LCC/VSC混聯(lián)系統(tǒng)多區(qū)域間慣性支撐協(xié)調(diào)控制策略與仿真

雷霄，夏勇軍，楊尚瑾，王薇薇，陳堃，李新年

(1．中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京市100192；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，武漢市 430077)

0 引 言

近年來(lái)，高壓直流輸電(high voltage direct current，HVDC)技術(shù)在我國(guó)得到了大規(guī)模推廣，其兩大技術(shù)路線(xiàn)——基于電流源換流器的高壓直流(line commutation converter - HVDC，LCC-HVDC)[1]和基于電壓源換流器的柔性直流(voltage source converter- HVDC，VSC-HVDC)均獲得了廣泛的工程應(yīng)用[2-3]。LCC/VSC直流混聯(lián)(不同類(lèi)型直流共享公共交流母線(xiàn)或電氣距離較近的交流母線(xiàn))這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在國(guó)網(wǎng)范圍內(nèi)首次出現(xiàn)在落地于湖北的渝鄂背靠背聯(lián)網(wǎng)工程中[4-5]。該結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)不僅是我國(guó)大力發(fā)展高壓直流輸電技術(shù)的必然結(jié)果，而且在我國(guó)能源資源與負(fù)荷需求逆向分布的大背景下存在更多發(fā)展空間[6]。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)也使得其近區(qū)原有的交直流電網(wǎng)純LCC直流動(dòng)態(tài)功率協(xié)調(diào)控制方面[7]出現(xiàn)了新的研究需求：混聯(lián)系統(tǒng)中VSC、LCC、交流電源之間的相互影響和配合控制仍存在深入研究的空間；VSC和LCC接續(xù)式傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)中，對(duì)于如何利用VSC和LCC的靈活可控性和系統(tǒng)內(nèi)能量傳導(dǎo)特性?xún)?yōu)化近區(qū)交直流電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，目前的策略仍局限于只考慮單回VSC、只單獨(dú)考慮送端或者受端系統(tǒng)[8-9]，未進(jìn)行統(tǒng)籌考慮以發(fā)揮混合直流靈活可控特性對(duì)維持多區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的巨大優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于VSC進(jìn)行附加控制的研究，文獻(xiàn)[10]提出采用柔性直流有功無(wú)功解耦控制回路附加阻尼控制的方法平抑?jǐn)_動(dòng)后機(jī)組持續(xù)緩慢衰減的功率振蕩問(wèn)題，但沒(méi)有綜合考慮對(duì)柔直送端系統(tǒng)的影響以及常規(guī)LCC直流可以發(fā)揮的作用；文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了柔性直流附加控制策略及參數(shù)，同樣未考慮對(duì)柔直送端系統(tǒng)的影響及充分利用常規(guī)LCC直流的協(xié)調(diào)控制；文獻(xiàn)[12]提出了柔直受端系統(tǒng)網(wǎng)架補(bǔ)強(qiáng)方案，并未考慮充分利用柔直和常規(guī)直流的快速可調(diào)節(jié)特性來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。綜上，現(xiàn)有的研究并未能充分考慮并利用VSC和LCC接續(xù)式傳遞的混聯(lián)電網(wǎng)特有的優(yōu)勢(shì)，以改善其連接的多個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性。

針對(duì)LCC/VSC直流混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要統(tǒng)籌考慮柔性直流、近區(qū)常規(guī)直流及交流電網(wǎng)。本文研究LCC/VSC直流混聯(lián)系統(tǒng)所連接的3個(gè)區(qū)域交流電網(wǎng)以及2回不同類(lèi)型直流之間的能量平衡特性，充分考慮VSC和LCC直流功率快速可調(diào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)涉及交直流混聯(lián)系統(tǒng)的慣性支撐協(xié)調(diào)控制整體策略。其核心是LCC/VSC功率/頻率協(xié)調(diào)控制，利用直流系統(tǒng)滿(mǎn)足故障后慣性支撐、阻尼振蕩、輔助一次調(diào)頻以及減少切機(jī)等控制需求，實(shí)現(xiàn)故障后近區(qū)交直流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)功率協(xié)調(diào)控制。

1 LCC/VSC混聯(lián)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概況

本文以渝鄂VSC背靠背工程北通道送受端近區(qū)電網(wǎng)為研究目標(biāo)，建立了包含背靠背VSC直流輸電系統(tǒng)、LCC超高壓直流輸電系統(tǒng)、VSC送端電網(wǎng)、VSC受端電網(wǎng)(即LCC送端電網(wǎng))的直流混聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于研究VSC、LCC以及近區(qū)交流系統(tǒng)之間的相互影響，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，VSC受端換流變壓器與LCC送端換流變壓器接入LQ站同一個(gè)500 kV交流母線(xiàn)；VSC換流站包含2個(gè)單元，額定輸送功率2×1 250 MW，VSC送端電網(wǎng)等值到四級(jí)斷面；VSC送端通過(guò)2回交流線(xiàn)路接入系統(tǒng)1的500 kV JP站；電廠(chǎng)4的機(jī)組(總功率5 600 MW)通過(guò)3回500 kV線(xiàn)路接入LQ站；LQ站通過(guò)3回交流線(xiàn)路連接到DL站，VSC受端電網(wǎng)同樣等值到四級(jí)斷面。該系統(tǒng)方式下LQ站總計(jì)功率饋入8 100 MW，通過(guò)LCC直流外送3 000 MW至交流系統(tǒng)3，其余經(jīng)LQ-DL三回500 kV交流線(xiàn)路送出至交流電網(wǎng)2。VSC接入其交流系統(tǒng)1位置的短路電流為8 kA，LCC接入其交流系統(tǒng)2位置的短路電流為12.4 kA，LCC接入其交流系統(tǒng)3位置的短路電流為51 kA。

圖1 LCC/VSC混聯(lián)系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of LCC/VSC hybrid infeed power system

三區(qū)域交直流混聯(lián)系統(tǒng)等值模型如圖2所示[13]。

圖2 混聯(lián)系統(tǒng)等值模型Fig.2 Equivalent model of hybrid infeed power system

圖2中：E1∠δ1、E2∠δ2、E3∠δ3為等值機(jī)內(nèi)電勢(shì)和轉(zhuǎn)子角，U1∠δ1、U2∠δ2、U3∠δ3為母線(xiàn)電壓幅值及相角，x1、x2、x3為等值線(xiàn)路電抗，PS1、PS2、PS3為等值機(jī)機(jī)械功率，PL1、PL2、PL3為負(fù)荷功率，PVSC、PLCC為區(qū)域1、2之間VSC輸送功率和區(qū)域2、3之間LCC輸送功率。混聯(lián)系統(tǒng)的能量平衡如式(1)所示。

(1)

根據(jù)圖2和式(1)分析LCC/VSC混聯(lián)系統(tǒng)的能量傳導(dǎo)特性。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)由于故障引起頻率振蕩/波動(dòng)或者有功不平衡時(shí)，利用VSC和LCC進(jìn)行功率/頻率調(diào)制或者功率緊急提升/回降，調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的故障后慣性過(guò)程、優(yōu)化能量平衡關(guān)系以及提供阻尼作用，使系統(tǒng)更快恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[14-15]；根據(jù)直流連接的3個(gè)交流系統(tǒng)短路容量對(duì)比，交流系統(tǒng)3相對(duì)最強(qiáng)，因此在故障控制過(guò)程中LCC直流可以考慮承擔(dān)更多的功率平衡任務(wù)；功率平衡策略中對(duì)交流電網(wǎng)1和交流電網(wǎng)2饋入直流功率變化量的分配按照接入點(diǎn)短路容量的比例進(jìn)行在線(xiàn)計(jì)算；VSC和LCC由于其特殊的聯(lián)接方式，可以形成接續(xù)式傳遞，將交流系統(tǒng)1的能量平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)更強(qiáng)的交流系統(tǒng)3進(jìn)行緩解。

1.2 系統(tǒng)故障類(lèi)型與風(fēng)險(xiǎn)

本文針對(duì)混聯(lián)系統(tǒng)，考慮以下幾種典型故障類(lèi)型：

1)交流系統(tǒng)1發(fā)生N-1/N-2故障：薄弱斷面N-1或者N-2故障，引起系統(tǒng)1功角/頻率失穩(wěn)。

2)交流系統(tǒng)2發(fā)生N-1/N-2故障：薄弱斷面N-1或者N-2故障，引起系統(tǒng)2功角/頻率失穩(wěn)。

3)送端/受端系統(tǒng)跳機(jī)故障：跳機(jī)故障后網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)有功功率不平衡、電壓支撐能力下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致功角/頻率失穩(wěn)。

4)LCC直流換相失?。簱Q相失敗期間LCC直流有功缺失，對(duì)交流系統(tǒng)2造成沖擊引起系統(tǒng)短時(shí)振蕩。

5)LCC直流閉鎖：?jiǎn)螛O或雙極閉鎖后系統(tǒng)2有功功率大幅不平衡，需切機(jī)或VSC進(jìn)行緊急功率支援。

2 慣性支撐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)功能

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)LCC/VSC混聯(lián)系統(tǒng)可能存在的故障后失穩(wěn)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了涉及交流系統(tǒng)1、交流系統(tǒng)2、VSC以及LCC系統(tǒng)的慣性支撐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)協(xié)控系統(tǒng))，整體框架如圖3所示。

圖3 慣性支撐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體框架Fig.3 Overall framework of coordinated control system for inertial support

協(xié)控系統(tǒng)接收交流系統(tǒng)1薄弱斷面CS-WX雙回線(xiàn)路開(kāi)關(guān)信號(hào)和有功功率模擬量信號(hào)，判斷交流線(xiàn)路發(fā)生N-1或者N-2故障，并計(jì)算潮流變化量；接收交流系統(tǒng)1 VSC近區(qū)電廠(chǎng)1、2、3的發(fā)電機(jī)組故障跳機(jī)信號(hào)以及機(jī)組出力模擬量信號(hào)；送出切機(jī)信號(hào)給系統(tǒng)1發(fā)電機(jī)組。

協(xié)控系統(tǒng)接收交流系統(tǒng)2薄弱斷面LQ-DL的3回線(xiàn)路開(kāi)關(guān)信號(hào)和有功功率模擬量信號(hào)，判斷交流線(xiàn)路發(fā)生N-1或者N-2故障，并計(jì)算潮流變化量；接收交流系統(tǒng)2 VSC近區(qū)電廠(chǎng)4發(fā)電機(jī)組故障跳機(jī)信號(hào)以及機(jī)組出力模擬量信號(hào)；送出切機(jī)信號(hào)給系統(tǒng)2電廠(chǎng)4。

協(xié)控系統(tǒng)接收VSC換流站2個(gè)換流單元的控制模式信號(hào)(包含頻率調(diào)制模式投入、功率緊急支援模式投入、單單元/雙單元控制)以及有功功率定值、可調(diào)節(jié)量，送出控制指令信號(hào)(頻率調(diào)制模式指令、功率緊急支援模式指令)以及功率指令。

協(xié)控系統(tǒng)接收LCC換流站的控制模式信號(hào)(同樣包含頻率調(diào)制模式投入、功率緊急支援模式投入、單極/雙極功率控制以及換相失敗、極非正常停運(yùn)等故障信號(hào))以及有功功率定值、可調(diào)節(jié)量，送出控制指令信號(hào)(同樣包含頻率調(diào)制模式指令、功率緊急支援模式)以及功率指令。

其中最為核心的LCC和VSC的慣性支撐協(xié)調(diào)控制邏輯如圖4所示，包括了頻率控制器(綠色虛線(xiàn)框)、協(xié)同功率調(diào)制控制器(橙色虛線(xiàn)框)和緊急功率支撐控制器(功率緊急提升/回降功能，藍(lán)色虛線(xiàn)框)。

目前直流工程中廣泛應(yīng)用的頻率控制器為比例式或者比例積分式。本文參考了呼遼直流孤島狀態(tài)的頻率控制器，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了適應(yīng)性地重新整定。圖4中上虛線(xiàn)框?yàn)長(zhǎng)CC部分的控制器，下虛線(xiàn)框?yàn)閂SC部分的控制器。

圖4中：Fref為頻率參考值；FAC為接入系統(tǒng)的頻率，根據(jù)換流站母線(xiàn)電壓計(jì)算得出，下標(biāo)_V和_L分別表示VSC和LCC；T1和T2為慣性常數(shù)，按工程慣例取值0.1 s；T3為積分時(shí)間常數(shù)；K1為比例系數(shù)；K2為反饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù)；Hd和Ld分別為死區(qū)上、下限值，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中一般設(shè)定為網(wǎng)內(nèi)主力機(jī)組一次調(diào)頻先動(dòng)作，直流如果投入頻率控制功能也僅作為輔助頻率控制，本研究考慮充分利用直流系統(tǒng)快速可調(diào)能力進(jìn)行慣性支撐和阻尼支撐，參考其他在運(yùn)直流工程整定參數(shù)，Hd和Ld分別取為0.05 Hz和-0.05 Hz；取K2?1，K2=0.000 2，T3=0.001 s，其積分部分是放大倍數(shù)較大的慣性環(huán)節(jié)，構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)給定穩(wěn)態(tài)無(wú)差較小，近似于無(wú)差調(diào)節(jié)；Pfmod_VSC和Pfmod_LCC分別是VSC和LCC頻率控制器輸出的頻率調(diào)制功率量；Pref_VSC和Pref_LCC分別是VSC和LCC的原功率指令值；Pref_LCC_final和Pref_VSC_final分別為L(zhǎng)CC和VSC直流最終功率指令值；KLCC和KVSC為協(xié)同功率調(diào)制的比例系數(shù)，本研究中按全部調(diào)制考慮取1。頻率控制器的比例系數(shù)K1與直流接入系統(tǒng)強(qiáng)度、直流額定運(yùn)行功率等因素相關(guān)。K1的物理意義為引起系統(tǒng)頻率變化1 Hz的直流輸送有功功率變化量，與直流接入點(diǎn)的短路比成正比，短路比越大，說(shuō)明系統(tǒng)越強(qiáng)，頻率變化所需的直流功率變化量越大；對(duì)于本文VSC接入系統(tǒng)的仿真計(jì)算得出1 Hz頻率變化所需直流功率變化量為2 000 MW左右，故取K1=2 000；LCC接入系統(tǒng)的仿真計(jì)算得出1 Hz頻率變化所需直流功率變化量為3 000 MW左右，故取K1=3 000。

圖4 慣性支撐協(xié)調(diào)控制邏輯Fig.4 Control logic of active power/frequency coordination

計(jì)算原理如下：對(duì)于VSC部分，頻率控制器中，當(dāng)FAC_V與Fref_V的差值經(jīng)過(guò)一階慣性環(huán)節(jié)之后的偏差高于死區(qū)上限Hd_V或低于下限Ld_V時(shí)，偏差值減去死區(qū)限值后再經(jīng)過(guò)一階慣性環(huán)節(jié)與帶反饋的比例積分環(huán)節(jié)，得到VSC的頻率調(diào)制功率量Pfmod_VSC；Pact_LCC為L(zhǎng)CC直流的實(shí)際運(yùn)行功率測(cè)量值，協(xié)同功率使能信號(hào)為1時(shí)，Pact_LCC經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)KVSC和限幅環(huán)節(jié)，得到Ppmod_VSC；Pfmod_VSC、Ppmod_VSC、緊急提升/回降量PSCC_VSC與原功率指令Pref_VSC疊加得到最終VSC的功率指令值Pref_VSC_final。

對(duì)于LCC部分，同樣通過(guò)頻率控制器計(jì)算得到頻率調(diào)制功率量Pfmod_LCC；VSC的頻率調(diào)制功率量Pfmod_VSC送入?yún)f(xié)調(diào)控制中LCC的協(xié)同功率調(diào)制控制器，協(xié)同功率調(diào)制信號(hào)為1時(shí)，經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)KLCC以及限幅環(huán)節(jié)，得到Ppmod_LCC；Pfmod_LCC、Ppmod_LCC、緊急提升/回降量PSCC_LCC疊加至LCC原功率指令Pref_LCC，得到最終LCC的功率指令值Pref_LCC_final。

根據(jù)本文交直流混聯(lián)系統(tǒng)控制需求以及1.2節(jié)的故障類(lèi)型分析，圖4中VSC頻率控制器使能條件設(shè)定為交流系統(tǒng)1發(fā)生對(duì)應(yīng)交流線(xiàn)路的N-1/N-2故障，由死區(qū)上下限控制其輸出值，LCC頻率控制器使能條件設(shè)定為L(zhǎng)CC發(fā)生換相失敗后延時(shí)啟動(dòng)；LCC協(xié)同功率調(diào)制使能的條件設(shè)定為交流系統(tǒng)1發(fā)生對(duì)應(yīng)交流線(xiàn)路的N-1/N-2故障，VSC協(xié)同功率調(diào)制使能的條件設(shè)定為L(zhǎng)CC發(fā)生換相失敗后延時(shí)啟動(dòng)；緊急功率支撐控制的功率變化量PSCC是根據(jù)相關(guān)故障后交直流系統(tǒng)功率變化計(jì)算得到的，具體計(jì)算邏輯見(jiàn)2.3節(jié)。

2.2 慣性支撐協(xié)調(diào)控制分析

不考慮相關(guān)網(wǎng)損因素，故障過(guò)程中系統(tǒng)1和系統(tǒng)2頻率平衡方程如式(2)所示。

(2)

式中：ΔPS1和ΔPS2為系統(tǒng)的等值機(jī)機(jī)械功率變化量，下標(biāo)1和2分別表示系統(tǒng)1和系統(tǒng)2；ΔPL1和ΔPL2為負(fù)荷功率變化量，ΔPL1=KL1Δf1，ΔPL2=KL2Δf2，KL1和KL2為負(fù)荷頻率特性；Δf1和Δf2為系統(tǒng)頻率變化量；ΔPVSC為VSC功率變化量；ΔPLCC為L(zhǎng)CC功率變化量。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如下[16]：

(3)

式中：Δω為角速度變化量；Tj為發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；D為阻尼系數(shù)；ΔPm為原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率變化量，受發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的作用，ΔPm也為Δf的函數(shù)，Δf為系統(tǒng)頻率變化量；ΔPe為電磁功率變化量。

以交流系統(tǒng)1發(fā)生N-2故障為例，協(xié)控系統(tǒng)策略為L(zhǎng)CC協(xié)同功率調(diào)制使能，VSC協(xié)同功率調(diào)制不使能，圖4中VSC比例積分帶反饋的直流頻率控制器表示為傳遞函數(shù)，如式(4)所示。

(4)

則直流功率變化如式(5)所示：

(5)

綜合式(2)、(3)、(5)，可得：

(6)

當(dāng)交流系統(tǒng)1發(fā)生N-2故障時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率曲線(xiàn)接近0，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在過(guò)剩轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)下不斷加速；故障清除后發(fā)電機(jī)輸出功率運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生改變，但由于轉(zhuǎn)子速度已大于同步轉(zhuǎn)速，雖然轉(zhuǎn)子已經(jīng)開(kāi)始減速，但相對(duì)角度依然處于增大的過(guò)程。轉(zhuǎn)子持續(xù)處于減速過(guò)程會(huì)到達(dá)機(jī)械功率Pm和電磁功率Pe平衡點(diǎn)，但同步轉(zhuǎn)速依然高于轉(zhuǎn)子速度，相對(duì)角度繼續(xù)減??；當(dāng)機(jī)械功率又大于電磁功率后轉(zhuǎn)子又進(jìn)入加速狀態(tài)，開(kāi)始第二次振蕩過(guò)程；若沒(méi)有能量損耗則會(huì)出現(xiàn)往復(fù)振蕩。本文利用直流慣性支撐協(xié)調(diào)控制策略計(jì)算得出的ΔPVSC和ΔPLCC，增大直流系統(tǒng)的正阻尼作用，為系統(tǒng)提供足夠的減速面積，改善交直流混聯(lián)系統(tǒng)的慣性支撐和阻尼支撐。

2.3 動(dòng)作時(shí)序

圖4中的慣性支撐協(xié)控系統(tǒng)相當(dāng)于整個(gè)交直流混聯(lián)系統(tǒng)的大腦和中樞，通過(guò)采集系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)狀態(tài)量，確定故障類(lèi)型，然后執(zhí)行LCC/VSC的慣性支撐協(xié)調(diào)控制、緊急功率支援(功率快速提升/回降)、切機(jī)等指令。

針對(duì)1.2節(jié)所涉及的典型故障類(lèi)型，考慮直流進(jìn)行慣性支撐和輔助一次調(diào)頻，設(shè)計(jì)協(xié)控系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)序如下：

1)交流系統(tǒng)1發(fā)生N-1/N-2故障：斷面CS-WX發(fā)生N-2故障，系統(tǒng)1存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；協(xié)控系統(tǒng)接收雙回線(xiàn)開(kāi)關(guān)分位信號(hào)同時(shí)判定線(xiàn)路有功功率變?yōu)?，認(rèn)為出現(xiàn)N-2故障，向VSC發(fā)送指令啟動(dòng)頻率控制模式，VSC根據(jù)頻率偏差計(jì)算得到Pfmod_VSC進(jìn)行頻率調(diào)制，為交流系統(tǒng)1提供足夠阻尼抑制振蕩；同時(shí)協(xié)控系統(tǒng)向LCC發(fā)送指令以使能LCC協(xié)同功率調(diào)制功能，以及根據(jù)VSC頻率調(diào)制計(jì)算得到的功率調(diào)制量，進(jìn)行協(xié)同功率調(diào)制，將能量波動(dòng)傳導(dǎo)至相對(duì)最強(qiáng)的交流系統(tǒng)3；此控制過(guò)程仿真算例見(jiàn)本文3.2節(jié)。

2)交流系統(tǒng)2發(fā)生N-1/N-2故障：斷面LQ-DL發(fā)生N-2故障，系統(tǒng)2存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，控制邏輯如下：

(1)協(xié)控系統(tǒng)接收雙回線(xiàn)開(kāi)關(guān)分位信號(hào)，同時(shí)根據(jù)故障前線(xiàn)路有功功率，計(jì)算并查表得到需要切除的電廠(chǎng)4機(jī)組出力值Plost。

(2)根據(jù)VSC接入交流系統(tǒng)1的強(qiáng)度和需求，設(shè)定VSC進(jìn)行緊急功率回降的上限值為額定功率的10%即250 MW；設(shè)定故障后柔直理論需要回降的功率量為PVSC_comp=0.125×Plost，若PVSC_comp<250 MW，且PVSC_comp

(3)協(xié)控系統(tǒng)同時(shí)向LCC發(fā)快速提升有功功率量PSCC_LCC，兩回直流的功率緊急支援量根據(jù)其接入的交流系統(tǒng)短路容量按比例進(jìn)行分配，本文所述方式下PSCC_LCC=1.5×PSCC_VSC(若協(xié)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)收到的LCC可提升功率量PLCC_limit

(4)協(xié)控系統(tǒng)根據(jù)VSC和LCC可提升/回降功率量，計(jì)算得到電廠(chǎng)4切機(jī)量Pgen=Plost-PSCC_VSC-PSCC_LCC，發(fā)送到電廠(chǎng)4執(zhí)行選擇切機(jī)。

3)交流系統(tǒng)1或2發(fā)生跳機(jī)故障：系統(tǒng)1發(fā)生跳機(jī)故障，協(xié)控系統(tǒng)接收電廠(chǎng)跳機(jī)信號(hào)和機(jī)組出力損失量Plost，向VSC發(fā)快速回降有功功率量PSCC_VSC=Plost，同時(shí)向LCC發(fā)快速回降有功功率量PSCC_LCC=PSCC_VSC；系統(tǒng)2發(fā)生跳機(jī)故障，協(xié)控系統(tǒng)收電廠(chǎng)跳機(jī)信號(hào)和機(jī)組出力損失量，并發(fā)LCC快速回降有功功率量+VSC快速提升有功功率量，功率分配比例同上述第2)點(diǎn)，這里不再贅述。

4)LCC直流換相失?。篖CC單次換相失敗將造成交流系統(tǒng)2出現(xiàn)200～300 ms的短時(shí)有功缺額，協(xié)控系統(tǒng)收換相失敗信號(hào)后執(zhí)行LCC功率快速提升，向VSC發(fā)送指令以使能VSC協(xié)同功率調(diào)制功能，并延時(shí)啟動(dòng)LCC/VSC頻率調(diào)制，抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)；本部分相對(duì)復(fù)雜，將在后續(xù)論文中展開(kāi)闡述。

5)LCC直流單極閉鎖：?jiǎn)螛O閉鎖后，協(xié)控系統(tǒng)接收LCC的故障閉鎖信號(hào)，判定功率損失量PLCC_lost，根據(jù)2回直流接入點(diǎn)的交流系統(tǒng)短路容量，按系統(tǒng)強(qiáng)度配比在線(xiàn)計(jì)算得到VSC直流快速回降功率量PSCC_VSC=0.4×PLCC_lost，同時(shí)交流系統(tǒng)2執(zhí)行切機(jī)Pgen2=0.6×PLCC_lost，交流系統(tǒng)1切機(jī)量按欠切考慮；通過(guò)以上控制邏輯，使系統(tǒng)恢復(fù)至新的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，具體仿真案例見(jiàn)本文3.2節(jié)。

3 仿真分析

3.1 仿真建模

對(duì)本文所述系統(tǒng)，在機(jī)電暫態(tài)等值電網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用PSCAD/EMTDC建立交流系統(tǒng)1和交流系統(tǒng)2等值電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)與機(jī)電暫態(tài)模型完全一致。其中，發(fā)電機(jī)模型配置調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)和電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器；LCC直流輸電系統(tǒng)為典型±500 kV接線(xiàn)方式，額定輸送功率為3 000 MW，控制保護(hù)系統(tǒng)采用與實(shí)際直流控制保護(hù)系統(tǒng)基本一致的仿真模型[17]。VSC直流的控制采用傳統(tǒng)的功率/電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，其中電流內(nèi)環(huán)控制器采用dq解耦控制，外環(huán)控制器采用定直流電壓控制、定有功和定無(wú)功控制[18-20]。交流系統(tǒng)3采用無(wú)窮大電源+等值阻抗方式進(jìn)行建模。

3.2 故障分析與控制策略驗(yàn)證

本文所涉及的混聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略在1.2節(jié)所述5種故障型式下均有相應(yīng)邏輯執(zhí)行動(dòng)作。本節(jié)以其中2種故障情況進(jìn)行分析和仿真驗(yàn)證。

1)交流系統(tǒng)1斷面CS-WX發(fā)生N-2故障。

CS-WX發(fā)生N-2故障后，利用目前直流通用的頻率控制器+回降VSC功率+配合切除交流系統(tǒng)1相應(yīng)機(jī)組才能夠使交流系統(tǒng)1恢復(fù)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，但是會(huì)影響到交流系統(tǒng)2的功率平衡。根據(jù)前面分析的功率特性曲線(xiàn)以及圖4的整體控制策略，考慮利用VSC進(jìn)行頻率調(diào)制來(lái)為系統(tǒng)提供足夠的慣性支撐和輔助一次調(diào)頻，使系統(tǒng)恢復(fù)到原穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，避免VSC回降造成交流系統(tǒng)2的功率不平衡；由于VSC頻率調(diào)制過(guò)程中功率持續(xù)波動(dòng)和變化，考慮混聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和特性，同時(shí)對(duì)LCC進(jìn)行協(xié)同功率調(diào)制，避免交流系統(tǒng)2的功率波動(dòng)，實(shí)際上是將交流系統(tǒng)1的穩(wěn)定問(wèn)題由VSC和LCC的接續(xù)式傳導(dǎo)，轉(zhuǎn)為由短路容量更大的交流系統(tǒng)3來(lái)承擔(dān)。

采用慣性支撐協(xié)調(diào)控制策略前后的仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5(a)為交流系統(tǒng)1頻率對(duì)比，其中虛線(xiàn)為故障后VSC采用工程現(xiàn)有控制策略的曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為VSC應(yīng)用本文提出的慣性支撐控制策略后的曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，VSC在合適的參數(shù)配置下進(jìn)行頻率調(diào)制后，為系統(tǒng)提供了慣性支撐，降低了系統(tǒng)故障后第一次上擺幅值，且明顯抑制了后續(xù)振蕩過(guò)程，避免系統(tǒng)失穩(wěn)，系統(tǒng)能夠恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，且穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)未發(fā)生改變。

圖5(b)為交流系統(tǒng)2頻率對(duì)比，其中虛線(xiàn)為L(zhǎng)CC不進(jìn)行功率調(diào)制，實(shí)線(xiàn)為L(zhǎng)CC進(jìn)行協(xié)同功率調(diào)制。由圖可見(jiàn)，LCC跟隨VSC進(jìn)行頻率調(diào)制后，系統(tǒng)2頻率第1次和第3次下擺、第1次上擺大幅減小，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的頻率更快恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5(c)中紅色曲線(xiàn)為L(zhǎng)CC單極有功功率，藍(lán)色曲線(xiàn)為VSC單單元有功功率。由圖可見(jiàn)在VSC進(jìn)行頻率調(diào)制的過(guò)程中，在協(xié)調(diào)控制邏輯的作用下，LCC跟隨VSC進(jìn)行協(xié)同功率調(diào)制，功率變化趨勢(shì)一致。

圖5 慣性支撐協(xié)調(diào)控制策略仿真波形Fig.5 Waveform of coordinated control strategy for inertia support

2)LCC發(fā)生單極閉鎖故障。

不考慮過(guò)負(fù)荷能力的情況下，LCC發(fā)生單極閉鎖后將損失一半的有功功率1 500 MW，根據(jù)圖4整體控制邏輯及2.3節(jié)所述策略，執(zhí)行以下動(dòng)作時(shí)序(均以單極閉鎖為0時(shí)刻)：

LCC發(fā)生單極閉鎖故障—50 ms VSC執(zhí)行功率回降600 MW—100 ms執(zhí)行交流系統(tǒng)1切除200 MW發(fā)電機(jī)—100 ms執(zhí)行交流系統(tǒng)2切除900 MW發(fā)電機(jī)。執(zhí)行本策略的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6給出了是否執(zhí)行協(xié)控策略的交流系統(tǒng)2頻率對(duì)比，其中虛線(xiàn)為不執(zhí)行協(xié)控策略的曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為執(zhí)行協(xié)控策略的曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，在發(fā)生LCC單極閉鎖故障后，如不執(zhí)行協(xié)調(diào)控制策略，系統(tǒng)頻率最大波動(dòng)至50.4 Hz且穩(wěn)定在新的高周運(yùn)行點(diǎn)；對(duì)混聯(lián)系統(tǒng)執(zhí)行協(xié)調(diào)控制，能夠大大減小系統(tǒng)頻率波動(dòng)且很快恢復(fù)至額定頻率運(yùn)行。

圖6 LCC單極閉鎖后系統(tǒng)頻率仿真波形Fig.6 Frequency Waveform of LCC monopole block

本文中提及的其余故障類(lèi)型均設(shè)置相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，以改善故障后整個(gè)混聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性，由于篇幅原因，在此不再贅述。

4 結(jié) 論

LCC/VSC混聯(lián)系統(tǒng)包含2回不同類(lèi)型的直流，連接3個(gè)交流系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)的交/直流故障，應(yīng)充分發(fā)揮VSC和LCC快速可調(diào)的特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

本文考慮利用多類(lèi)型直流對(duì)整個(gè)混聯(lián)系統(tǒng)提供慣性支撐和輔助一次調(diào)頻，設(shè)計(jì)了涵蓋VSC和LCC直流、交流線(xiàn)路、發(fā)電機(jī)組的多區(qū)域間慣性支撐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；核心在于提出了直流頻率控制策略和多類(lèi)型直流之間協(xié)同功率調(diào)制控制策略，整定了與系統(tǒng)短路容量、直流輸送功率水平相匹配的適應(yīng)性參數(shù)；通過(guò)集成開(kāi)關(guān)狀態(tài)采集、直流功率指令下發(fā)以及切機(jī)指令下發(fā)等功能，最終實(shí)現(xiàn)了VSC、LCC和交流系統(tǒng)間的慣性支撐協(xié)調(diào)控制。

通過(guò)仿真研究系統(tǒng)內(nèi)可能引起失穩(wěn)的幾種典型交/直流故障，在所提出策略的作用下系統(tǒng)能更快恢復(fù)至新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證了本文提出的策略對(duì)改善系統(tǒng)故障后動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性的作用。

下一步將根據(jù)VSC潮流方向的變化，擴(kuò)展協(xié)調(diào)控制功能，以進(jìn)一步適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行需求和多種應(yīng)用場(chǎng)景。