三端背靠背柔性直流輸電的虛擬同步發(fā)電機控制策略及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

鄒丹，艾欣，王奧，王坤宇，黃仁樂，陳乃仕，蒲天驕

（1．新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206；2．國網(wǎng)北京市電力公司，北京市 東城區(qū) 100002；3．中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

為了防止配電網(wǎng)高低壓間形成電磁環(huán)網(wǎng)，我國傳統(tǒng)配電網(wǎng)都是采用“閉環(huán)設(shè)計，開環(huán)運行”設(shè)計的，在聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于正常斷開狀態(tài)時配電網(wǎng)的供電來源單一，一旦發(fā)生故障失去單一電源后，聯(lián)絡(luò)開關(guān)動作，電網(wǎng)中形成合環(huán)電流。這種輻射型網(wǎng)絡(luò)存在低可靠性和環(huán)流等問題。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和用戶對于高可靠、高質(zhì)量電力的需求日益攀升，柔性直流輸電(voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC)作為一種先進的輸配電解決方案，可以實現(xiàn)有功和無功功率獨立、快速的控制，能廣泛用于交流電網(wǎng)的同步和非同步互聯(lián)[1-3]。在潮流反轉(zhuǎn)時，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性保持不變，容易構(gòu)成多端柔性直流輸電(multi-terminal HVDC based on voltage source converter，VSC-MTDC)系統(tǒng)[4-5]，可以實現(xiàn)多電源供電和多落點受電。在傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)中加入 VSC-HVDC互聯(lián)裝置形成交直流混合配電網(wǎng)，VSC-MTDC環(huán)網(wǎng)可以互聯(lián)多個饋線，不僅能實現(xiàn)各饋線間的潮流流動和負載均衡，而且在系統(tǒng)故障時，能夠安全經(jīng)濟地實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)移，能有效限制聯(lián)絡(luò)開關(guān)動作時引起的環(huán)流，提高供電可靠性。

在傳統(tǒng)控制模式下，VSC-HVDC輸電系統(tǒng)可以按照設(shè)定值精確地輸送功率，從而將兩側(cè)電網(wǎng)的擾動相互隔離，但同時會給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成影響。換流站在這種控制模式下響應(yīng)速度快，幾乎沒有轉(zhuǎn)動慣量，無法參與電網(wǎng)的頻率控制[6-7]，也無法為穩(wěn)定性相對較差的電網(wǎng)提供必要的阻尼作用[8]。因此有學(xué)者提出，若使得換流站具有同步發(fā)電機的外特性，必然能提高系統(tǒng)的運行性能[9]，為此提出了虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)的概念[10-11]，即在有功-頻率、無功-電壓下垂控制的基礎(chǔ)上，在控制回路中加入虛擬慣性環(huán)節(jié)，使換流站能夠主動參與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)和控制。

目前，VSG控制主要集中用于微電網(wǎng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)[12-15]中，針對VSG控制策略的研究，大多為對虛擬轉(zhuǎn)動慣量的改進和對逆變器控制參數(shù)的整定。將VSG應(yīng)用于VSC-HVDC，將換流站等效為同步電機，為電網(wǎng)提供慣性支撐，能夠改善電網(wǎng)擾動下的特性。文獻[16]針對VSC-HVDC系統(tǒng)受端弱電網(wǎng)系統(tǒng)的慣量，提出了借助VSC-HVDC系統(tǒng)直流側(cè)電容儲能特性的模擬慣量控制策略，可提高擾動下受端弱電網(wǎng)系統(tǒng)供電的頻率質(zhì)量。文獻[17]針對VSC-HVDC整流側(cè)換流站，建立了VSG內(nèi)外環(huán)的小信號數(shù)學(xué)模型，給出了一種控制參數(shù)的整定方法。文獻[18]提出將直流電壓協(xié)調(diào)控制功能引入VSG得到改進算法，在 VSC-HVDC系統(tǒng)中證明了其能改善交流系統(tǒng)頻率的暫態(tài)特性。此外，鐘慶昌教授[19]將 VSG技術(shù)應(yīng)用到背靠背(back-to-back，BTB)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變流器的控制中，證明了VSG技術(shù)為電網(wǎng)提供慣性，改善電網(wǎng)的響應(yīng)特性，但并未應(yīng)用到多端 BTB的VSC-HVDC系統(tǒng)中。

現(xiàn)有的研究大多針對高壓直流輸電，基于構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)的思想，在中壓10 kV交流配電網(wǎng)中，引入三端BTB VSC-HVDC裝置的接線方案，以解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)低可靠性的問題，基于采用 VSG控制的換流器可擁有類似同步發(fā)電機的外特性和轉(zhuǎn)子慣性，以驗證VSG控制在所搭建模型中較傳統(tǒng)控制策略的優(yōu)越性和有效性。

1 系統(tǒng)建模

1.1 三端BTB VSC-HVDC系統(tǒng)簡介

圖1所示為三端BTB VSC-HVDC系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，主要包括變壓器、電壓源換流器、換流電抗器等。圖 1中 VSC1、VSC2為整流器，VSC3為逆變器，換流器間通過電抗器以并聯(lián)方式BTB相連。其中VSC-MTDC的控制方式主要可分為主從控制、直流電壓下垂控制、直流電壓偏差控制[20]。本文中換流器的傳統(tǒng)控制采用直流電壓下垂控制與定有功、無功控制。

圖1 三端BTB VSC-HVDC系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Whole structure of three terminal BTB VSC-HVDC system

圖2所示為典型的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)與其模擬的同步發(fā)電機模型的等效關(guān)系，其中eabc、uabc、iabc分別表示VSC交流側(cè)端口電壓、交流電網(wǎng)電壓、逆變器交流電流，udc為直流母線電壓，Cdc為直流側(cè)電容，用于維持系統(tǒng)的能量平衡及直流電壓恒定；L、R、C構(gòu)成了交流濾波器，用于濾除換流器開關(guān)產(chǎn)生的高頻分量；公共連接點(point of common coupling，PCC)處的功率表示換流器或VSG輸出的功率。

圖2 逆變器與VSG的等效模型Fig. 2 Equivalent model between inverter and VSG

1.2 換流器內(nèi)環(huán)控制

圖2給出了逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)圖，在三相靜止坐標系abc中，VSC交流側(cè)的動態(tài)數(shù)學(xué)方程式為

將式(1)進行park變換后，可得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下電流的d、q軸分量，該分量除了受到控制量的影響，還受到交叉耦合項和系統(tǒng)電壓的影響，為了實現(xiàn)對電流的跟蹤控制，且當電流內(nèi)環(huán)采用PI控制時，電壓參考值為

式中kp、ki為PI的控制參數(shù)。

2 VSG控制

由圖2所示逆變器與VSG的等效關(guān)系，首先考慮逆變器應(yīng)如何模擬同步發(fā)電機，與同步發(fā)電機類似，逆變器應(yīng)包含機械方程和電磁方程以及有功控制和無功控制。

2.1 機械方程和電磁方程

類比含轉(zhuǎn)子慣性和阻尼因素在內(nèi)的同步發(fā)電機二階模型，等效的機械方程可表示為

式中：J為 VSG 的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Tm、Te、Td分別為VSG的機械、電磁、阻尼轉(zhuǎn)矩，N·m；D 為阻尼系數(shù)，N·m·rad·s-1；ω0為電網(wǎng)的同步角速度，rad·s-1；ω為同步發(fā)電機的機械角速度，rad·s-1。其中，同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中Pe為VSG輸出的電磁功率。

VSG的電磁方程如式(1)所示，進行變換后可得：

式中：L、R分別為同步發(fā)電機的等效電感和等效電阻；eabc為同步機內(nèi)電勢；uabc為同步機端電壓。

對于上式中各參數(shù)的選取，虛擬轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)需求設(shè)定而不受實際所限，J和D的引入對外可表現(xiàn)出類似同步發(fā)電機的慣性和阻尼作用。式(3)中的虛擬機械轉(zhuǎn)矩由有功調(diào)節(jié)控制器獲得。

2.2 有功-頻率調(diào)節(jié)

類比于同步發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩對發(fā)電機有功功率的調(diào)節(jié)作用以及調(diào)頻器對頻率偏差的響應(yīng)，對于VSG，可通過虛擬機械轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)逆變器的有功指令，虛擬機械轉(zhuǎn)矩為

式中：kf為調(diào)頻系數(shù)；f0和f分別為電網(wǎng)頻率指令值和VSG機端頻率實際值；Pref為逆變器的有功指令值。

由于 VSG的有功控制過程中增加了虛擬轉(zhuǎn)子慣性和阻尼環(huán)節(jié)，其外特性可在傳統(tǒng)有功功率下垂控制的基礎(chǔ)上增強逆變器的慣性，從而使電網(wǎng)能夠在慣性的支撐下提高電網(wǎng)的抗擾動能力。

圖3所示為有功調(diào)節(jié)與機械部分的結(jié)構(gòu)圖，有功調(diào)節(jié)輸出的機械轉(zhuǎn)矩與機械方程相結(jié)合后，輸出的角頻率為后文的虛擬電勢提供相位。

圖3 有功調(diào)節(jié)與機械方程Fig. 3 Active power regulation and mechanical equation

2.3 無功-電壓調(diào)節(jié)

類比于同步發(fā)電機的勵磁控制對輸出電壓和無功功率的調(diào)節(jié)作用，對VSG，可通過調(diào)節(jié)虛擬電勢來調(diào)節(jié)其機端電壓和無功功率，其虛擬電勢指令為

式中：kq為無功調(diào)節(jié)系數(shù)；ku為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；Qref和Q分別為逆變器的無功指令值和輸出的瞬時無功功率值；Uref和 Urms分別為逆變器機端電壓指令值和有效值；E0為 VSG的空載電動勢，即逆變器空載運行時的機端電壓。由此可得如圖4所示的虛擬電勢控制結(jié)構(gòu)圖。

圖4 無功調(diào)節(jié)Fig. 4 Reactive power regulation

模擬同步發(fā)電機的虛擬電勢相量為

式中φ為VSG的相位。

綜合上述有功、無功調(diào)節(jié)，可得VSG控制策略的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。逆變器通過電磁方程輸出d、q參考電流后，經(jīng)電壓電流內(nèi)環(huán)控制器調(diào)

圖5 VSG控制的整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Whole structure of VSG control

3 三端BTB系統(tǒng)的運行特性

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)圖1，本節(jié)在PSCAD仿真平臺上建立了一個10 kV配電網(wǎng)，為了簡化系統(tǒng)，將電網(wǎng)中10 kV以上的電壓網(wǎng)絡(luò)忽略，交流系統(tǒng)采用等效理想電壓源模型，向系統(tǒng)中引入三端 BTB VSC-HVDC互聯(lián)裝置以限制合環(huán)電流。設(shè)系統(tǒng)額定容量為10 MV·A，SPWM調(diào)制環(huán)節(jié)中載波頻率為2 kHz，3個換流器設(shè)置的參數(shù)相同，具體如表1所示。經(jīng)SPWM調(diào)制后，交流側(cè)電壓與直流電壓的關(guān)系為

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 System parameters

式中：k為調(diào)制比，工程上一般取值為0.8～0.9，本文取0.83，由此可確定交流系統(tǒng)電壓為380 V時，直流電壓為750 V。

設(shè)換流器1、2為整流器，均采用直流電壓下垂控制策略，3為逆變器，對其分別采用定直流功率控制和VSG控制方式，模擬多種工況并對系統(tǒng)的運行特性進行分析。為了突出多端系統(tǒng)運行特性，設(shè)定1、2換流器具有相同的容量及調(diào)節(jié)特性，直流電壓斜率為0.05。采用傳統(tǒng)控制和VSG控制的換流器的具體控制參數(shù)見表2。

表2 控制參數(shù)Tab.2 Control parameters

3.2 系統(tǒng)運行特性研究

本文將分別對系統(tǒng)在2種控制策略下，分析比較受端電網(wǎng)在發(fā)生負荷突變、三相短路故障時系統(tǒng)的運行情況進行仿真分析。

3.2.1 受端電網(wǎng)負荷突變

在t=0.8 s時設(shè)置一小擾動，負荷驟減0.5 MW，待系統(tǒng)運行一段時間后，t=1.4 s時將該負荷重新投入，傳統(tǒng)控制和 VSG控制的頻率變化結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，圖6(a)中負荷突減時由于一次調(diào)頻特性，PCC處頻率迅速增加，換流器連接著交流電網(wǎng)，因此在波動后能緩慢恢復(fù)到額定頻率50 Hz，1.4 s負荷突增時有功缺額導(dǎo)致PCC處頻率下降，經(jīng)短暫波動后緩慢恢復(fù)。圖 6(c)中換流器輸出的功率基本不變，說明傳統(tǒng)控制下?lián)Q流器不參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。圖 6(b)、(d)、(e)為 VSG控制下的PCC頻率、功率波形圖，在負荷突減和負荷突增時，由圖6(b)可以看出，PCC處的頻率先上升后下降，由于采用VSG控制等效增加了系統(tǒng)的慣性，因此相對傳統(tǒng)控制而言，VSG控制大大減小了負荷變動時的頻率波動幅值。圖6(d)中，當0.8 s負荷突減時系統(tǒng)中有功過剩，VSG虛擬轉(zhuǎn)速變化，逆變器在虛擬調(diào)速器的作用下參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，向PCC輸出功率減少，即從直流側(cè)吸收的功率減少，對應(yīng)圖6(e)中送端2個整流器向直流側(cè)的輸出功率減少；當 1.4 s負荷突增時，逆變器向PCC輸出的功率增加，即從直流側(cè)吸收的功率增加，彌補了受端電網(wǎng)的功率缺額。同時圖 6(e)中整流側(cè)的輸出功率隨之增加，整個系統(tǒng)始終保持能量守恒。由此可知，采用 VSG控制策略能有效參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，減小動態(tài)過程中頻率的波動幅值，提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 受端電網(wǎng)負荷突變仿真波形圖Fig. 6 Simulation results with load change of receiving grid

3.2.2 受端電網(wǎng)三相短路故障分析

在t=2 s時受端電網(wǎng)PCC處發(fā)生三相短路故障，持續(xù)時間為0.1 s，采用2種控制方式下的系統(tǒng)頻率、直流電壓、輸出功率、三端直流功率的仿真波形圖如圖7所示。由圖7中可看出，傳統(tǒng)控制下，由于系統(tǒng)中缺乏慣性，導(dǎo)致短路瞬間系統(tǒng)各參量產(chǎn)生了較大的瞬時沖擊，而 VSG控制中，引入的虛擬轉(zhuǎn)動慣量使系統(tǒng)中等效增加了慣性，有效減弱了短路時各參量的幅值波動。PCC在三相短路瞬間，圖 7(a)中傳統(tǒng)控制下系統(tǒng)的頻率波動較大，VSG控制下的系統(tǒng)頻率在±0.3 Hz范圍內(nèi)變化，波動幅值相對傳統(tǒng)控制來說較小，圖7(b)中直流電壓同理，可以看到傳統(tǒng)控制的電壓波動較大，VSG控制下直流電壓的波動表現(xiàn)出了類似同步發(fā)電機的振蕩特性。圖 7(c)中受端電網(wǎng)三相短路后，換流器的輸出功率瞬間減??；在系統(tǒng)三相重合閘后，直流電壓和逆變側(cè)的輸出功率均較快地恢復(fù)到了穩(wěn)定值。圖7(d)、(e)為2種控制下三端換流器向直流系統(tǒng)輸出的功率，可以看出在故障瞬間，VSG控制與傳統(tǒng)控制下的直流功率波動相差不大，這是由于傳統(tǒng)控制給定了直流功率的參考值，圖7(d)中經(jīng)BTB連接的換流器輸出的直流功率波動幅值較小，送端換流器具有相同的調(diào)節(jié)特性，整流側(cè)的直流功率曲線重合。圖 7(e)中由于虛擬慣性一方面表現(xiàn)出了同步機的振蕩特性，另一方面抑制了直流功率在故障瞬間的波動。綜上，該仿真實驗證明了VSG控制能有效提高故障側(cè)的頻率質(zhì)量和抗擾動能力。

圖7 受端電網(wǎng)三相短路仿真波形圖Fig. 7 Simulation results under three phase fault of receiving grid

4 結(jié)論

1）建立了一種10 kV配電網(wǎng)三端VSC-HVDC的接線方案，可以達到提高系統(tǒng)供電可靠性、抑制系統(tǒng)環(huán)流的目的。鑒于 VSC-HVDC的傳統(tǒng)下垂控制缺乏慣性和無法參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)等缺點，因此引入VSG控制技術(shù)來克服這些問題，提高交流系統(tǒng)的運行性能。

2）在VSG控制策略下，換流器具有類比于同步發(fā)電機的一次調(diào)頻特性，在網(wǎng)側(cè)負荷發(fā)生突變時，能有效參與電網(wǎng)的一次調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量。

3）在VSG控制策略下，引入的虛擬轉(zhuǎn)動慣量使系統(tǒng)中等效增加了慣性，在系統(tǒng)發(fā)生故障時削弱了各參量的瞬時沖擊，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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