適用于VSC-MTDC的改進(jìn)組合控制策略

張成龍，韓鈺倩

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司宿州市城郊供電公司，安徽 宿州 234000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市供用電形式的深度變革，高可靠性供電、高滲透率分布式能源友好接入對配電網(wǎng)控制運行提出了更高要求[1-3]。近年來，基于電壓源換流器（VSC）的VSC-MTDC技術(shù)得到快速發(fā)展，其基于共用直流母線的多個換流器將交流系統(tǒng)進(jìn)行AC-DC-AC解耦互聯(lián)，可實現(xiàn)任意饋線長期安全合環(huán)運行，大幅提高電網(wǎng)供電可靠性；風(fēng)電、光伏等大規(guī)?？稍偕茉从押貌⒕W(wǎng)，有效提高配網(wǎng)清潔能源消納能力；PQ四象限控制，可精確調(diào)控電網(wǎng)潮流分布，提高電網(wǎng)運行安全性和經(jīng)濟(jì)性[4-5]。

VSC-MTDC換流器數(shù)目較多，直流電壓控制較復(fù)雜，其主要的控制方式有主從控制、電壓裕度控制、下垂控制3種[6]。主從控制下系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定性較好且能精確控制換流器的輸出功率，但系統(tǒng)的功率僅由主站平衡，多個換流器之間須要通信，當(dāng)換流器出現(xiàn)故障時系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，其可靠性不高[7]。為提高系統(tǒng)供電可靠性，有學(xué)者提出了電壓裕度控制，通過設(shè)定電壓裕度值來實現(xiàn)不同控制模式的切換，且各換流器間不須要通信[8]。但以上兩種控制策略在同一時刻有且僅有一臺換流器承擔(dān)系統(tǒng)的功率平衡，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。而在下垂控制中多個換流器共同承擔(dān)系統(tǒng)的功率平衡，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性和穩(wěn)態(tài)特性較高，但對控制系統(tǒng)的模型精度要求較高且下垂系數(shù)固定，一般只用在結(jié)構(gòu)簡單以及功率波動大的系統(tǒng)中[9]。針對單一控制策略無法滿足配電網(wǎng)多端柔直系統(tǒng)在復(fù)雜多變工況下安全穩(wěn)定運行的問題，文獻(xiàn)[10]提出一種電壓組合控制策略，結(jié)合電壓裕度控制和下垂控制的優(yōu)點并相互彌補了各自的缺點，但定系數(shù)下垂控制在組合控制中存在模式切換過程中功率波動較大以及對模型精度要求較高的問題，不利于系統(tǒng)靈活經(jīng)濟(jì)運行。

基于此，本文提出一種改進(jìn)的組合控制策略。在電壓裕度控制中引入變系數(shù)下垂控制，并針對主換流器3種典型運行場景設(shè)計系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略；最后通過仿真驗證了所提控制策略和控制器的有效性。

1 VSC-MTDC數(shù)學(xué)模型

圖1為單端VSC-MTDC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 單端VSC-MTDC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為實現(xiàn)PQ獨立解耦控制，根據(jù)圖1可得換流站dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)方程：

式中：Usd、Urd、Usq、Urq、id、iq分別為換流站交流側(cè)電壓、電網(wǎng)側(cè)電壓、電網(wǎng)側(cè)電流的dq軸分量；ω為電網(wǎng)角頻率。

由于阻值R較小其損耗可忽略不計，換流站從交流側(cè)吸收的有功和無功功率為：

若取Us的矢量方向為d軸，則Usq=0，式（2）可表示為：

當(dāng)VSC-MTDC正常運行時，忽略換流站損耗，系統(tǒng)交流側(cè)和直流側(cè)功率保持平衡，系統(tǒng)的有功功率守恒方程式為：

式中：Udc為直流側(cè)母線電壓；C為直流側(cè)電容；n為系統(tǒng)中換流站個數(shù)。在VSC-MTDC穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)的直流電壓要維持恒定，即公式（4）等式左邊要等于0。

2 改進(jìn)的組合控制策略

2.1 傳統(tǒng)組合控制策略

目前已有許多學(xué)者研究柔直的協(xié)調(diào)控制策略，圖2是一種傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，其核心思想是將傳統(tǒng)下垂控制和電壓裕度控制進(jìn)行合理組合。

圖2 傳統(tǒng)組合控制下?lián)Q流站各端口工作特性

2.2 改進(jìn)組合控制策略

為更好地實現(xiàn)配電網(wǎng)多端柔直系統(tǒng)在復(fù)雜多變工況下安全穩(wěn)定運行，將變系數(shù)下垂控制與電壓裕度控制進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計一種改進(jìn)組合控制策略。所設(shè)計的控制策略換流站各端口的工作特性如圖3所示。根據(jù)主換流站所處的工作狀態(tài)不同，可以將VSC-MTDC的運行場景分為以下3種典型模式。

圖3 所提改進(jìn)組合控制下?lián)Q流站各端口的工作特性

輸出功率在主換流站允許范圍內(nèi)，沒有超出其輸出功率極限，從換流站1工作在定功率模式下，系統(tǒng)的直流電壓的穩(wěn)定由主換流站來維持。當(dāng)直流母線電壓波動超出正負(fù)0.01Udcref時，從換流站1自動的切換到變系數(shù)下垂控制模式下，由從換流站1補償系統(tǒng)部分功率缺額，緩解主換流站的調(diào)節(jié)壓力，使系統(tǒng)更快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

主換流站極限功率下運行，此時輸出功率達(dá)到主換流站額定值，直流母線電壓波動超過正負(fù)0.02Udcref時，主換流站迅速切換到定功率控制模式下，此時從換流站1切換到定直流電壓控制模式，從換流站2維持原來運行模式不變。

主換流站發(fā)生嚴(yán)重故障退出運行時，系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)有功功率嚴(yán)重不平衡，直流電壓波動超過正負(fù)0.03Udcref時，從換流站1進(jìn)入定功率控制模式，從換流站2按設(shè)定的裕度值將控制模式切換到變系數(shù)下垂控制模式下。當(dāng)主換流站故障消除重新投入運行時，系統(tǒng)恢復(fù)至初始穩(wěn)定運行狀態(tài)。

所提改進(jìn)組合控制策略在系統(tǒng)穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，能夠嚴(yán)格按照指令值運行，這是單一的下垂控制無法做到的。當(dāng)主站發(fā)生故障退出運行時，多個換流站能夠同時承擔(dān)系統(tǒng)功率缺額，使系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)運行，這是電壓裕度控制所不具有的能力。將改進(jìn)的下垂控制和電壓裕度控制進(jìn)行組合，能夠有效抑制系統(tǒng)在故障情況下直流母線電壓的波動，提高動態(tài)響應(yīng)性，這是傳統(tǒng)組合控制策略所不具有的優(yōu)勢。

3 仿真驗證及結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在Matlab/Simulink中搭建如圖4所示的配電網(wǎng)五端背靠背柔直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在仿真模型中，5個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同的VSC直流側(cè)端口通過直流公共母線互聯(lián)，構(gòu)成背靠背接線形式。為驗證本章所提新型協(xié)調(diào)控制策略的有效性和優(yōu)越性，將所提新型協(xié)調(diào)控制策略與電壓裕度控制、傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制在換流站發(fā)生故障退出運行場景中進(jìn)行仿真驗證和結(jié)果分析。

圖4 配電網(wǎng)五端背靠背柔直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

五端背靠背柔性直流系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 五端背靠背柔直系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.2 換流站發(fā)生故障退出運行

當(dāng)主換流站發(fā)生故障退出運行時，VSC2取代VSC1成為主換流站采用定直流電壓控制，VSC3、VSC4和VSC5根據(jù)實際情況從定有功功率控制切換到改進(jìn)下垂控制。設(shè)定初始狀態(tài)下VSC2的有功功率指令是-5 MW，VSC3、VSC4、VSC5的有功功率指令分別為2 MW、3.5 MW、2.5 MW。VSC1作為逆變站在0.45 s時發(fā)生故障并退出運行，經(jīng)過0.2 s后VSC1排除故障重新投入運行。將所提新型協(xié)調(diào)控制策略（下垂系數(shù)可變）與傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略（下垂系數(shù)固定）以及電壓裕度控制進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖5到12所示。

圖5為電壓裕度控制下各端口輸出功率仿真波形。由圖可知，在0.45 s主換流站VSC1輸出功率變?yōu)?，此時VSC2工作在定直流電壓控制模式，VSC3、VSC4和VSC5工作在定功率控制模式下，系統(tǒng)因VSC1發(fā)生故障退出運行產(chǎn)生的功率缺額全部由VSC2承擔(dān)，VSC2輸出功率波動幅度較大。從圖10可以得知，電壓裕度控制下的直流母線電壓最大波動幅度超過0.8 kV，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間為0.32 s。

圖5 電壓裕度控制下各端口輸出功率仿真波形

圖6為傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下各端口輸出功率。由圖可知，當(dāng)VSC1發(fā)生故障時，VSC2工作在定直流電壓控制模式，VSC3、VSC4和VSC5工作在傳統(tǒng)下垂控制模式下，VSC4和VSC5下垂系數(shù)相同，因此承擔(dān)的有功功率相同，各自承擔(dān)了0.5 MW功率，此時系統(tǒng)的功率缺額由4個換流站共同承擔(dān)，能夠縮短系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間，但工作在傳統(tǒng)下垂控制模式下的換流站在補償系統(tǒng)功率缺額時，輸出有功功率不平滑，功率波動幅度較大，對有功功率的控制精度不高。從圖10可以得知，在此控制模式下，母線電壓最大波動幅度在0.6 kV左右，直流母線電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間約為0.14 s。

圖6 傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下各端口輸出功率仿真波形

圖7為所提控制下各端口輸出功率，各端口輸出有功功率相比于傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制平滑，功率波動幅度更小，有功功率控制精度更高。從圖8和圖9可知，當(dāng)VSC1退出運行時，VSC4有功功率裕度大，主動承擔(dān)更多的有功，VSC3和VSC5的有功裕度小，下垂系數(shù)減小，承擔(dān)相應(yīng)較少的有功，避免過載現(xiàn)象的發(fā)生。系統(tǒng)的直流母線波動如圖10所示，由圖可知，在所提控制下系統(tǒng)直流母線電壓的波動幅度小于0.35 kV，直流母線電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間約為0.08 s。

圖7 所提控制下各端口輸出功率仿真波形

圖8 VSC3和VSC4輸出功率仿真波形

圖9 VSC1作為逆變站退出運行時下垂系數(shù)仿真波形

圖10 不同控制下直流母線電壓仿真波形

由以上分析可知，所提組合控制相比于傳統(tǒng)組合控制和電壓裕度控制，直流母線電壓波動幅度和響應(yīng)時間更小，對換流站輸出有功功率波動抑制效果更好，有功功率的控制精度更高，能夠更好地保證系統(tǒng)在發(fā)生嚴(yán)重故障時快速進(jìn)入到安全穩(wěn)定運行狀態(tài)。

VSC1作為整流站在0.45 s時發(fā)生故障退出運行，經(jīng)過0.2 s后VSC1排除故障重新投入運行，仿真結(jié)果如圖11和12所示。設(shè)定初始狀態(tài)下VSC2的有功功率指令是3 MW，VSC3、VSC4、VSC5的有功功率指令分別為-1 MW、-2 MW、2.5 MW。

圖11為所提控制下各端口輸出功率情況，各換流站工作情況和VSC1作為逆變站退出運行時情況基本相同，當(dāng)VSC1退出運行，系統(tǒng)發(fā)出的有功功率減少，直流母線電壓要降低，各換流站在補償系統(tǒng)功率缺額的過程中，輸出有功功率較平滑。圖12為不同控制方式下直流母線電壓波動情況，從中可以看出，在所提新型協(xié)調(diào)控制策略下，系統(tǒng)直流母線電壓波動幅度小于0.2 kV，波動幅度最小，電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間約為0.01 s，響應(yīng)速度最快。

圖11 所提控制下各端口輸出功率仿真波形

圖12 不同控制下直流母線電壓仿真波形

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)VSC-MTDC控制策略存在的輸出功率和直流母線電壓波動較大以及動態(tài)響應(yīng)速度慢等問題，提出一種改進(jìn)的組合控制策略，能夠使直流母線電壓波動幅度和響應(yīng)時間更小，對換流站輸出有功功率波動抑制效果更好，有功功率的控制精度更高，能夠更好地保證系統(tǒng)在發(fā)生嚴(yán)重故障時快速進(jìn)入到安全穩(wěn)定運行狀態(tài)。