基于負(fù)序電壓前饋的改進(jìn)型柔性直流輸電 系統(tǒng)有功功率控制策略

沈周麗 李銳華 胡 波

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海 201804）

0 引言

在大力發(fā)展全球能源互聯(lián)技術(shù)的時(shí)代背景下,柔性直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current transmission, VSC-HVDC）技術(shù)被認(rèn)為是推進(jìn)未來輸電網(wǎng)絡(luò)智能化、互聯(lián)化的關(guān)鍵方法[1-2]。作為VSC-HVDC系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置，電壓源換流器（voltage source converter, VSC）控制性能的優(yōu)劣直接對VSC-HVDC系統(tǒng)的整體運(yùn)行特性產(chǎn)生深刻影響[3]。

由于VSC-HVDC系統(tǒng)的應(yīng)用場景廣泛，接入的能源類型不盡相同，因此應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場景、運(yùn)行目標(biāo)制定合適的功率控制策略[4]。慣量模擬是面向可再生能源的VSC-HVDC系統(tǒng)的控制目標(biāo)之一，文獻(xiàn)[5]提出多種變換器互聯(lián)的電壓源型控制方法。文獻(xiàn)[6]中VSC-HVDC送端采用定直流電壓與定交流電壓相結(jié)合的控制策略，而受端則采取定有功功率及定交流電壓控制相結(jié)合的控制方案，對應(yīng)用于城市配電網(wǎng)的VSC-HVDC靜態(tài)及暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析。

VSC具備無功及有功功率可單獨(dú)控制的特性，因此可以輸出無功功率對交流系統(tǒng)進(jìn)行一定的無功補(bǔ)償，穩(wěn)定交流電網(wǎng)電壓和頻率，從而提高電網(wǎng)供電質(zhì)量[7-8]。VSC-HVDC技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)的擴(kuò)展和互聯(lián)時(shí)，其主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對被擾動(dòng)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定及功率支撐[9]，文獻(xiàn)[10]利用Matlab對VSC-HVDC系統(tǒng)受端三相短路故障和單相短路故障開展仿真分析工作。兩端VSC-HVDC系統(tǒng)中，穩(wěn)定的直流電壓是系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行的前提條件，當(dāng)采用定直流電壓控制的換流器或其交流側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，若兩端換流站間沒有通信或者出現(xiàn)通信延時(shí)，直流電壓將會(huì)失去控制，進(jìn)而威脅設(shè)備及系統(tǒng)安全[11]。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡或交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，VSC換流站的交、直流兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)序分量和非特征諧波，影響換流裝置的安全運(yùn)行[12]。因此，控制策略應(yīng)當(dāng)考慮電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)或交流系統(tǒng)故障的情況。針對電網(wǎng)可能發(fā)生的不對稱故障，文獻(xiàn)[13]提出一種改進(jìn)的直接功率控制算法，從而實(shí)現(xiàn)在發(fā)生不對稱故障時(shí)對換流器的功率控制。文獻(xiàn)[14]考慮交流系統(tǒng)故障，提出一種增加補(bǔ)償項(xiàng)以消除實(shí)際觸發(fā)角與觸發(fā)角順序之間偏差的控制方法。文獻(xiàn)[15]提出利用交流母線電壓分析VSC無功控制方式靈敏度的方法。文獻(xiàn)[16]針對采用定直流電壓控制的 換流器出現(xiàn)故障的情況，提出基于附加信號的改進(jìn)控制策略，加入有功功率修正環(huán)節(jié)，但該策略的控制速度較慢。文獻(xiàn)[17]提出基于線路極間耦合特性的故障性質(zhì)判別方法。文獻(xiàn)[18]針對HVDC技術(shù)應(yīng)用于架空線的場景，提出基于直流斷路器的線路故障重新啟動(dòng)控制策略。

針對VSC-HVDC系統(tǒng)因故障出現(xiàn)直流電壓失控的問題，在分析故障期間交流系統(tǒng)中負(fù)序分量的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于負(fù)序電壓前饋的改進(jìn)型有功功率控制策略，不僅能夠抑制系統(tǒng)故障期間的直流電壓波動(dòng)，而且能夠消除流過連接電抗器的負(fù)序電流，從而提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

1 VSC-HVDC系統(tǒng)建模

1.1 VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩端VSC-HVDC系統(tǒng)主要由VSC、變壓器、交流電抗器、交流濾波器、直流電容器和平波電抗器等基本單元構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。直流輸電網(wǎng)兩端的換流站結(jié)構(gòu)類似，左端換流站視為送端站，用下標(biāo)“t”表征其相關(guān)物理量；右端換流站視為受端站，用下標(biāo)“r”表征其相關(guān)物理量。

圖1 兩端VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率可在VSC-HVDC系統(tǒng)中雙向流動(dòng)。其基本工作工作原理為：交流系統(tǒng)t輸出交流功率到送端站的交流母線，經(jīng)換流變壓器t送到換流器t，換流器t工作在整流狀態(tài)將交流功率變換為直流功率，經(jīng)直流線路輸送到換流器r，換流器r工作在逆變狀態(tài)將直流功率變換為交流功率，然后經(jīng)換流變壓器r把交流功率送入交流系統(tǒng)r。同理，交流系統(tǒng)r亦可傳輸能量至交流系統(tǒng)t。

1.2 VSC-HVDC系統(tǒng)運(yùn)行特性

基于VSC-HVDC系統(tǒng)的基本工作原理，進(jìn)一步分析其運(yùn)行特性。VSC-HVDC系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置為VSC，所以VSC特性在很大程度上決定了系統(tǒng)運(yùn)行特性。由于換流器r和換流器t結(jié)構(gòu)相同，以換流器t為例進(jìn)行分析，其等效原理圖如圖2所示。

圖2 換流器等效原理圖

圖2中，Lx為交流電抗器電感；Is為流過交流電抗器的電流；Rx為換流器及交流電抗器的等效電 阻；Us為交流母線電壓的基頻分量；Uc為換流器t交流端電壓的基頻分量；δ為Uc滯后于Us的角度；Ps、Qs分別為交流系統(tǒng)t向公共節(jié)點(diǎn)處注入的有功功率和無功功率；換流電抗器電抗為X=ωLx（ω為系統(tǒng)額定電壓頻率），公共節(jié)點(diǎn)與換流器t之間的總阻抗為Zx=Rx+jX?？紤]在一般情況下電阻值會(huì)遠(yuǎn)小于電抗值，近似有Zx≈jX。

如若忽略不計(jì)變壓器及換流器的各種損耗及諧波分量，則交流系統(tǒng)向公共節(jié)點(diǎn)注入的復(fù)功率可表示為

由式（1）化簡可得到交流系統(tǒng)t輸入換流器t的無功功率Qs和有功功率Ps，即

根據(jù)式（2）及式（3）分析可得到，通過調(diào)整Uc的相位及幅值即可改變電流Is的相位及幅值，從而調(diào)節(jié)交流系統(tǒng)t與換流器t間交換的無功功率Qs和有功功率Ps的大小和流動(dòng)方向，從而為VSC- HVDC控制策略的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

1.3 兩電平VSC數(shù)學(xué)模型

VSC在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型表示為

式中：id、iq為換流站交流電流矢量的d、q軸分量；usd、usq為電網(wǎng)電壓矢量的d、q軸分量；ucd、ucq為VSC交流端電壓矢量的d、q軸分量；udc為VSC直流側(cè)電壓；idc為換流器輸入直流線路的電流；Mcd=2ucd/udc，Mcq=2ucq/udc。

從交流系統(tǒng)輸出的無功功率Qs和有功功率Ps在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的表達(dá)式為

由式（5）可知，通過分別獨(dú)立控制id、iq可調(diào)整無功功率和有功功率。

2 基于負(fù)序電壓前饋的改進(jìn)型有功功率控制策略

相較于傳統(tǒng)HVDC系統(tǒng)，VSC-HVDC系統(tǒng)的優(yōu)勢之一是兩端的換流站可分別單獨(dú)控制，無需通信。同時(shí)，這也對VSC-HVDC系統(tǒng)的控制及保護(hù)提出了新的技術(shù)要求。

2.1 基于負(fù)序電壓前饋的電流解耦內(nèi)環(huán)控制

在出現(xiàn)非對稱故障時(shí)，電網(wǎng)電壓、電流中將出現(xiàn)大量負(fù)序分量。三相不對稱下的電網(wǎng)電壓可描述為

轉(zhuǎn)換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得

由式（9）可以得到三相不對稱下的換流器等效框圖如圖3所示。

圖3 三相不對稱下的換流器等效框圖

由圖3中的換流器負(fù)序模型可以看出，如果能 使換流器交流端產(chǎn)生的負(fù)序電壓與交流母線處電壓的負(fù)序分量相等，則此時(shí)流過換流電抗器的的穩(wěn)態(tài)值等于零。

2.2 基于直流電壓的有功電流修正環(huán)節(jié)

電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度較快，通過修正內(nèi)環(huán)電流參考值直接反映直流電壓的波動(dòng)信息，就能迅速調(diào)節(jié)換流站的有功功率輸出，從而快速控制故障期間產(chǎn)生的直流電壓波動(dòng)。因此，在有功外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)之間添加一個(gè)基于直流電壓的有功電流修正環(huán)節(jié)，有功電流修正環(huán)節(jié)控制曲線如圖4所示。圖4中，Kdrec為狀態(tài)指示：當(dāng)有功功率參考值大于0時(shí)，設(shè)定Kdrec=1；當(dāng)有功功率參考值小于0時(shí)，設(shè)定Kdrec= 0。當(dāng)系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)時(shí)，有功電流修正環(huán)節(jié)不對有功電流進(jìn)行修正，當(dāng)直流電壓失去控制時(shí)，修正環(huán)節(jié)根據(jù)直流電壓的變化特點(diǎn)，按照控制曲線改變故障期間的有功電流參考值。

圖4 有功電流修正環(huán)節(jié)控制曲線

2.3 基于負(fù)序電壓前饋的改進(jìn)型有功功率控制策略

在前述理論的基礎(chǔ)上，提出基于負(fù)序電壓前饋的改進(jìn)型柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略，控制策略框圖如圖5所示，主要由定有功控制、有功電流修正、定無功控制、正序電流解耦的內(nèi)環(huán)控制、負(fù)序電壓前饋幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在電流內(nèi)環(huán)控制器中，對不對稱電壓及電流進(jìn)行正、負(fù)序分量分離，正、負(fù)序分量分離的方法有很多種，本控制策略采用1/4周期延 遲的方法對正、負(fù)序分量進(jìn)行分離。定有功控制中的K為換算比例因子，K=2/3usd。

圖5 基于負(fù)序電壓前饋的改進(jìn)型有功功率控制策略框圖

3 仿真結(jié)果

為了對所提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，基于PSIM軟件建立仿真模型。通過基于負(fù)序電壓前饋的改進(jìn)型有功功率控制策略結(jié)合定無功功率控制對換流器t進(jìn)行控制，換流器r的控制策略為定直流電壓控制結(jié)合定無功功率控制。兩端換流器為兩電平拓?fù)?，分別連接有源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，仿真主要參數(shù)見表1。

表1 仿真主要參數(shù)

根據(jù)換流器t穩(wěn)態(tài)時(shí)正常工作的要求，設(shè)置直流 電壓正常工作范圍上、下限分別為Udcmin=0.95p.u.、Udcmax=1.05p.u.（基準(zhǔn)值Udc=750V）；基于對換流站t直流側(cè)電容耐壓水平及直流側(cè)最大過電流水平的考量，設(shè)置直流電壓安全電壓范圍上、下限分別為UdcLlim= 0.8p.u.、UdcHlim=1.2p.u.。

工況1：換流器t有功功率指令Psref=20kW（換流器t處于整流狀態(tài)，換流器r處于逆變狀態(tài)），t= 0.5s時(shí)刻換流器r側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障（B相），t=0.8s切除故障，仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 Psref=20kW時(shí)單相接地故障下Udc波形

圖8 故障期間換流器r端流過交流電抗器的 三相電流波形

無負(fù)序電壓前饋時(shí)，故障期間系統(tǒng)Udc波形、流過交流電抗器的三相電流波形分別如圖9～圖10所示。

圖9 Psref=20kW無負(fù)序電壓前饋時(shí) 單相接地故障下Udc波形

圖10 Psref=20kW無負(fù)序電壓前饋時(shí)故障期間 換流器r端流過交流電抗器的三相電流波形

對比圖6和圖9可看出，由于修正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)在電流內(nèi)環(huán)控制中，故障期間直流電壓Udc被較快地限制在880V以下，從而快速預(yù)防了直流過電壓的出現(xiàn)，且故障被清除后Udc迅速恢復(fù)正常運(yùn)行水平。從圖7可以看出，故障條件下?lián)Q流器t輸入直流側(cè)的有功功率Pin及換流器r從直流側(cè)汲取的有功功率Pout維持在12kW左右，使系統(tǒng)維持直流電壓在安全范圍內(nèi)的同時(shí)又能夠傳輸一定的有功功率。對比圖8和圖10可看出，由于負(fù)序電壓前饋環(huán)節(jié)的存在，故障期間三相電流波形得到了極大改善，同時(shí)也驗(yàn)證了在控制策略中加入負(fù)序電壓前饋的有效性。

圖7 Psref=20kW時(shí)單相接地故障下?lián)Q流器t 有功功率波形

工況2：換流器t有功功率指令Psref=-20kW（換流器t處于逆變狀態(tài)，換流器r處于整流狀態(tài)），t=2s時(shí)刻換流器r側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障 （B相），t=2.3s故障切除，仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 Psref=-20kW時(shí)單相接地故障下Udc波形

從圖11可以看出，故障期間直流側(cè)功率流動(dòng)不平衡，進(jìn)而直流電容放電導(dǎo)致電壓下降，但是由于修正控制環(huán)節(jié)的存在，電壓被控制在640V以上， 防止出現(xiàn)直流欠電壓；故障清除后Udc快速恢復(fù)正常工作值。從圖12可以看出，由于功率反向傳輸，功率值均為負(fù)值，故障期間換流器t輸入直流側(cè)的有功功率Pin及換流器r從直流側(cè)汲取的有功功率Pout保持在-16kW左右，在維持直流電壓穩(wěn)定的同時(shí)又能輸送一定的有功功率。從圖13可以看出，故障期間網(wǎng)側(cè)三相電流波形仍為正弦，減輕了故障對交流電網(wǎng)的影響?？梢娫摽刂撇呗栽谙到y(tǒng)功率反向傳輸時(shí)也能夠取得良好的控制效果。

圖12 Psref=-20kW時(shí)單相接地故障下?lián)Q流器t 有功功率波形

圖13 故障期間換流器r端流過交流電抗器的 三相電流波形

4 結(jié)論

本文提出了一種基于負(fù)序電壓前饋的適用于柔性直流輸電的改進(jìn)型有功功率控制策略，由相關(guān)分析及仿真效果可知，在電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障導(dǎo)致三相不對稱時(shí)，該策略能保證直流電壓被限制在一定的范圍內(nèi)，并且控制策略中加入負(fù)序電壓前饋環(huán)節(jié)，改善了故障期間流過交流電抗器的三相電流，可以為VSC-HVDC的實(shí)際工程化應(yīng)用提供參考。