VSC-HVDC穩(wěn)定控制研究

吳明哲，陳武暉

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VSC-HVDC穩(wěn)定控制研究

吳明哲，陳武暉

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇省 鎮(zhèn)江市 212013）

基于電壓源換流器(voltage-source converter，VSC)的高壓直流輸電系統(tǒng)(high voltage direct current, HVDC)擁有良好的有功無功功率控制能力以及更適合構(gòu)成多端輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢，目前被認(rèn)為是極具潛力的輸電方式。柔性直流輸電系統(tǒng)的控制及穩(wěn)定性是影響輸電系統(tǒng)運(yùn)行安全和性能的重要因素。針對柔性直流輸電系統(tǒng)的研究，首先概述了兩端柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浼捌浣怦羁刂坪透郊涌刂品绞?，然后從基本的兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)延伸到多端輸電系統(tǒng)拓?fù)浜突旌陷旊娤到y(tǒng)拓?fù)?，著重分析了多端系統(tǒng)的下垂控制、故障穿越能力和混合直流輸電系統(tǒng)的控制，接著又討論了風(fēng)電接入之下的柔性直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制，可為今后相關(guān)研究提供參考。

VSC-HVDC；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；解耦控制；下垂控制；故障穿越；風(fēng)電并網(wǎng)

0 引言

在全球能源大電網(wǎng)互聯(lián)的背景下，面對能源與環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)，對光伏、太陽能等新能源的充分利用必將成為今后能源戰(zhàn)略的重要組成部分，而柔性直流輸電系統(tǒng)在新能源接入方面有著巨大的優(yōu)勢[1-3]，未來勢必會成為研究的一大趨勢，并且是可再生能源并網(wǎng)和大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸?shù)慕鉀Q方案之一[4]，同時促進(jìn)世界能源安全、清潔、高效和可持續(xù)發(fā)展[5]。

傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)(line commutated converter high voltage direct current，LCC-HVDC)在運(yùn)行時易受擾動，使逆變站交流母線電壓降低超過10%時發(fā)生換相失敗，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法傳輸功率[6]。換相失敗的本質(zhì)是逆變器熄弧角小于最小熄弧角min，即<min[7]。為防止系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，在逆變側(cè)加入定熄弧角控制或者定電壓控制策略[8]，提高逆變器的關(guān)斷裕度角以阻止換相失敗現(xiàn)象[9]，以及抑制交流側(cè)產(chǎn)生的諧波等問題。另外，為了進(jìn)一步比較系統(tǒng)對換相失敗的抵御能力，引入換相失敗免疫指標(biāo)(commutation failure immunity index，CFII)的概念[10]，在此基礎(chǔ)上分析了不同的運(yùn)行條件對CFII的影響，得出降壓運(yùn)行和降功率運(yùn)行均可以減小換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)論，指出交流系統(tǒng)強(qiáng)度越弱，換相失敗臨界指標(biāo)越小，越易發(fā)生換相失敗[11]。

繼高壓交流輸電系統(tǒng)和高壓直流輸電系統(tǒng)之后的柔性直流輸電系統(tǒng)(voltage source converter based high voltage direct current, VSC-HVDC)也是被廣泛關(guān)注研究的輸電系統(tǒng)，它以全控型電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)(pulse width modulation，PWM)為基礎(chǔ)，并擁有與弱交流系統(tǒng)甚至無源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、無功支持、較高的可靠性和各種能源的集成等顯著特點(diǎn)[12-13]，吸引了眾多研究人員的目光。它還有靈活控制傳輸?shù)挠泄?、無功功率的能力[14-15]，并具有改善調(diào)節(jié)交流母線電壓、增強(qiáng)輸電電能質(zhì)量、容易構(gòu)成多端輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及能連接無源系統(tǒng)為其供電等優(yōu)勢而被人們廣泛關(guān)注并逐步推廣[16-17]。

較LCC-HVDC系統(tǒng)而言，VSC-HVDC系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1）可以連接無源系統(tǒng)，依靠器件自身的換流方式，可以控制器件開通和關(guān)斷，系統(tǒng)不會發(fā)生換相失敗現(xiàn)象。

2）對于無功補(bǔ)償問題，在VSC-HVDC系統(tǒng)中因其具有調(diào)節(jié)有功和無功功率的特征，不需要大量的無功補(bǔ)償，換流站占地面積小且花費(fèi)少。

3）當(dāng)系統(tǒng)較為強(qiáng)大時，可以在靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)方式下運(yùn)行，起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

4）VSC-HVDC系統(tǒng)的電流可以雙向流動，容易實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)且直流電壓極性不變，適合構(gòu)成多端輸電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電[18]。

5）柔性直流輸電系統(tǒng)二電平或三電平VSC結(jié)構(gòu)，采用PWM技術(shù)，開關(guān)頻率相對較高，諧波落在較高的頻段，可以采用較小容量的濾波器解決諧波問題[19]。

柔性直流輸電系統(tǒng)除了能解決LCC-HVDC系統(tǒng)中的換相失敗、無功補(bǔ)償和諧波問題之外，還可以實(shí)現(xiàn)對功率的協(xié)調(diào)分配以及通過附加控制來保持交流系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1 VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制

1.1 VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VSC-HVDC系統(tǒng)單線原理如圖1所示，它由交流系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器、直流電容器等構(gòu)成[20]。其中兩側(cè)換流站均是VSC結(jié)構(gòu)，比較常見的二、三電平換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2(a)中所示的二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有6個橋臂，每個橋臂上均有與絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)反向并聯(lián)的二極管，圖2(b)是中點(diǎn)鉗位型三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了提高換流站容量和系統(tǒng)電壓等級，每個橋臂是由多個IGBT和與之并聯(lián)的二極管相互串聯(lián)得到，串聯(lián)個數(shù)由換流器額定功率、電壓等級和電力電子器件的通電能力和耐壓強(qiáng)度決定[21]。

圖1 VSC-HVDC系統(tǒng)單線結(jié)構(gòu)圖

圖2 電壓源換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 VSC-HVDC系統(tǒng)控制

柔性直流輸電采用的是如IGBT等全控型電力電子器件以及PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)提出的運(yùn)行要求，產(chǎn)生合適的PWM觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)對換流閥的開關(guān)控制，進(jìn)而獲得所期望的電壓、潮流等指標(biāo)。在柔性直流輸電系統(tǒng)的分層控制中，處于中間控制層的換流站級控制是整個VSC-HVDC系統(tǒng)的核心，因此對換流站的控制策略是中外學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。

1.2.1 VSC-HVDC系統(tǒng)換流站級控制

在柔性直流輸電系統(tǒng)分層控制結(jié)構(gòu)中，位于第2層控制的是換流站級控制，并根據(jù)換流站控制的電氣量的性質(zhì)可以分為兩大類，即有功功率控制器和無功功率控制器，其中有功功率類物理量包括：直流電流、直流電壓和交流系統(tǒng)頻率，無功功率類物理量包括交流電壓和無功功率，但是同一換流站不能同時選取2個有功功率類或無功功率類物理量進(jìn)行控制，只能各選其一[6]。在兩端柔性直流輸電系統(tǒng)中，必須有一端換流站采用定直流電壓方式以保證系統(tǒng)的功率平衡，另一端換流站根據(jù)不同應(yīng)用場合，如強(qiáng)交流系統(tǒng)、弱交流系統(tǒng)或無源網(wǎng)絡(luò)，選取一組合適的有功和無功控制，構(gòu)成整個直流系統(tǒng)的控制策略[2]。

1.2.2 VSC-HVDC系統(tǒng)解耦控制策略

對于換流站級控制一般采用的是直接電流控制方法，通常是由外環(huán)電壓控制與內(nèi)環(huán)電流控制2個環(huán)節(jié)構(gòu)成，具有快速電流響應(yīng)特性，而且具有很好的內(nèi)在限流能力，適合應(yīng)用于高壓大功率場合的柔性直流輸電系統(tǒng)[6]。而在此控制方式下存在耦合現(xiàn)象，因此對于解耦的控制策略是一個值得研究的問題。

文獻(xiàn)[22]推導(dǎo)了電流內(nèi)環(huán)的前饋解耦機(jī)理。文獻(xiàn)[23]證明了PI控制器參數(shù)決定了設(shè)計(jì)的-解耦控制器的穩(wěn)定性和時效性。文獻(xiàn)[24]研究了電壓前饋和電流解耦對電流控制穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[25]通過對直流側(cè)和交流側(cè)換流器解耦來解決多端直流系統(tǒng)波形失真的問題。文獻(xiàn)[26]通過解耦整定模型優(yōu)化出無功和有功最優(yōu)控制參數(shù)。文獻(xiàn)[27]提出了一種解耦策略可以削減各個換流站之間的相互干擾并能提高無源網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[28]提出了適用于混合電網(wǎng)的交直流解耦潮流算法，經(jīng)驗(yàn)證可得該算法避免了迭代的多次交替并能使計(jì)算量大為減少。文獻(xiàn)[29]開發(fā)了-同步參考系中VSC-HVDC系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了其控制器，結(jié)果表明，該控制器具有簡單易操作、魯棒性和高性能等特點(diǎn)，可應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。文獻(xiàn)[30]設(shè)計(jì)的基于偏差解耦控制策略的VSC-HVDC控制器，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，證明了其有效性以及控制器的方便與快捷。文獻(xiàn)[31]在基于內(nèi)模解耦控制的基礎(chǔ)上添加前饋解耦控制器，組成由2個自由度內(nèi)模對系統(tǒng)進(jìn)行解耦的控制器，利用該控制方式對系統(tǒng)諧波進(jìn)行補(bǔ)償和抑制，經(jīng)仿真驗(yàn)證，該控制策略能較好地改進(jìn)系統(tǒng)的跟隨性能，實(shí)現(xiàn)有功無功的解耦并能較大程度的抑制低次諧波，提高系統(tǒng)供電質(zhì)量。

1.2.3 VSC-HVDC系統(tǒng)附加控制策略

柔性直流輸電系統(tǒng)擁有對有功功率和無功功率的獨(dú)立控制能力和優(yōu)秀的動態(tài)響應(yīng)能力，因此在輸送功率的同時還能利用VSC換流站實(shí)現(xiàn)其他的功能，比如附加阻尼控制、頻率控制等，以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)或者達(dá)到其它控制要求等目的。

文獻(xiàn)[32]研究了基于VSC-HVDC系統(tǒng)連接弱交流系統(tǒng)的頻率同步控制方法(frequency based synchronization control，F(xiàn)SC)對系統(tǒng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)FSC能有效抑制當(dāng)VSC-HVDC連接弱或者是極弱系統(tǒng)時鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)的不穩(wěn)定性，避免負(fù)面影響。文獻(xiàn)[33]介紹了對海上風(fēng)電場的VSC-HVDC換流器進(jìn)行協(xié)調(diào)功率振蕩的阻尼控制，仿真驗(yàn)證了該控制的有效性。文獻(xiàn)[34]設(shè)計(jì)了VSC-HVDC系統(tǒng)的快速頻率支持控制方案，通過PSCAD/EMTDC和MATLAB/ Simulink仿真驗(yàn)證了該控制方案的性能。文獻(xiàn)[35]提出了基于多端柔性直流輸電(multi-terminal direct current，MTDC)系統(tǒng)的一種分散控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)一次調(diào)頻。文獻(xiàn)[36]提出了VSC-HVDC連接弱交流系統(tǒng)時的附加頻率阻尼控制(supplementary frequency-based damping control, SFDC)方法，結(jié)果表明所提出的SFDC控制方法可有效抑制或消除弱交流電網(wǎng)下由于PLL增益過大而導(dǎo)致的VSC-HVDC系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象。文 獻(xiàn)[37]設(shè)計(jì)了基于有功無功調(diào)制的附加阻尼控制器，仿真結(jié)果表明采用有功和無功協(xié)同調(diào)制的阻尼控制策略可同時快速平抑功率振蕩和電壓波動，提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[38]提出了功率外環(huán)阻尼控制策略，經(jīng)過搭建的直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型和實(shí)時仿真模型，驗(yàn)證了該控制策略能夠有效的抑制直流電網(wǎng)諧振電流并能提高直流電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 VSC-MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制

在兩端VSC-HVDC系統(tǒng)拓?fù)浠A(chǔ)上發(fā)展而來的多端柔性直流輸電系統(tǒng)(voltage source converter basedmulti-terminal direct current，VSC-MTDC)，是由3個及以上的整流站或逆變站經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)構(gòu)成的輸電系統(tǒng)，能達(dá)到多電源供電的目的，可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成輸電網(wǎng)絡(luò)，極大的提高了輸電效率和可靠性。由于VSC-HVDC 技術(shù)具有潮流翻轉(zhuǎn)時不改變電壓極性的特點(diǎn)，另外VSC-HVDC系統(tǒng)的動態(tài)無功補(bǔ)償能力也同樣適合于構(gòu)成多端直流系統(tǒng),隨著可關(guān)斷器件、直流電纜制造水平的不斷提高，VSC-HVDC將成為多端直流輸電和直流電網(wǎng)中最主要的輸電方式[39]。

2.1 VSC-MTDC系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

文獻(xiàn)[40]介紹了VSC-MTDC輸電系統(tǒng)的幾種常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括串聯(lián)、混聯(lián)、輻射狀并聯(lián)和環(huán)網(wǎng)狀并聯(lián)連接方式，如圖3所示，并詳細(xì)分析了各個結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3 MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 VSC-MTDC系統(tǒng)的研究

2.2.1 VSC-MTDC穩(wěn)定性分析

文獻(xiàn)[41]提出多端電壓源轉(zhuǎn)換器高壓直流傳輸有望在未來的輸電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。文 獻(xiàn)[42]指出，不同的并聯(lián)型VSC-MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如環(huán)網(wǎng)狀和樹枝狀)對整個交流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性沒有太大影響，仿真驗(yàn)證了VSC-MTDC系統(tǒng)中采用定直流電壓控制模式，且相對發(fā)電機(jī)電氣距離越近的換流器，對維持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的效果越好。文獻(xiàn)[43]介紹了在三端VSC-HVDC系統(tǒng)中，發(fā)生極間故障時交流側(cè)系統(tǒng)響應(yīng)并研究了HVDC系統(tǒng)故障時的恢復(fù)。文獻(xiàn)[44]研究了VSC-MTDC并聯(lián)和串聯(lián)的功率動態(tài)特性，PSCAD仿真結(jié)果表明，并聯(lián)具有優(yōu)于串聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，在起動、故障時，并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有較小的振蕩。

一般來說，VSC-MTDC系統(tǒng)的控制方式可分成單點(diǎn)直流電壓控制和多點(diǎn)直流電壓控制2類，文獻(xiàn)[45]詳細(xì)分析了VSC-MTDC系統(tǒng)的控制策略，如圖4所示。

圖4 VSC-MTDC系統(tǒng)控制分類

圖5 混合系統(tǒng)LCC-HVDC 側(cè)控制框圖

2.2.2 VSC-MTDC控制策略

文獻(xiàn)[46-47]分析了多端直流輸電系統(tǒng)的控制方式及其優(yōu)缺點(diǎn)對比，在對VSC-HVDC模型和控制分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了MTDC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，分析了所有可能的控制器組合后，發(fā)現(xiàn)P-Vac(功率–交流電壓)組合方式可以提高弱交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在保證交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定以及MTDC電網(wǎng)操作的可靠安全性的前提下，取不同的無功電流增益的值進(jìn)行分析比較，結(jié)果表明增大該值將有利于交流系統(tǒng)電壓和暫態(tài)穩(wěn) 定[48]，在四終端的LCC-MTDC系統(tǒng)中，斜率調(diào)節(jié)控制可以保持MTDC系統(tǒng)穩(wěn)定工作，即使沒有站間通信，也能在臨時故障恢復(fù)后達(dá)到穩(wěn)定狀 態(tài)[49]，而對于考慮最優(yōu)不平衡功率分配的新型直流電壓斜率控制策略，也能在故障發(fā)生時穩(wěn)定直流電壓，保持功率平衡[50]。

目前，電壓下垂控制是MTDC系統(tǒng)主要的控制手段之一[51-52]，其控制方式和交流系統(tǒng)中的頻率控制相似，是利用直流電壓與有功功率之間的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電壓的自我調(diào)節(jié)和功率的自動平衡[53]。當(dāng)換流器采用電壓下垂控制時，可以改善恒定直流電壓控制的瞬態(tài)性能，但是在定直流電壓控制和電壓裕度控制上則效果不明顯[54]。對于電壓下垂控制的局限性，主要強(qiáng)調(diào)了達(dá)到功率參考設(shè)定點(diǎn)的難度[55]，在此基礎(chǔ)上，提出模糊控制方法結(jié)合下垂控制器的優(yōu)點(diǎn)來解決問題[56]，在考慮站間直流電壓偏差的基礎(chǔ)上，結(jié)合電壓裕度控制和常規(guī)下垂控制的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成的下垂控制策略，能縮短換流站模式切換的暫態(tài)過渡時間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流電壓和平衡功率的目的[57]。以現(xiàn)有3種控制策略為基礎(chǔ)，包括主從控制，電壓裕度控制和電壓下垂控制，提出了一種基于電壓下垂控制的改進(jìn)控制策略，可以顯著的緩解直流母線電壓偏差[58]，增強(qiáng)帶直流電抗器的VSC-MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性[59]。另外自適應(yīng)下垂控制策略可以使VSC-MTDC系統(tǒng)在不同干擾條件之下減少交流系統(tǒng)頻率偏差，并通過仿真驗(yàn)證了該策略的有效性[60]。

對于VSC-MTDC系統(tǒng)故障時的保護(hù)措施和故障穿越能力(fault ride through，F(xiàn)RT)的研究，文獻(xiàn)[61]提出基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流輸電系統(tǒng)(multi-terminal HVDC based on module multilevel converter，MMC-MTDC)直流故障穿越的研究熱點(diǎn)主要在直流斷路器的應(yīng)用和換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)這2個方面。文獻(xiàn)[62]設(shè)計(jì)了在故障期間各換流器有功無功功率協(xié)調(diào)控制策略，通過切換故障側(cè)換流器的控制模式并根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落水平來發(fā)出無功功率，當(dāng)增加的無功功率沒有使交流側(cè)過流時，則余下的電流容量用于維持故障前的有功傳輸水平，相反則通過改變交流系統(tǒng)故障所對應(yīng)的換流器的有功功率來避免過流現(xiàn)象，但是該策略在微電網(wǎng)以及弱交流系統(tǒng)的應(yīng)用上具有局限性。文獻(xiàn)[63]提出將VSC- MTDC系統(tǒng)與海上風(fēng)電場連接的坐標(biāo)控制策略，原理是當(dāng)?shù)孛婀收习l(fā)生時，風(fēng)機(jī)的功率設(shè)定點(diǎn)將根據(jù)直流電壓的偏差計(jì)算功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整，防止直流電壓超過極限值，提高系統(tǒng)的故障穿越能力。研究結(jié)果證明當(dāng)陸上電網(wǎng)的電壓因故障而降低時，該控制策略可以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[64]設(shè)計(jì)了一種將閉鎖VSC-HVDC換流器與斷開直流開關(guān)相配合的控制保護(hù)策略，即通過快速閉鎖VSC達(dá)到切斷有功功率的傳輸?shù)哪康?，?dāng)傳輸?shù)挠泄β式禐榱愫?，用直流開關(guān)將故障區(qū)域快速隔離，使海上風(fēng)電場發(fā)出的有功功率能全部通過非故障極性輸電線路傳輸。

在對VSC-MTDC系統(tǒng)模型的研究方面，文獻(xiàn)[65]在原有的詳細(xì)模型基礎(chǔ)上簡化出平均值模型，并簡化仿真系統(tǒng)，后經(jīng)仿真驗(yàn)證可知采用平均值模型系統(tǒng)仿真速度更快，仿真效率更高。然而對VSC-MTDC配電網(wǎng)的特點(diǎn)、技術(shù)優(yōu)勢、系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及控制保護(hù)、能量優(yōu)化進(jìn)行分析討論，仍有技術(shù)和實(shí)際問題未能解決[66]。

3 混合輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制

混合高壓直流輸電技術(shù)是由早期的高壓直流抽能技術(shù)發(fā)展而來，應(yīng)用線路換向轉(zhuǎn)換器(line commutated converter, LCC)通過并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成的逆變裝置從兩端高壓直流輸電線路上抽取部分電能供給直流輸電線周邊地區(qū)[67]。后來因替換LCC換流站裝置為VSC換流站裝置構(gòu)成混合系統(tǒng)而得到了廣泛的研究和關(guān)注。

3.1 混合輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

近年來VSC-HVDC技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，因而各種新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷涌出[68]，但仍需考慮考慮沿著地電流路徑對金屬和電氣結(jié)構(gòu)以及環(huán)境的影響[69]?；旌陷旊娤到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括并聯(lián)混合多饋入直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浠蛘呤荓CC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)鋄70]，系統(tǒng)控制框圖如圖5、6所示。

由圖5可知，LCC整流側(cè)由定電流控制和最小觸發(fā)角控制，同時配有低壓限流環(huán)節(jié)的聯(lián)合控制模式，逆變側(cè)除了定電流控制和低壓限流環(huán)節(jié)外還配備了定熄弧角控制方式，目的是維持熄弧角穩(wěn)定提高系統(tǒng)抵御換相失敗的能力。VSC側(cè)由直接電流控制，如圖6所示。該控制方式具有快速電流特性響應(yīng)的特點(diǎn)，控制過程為：由有功功率類控制量的參考量、實(shí)際值ref、與無功功率類控制量的參考量、實(shí)際值ref、的偏差經(jīng)PI環(huán)節(jié)得到iref、iref，再由二者與i、i的差值送入PI環(huán)和解耦環(huán)節(jié)后得到電壓分量u、u，由派克反變換與PLL生成的同步相角PLL共同作用轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)，最后由PWM裝置根據(jù)u、u、u形成相應(yīng)的觸發(fā)脈沖控制信號。

3.2 混合輸電系統(tǒng)的研究

文獻(xiàn)[67]指出了混合直流輸電技術(shù)的難點(diǎn)和未來發(fā)展的目標(biāo)與方向。文獻(xiàn)[71]驗(yàn)證了通過VSC-HVDC的連接使較弱的LCC系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善。文獻(xiàn)[72]利用LCC電壓等級高、傳輸距離遠(yuǎn)、線路造價(jià)低的優(yōu)勢和VSC-HVDC故障穿越能力強(qiáng)，對受端系統(tǒng)依賴性小的優(yōu)勢，在受端提供多個落點(diǎn)，不僅可同時滿足多個地區(qū)的電力供應(yīng)，還降低了對接入的交流電網(wǎng)強(qiáng)度的要求。

圖6 混合系統(tǒng)VSC-HVDC側(cè)控制框圖

文獻(xiàn)[73]研究了與換流站相連的交流電網(wǎng)強(qiáng)度對混合系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)交流系統(tǒng)較弱而引起小干擾失穩(wěn)時，可通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[74]表明了VSC-HVDC具有提高交流電壓調(diào)節(jié)能力，可使LCC-HVDC不易受換向失敗的影響，提高系統(tǒng)強(qiáng)度。在系統(tǒng)潮流優(yōu)化和損耗方面，文獻(xiàn)[75]提出實(shí)時潮流優(yōu)化控制策略，仿真驗(yàn)證該控制方法可降低系統(tǒng)功率總損耗。文獻(xiàn)[76]的研究與仿真結(jié)果表明與VSC-HVDC系統(tǒng)相比，LCC-VSC混合HVDC系統(tǒng)具有較低的成本和較低的開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[77]提出損耗優(yōu)化控制策略，該策略在達(dá)到混合多端直流損耗最小目的的同時也考慮到了LCC逆變站最小熄弧角限制，實(shí)現(xiàn)了混合系統(tǒng)的穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在考慮故障恢復(fù)上，文獻(xiàn)[72]表明在LCC換流閥發(fā)生換相失敗時，由于受端VSC的作用可以使送端LCC更快的退出低壓限流環(huán)節(jié)，有助于系統(tǒng)功率快速恢復(fù)。文獻(xiàn)[78]針對整流側(cè)采用LCC、逆變側(cè)采用LCC和MMC串聯(lián)的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行穿越直流故障的研究，經(jīng)仿真驗(yàn)證得該系統(tǒng)可快速阻斷直流故障電流，穿越直流故障，并具有故障后快速恢復(fù)的能力。文獻(xiàn)[79]通過仿真研究結(jié)果表明，混合系統(tǒng)改善了交流故障下多直流饋入(multi-infeed HVDC, MI-HVDC)的瞬態(tài)性能。

在控制策略方面，不能只考慮一類換流站的影響，要從LCC和VSC協(xié)同控制方面來分析。文獻(xiàn)[80]分析研究了LCC控制模式對VSC換流站的影響。文獻(xiàn)[81]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LCC換流站和VSC換流站電氣聯(lián)系緊密時，LCC換流站采用電流–電壓控制模式時其抵御換相失敗的能力要強(qiáng)于電流–關(guān)斷角和功率–模式。文獻(xiàn)[82]設(shè)計(jì)了VSC-LCC混合HVDC系統(tǒng)的內(nèi)模啟動控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立了協(xié)同啟動控制策略，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的內(nèi)部模型啟動控制可以在啟動過程中有效避免過電壓和過電流。文獻(xiàn)[83]提出的無功協(xié)調(diào)控制策略可以有效降低常規(guī)直流運(yùn)行狀態(tài)的波動，改善系統(tǒng)在濾波器投切時的暫態(tài)特性，并具有良好的控制效果。文獻(xiàn)[84]表明，VSC-HVDC具有提高最大可用功率、調(diào)節(jié)交流電壓的能力，使LCC-HVDC不易受換向失敗的影響，可提高系統(tǒng)強(qiáng)度。文獻(xiàn)[85]證明了LCC-VSC混合系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模接入、電能大容量遠(yuǎn)距離輸送一級電網(wǎng)異步互聯(lián)等功能。

4 風(fēng)電接入下的VSC-HVDC系統(tǒng)

海上風(fēng)力發(fā)電與高壓直流輸電系統(tǒng)相結(jié)合是未來風(fēng)力發(fā)電及其電能傳輸?shù)陌l(fā)展方向之一，近幾年歐美國家逐漸把風(fēng)電開發(fā)的重點(diǎn)由陸地轉(zhuǎn)移到海上，風(fēng)電并網(wǎng)容量在快速增加[86]。與此同時，我國風(fēng)電市場也在快速增長，2017年我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量19.7GW，累計(jì)裝機(jī)容量高達(dá)188GW，二者均穩(wěn)居世界第一[87]。相比陸上而言，海上風(fēng)電具有資源充足、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地、不消耗水資源和適合大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，歐洲風(fēng)能發(fā)展規(guī)劃提出，到2050年風(fēng)電可供應(yīng)整個歐洲供電總量的一半[88]。相對于LCC輸電技術(shù)，基于VSC的高壓直流輸電可以體現(xiàn)出對潮流控制的靈活性。因此，利用VSC-HVDC技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)是一個更為理想的選擇。

4.1 風(fēng)電接入下系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為了更好地將HVDC技術(shù)應(yīng)用到未來的海上風(fēng)電場，文獻(xiàn)[89]研究了并聯(lián)海上全直流風(fēng)電場三大關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀，包括直流風(fēng)電的交直流電源轉(zhuǎn)換，海上升壓變電站的直流-直流電源轉(zhuǎn)換以及海上直流風(fēng)電場的運(yùn)行與控制。文獻(xiàn)[90]分析了高壓交流(high voltage alternating current, HVAC)、高壓直流(high voltage direct current, HVDC)和分頻輸電技術(shù)(fractional frequency transmission system，F(xiàn)FTS) 3種海上風(fēng)電的并網(wǎng)方式。分頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已成為海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的一個新潮流，具有更經(jīng)濟(jì)、可靠的優(yōu)勢，尤其適用于大規(guī)模遠(yuǎn)距離海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[91]研究了基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電故障穿越問題，提出了一種采用斬波器的柔性直流輸電系統(tǒng)，并與風(fēng)電機(jī)組協(xié)調(diào)的控制方式，系統(tǒng)滿足故障穿越要求。文獻(xiàn)[92]證明了HVDC換流器阻塞后的過電壓現(xiàn)象，實(shí)際風(fēng)電場的測量表明，在此階段風(fēng)力渦輪機(jī)終端的電壓平均可能增加30%。文獻(xiàn)[93]分析了風(fēng)電VSC-HVDC在有無調(diào)頻的控制下，負(fù)荷變化對同步發(fā)電機(jī)的功角影響，仿真驗(yàn)證，在電力系統(tǒng)發(fā)生較大的負(fù)荷變化后由調(diào)頻控制可增強(qiáng)暫態(tài)過程中功角穩(wěn)定。

4.2 風(fēng)電接入下的系統(tǒng)控制

文獻(xiàn)[94]提出了一種多端直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，該策略可以體現(xiàn)出電網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)電功率傳輸?shù)撵`活性，并且在系統(tǒng)故障運(yùn)行下時由風(fēng)場側(cè)換流器來保持直流電壓的穩(wěn)定和協(xié)調(diào)各個風(fēng)電廠風(fēng)機(jī)的出力情況。文獻(xiàn)[95]提出了低電壓穿越協(xié)調(diào)控制策略，通過變流站提供無功支持，采用基于電壓控制的快速功率降低算法控制風(fēng)電場饋入功率以維持系統(tǒng)功率平衡。文獻(xiàn)[96]提出適用于送端風(fēng)電分散并網(wǎng)的交流電壓下垂控制策略，能保證系統(tǒng)運(yùn)行不受負(fù)荷波動的影響，也能有效抑制風(fēng)電場測的短路故障對受端交流系統(tǒng)的影響，有良好的故障隔離功能。文獻(xiàn)[97]提出了以串聯(lián)多端VSC-HVDC為基礎(chǔ)的海上風(fēng)電并網(wǎng)電路的拓?fù)浼捌淇刂撇呗?，仿真分析結(jié)果表明該拓?fù)淠芊€(wěn)定運(yùn)行，控制策略能實(shí)現(xiàn)變流器的高效運(yùn)行。文獻(xiàn)[98]提出了一種在故障甚至嚴(yán)重故障發(fā)生的時候，采用新型的風(fēng)電場與海上高壓直流換流器之間的協(xié)調(diào)控制策略來抑制直流電壓上升。文獻(xiàn)[99]提出了一種海上MTDC故障穿越控制策略，該策略通過減少風(fēng)電場發(fā)電來抑制電網(wǎng)側(cè)換流器停運(yùn)期間電壓的上升。

5 結(jié)論

相比于LCC-HVDC系統(tǒng)而言，VSC-HVDC系統(tǒng)更具有優(yōu)勢，今后直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展方向取決于VSC-HVDC系統(tǒng)控制技術(shù)的研究方向，因此，以后VSC-HVDC系統(tǒng)必將成為組成電網(wǎng)的關(guān)鍵部分，其控制系統(tǒng)也會越來越完善。

1）目前對多端柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略研究多是以主從控制、裕度控制和下垂控制為基礎(chǔ)的，在多個換流器協(xié)調(diào)控制方面，應(yīng)更深入的研究考慮協(xié)調(diào)功率、電壓穩(wěn)定，在換流器設(shè)計(jì)上比較直流電壓偏差時對系統(tǒng)的影響，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）在混合多饋入輸電控制方面，此類系統(tǒng)綜合了VSC-HVDC和LCC-HVDC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在暫態(tài)運(yùn)行過程中VSC-HVDC系統(tǒng)可以減輕系統(tǒng)損耗且會明顯加快系統(tǒng)的故障恢復(fù)速度，但是對混合多端系統(tǒng)和混合電網(wǎng)的控制和保護(hù)策略方面還不夠完善，深入探討如何選擇2種系統(tǒng)容量分配的關(guān)系使系統(tǒng)更加穩(wěn)定等問題。目前對混合輸電系統(tǒng)的研究還不夠深入，比較依賴于柔性直流輸電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的能清除故障的換流器拓?fù)浣?jīng)濟(jì)效益比較低，因此選擇經(jīng)濟(jì)適宜的換流器拓?fù)湟彩且粋€值得深入研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

3）在風(fēng)電接入方面，今后風(fēng)電接入容量會比之前有較大幅度的增加，柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)該加大在風(fēng)電大規(guī)模接入、并網(wǎng)時降低電網(wǎng)電壓波動和增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性等方面的研究。針對風(fēng)電接入場景下故障穿越的控制策略研究，在一定程度上都能實(shí)現(xiàn)理想的控制效果，而在面對未來更大容量、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時，對組合或者附加控制策略的研究是一個重要的方向。

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Overview of Research on Stability and Control of VSC-HVDC

WU Mingzhe, CHEN Wuhui

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China)

Voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC) transmission systems has the advantages of good active and reactive power control capability and more suitable for multi-terminal transmission system. It is considered as a potential transmission mode.Research on control and stability of VSC-HVDC is an important factor affecting the safety and performance of transmission system. Aiming at the study of control strategies of VSC-HVDC systems, the topologies and decoupling and additional control methods of VSC-HVDC were analyzed. Then it extends from the basic two-terminal topologies to the multi-terminal and hybrid topologies, focus on the droop control, fault ride through capability of VSC-MTDC and control of hybrid direct current transmission system. Next, this paper discussed the stability and control schemes of VSC-HVDC for wind power integration, which will provide reference for future research.

voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC); topology; decoupling control; droop control; fault ride through; wind power integration

10.12096/j.2096-4528.pgt.18199

2018-10-17。

吳明哲(1993)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)，ascd_dkgary@163.com；

吳明哲

陳武暉(1974)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制，whchen@mail. ujs.edu.cn。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFE0105300)。

Project Supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFE0105300).

(責(zé)任編輯 辛培裕)