基于組合方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制

葉林

摘? 要：基于組合方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)在特高壓直流輸電、孤島供電、直流配電網(wǎng)、分布式能源接入等領域具有顯著優(yōu)勢，因此得到廣泛研究與應用。穩(wěn)定的直流電壓控制和負載功率合理匹配是多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制的核心，因此研究基于組合方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法具有重要意義。該文分析了基于組合方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，為多端柔性直流輸電系統(tǒng)的設計與應用提供理論借鑒。

關鍵詞：多端直流;柔性直流輸電系統(tǒng);控制方法;直流電壓控制

中圖分類號：TM722? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

步入21世紀以來，隨著工業(yè)化和電氣化的不斷提高，電力能源逐漸成為世界各國秉力發(fā)展的重要來源之一。在我國，電力能源承擔著實現(xiàn)國民經(jīng)濟大發(fā)展的重任，其重要地位不言而喻。然而，對電力能源需求不斷擴大以及我國東西部不平衡的發(fā)展狀況，導致我國電力能源分布不均必須依賴跨區(qū)域的輸電系統(tǒng)實現(xiàn)全國電力能源的均衡。傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)和兩端直流輸電系統(tǒng)正在發(fā)揮著不可替代的作用。然而，隨著新能源分布式發(fā)電接入、孤島供電、城市供電、配電網(wǎng)設置等應用領域的擴大，傳統(tǒng)的兩端直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)難以適應時代的發(fā)展，多端直流輸電系統(tǒng)（Multi Terminal Direct Current ，MTDC）逐漸成為研究和應用的熱點。

傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)因可控性強、電壓等級高等特點得到廣泛應用。但是常規(guī)直流輸電系統(tǒng)基本采用電流源型換流器（Line Commutated Converter，LCC），實際運行中存在吸收無功、需改變直流電壓極性才可改變功率輸送方向，因此不適用于多端直流輸電系統(tǒng)。相比LCC，電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）具有較小的電力損耗和動態(tài)無功補償?shù)葍?yōu)勢，使多端柔性直流輸電系統(tǒng)（Voltage Source Converter Based-Multi-Terminal Direct Current ，VSC-MTDC）實際應用成為可能。VSC-MTDC相比兩端直流輸電系統(tǒng)具有更加靈活的結(jié)構(gòu)，但是也給VSC-MTDC的控制設計帶來挑戰(zhàn)。該文將分析針對VSC-MTDC的控制方法，通過梳理VSC-MTDC控制方法和策略，為VSC-MTDC的設計與應用提供理論借鑒。

1 多端柔性直流輸電系統(tǒng)介紹

多端柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC-MTDC）是指擁有3個或以上的換流器，通過并聯(lián)或串聯(lián)而組成的直流輸電系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的兩端直流輸電系統(tǒng)，VSC-MTDC系統(tǒng)具有更加靈活的控制方式、更低的輸電成本，支持多電源供電、多落點受電、高安全性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，因此得到廣泛應用。

目前VSC-MTDC系統(tǒng)常用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)、并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)及混聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)是將所有的變換器以串聯(lián)的形式級聯(lián)在一起，串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)，變換器承受的電流是相同的，通過調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓實現(xiàn)負載端功率分配。串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)容易受到線路故障、變換器故障等問題造成全系統(tǒng)供電故障，可靠性較低。并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)VSC-MTDC系統(tǒng)采取的是并聯(lián)端口直流母線電壓相同，通過調(diào)節(jié)輸送直流電流實現(xiàn)功率匹配。并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)具有方便清除故障、系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。混聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)是既有串聯(lián)結(jié)構(gòu)也有并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)有效結(jié)合了串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)和并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，既能極大地提高系統(tǒng)靈活性，也能減少直流輸電系統(tǒng)的能耗損失。

2 VSC-MTDC系統(tǒng)控制方法與策略

隨著VSC-MTDC系統(tǒng)在電力能源輸送保證中應用越來越廣泛，VSC-MTDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)越來越復雜，因此不斷增加VSC-MTDC系統(tǒng)的控制難度。針對不同的VSC-MTDC系統(tǒng)，選擇合適的控制方式與控制策略，對提高VSC-MTDC系統(tǒng)的輸電效率具有重要意義。目前，VSC-MTDC系統(tǒng)應用的控制方法與策略主要有以下3種：下垂控制、主從控制及電壓裕度控制。下面將分別介紹3種主要的VSC-MTDC系統(tǒng)控制方法。

2.1 VSC-MTDC系統(tǒng)電壓型下垂控制

VSC-MTDC系統(tǒng)電壓型下垂控制是將VSC-MTDC系統(tǒng)中各個端口的直流側(cè)輸出電壓控制為定值，并配合有功功率實現(xiàn)對VSC-MTDC系統(tǒng)的控制。由于VSC-MTDC系統(tǒng)中不存在無功功率，而有功功率與直流電壓之間存在線性約束，因此電壓型下垂控制實際屬于一種存在靜態(tài)偏差的控制策略。

傳統(tǒng)的電壓型下垂控制策略，通過調(diào)整下垂系數(shù)實現(xiàn)VSC-MTDC系統(tǒng)中直流電壓和有功功率的分配。而下垂系數(shù)的取值，則是影響VSC-MTDC系統(tǒng)直流電壓質(zhì)量的重要影響因素。下垂系數(shù)取值過大，會導致VSC-MTDC系統(tǒng)輸出直流電壓低于實際電壓;下垂系數(shù)取值過小，則會導致VSC-MTDC系統(tǒng)功率分配性能差。因此，如何選取下垂系數(shù)是傳統(tǒng)電壓型下垂控制策略的關鍵之一。

電壓型下垂控制的優(yōu)勢在于，在多個變換站之間形成協(xié)同控制時，無須過度依賴VSC-MTDC系統(tǒng)的上層控制，而且對各個變換站之間的信號傳輸速度和精度要求不高，比較適應于結(jié)構(gòu)簡單的VSC-MTDC系統(tǒng)。但是，采用電壓型下垂控制的VSC-MTDC系統(tǒng)，一旦發(fā)生大范圍、長時間的功率波動，則VSC-MTDC系統(tǒng)無法保證自身穩(wěn)定性。因此，基于電壓型的下垂控制策略只是能用于功率穩(wěn)定、波動較小的VSC-MTDC系統(tǒng)。

2.2 VSC-MTDC系統(tǒng)主從控制

主從控制就是對VSC-MTDC系統(tǒng)進行主變換站、從變換站“角色”設置，并分別對主變換站和從變換站采取不同的控制策略。對于某一個VSC-MTDC系統(tǒng)，假設其由3個變換站組成，其中A為主變換站，其具有足夠大的容量，可對變換站的直流側(cè)實施輸出電壓控制，從而確保A變換站輸出的電壓是恒定的。另外有B和C兩個變換站，B變換站通過控制有功功率，C變換站通過控制交流電壓，實現(xiàn)對直流輸電線路的控制。在3個變換站主從控制過程中，要求A變換站線路損耗視為零損耗，B變換站有功功率恒定，C變換站交流電壓恒定。3個變換站的協(xié)同控制就形成主從控制策略。

雖然主從控制比較容易實現(xiàn)，但需要保證3個變換站間的信號傳輸速度和精度較高，且對VSC-MTDC系統(tǒng)的頂層控制具有較高的依賴性，因此常用于兩端直流輸電系統(tǒng)中。

2.3 VSC-MTDC系統(tǒng)電壓裕度控制

由于主從控制對VSC-MTDC系統(tǒng)的頂層控制依賴性較高，且對變換站之間的通信速度和精度要求高等特點，使其無法適應于長距離的特高壓直流柔性輸電系統(tǒng)。為此，對于長距離柔性直流輸電系統(tǒng)而言，常采用電壓裕度控制策略。

電壓裕度控制就是在主從控制的基礎上，主變換站不僅要控制恒定的輸出電壓，而且還應具有功率控制余量，因此當VSC-MTDC系統(tǒng)受到輸電電流干擾時，可通過主變換站的電壓裕度控制實現(xiàn)功率控制與調(diào)節(jié)。與之對應，從變換站也在原有功率或交流電壓控制基礎上，增加了輸電系統(tǒng)電壓裕度控制余量。當VSC-MTDC系統(tǒng)存在干擾并造成功率超限時，從變換站可通過電壓裕度控制實現(xiàn)功率和電壓的交替控制調(diào)節(jié)，確保VSC-MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

電壓裕度控制策略常采用模擬控制法，將VSC-MTDC系統(tǒng)直流電壓控制和有功功率控制切換過程進行模擬控制。在電壓裕度控制下進行直流電壓和有功功率切換時，如果電壓值超過控制策略中設定的電壓裕度，可采用PI控制器對直流電壓控制和有功功率控制進行切換。此外，在切換過程中，單獨的直流電壓控制與有功功率控制相互排斥。目前，通過改進電壓裕度控制算法，已經(jīng)可以實現(xiàn)直流電壓控制與有功功率控制之間的快速切換，在切換過程中能更好地調(diào)整和控制VSC-MTDC系統(tǒng)直流母線電壓。

3 結(jié)語

在我國“西電東送”、節(jié)能減排、分布式能源發(fā)展等電力能源應用的背景下，VSC-MTDC系統(tǒng)這種新穎的輸電技術逐漸成為研究和應用的熱點。隨著VSC-MTDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)越來越復雜，對控制策略的要求也越來越高。該文通過對VSC-MTDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和控制方式的分析，在VSC-MTDC系統(tǒng)研究和構(gòu)建過程中，必須結(jié)合VSC-MTDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，有針對性地設計控制方式和控制策略，從而確保VSC-MTDC系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運行。

參考文獻

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