(tǒng)提出了基于自適應下垂調節(jié)控制的功率協(xié)調，實現(xiàn)了控制策略在換流站的各種控制模式中平滑切換。文獻[11]針對模塊化多電平變流器多端直流輸電系統(tǒng)，提出將平移下垂曲線和改變下垂曲線斜率相結合的改進下垂控制策略，并對新型協(xié)調控制策略進行了穩(wěn)定性分析。文獻[12-14] 根據(jù)電壓電流的U-I特性曲線，提出了基于電壓下垂控制的控制策略。電壓下垂控制主要為電壓與功率之間的調整，文獻[15-17]討論了電壓下垂特性，引入功率協(xié)調控制，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定協(xié)調控制的目的。

這里提出了基于電壓下垂特性的MMC-HVDC的組網(wǎng)控制策略。對MMC型換流站進行分析，推導了換流站有功分量和無功分量獨立控制的數(shù)學模型。針對多端直流網(wǎng)絡的特點，分析了電壓、電流和功率之間的關系，根據(jù)換流站直流側電壓電流的功率特性曲線，得出了可以通過控制曲線斜率進行功率分配的結論。電壓外環(huán)控制器采集直流電流，通過電壓電流的特性曲線得出參考電壓，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)實現(xiàn)無差調節(jié)，得到內環(huán)控制電流的參考值。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建模型，驗證了該控制策略在多端系統(tǒng)控制中實現(xiàn)功率分配的目標，并且還進行了三相短路接地故障測試，故障清除后系統(tǒng)能恢復到穩(wěn)態(tài)，表明了該控制的有效性。

1 MMC換流站控制

圖1為基于模塊化多電平換流器的換流站主電路圖。us、uc分別表示交流網(wǎng)側和換流器閥側的交流電壓；R、L分別表示換流變壓器和MMC的等效阻抗；i為交流側流入直流側的電流。

圖1 MMC-HVDC換流站主電路圖

換流站級控制分為間接電流控制和直流電流控制，運用廣泛采用的直接電流控制方式進行研究。將三相靜止坐標系下的電氣量在d-q同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型為[2]

(1)

式中：usd、usq、ud、uq分別表示交流網(wǎng)側和MMC換流器交流側的d-q軸分量；isd、isq為電網(wǎng)電流的d-q軸分量；ω為電網(wǎng)側電壓矢量同步旋轉角頻率。

為了消除式(1)中的d-q軸電流耦合和網(wǎng)側電壓波動，將式(1)改寫成式(2)，得到MMC換流器交流側期望基波電壓分量為

(2)

式中，

(3)

式中,isdref、isqref分別為有功電流和無功電流的參考值，其由外環(huán)控制器的輸出得到。

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)可以得到如圖2所示的換流站閉環(huán)控制框圖。圖中，Pref、Qref、Udcref、Vacref分別表示上層控制指令給定的有功、無功、直流電壓、交流電壓的參考值；idmax、idmin、iqmax、iqmin分別表示d-q軸分量的限幅值。根據(jù)瞬時無功功率理論，并且以d軸為交流電網(wǎng)電壓矢量基準定位(即令Usq=0)可得

(4)

由式(4)可知，通過調節(jié)id和iq可以實現(xiàn)對MMC與交流電網(wǎng)的有功無功的控制。

圖2 MMC換流站閉環(huán)控制框圖

2 MMC-MTDC協(xié)調控制策略

圖3為所研究協(xié)調控制策略搭建的基于MMC的四端柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)結構圖。送端換流站MMC1、MMC2采用定有功功率的控制，受端換流站采用所提出的基于電壓下垂特性的控制策略；4個換流站都工作于定無功功率的控制，并令其為0。為了使四端換流站的直流電壓維持在統(tǒng)一水平，采用并聯(lián)的連接方式。

圖3 MMC-MTDC系統(tǒng)結構

2.1 MMC-MTDC直流網(wǎng)絡分析

多端直流輸電系統(tǒng)運行于穩(wěn)態(tài)時，各個換流站直流側的電壓和電流恒定，故將直流電壓和電流看作穩(wěn)態(tài)運行的工作點。當整流側MMC1、MMC2輸送的功率發(fā)生變化時，為了維持整個系統(tǒng)的有功平衡，受端換流站MMC3、MMC4的直流側穩(wěn)定工作點也會隨之變化?，F(xiàn)將圖3的直流側線路等效為電阻進行簡化[13]，得到圖4。

圖4 直流側等效網(wǎng)絡

受端系統(tǒng)交流側從MMC3、MMC4直流側吸收的有功功率為

P3=Udc3Idc3
P4=Udc4Idc4

(5)

由KCL可知

Idc1+Idc2=Idc5=Idc3+Idc4

(6)

對MMC3、MMC4分析，可得受端換流站的穩(wěn)定工作點關系為

Udc4=Udc3+R3Idc3-R4Idc4

(7)

設定MMC1、MMC2的直流電壓與電流的工作特性如圖5所示，其曲線方程分別為

Udc3=Umin+k3Idc3
Udc4=Umin+k4Idc4

(8)

式中:k3、k4為U-I特性曲線斜率；Umin為設定的最小直流電壓。該特性稱為電壓下垂特性。

圖5 直流電壓與電流特性曲線

為了研究電壓下垂特性與受端系統(tǒng)的功率分配關系，設穩(wěn)態(tài)工作下?lián)Q流站MMC3、MMC4吸收功率比為n，由式(5)可得

(9)

由于換流站直流電壓都運行于額定值附近，可以近似地認為Udc3和Udc4相等。式(9)轉化為

(10)

聯(lián)立式(7)、式(8)、式(10)可得

k4=nk3+nR3-R4

(11)

式(11)表明，通過調節(jié)換流站U-I特性曲線的斜率即可實現(xiàn)對受端換流站的功率分配。

2.2 控制器設計

多端柔性直流輸電網(wǎng)絡的控制有下垂控制、裕度控制等控制方式。下垂控制有基于電壓和功率的控制模式，裕度控制有基于電流和電壓裕度的控制模式。兩種控制策略在多端直流協(xié)調控制系統(tǒng)中，都在外環(huán)電壓控制器上進行改進來實現(xiàn)相應的控制目標。對換流站MMC3、MMC4采用電壓下垂比例積分控制，其U-I特性為圖5所示。有功功率在換流站之間的功率分配通過改變曲線的斜率來實現(xiàn)，其控制策略為：通過采集直流側電流，送入電壓外環(huán)控制器；根據(jù)式(8)產(chǎn)生圖2中的參考電壓Udcref；參考電壓Udcref和采集到的實際電壓作差后進行PI調節(jié)，生成有功分量參考電流Idref。

圖6 電壓下垂比例積分控制器

比例積分控制器能夠實現(xiàn)無差調節(jié)，最終直流電壓Udc會追蹤參考直流電壓Udcref，此控制策略能夠使換流站在穩(wěn)態(tài)時運行于U-I曲線上。通過改變各個換流站U-I特性曲線的斜率即可實現(xiàn)各個換流站之間功率的協(xié)調分配。

3 仿真分析

為了驗證所提出的電壓下垂比例積分控制策略在MMC-MTDC電網(wǎng)中的正確性和有效性，參照CIGRE工作組B4-57提出的Type4模型[18]，在

PSCAD/EMTDC中搭建了如圖3的201電平的MMC-MTDC的快速仿真模型和控制系統(tǒng)。四端換流站的MMC結構和參數(shù)都相同，送端換流站采用定有功功率控制，受端換流站采用電壓下垂比例積分控制，調制方式為最近電平調制[19]，子模塊的投入運用排序法進行選擇[20-21],橋臂環(huán)流采用通用環(huán)流抑制策略進行抑制[21]。系統(tǒng)仿真參數(shù)：MMC容量為400 MVA，橋臂電感為29 mH，橋臂電阻為1 Ω，MMC子模塊電容為10 000 μF，換流變壓器為380/220(kV)，交流側額定電壓為380 kV，額定直流電壓為400 kV。

MMC3、MMC4采用電壓下垂比例積分控制時，其U-I特性曲線由式(8)可得：

Udc3=380+40Idc3
Udc4=380+k4Idc4

(12)

即最低直流電壓為0.95倍的額定電壓，為380 kV；k3取40；最大工作點的電流為1 kA：則最大工作運行電壓為420 kV。通過以下仿真算例來分析通過調節(jié)k4來改變受端環(huán)流站的功率分配。

1)仿真算例1：輸入功率變化

換流站MMC1和MMC2初始輸入直流系統(tǒng)的功率定為200 MW，在2 s時刻，讓MMC1的輸出功率由初始的200 MW降至100 MW，在3 s時刻將MMC1發(fā)出的功率再由100 MW升至200 MW。在受端MMC3、MMC4吸收功率之比為1∶1時，由式(10)和式(11)可得，k4取40。

換流站MMC1、MMC2、MMC3、MMC4的仿真結果如圖7所示。送端和受端換流站直流電流仿真結果如圖7(a)所示，換流站直流側的電壓如圖7(b)所示，圖7(c)為四端換流站功率仿真結果。

從仿真結果分析，2 s前系統(tǒng)運行于穩(wěn)態(tài)，MMC3、MMC4在穩(wěn)態(tài)工作點時直流電壓與電流相等，分別為395 kV和0.5 kA，兩換流站吸收的功率在198 MW附近波動，實現(xiàn)了功率的均分。在2～3 s之間，換流站MMC1發(fā)出的功率由200 MW減少為100 MW后，由于注入系統(tǒng)的有功功率減少，直流電壓有所下降，經(jīng)過調整后的穩(wěn)態(tài)電壓都為395 kV，直流電流都運行于0.375 kA附近，受端換流站吸收的功率同時下調50 MW，穩(wěn)態(tài)時吸收的功率為150 MW。在3 s時，MMC1功率恢復為原來的200 MW，經(jīng)過系統(tǒng)調整后，直流電壓、電流、有功功率恢復到2 s前的穩(wěn)態(tài)運行值。從輸入功率變化的仿真結果來看，功率實現(xiàn)了受端換流站功率之比為1∶1的控制目標。

圖7 輸入功率變化時的仿真結果

2)仿真算例2：功率分配之比變化

換流站MMC1和MMC2輸入直流系統(tǒng)的功率為200 MW，仿真中維持不變。換流站MMC3的斜率k3設定為40。設定初始時刻MMC3和MMC4期望吸收功率之比為1∶2，根據(jù)式(12)計算可得k4為19.5。在2 s時，設定MMC3和MMC4期望吸收功率之比為1∶3，此時可得k4為12.667。在3 s時，再次調整MMC3和MMC4期望吸收功率之比為1∶2，即k4為19.5。仿真結果如圖8所示。

圖8 功率分配之比變化時的仿真結果

從仿真結果分析，2 s前系統(tǒng)運行于穩(wěn)態(tài)，MMC3、MMC4的直流電壓在398 kV附近，功率分別為132 MW、267 MW，功率分配之比接近于1∶2，電流分別為0.32 kA、0.67 kA，電流之比接近1∶2。在2～3 s期間，調整了換流站MMC4的U-I特性曲線的斜率，MMC3、MMC4吸收的功率分別為97 kV、299 kV，電壓經(jīng)過調整后變?yōu)?95 kV，電流分別為0.25 kA、0.76 kA。在3 s以后，將斜率k4調整為19.5，可以看出，系統(tǒng)調整后又回到了初始狀態(tài)的功率之比。整個仿真過程中，受端換流站吸收的功率按照既定的功率之比實現(xiàn)了功率的準確分配，達到了采用電壓下垂控制實現(xiàn)功率分配的目的。

3)仿真算例3：交流側三相故障

對受端系統(tǒng)在交流側發(fā)生后果較嚴重的三相故障進行仿真分析。設定換流站MMC1、MMC2各發(fā)出200 MW的有功功率，MMC3、MMC4吸收功率按照1∶2進行控制。設定2 s時在MMC3的換流變壓器一次側發(fā)生三相短路接地故障，持續(xù)0.2 s后恢復正常。仿真結果如圖9所示。

從仿真結果分析，在故障發(fā)生前，MMC3、MMC4吸收的功率分別為130 MW、262 MW。在2.0～2.2 s發(fā)生三相故障期間，由于MMC3交流側故障導致其從直流側吸收的功率降為0，為了維持系統(tǒng)功率平衡，換流站MMC4吸收的功率逐漸增加。故障清除后，系統(tǒng)控制器通過調整達到了穩(wěn)態(tài)運行。但是，在調整過程中MMC3吸收的功率振蕩非常劇烈，恢復過程中最大功率為650 MW，有可能超過設備的容量范圍，所以對換流站的短時抗沖擊能力要求很高。電壓和電流也發(fā)生劇烈振蕩，為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還需要輔助的控制策略。

圖9 三相短路接地故障的仿真結果

4 結 論

1)通過分析MMC換流站的主電路圖，引入了在同步旋轉坐標系下的控制策略，其與VSC換流站的控制策略相同。所提出的電壓下垂比例積分控制策略同樣適用于VSC- MTDC的組網(wǎng)控制。

2)通過搭建四端MMC模型，分析了各個換流站直流側電壓與電流的特性，并推導出各個換流站電壓電流的關系，提出了可以通過改變U-I特性曲線的斜率實現(xiàn)換流站功率的分配。

3)仿真結果表明，運用所設計的控制策略，直流電壓穩(wěn)定運行于額定值附近，功率按照預定的分配穩(wěn)定運行，說明了本控制策略的有效性。

[1] 李庚銀，呂鵬飛，李廣凱，等．輕型高壓直流輸電技術的發(fā)展與展望[J]．電力系統(tǒng)自動化，2003，27(4)： 77-81．

[2] 湯廣福．基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M]．北京：中國電力出版社，2010：321-331．

[3] 宋平崗，李云豐，王立娜，等．MMC-HVDC 電容協(xié)同預充電控制策略[J]. 高電壓技術，2014，40(8)：2471-2477．

[4] Debnath S,Qin J,Bahrani B,et al. Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 37-53.

[5] 馬為民，吳方劼，楊一鳴，等. 柔性直流輸電技術的現(xiàn)狀及應用前景分析[J].高電壓技術，2014，40(8)：2429-2439.

[6] 陳海榮，徐政. 適用于VSC-MTDC 系統(tǒng)的直流電壓控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2006，30( 19):28-33．

[7] Yao L, XL, B M. Multi-terminal HVDC Grid for Network Interconnection and Renewable Energy Integratoin [C]. Paris France ,2010.

[8] 胡靜.基于MMC的多端直流輸電系統(tǒng)控制方法研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[9] 劉瑜超，武健，劉懷遠，等．基于自適應下垂調節(jié)的 VSC-MTDC 功率協(xié)調控制[J].中國電機工程學報，2016，36(1)：40-48.

[10] Kumars Rouzbehi, Arash Miranian. A Generalized Voltage Droop Strategy for Control of Multiterminal DC Grids, IEEE Transactions on Industry Applications, 2015, 51(1)：607-617.

[11] 劉盼盼，荊龍，吳學智，等．一種MMC-MTDC系統(tǒng)新型協(xié)調控制策略[J].電網(wǎng)技術，2016，40(1)：64-69.

[12] 彭衍建，李勇，曹一家.基于 VSC-MTDC 的大規(guī)模海上風電并網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調下垂控制方法[J].電力自動化設備，2016，36(8)：16-25.

[13] 趙雄光，宋強，饒宏，等．基于 VI 特性的多端柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略[J]．電工電能新技術，2013，32(4)：15-20.

[14] 付媛，王毅，張祥宇，等．基于多端直流聯(lián)網(wǎng)的風電功率協(xié)調控制[J]．高電壓技術，2014，40(2)：611-619.

[15] 閻發(fā)友，湯廣福，賀之淵，等．基于MMC 的多端柔性直流輸電系統(tǒng)改進下垂控制策略[J]．中國電機工程學報，2014，34(3)：0397-0404.

[16] 韓民曉，熊凌飛，丁輝．利用電壓傾斜控制的VSC-MTDC穩(wěn)定性分析[J].電網(wǎng)技術，2015，39(7)：1808-1816.

[17] 冉曉洪，苗世洪，吳英杰，等．基于最優(yōu)功率分配的多端直流網(wǎng)絡改進下垂控制策略[J].電 工 技 術 學 報，2016，31(9)：16-24.

[18] CIGRE B4 Working Group, (visited, 19 Sep. 2013). [Online].Available:http://b4.cigre.org/Publications/Documents-related-to-the-developmentof-HVDC-Grids.

[19] 管敏淵，徐政，屠卿瑞，等．模塊化多電平換流器型直流輸電的調制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2010，34(2)：48-52．

[20] 丁冠軍，湯廣福，丁明，等．新型多電平電壓源換流器模塊的拓撲機制與調制策略[J]．中國電機工程學報，2009，29(36)：1-8．

[21] 管敏淵，徐政．MMC 型 VSC-HVDC 系統(tǒng)電容電壓的 優(yōu)化平衡控制 [J]．中國電機工程學報,2011,31(12) 9-14.

[22] 屠卿瑞，徐政，管敏淵，等．模塊化多電平換流器環(huán)流抑制控制器設計[J]．電力系統(tǒng)自動化，2010，34(18)：57-61.

It is crucial for the power and voltage stability to control converters in the system of MMC-MTDC. The traditional droop controller is designed based on the relationship between voltage and power, which makes it incapable of realizing the function of allocating the power among receiving-end converters. In order to solve the above-mentioned problem, a novel multi-terminal network coordinated control strategy based on voltage droop characteristic is proposed. Firstly, the mathematical model is analyzed in detail, and then the relationship between voltage and current among different converters is showed considering the characteristics of network structure of MTDC. A novel voltage droop controller is designed based on the characteristic curve (U-Icurve) of converters. The goal of allocating the power among different converters could be easily achieved by changing or adjusting the slope ofU-Icurve. A four-terminal model is established through PSCAD/EMTDC simulation software. The simulation results show that allocating the power among different receiving-end converters according to the designated goals could be easily realized by changing the slope ofU-Icurve, which verifies the correctness and feasibility of the proposed control strategy.

MMC-MTDC; power allocation; voltage droop characteristic;U-Icurve；multi-terminal network coordinated control

科技項目：國家電網(wǎng)公司科技項目資助(SGRIZLKJ[2015]457)

TM721.1

A

1003-6954(2017)03-0005-06

楊 林(1991)，工學碩士，研究方向為柔性直流輸電方面的研究工作；

2017-03-14)

張英敏(1974)，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)分析計算與穩(wěn)定性控制、高壓直流輸電、柔性直流輸電與新能源并網(wǎng)技術；

李興源(1945)，教授、博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)分析計算與穩(wěn)定性控制、高壓直流輸電、柔性直流輸電與新能源并網(wǎng)技術。