含直流電壓二次調(diào)節(jié)的VSC-MTDC互聯(lián)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制

袁志昌， 吳志力， 金 強， 姜世公， 黃 寅

(1. 清華大學電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市 100084; 2. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司， 北京市 102209;3. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司， 安徽省合肥市 230061)

0 引言

多端柔性直流輸電(voltage source converter based multi-terminal DC，VSC-MTDC)基于電壓源換流器技術(shù)，同過直流線路將多個電源或電網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)潮流的靈活控制。自從中國的南澳和舟山的多端柔性直流工程先后投運，多端直流(MTDC)技術(shù)在海上風電并網(wǎng)、海島及負荷中心供電、交流電網(wǎng)異步互聯(lián)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注和研究[1-4]。

目前在交流電網(wǎng)異步互聯(lián)領(lǐng)域，已投運的工程包括美國Eagle Pas-Texas背靠背工程、英國—愛爾蘭聯(lián)網(wǎng)工程、魯西背靠背工程等[5-7]。這些工程通常側(cè)重其異步隔離的功能，按照預(yù)設(shè)的傳輸功率值運行，將交流電網(wǎng)的故障限制在自身區(qū)域內(nèi)，防止影響另一側(cè)電網(wǎng)。然而，當柔性直流輸送功率對于送受端交流電網(wǎng)的容量來說占有很大的比例時，也應(yīng)該考慮其在交流電網(wǎng)之間發(fā)揮事故支援的能力，因為柔性直流的一個突出優(yōu)勢在于傳輸?shù)挠泄?、無功功率都可以在數(shù)十毫秒級別快速精確調(diào)整，將這種受控的快速調(diào)節(jié)能力發(fā)揮出來，可以提高整個互聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，同時避免系統(tǒng)間的事故傳遞。

基于柔性直流的異步互聯(lián)系統(tǒng)頻率支援控制是實現(xiàn)上述目標的手段之一，國內(nèi)外學者在該領(lǐng)域提出了各種方法，從技術(shù)路線上可以分成以下幾類：基于站間通信的主從式控制[8-10]、通過直流電壓傳遞頻率偏差的主從式控制[11-12]、附加頻率調(diào)節(jié)的下垂控制[13-15]、虛擬同步機類的控制方法[16-19]。其中主從式控制方法對站間通信的要求較高，另外換流站故障后的切換也比較復雜，這限制了其應(yīng)用范圍。虛擬同步機類的控制方法則結(jié)構(gòu)比較復雜，參數(shù)整定的難度高。附加頻率調(diào)節(jié)的下垂控制具有控制結(jié)構(gòu)簡單、可靈活擴展端數(shù)、不依賴通信的優(yōu)點，具有較高的工程實用性。然而其直流電壓通常不能維持在額定值，尤其當頻率出現(xiàn)較大擾動時,直流電壓偏離額定值過大可能引起直流系統(tǒng)運行的中斷，不利于保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

為此，本文提出一種含有直流電壓二次調(diào)節(jié)的頻率穩(wěn)定控制方法，在不損失頻率調(diào)節(jié)能力的前提下，可以保證直流電壓恢復至額定值。在PSCAD中通過一個三端柔性直流系統(tǒng)的仿真以及與現(xiàn)有方法對比驗證了本文所提方法的有效性。

1 基于柔性直流的異步互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個用于多個交流電網(wǎng)異步互聯(lián)的三端柔性直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：AC1～AC3代表三個交流電網(wǎng)，VSC1～VSC3代表三個柔性直流換流站。在研究系統(tǒng)總體特性時，可以將每個交流系統(tǒng)等效成一個等值發(fā)電機和等值負荷的模型，交流電網(wǎng)與柔性直流換流器之間通過等值電抗代表。由于電壓源型換流器的柔性直流換流站可以主動控制各端直流電壓的大小，從而控制直流電網(wǎng)的潮流流向，這就為多端直流和直流電網(wǎng)的形成奠定了基礎(chǔ)，因此異步互聯(lián)系統(tǒng)的端數(shù)可以根據(jù)電網(wǎng)需要擴展到更多端數(shù)。

圖1 基于VSC-MTDC的異步互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of asynchronous interconnected system connected based on VSC-MTDC

柔性直流換流站通常采用同步旋轉(zhuǎn)坐標下的dq軸電流結(jié)構(gòu)控制[7]，這一控制結(jié)構(gòu)在變頻調(diào)速、靜止同步補償器(STATCOM)、風電變流器等電壓源換流器中已獲得廣泛應(yīng)用，是一種成熟的技術(shù)方案。內(nèi)環(huán)電流控制調(diào)整電壓源換流器(VSC)輸出電壓的相位和幅值，其目標是無差地跟蹤設(shè)定dq軸電流參考值。而dq軸電流參考值則由外環(huán)控制器計算得到，通常情況下，d軸電流根據(jù)換流站需輸出的有功功率或直流電壓值決定，而q軸電流根據(jù)換流站需輸出的無功功率或交流側(cè)電壓決定。

2 下垂控制及其頻率附加控制

2.1 下垂控制

多端柔性直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法包括主從控制、下垂控制和功率裕度控制。主從控制需要劃分主站和從站，并且需要在多個換流站之間建立可靠的通信以實現(xiàn)故障后主站和從站的切換，這就增加了控制系統(tǒng)的復雜性，同時也降低了其可靠性和靈活性。下垂控制中每個站的控制器結(jié)構(gòu)是相同的，當系統(tǒng)發(fā)生功率變化或者拓撲變化時，各換流端根據(jù)預(yù)設(shè)的功率—電壓下垂特性自動分配功率增量，無需做模式的切換。功率裕度控制是介于主從和下垂之間的一種方法，穩(wěn)態(tài)時工作在主從方式，當系統(tǒng)受故障影響偏離穩(wěn)態(tài)運行點時，則自動轉(zhuǎn)換至下垂控制模式。

由于下垂控制無需通信、控制結(jié)構(gòu)簡單、可擴展性好等優(yōu)勢，因而更適合用于多端柔性直流系統(tǒng)。傳統(tǒng)的下垂內(nèi)環(huán)電流控制的參考電流idref由直流電壓和傳輸功率共同決定，如式(1)所示。

(1)

式中：Pref和Udcref分別為系統(tǒng)額定運行點的有功功率和直流電壓；P和Udc分別為當前時刻的有功功率和直流電壓測量值；Kp1和Ki1分別為比例—積分(PI)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；KD為下垂斜率。在PI調(diào)節(jié)器的作用下，當流入交流側(cè)的功率增大或減小時，直流電壓按照斜率KD的線性特性自動下垂。

2.2 含頻率附加調(diào)節(jié)的下垂控制

單純的電壓—功率下垂控制無法對交流系統(tǒng)的頻率波動做出響應(yīng)，為了實現(xiàn)這種功能，文獻[13]提出在下垂控制的功率參考值中附加一個頻率外環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，為了防止頻率微小的頻率波動引起參考功率頻繁變化，在頻率—功率下垂特性中設(shè)置了死區(qū)[14]，如圖2(b)所示，僅當頻率低于下限fl或超過上限fh時參考功率才會變化，變化的斜率為Kf，文獻[14]中設(shè)置的死區(qū)大小為0.1 Hz。文獻[15]提出的使功率隨電壓平方呈下垂的策略，也可以獲得相似的控制效果。

圖2 含附加頻率控制的換流站下垂控制Fig.2 Droop control for converter station with auxiliary frequency control

互聯(lián)的每個換流站都采用如圖2所示的下垂控制后，任意一個交流區(qū)域的頻率變化超過死區(qū)設(shè)定值之后，都會引起換流站輸出功率的變化，直接調(diào)節(jié)交流電網(wǎng)頻率。同時，在電壓—功率下垂特性的作用下，直流電壓也會相應(yīng)地上下調(diào)節(jié)，并自然地傳遞到互聯(lián)的其他換流站。這些換流站根據(jù)直流電壓的變動改變輸出功率，這樣就實現(xiàn)了互聯(lián)的各個交流系統(tǒng)同時支援發(fā)生頻率擾動的交流系統(tǒng)，從整體上降低功率缺額引起的頻率偏差。從上述工作原理可以看出，下垂控制也是利用了直流電壓作為傳遞各個異步互聯(lián)系統(tǒng)頻率波動信息的媒介。

3 含直流電壓二次調(diào)節(jié)的頻率控制

3.1 控制器設(shè)計

直流電壓是柔性直流系統(tǒng)中的一個重要電氣量，為保證設(shè)備安全和系統(tǒng)正常運行，通常要求直流電壓與額定值的偏差不能超過一定的閾值，比如正在討論的國標中規(guī)定中低壓直流系統(tǒng)的運行電壓與額定值的偏差不超過10%，在已投運的柔性直流系統(tǒng)中，直流電壓低于0.9(標幺值)或超過1.1時，往往引起直流系統(tǒng)保護動作。

為了減小多端柔性直流系統(tǒng)直流電壓的偏差，本文提出一種具有直流電壓二次調(diào)壓能力的頻率穩(wěn)定控制方法，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。與圖2所示的現(xiàn)有方法相比，本方法增加了一個與直流電壓偏差相關(guān)的附加功率項ΔPUDC，其值由直流電壓反饋值和參考值的誤差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)計算得到，如式(2)所示。

(2)

式中：Kp2和Ki2分別為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

圖3 含直流電壓二次調(diào)節(jié)的控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of controller with DC voltage secondary regulation

將該附加功率項ΔPUDC疊加到換流站有功功率參考值上，其效果相當于改變了直流電壓—有功功率下垂曲線的截距，在其調(diào)控作用下，達到穩(wěn)態(tài)時，可以將直流電壓恢復至設(shè)定值Udcref。

3.2 參數(shù)設(shè)計方法

觀察圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，附加頻率控制中，交流電網(wǎng)頻率偏差經(jīng)過放大后形成功率增量ΔPf，該功率增量疊加到換流站初始功率參考值Pref0之上，累加得到Pref，此后的環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)下垂控制相同。因此附加頻率控制的作用是將直流電壓—功率的下垂曲線左右平移。當交流電網(wǎng)頻率跌落時，計算出的功率增量ΔPf大于零，下垂曲線右移，換流站向交流電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄υ黾樱瑤椭涣麟娋W(wǎng)恢復頻率穩(wěn)定。同時，由于流出直流系統(tǒng)的功率增加，直流電壓相應(yīng)降低。其他換流站在直流電壓—功率下垂曲線的作用下，減小向交流電網(wǎng)傳輸?shù)墓β?，或者增加從交流電網(wǎng)吸收的功率，這樣，就實現(xiàn)了從無擾動的交流系統(tǒng)向發(fā)生擾動的交流系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)備用的支援作用。觀察式(1)的控制規(guī)律，下垂特性由單純的代數(shù)關(guān)系表征，沒有積分或延時環(huán)節(jié)，因此其動態(tài)響應(yīng)主要由PI環(huán)節(jié)的參數(shù)Kp1和Ki1決定。

如圖3所示，直流電壓二次調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)根據(jù)直流電壓與設(shè)定值的偏差計算功率增量ΔPUDC，也疊加到功率參考值上，因此其原理與頻率調(diào)節(jié)相同，也是通過改變下垂曲線的截距實現(xiàn)左右平移。與頻率調(diào)節(jié)通過比例系數(shù)直接將偏差放大參與下垂曲線計算不同，直流電壓偏差ΔUDC通過一個PI環(huán)節(jié)計算得到功率增量ΔPUDC，通過改變PI環(huán)節(jié)的參數(shù)Kp2和Ki2，可以調(diào)整直流電壓偏差參與下垂曲線計算的響應(yīng)時間。

對于頻率調(diào)節(jié)和直流電壓調(diào)節(jié)兩個目標，頻率調(diào)節(jié)是主要目標，當交流系統(tǒng)發(fā)生擾動后，柔性換流站應(yīng)該盡可能快地響應(yīng)，增減功率以參與調(diào)頻。此外，直流電壓偏差作為傳遞頻率偏差信息的媒介，也應(yīng)該允許其在擾動發(fā)生之后的一段時間內(nèi)快速調(diào)整，通過直流電壓—功率的下垂特性自動將功率變化量分配到全體換流站。直流電壓調(diào)節(jié)是相對次要的一個目標，可以等前述頻率調(diào)節(jié)的過程結(jié)束后，再緩慢地變化下垂曲線的截距，逐步將直流電壓恢復至設(shè)定值。

根據(jù)這一原則，在標么值系統(tǒng)下，本文將決定頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)時間的PI參數(shù)Kp1和Ki1設(shè)計為Kp1=1，Ki1=10，決定直流電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)時間的PI參數(shù)設(shè)計為Kp2=0.2，Ki2=1，將兩個PI的階躍響應(yīng)時間明顯區(qū)分，實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和二次電壓調(diào)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)匹配。Kf的大小取決于換流站可參與交流電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的功率裕度，KD的大小通常取決于各個換流站額定容量的大小及預(yù)期的功率分配特性。

4 仿真驗證

為了驗證本文提出的控制算法，在PSCAD/EMTDC中建立了圖1所示的三端柔直系統(tǒng)仿真模型，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Parameters of simulation system

仿真的時序如下：t=0～1 s之間，系統(tǒng)啟動，柔性直流換流站建立直流電壓，傳輸設(shè)定的功率，定義從交流系統(tǒng)流向直流電網(wǎng)的功率為正方向，三個換流站的功率分別為P1=500 MW，P2=400 MW，P3=-100 MW；在t=2 s時刻，區(qū)域3有一組容量為300 MW的負荷投入運行，由于該區(qū)域備用容量較小，其頻率跌落到約49 Hz。從圖4所示的頻率曲線可以看出，區(qū)域1和區(qū)域2的頻率未發(fā)生變化，這兩個區(qū)域均未參加對區(qū)域3的頻率支援。

圖4 未施加頻率支援控制的頻率曲線Fig.4 Frequency curves without frequency support control

在該仿真模型上分別驗證了圖2所示的僅含頻率調(diào)節(jié)的控制方法和圖3所示的含有直流電壓二次調(diào)節(jié)的控制方法，并與常規(guī)控制相比較。

圖5為區(qū)域3的電網(wǎng)頻率，常規(guī)控制下，柔性直流換流站不參與電網(wǎng)調(diào)頻，頻率跌至49 Hz，而加入頻率調(diào)節(jié)后，電網(wǎng)頻率可恢復值49.5 Hz以上，附加直流電壓二次調(diào)節(jié)后，頻率調(diào)節(jié)的效果并沒有太大區(qū)別，仍可恢復值49.5 Hz以上。

圖5 三種控制方法下區(qū)域3的頻率曲線Fig.5 Frequency curves at area 3 under three control methods

圖6所示為直流側(cè)極間電壓。常規(guī)控制下，直流電壓維持在額定電壓值700 kV，然而其不具備頻率調(diào)節(jié)的功能。附加頻率調(diào)節(jié)后，換流站提升直流輸出功率參與交流電網(wǎng)調(diào)頻，在下垂特性作用下，直流電壓跌落至625 kV，低于0.9(標幺值)。增加本文提出的直流電壓二次調(diào)節(jié)后，直流電壓在頻率擾動之后的一段時間內(nèi)也會跌落(3 s以前)，最低值跌落到650 kV，隨后直流電壓二次調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，直流電壓緩慢恢復，至20 s后，可以恢復至額定值。

圖6 三種控制方法下的直流電壓曲線Fig.6 DC voltage curves under three control methods

5 結(jié)語

利用柔性直流快速精確的功率控制能力實現(xiàn)異步互聯(lián)交流系統(tǒng)間頻率支援控制，是提高互聯(lián)系統(tǒng)安全穩(wěn)定一種有效途徑。本文提出一種含直流電壓二次調(diào)節(jié)的頻率穩(wěn)定控制策略，將直流電壓偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)計算出的功率增量附加到下垂控制的參考功率上。在整定控制參數(shù)時，將d軸參考電流的PI計算環(huán)節(jié)動態(tài)響應(yīng)時間設(shè)計在1 s以內(nèi)，而將直流電壓二次調(diào)節(jié)的PI環(huán)節(jié)動態(tài)響應(yīng)時間設(shè)置為10 s左右，通過兩者響應(yīng)時間的匹配實現(xiàn)兩種控制目標的兼顧。仿真分析表明，該方法可保證頻率支援控制的效果，同時在頻率調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，直流電壓可以緩慢恢復至額定值，防止由于直流電壓偏差破壞柔性直流系統(tǒng)正常運行，從而提高多端柔性直流系統(tǒng)的運行性能和可靠性。如何根據(jù)互聯(lián)交流系統(tǒng)的容量和調(diào)頻特性設(shè)定MTDC下垂系數(shù)，實現(xiàn)擾動后互聯(lián)系統(tǒng)的頻率全局最優(yōu)控制是進一步研究的方向。