背靠背柔直的VSG控制策略及應(yīng)用研究

王 奧, 常 征,艾 欣, 鄒 丹, 王坤宇

(1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 昌平 102209；2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 東城 100002；3.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 昌平 102206)

0 引言

隨著電力電子器件的快速發(fā)展，具有可關(guān)斷能力的電力電子器件使得高壓直流輸電技術(shù)發(fā)生了重大變革[1-3]。柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current transmission, VSC-HVDC)采用具有自關(guān)斷能力的高頻絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)或門極可關(guān)斷晶閘管(gate turn-off thyristor, GTO)以及脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)技術(shù)組成的電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)進(jìn)行換流。這種新型直流輸電解決了常規(guī)直流輸電中遇到的問題，如：無需電網(wǎng)短路電流的支撐換相，可以向無源的交流系統(tǒng)供電；換流站無需無功補(bǔ)償；有功無功解耦控制；交流側(cè)和直流側(cè)的濾波影響?。粌蓚€(gè)換流站可獨(dú)立控制和運(yùn)行，不需要站間通信等[4]。

利用清潔能源發(fā)電的分布式電源通常遠(yuǎn)離主網(wǎng)、發(fā)電量小而且供電質(zhì)量也不高。例如太陽能電站、風(fēng)電場(含海上風(fēng)電場)、中小型水電廠、潮汐電站等，利用柔性直流輸電將分布式電源與主網(wǎng)互聯(lián)，能夠解決分布式電源并網(wǎng)存在的種種問題，例如頻率波動(dòng)、電壓閃變、潮流波動(dòng)等，大大提高了交流系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，保證了系統(tǒng)供電可靠性。

隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，大量電力電子器件的引入使得換流站響應(yīng)速度快、幾乎沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且大量的分布式電源接入及傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)裝機(jī)比例減少，導(dǎo)致電網(wǎng)將逐漸存在低慣性、欠阻尼的問題，電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到影響。將虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator, VSG)控制技術(shù)應(yīng)用到柔性直流的控制策略中成為目前的研究焦點(diǎn)，VSG控制技術(shù)的主要思想是基于同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)模型，模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量和系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓特性，在電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)故障或擾動(dòng)時(shí)提供慣性，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。VSG控制技術(shù)作為新興技術(shù)，主要應(yīng)用在微電網(wǎng)中，在背靠背柔性直流中應(yīng)用較少[5-11]。

北京220 kV電網(wǎng)以“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行”為主。隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的推進(jìn)，開環(huán)運(yùn)行逐漸展現(xiàn)出其缺陷：1)開環(huán)運(yùn)行供電可靠性較低，即在開環(huán)運(yùn)行的電網(wǎng)中，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的故障隔離操作和切除故障恢復(fù)供電的倒閘操作都會造成短時(shí)停電；2)開環(huán)運(yùn)行無法滿足分布式電源大規(guī)模友好接入。因此，為提高供電可靠性和使分布式電源友好接入，現(xiàn)階段正不斷推動(dòng)電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行[12]。目前，常見的合環(huán)方式分為單電源合環(huán)和多電源合環(huán)，但二者都有各自缺陷：單電源合環(huán)對上級電網(wǎng)故障無法保證可靠性供電；多電源合環(huán)在合環(huán)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流和合環(huán)電流，分布式電源接入時(shí)系統(tǒng)潮流波動(dòng)明顯。在這種情況下，利用背靠背柔性直流裝置，將交流系統(tǒng)進(jìn)行解耦互聯(lián)，具有強(qiáng)大的潮流控制能力，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可以均衡各區(qū)負(fù)載，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。當(dāng)個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)故障時(shí)，柔性直流裝置可提供有功和無功支援，解決故障區(qū)域供電能力不足的問題；此外，由于沒有直流線路環(huán)節(jié)，降低了成本，適用于實(shí)際電網(wǎng)[13]。本文構(gòu)建含背靠背柔性直流220 kV環(huán)網(wǎng)模型，提出VSG控制策略，利用PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究背靠背柔性直流VSG控制及其在合環(huán)運(yùn)行中的應(yīng)用。

1 背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)

背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)將柔性直流裝置的整流站和逆變站合并在一個(gè)換流站內(nèi)，在此換流站中完成交直流的相互轉(zhuǎn)換過程。由于整流站和逆變站合并在一個(gè)換流站內(nèi)，直流回路阻抗很小，使得整個(gè)換流站的損耗很小，而且直流側(cè)發(fā)生故障的概率也很低，保護(hù)裝置得到了簡化；此外，背靠背換流站不存在通信延時(shí)，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度很快。近年來，電網(wǎng)規(guī)模隨著負(fù)荷的提升而不斷擴(kuò)大，利用背靠背柔性直流裝置構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)形式的交直流混合電網(wǎng)可以均衡負(fù)載，實(shí)現(xiàn)相同頻率或不同頻率交流系統(tǒng)間的互聯(lián)，對傳輸?shù)墓β室簿哂辛己玫目煽匦裕趥鬏斢泄β实耐瑫r(shí)也可提供動(dòng)態(tài)的無功功率和電壓支撐，提高了系統(tǒng)可靠性。圖1就是利用背靠背柔性直流裝置將電網(wǎng)連接起來構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的示意圖，S1、S2、S3為交流有源網(wǎng)絡(luò)，Tm1和Tm2為送端和受端換流變壓器，VSC1和VSC2為換流站。

圖1 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Ring network structure

2 柔性直流的控制策略

基于IGBT的電壓源型換流器采用PWM控制方式，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行要求，產(chǎn)生合適的PWM觸發(fā)脈沖對換流器閥進(jìn)行控制。調(diào)制比M與移相角δ為兩個(gè)控制變量，其中M為交流側(cè)相電壓與直流電壓之比，δ為交流側(cè)系統(tǒng)電壓相量超前VSC交流側(cè)基波電壓相量的角度。當(dāng)對VSC進(jìn)行控制時(shí)，無論系統(tǒng)處于工作狀態(tài)還是故障狀態(tài)，調(diào)節(jié)正弦脈寬調(diào)制(sinus PWM，SPWM)中調(diào)制比M和移相角δ，即可實(shí)現(xiàn)對有功和無功的控制。目前，常見的柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略是基于電流內(nèi)環(huán)控制的雙環(huán)電流控制策略，它既能實(shí)現(xiàn)有功無功的解耦控制，又能實(shí)現(xiàn)對過電流的限制功能。

圖2所示的整個(gè)柔性直流控制系統(tǒng)可分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制和換流器閥級控制。

圖2 柔性直流分層控制原理Fig.2 Principle of VSC-HVDC stratified control

系統(tǒng)級控制的作用是保持系統(tǒng)穩(wěn)定并優(yōu)化直流系統(tǒng)整體性能，為換流站級控制提供參考值指令。

圖3 基于d /q軸解耦的控制器內(nèi)環(huán)電流控制圖Fig.3 Inner loop current control of controller based on d /q axis decoupling

換流站級控制接收參考值指令，協(xié)調(diào)本端換流站的輸出參考值，根據(jù)得到SPWM信號的調(diào)制比M與移相角δ，完成輸出參考值到換流器閥的觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換。換流站級控制的基礎(chǔ)是電流控制。目前工程上常用的是基于電流內(nèi)環(huán)控制的雙環(huán)電流控制策略。在VSC穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，內(nèi)環(huán)采用圖3所示基于Park變換的d/q軸解耦控制策略[14]，外環(huán)控制器將協(xié)調(diào)控制指令(如功率、電壓等)轉(zhuǎn)化為交流電流在d/q軸上的參考值idref和iqref，內(nèi)環(huán)通過控制電流，將d/q軸交流電流指令轉(zhuǎn)換為d/q軸交流電壓指令送入觸發(fā)脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)(SPWM)。這種控制策略通過控制交流電流的兩個(gè)分量id和iq實(shí)現(xiàn)了有功、無功的解耦控制，線性度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

換流器閥級控制根據(jù)得到的SPWM的調(diào)制比M與移相角δ，生成觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對換流器閥的控制。

2.1 傳統(tǒng)的外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)電流控制是基于Park變換的d/q軸解耦控制策略；傳統(tǒng)的外環(huán)控制器的控制策略分為兩種：

1) 采用主從式控制策略，柔性直流系統(tǒng)中必有一個(gè)換流站采用定直流電壓控制策略，其余換流站可采用定有功功率控制?；谥鲝氖娇刂撇呗缘娜嵝灾绷飨到y(tǒng)控制性能好，直流電壓偏差小；但如果采用直流電壓控制的換流站失去對直流電壓的控制，柔性直流系統(tǒng)的潮流會失去平衡。因此，采用主從式控制策略的柔性直流系統(tǒng)的適應(yīng)性較差，制約了長距離柔性直流系統(tǒng)的發(fā)展。

2) 采用多點(diǎn)控制策略，其不再要求有一個(gè)換流站采用定電壓控制，系統(tǒng)適應(yīng)性高。基于多點(diǎn)控制策略的典型控制方式為下垂控制。目前常見的下垂控制有有功-頻率下垂控制、無功-電壓下垂控制、直流電壓下垂控制。有功-頻率和無功-電壓下垂控制主要是將傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率、無功-電壓下垂特性引入到控制器中，實(shí)現(xiàn)對有功無功的無互聯(lián)線控制。直流電壓下垂控制指換流站直流電壓隨輸出功率(或電流)的不同而線性變化，采用下降輸出特性，下降的功率-電壓(電流-電壓)特性使得系統(tǒng)功率在各換流站之間穩(wěn)定分配[14-15]。

本文在分析傳統(tǒng)控制時(shí)，采用直流電壓下垂控制。外環(huán)控制器如圖4所示，偏差輸出er為

er=kp(Pdref-Pd)+ku(Udref-Ud)

(1)

式中：kp和ku為下垂控制的比例系數(shù)；Pdref和Udref分別為外環(huán)控制器的直流功率和直流電壓的設(shè)定值。

圖4 下垂控制的外環(huán)控制器Fig.4 Outer loop controller of droop control

2.2 基于VSG控制的外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

2.2.1 VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與原理

基于VSG控制的逆變側(cè)與同步發(fā)電機(jī)模型的等效關(guān)系如圖5所示。圖中：E={ea，eb，ec}為虛擬同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢；U為機(jī)端電壓；i為輸出電流；R和L為虛擬的定子電樞電阻與同步電感；P、Q的參考方向?yàn)閺碾娋W(wǎng)流向逆變側(cè)。VSG模型從拓?fù)渖夏M同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系與機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其控制算法從外特性上模擬有功-頻率、無功-電壓調(diào)節(jié)特性。

圖5 VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 VSG topology structure

2.2.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程與電磁方程

1) VSG的機(jī)械方程同同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中：Tm、Te和Td分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，N·m；D為阻尼系數(shù)，N·m·s/rad；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。在極對數(shù)為1的情況下，機(jī)械角速度ω即為實(shí)際電角速度，ω0為額定電角速度(rad/s)，θ1為電角度(rad)。

Te=Pe/ω=(eaia+ebib+ecic)/ω

(3)

式中Pe為輸出的電磁功率。

VSG技術(shù)由于引入了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使得背靠背柔性直流系統(tǒng)在功率、電壓、頻率等的動(dòng)態(tài)過程中具有了慣性；由于引入了阻尼系數(shù)，使得背靠背柔性直流系統(tǒng)具有了阻尼功率振蕩的能力。

2) VSG的電磁方程同定子的電氣方程為

(4)

2.2.3 VSG的控制策略

VSG的控制策略如圖6所示。外環(huán)中，VSG的有功調(diào)節(jié)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器，模擬其有功-頻率下垂特性，通過對虛擬同步發(fā)電機(jī)虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器有功指令的調(diào)節(jié)；VSG的無功調(diào)節(jié)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能，模擬其無功-電壓的下垂特性，通過對虛擬發(fā)電機(jī)虛擬電勢E的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)無功和電壓。內(nèi)環(huán)控制器采用基于Park變換的d/q軸解耦控制策略，交流電流在d/q軸上的實(shí)際值與外環(huán)利用VSG技術(shù)得到的參考指令值共同生成交流電壓參考指令值，通過觸發(fā)脈沖進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對換流器閥的控制。

圖6 VSG控制框圖Fig.6 VSG control block diagram

2.2.4J、D的確定

根據(jù)圖5建立虛擬同步機(jī)的小信號模型，從而確定J、D的值。設(shè)阻抗Z=R+jωL，逆變側(cè)輸出的視在功率為[16-20]

解得逆變側(cè)輸出的有功和無功功率分別為

(8)

考慮到220 kV輸電線ωL?R，則α≈90°，經(jīng)化簡，逆變側(cè)向交流電網(wǎng)傳輸?shù)娜嘤泄β屎蜔o功功率為

(9)

將式(2)、(7)、(9)中的變量表示成穩(wěn)態(tài)量和小擾動(dòng)量之和，即有

仿真時(shí),將額定工頻50 Hz及采樣值輸入三角函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,即可快速獲得基波和各次諧波的諧波頻率、幅值及其相位,目標(biāo)誤差eobj設(shè)為0.001。

(10)

式中：右式第1項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)量；第2項(xiàng)為小擾動(dòng)量。穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變站交流側(cè)電壓與逆變站出口處(網(wǎng)側(cè))電壓相位差不大，sinδ0≈δ0，小信號表達(dá)式為

(11)

經(jīng)過拉普拉斯變換后，有功功率環(huán)控制框圖如圖7所示。

圖7 有功功率環(huán)控制框圖Fig.7 Active power loop control diagram

根據(jù)圖7可計(jì)算出有功功率部分的傳遞函數(shù)為

(12)

自然振蕩頻率和阻尼比為

(13)

采用VSG技術(shù)，J、D參數(shù)可任意調(diào)節(jié)不受約束，但考慮到響應(yīng)速度和控制，將其設(shè)計(jì)為欠阻尼系統(tǒng)(ζ<1)。

(14)

3 系統(tǒng)暫態(tài)運(yùn)行分析

對圖8所示環(huán)網(wǎng)背靠背柔性直流系統(tǒng)采用兩種不同的控制方式：1)直流電壓下垂控制，對整流側(cè)和逆變側(cè)均采用直流電壓下垂控制策略;2)VSG控制，整流側(cè)采用定直流電壓定無功功率控制策略，逆變側(cè)采用VSG控制策略。有功、無功功率的參考方向以流向換流站為正，直流電流、直流功率的方向以從整流側(cè)流向逆變側(cè)為正。利用PSCAD/EMTDC仿真軟件，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)故障及短時(shí)間擾動(dòng)時(shí)，分析比較不同控制方式下系統(tǒng)的故障響應(yīng)及恢復(fù)情況。

圖8 仿真示意圖Fig.8 Schematic diagram of simulation

直流電壓下垂控制參數(shù)如表1所示，直流功率參考值為270 MW，直流電壓參考值為330 kV，無功功率參考值為200 Mvar。VSG控制參數(shù)如表2所示，機(jī)端電壓指令為162 kV，無功指令為210 Mvar，有功指令為270 MW，頻率指令為50 Hz?；趫D5所示逆變器拓展結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。根據(jù)式(14)，取截止頻率ωc為2倍工頻的1/10，自然振蕩頻率ωn應(yīng)滿足ωc<ωn，取為150 rad/s。計(jì)算得VSG的J、D分別為：J=420 kg·m2，D=100.8 N·m·s/rad。

表1 下垂控制參數(shù)Table 1 Droop control parameters

表2 VSG控制參數(shù)Table 2 VSG control parameters

表3 系統(tǒng)參數(shù)Table 3 System parameters

3.1 逆變側(cè)A處發(fā)生三相短路接地故障的情況

如圖8所示，直流系統(tǒng)采用偽雙極方式，直流電壓等級為330 kV，交流電壓等級為220 kV。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行2 s時(shí)，A處發(fā)生三相接地短路故障，為便于觀察，設(shè)置為2 s后故障恢復(fù)。兩種不同控制模式下系統(tǒng)直流電流、直流電壓、逆變器出口處有功功率的變化情況如圖9所示。

系統(tǒng)A處2 s出現(xiàn)三相短路，經(jīng)歷2 s故障恢復(fù)時(shí)，下垂模式下的直流電壓在故障初期先上升后下降，故障中維持較高的直流電壓水平，故障結(jié)束后迅速下降最終回到設(shè)定值；直流電流振蕩過零點(diǎn)，故障結(jié)束后立刻增加后恢復(fù)參考值；逆變器出口處的有功功率迅速減少過零點(diǎn)，故障結(jié)束后大幅增加振蕩恢復(fù)參考值。

VSG控制模式下直流電壓于故障初期出現(xiàn)小幅上升并振蕩衰減，故障中的直流電壓水平較故障前相差不大，故障結(jié)束后振蕩衰減達(dá)到穩(wěn)定值；直流電流下降輕微過零點(diǎn)并逐漸衰減，故障結(jié)束后振蕩衰減達(dá)到穩(wěn)定值；逆變器出口處的有功功率在故障初期降至零點(diǎn)，故障恢復(fù)后緩慢地恢復(fù)至穩(wěn)定值。在發(fā)生三相短路故障時(shí)，直流電壓下垂控制和VSG控制系統(tǒng)的頻率無較大差別。總體上，當(dāng)發(fā)生三相短路時(shí)，VSG由于J、D的存在，在動(dòng)態(tài)過程中具有了慣性和阻尼電網(wǎng)功率振蕩的能力，故障切除后恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)要較直流電壓下垂控制稍久。

圖9 三相短路波形圖Fig.9 Diagram of three-phase short circuit

3.2 負(fù)荷變動(dòng)

設(shè)圖8中逆變器出口B處的負(fù)荷2 s時(shí)退出700 MW，3 s時(shí)負(fù)荷重新接入系統(tǒng)。仿真圖形如圖10所示。2 s負(fù)荷突減700 MW時(shí)，對于VSG控制，在負(fù)荷退出時(shí)，由于存在虛擬轉(zhuǎn)速，逆變側(cè)參與了電網(wǎng)的一次調(diào)頻，并網(wǎng)的有功功率減少約50 MW，負(fù)荷切入后恢復(fù)到原值；而采用直流電壓下垂控制有功功率無變化。

圖10 負(fù)荷波動(dòng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of load fluctuation

4 結(jié)論

本文為了抑制電網(wǎng)的合環(huán)電流和提高供電可靠性，搭建了環(huán)網(wǎng)背靠背柔性直流系統(tǒng)，采用兩種不同控制方式(直流電壓下垂控制、VSG控制)，研究當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)故障及短時(shí)間擾動(dòng)時(shí)，不同控制方式下系統(tǒng)的故障響應(yīng)及恢復(fù)情況，并得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)發(fā)生三相短路時(shí)，VSG由于J、D的存在，在動(dòng)態(tài)過程中具有了慣性和阻尼電網(wǎng)功率振蕩的能力，故障切除后恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)要較直流電壓下垂控制稍久。

2) 當(dāng)發(fā)生負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，對于VSG控制，在負(fù)荷退出時(shí)，由于存在虛擬轉(zhuǎn)速，逆變側(cè)會參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，負(fù)荷切入后恢復(fù)到原值；而采用直流電壓下垂控制有功功率無變化。