馬秀達(dá)，盧 宇，田 杰，汪楠楠

（南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇省南京市 211102）

0 引言

隨著“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)的提出以及低碳能源戰(zhàn)略的實施,中國將加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),非同步電力電子設(shè)備大量并網(wǎng),新能源跨區(qū)傳輸規(guī)模逐步提升,“雙高”電力系統(tǒng)將面臨弱系統(tǒng)接入、慣量低以及電壓支撐弱等系統(tǒng)問題［1-2］。

柔性直流輸電（以下簡稱“柔直”）是采用全控型電力電子器件的電壓源換流器型高壓直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC）,相比于常規(guī)直流,柔直能夠靈活調(diào)控有功和無功,可靈活接入有源和無源系統(tǒng),為大規(guī)模新能源送出和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)提供了新的解決方案［3］。傳統(tǒng)的柔直聯(lián)網(wǎng)控制采用基于鎖相環(huán)（phase locked loop,PLL）的矢量控制,通過采樣并網(wǎng)電壓相位進(jìn)行坐標(biāo)變換,控制輸出電流實現(xiàn)有功和無功控制,表現(xiàn)為電流源特性,控制框架可歸類為跟網(wǎng)型（grid following,GFW）控制。隨著電網(wǎng)中同步機比例逐漸下降,電網(wǎng)強度降低,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)極弱工況時,PLL 難以準(zhǔn)確跟隨電網(wǎng)電壓,容易出現(xiàn)小干擾失穩(wěn)問題［4-5］。

為解決新能源領(lǐng)域的弱系統(tǒng)接入以及系統(tǒng)支撐問題,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者提出了變流器構(gòu)網(wǎng)型（grid forming,GFM）控制概念,并對控制策略、穩(wěn)定分析以及多機并聯(lián)等問題開展了廣泛研究［6-9］。構(gòu)網(wǎng)型控制的具體實現(xiàn)策略雖有不同,但本質(zhì)基本一致,英國并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范對構(gòu)網(wǎng)型控制定義為:1）表現(xiàn)為電壓源特性；2）可實現(xiàn)電網(wǎng)頻率和電壓支撐；3）能夠維持弱系統(tǒng)穩(wěn)定運行；4）具有故障時快速電流注入能力［10］。構(gòu)網(wǎng)型控制需求已寫入歐洲相關(guān)國家技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)［10-13］,并在微電網(wǎng)、風(fēng)電和儲能中得到工程應(yīng)用。2020 年投運的英國69 MW Dersalloch風(fēng)電場采用構(gòu)網(wǎng)型控制,可實現(xiàn)孤島運行以及頻率和電壓調(diào)節(jié)［14］；2017 年投運 的澳大利亞150 MW/193.5 MW·h Hornsdale 儲能是當(dāng)時世界上最大容量儲能系統(tǒng),基于構(gòu)網(wǎng)型控制為南澳大利亞電網(wǎng)穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要作用［15］；中國2016 年在張北風(fēng)光儲工程應(yīng)用了虛擬同步機控制技術(shù),支撐了系統(tǒng)的慣量和調(diào)頻需求［16］。

構(gòu)網(wǎng)型控制在柔直領(lǐng)域的研究主要集中在控制策略和穩(wěn)定分析方面。其中,文獻(xiàn)［17］實現(xiàn)了模擬同步機的柔直控制,可實現(xiàn)慣量和頻率調(diào)節(jié),同時對各個控制參數(shù)影響特性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［18］從穩(wěn)態(tài)、小干擾穩(wěn)定及暫態(tài)穩(wěn)定3 個角度分析了采用功率同步控制的柔直與交流系統(tǒng)交換功率的影響因素,并對強弱系統(tǒng)下控制適應(yīng)性進(jìn)行了穩(wěn)定分析,得到了強系統(tǒng)下不適于采用功率同步控制的結(jié)論；文獻(xiàn)［19］針對海上風(fēng)電送出場景,對采用構(gòu)網(wǎng)型控制的多端柔直控制策略和短路特性進(jìn)行了分析。在工程應(yīng)用方面,德國規(guī)劃建設(shè)的海上風(fēng)電柔直工程BorWin6 以及陸上柔直工程SuedLink DC4 的招標(biāo)文件中已明確提出了對構(gòu)網(wǎng)技術(shù)的需求；納米比亞和贊比亞互聯(lián)的Caprivi 柔直工程采用構(gòu)網(wǎng)型控制,以滿足弱系統(tǒng)接入和慣量支撐能力［20-21］；中國于2022 年4 月在渝鄂工程（南通道）首次實現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)型控制主網(wǎng)架應(yīng)用,以解決局部電網(wǎng)檢修期間發(fā)生N-2 故障時的弱系統(tǒng)穩(wěn)定運行問題。

柔直構(gòu)網(wǎng)型控制在理論研究和實際工程應(yīng)用中依然面臨著并網(wǎng)性能評價、寬頻穩(wěn)定性和暫態(tài)故障穿越等技術(shù)難點,同時,一次設(shè)備過流能力和能量來源也是限制其能力的制約因素。因此,充分發(fā)揮構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)優(yōu)勢、靈活應(yīng)對各類技術(shù)問題,是推動柔直在新型電力系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。本文對構(gòu)網(wǎng)型控制的應(yīng)用場景和技術(shù)框架進(jìn)行了介紹,分析了構(gòu)網(wǎng)型控制應(yīng)用于柔直領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)與問題,探討了若干技術(shù)方向。

1 技術(shù)需求

隨著新能源基地的大規(guī)模開發(fā),新能源接入電網(wǎng)雖然會配備一定比例的同步機組,但依然面臨以下挑戰(zhàn):

1）運行于弱系統(tǒng)概率增大。系統(tǒng)強弱一般由短路比（short circuit ratio,SCR）來定量分析,新能源大規(guī)模接入地區(qū)一般處于電網(wǎng)末端,電網(wǎng)較薄弱,當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)檢修、故障或同步機停機時,系統(tǒng)短路容量將降低。通常認(rèn)為,當(dāng)柔直接入電網(wǎng)的短路比低于2.0或常規(guī)直流接入電網(wǎng)短路比低于3.0 時,即定義為弱系統(tǒng),系統(tǒng)存在運行不穩(wěn)定的風(fēng)險［22］。渝鄂工程北通道在出現(xiàn)N-2 或檢修N-1 工況時,最低短路比低于1.0,柔直無法穩(wěn)定運行,其通過穩(wěn)控裝置進(jìn)行弱系統(tǒng)判別并閉鎖柔直［23］。

2）電網(wǎng)缺少慣量。慣量表示頻率瞬變時的有功支撐能力,若電力電子裝置滲透率過高,系統(tǒng)發(fā)生頻率變化時,各裝置會因保護(hù)設(shè)備安全退出惡化電網(wǎng)頻率特性。2019 年8 月5 日的英國大停電事故因電網(wǎng)慣量不足引起,事發(fā)時風(fēng)機滲透率達(dá)34.71%,電網(wǎng)因發(fā)電機組跳閘導(dǎo)致頻率下降后,風(fēng)機脫網(wǎng)進(jìn)一步惡化電網(wǎng)特性,使頻率下降至48.9 Hz,最終導(dǎo)致部分負(fù)荷切除［24］。

3）缺少電壓支撐。電壓穩(wěn)定表示系統(tǒng)受到擾動后,系統(tǒng)電壓能保持或恢復(fù)到容許的范圍內(nèi),不發(fā)生電壓崩潰的能力。對于受端電網(wǎng),主要是由于多直流饋入替代傳統(tǒng)同步機源導(dǎo)致的“空心化”問題,使得電壓跌落后恢復(fù)能力降低,易造成功角失穩(wěn)問題［25］；對于送端電網(wǎng),主要是由于跨區(qū)送出通道中斷后導(dǎo)致較高的系統(tǒng)暫態(tài)過電壓,新能源無功的不可控輸出會進(jìn)一步推高機端電壓,甚至出現(xiàn)機組過電壓脫網(wǎng)［26］。

上述問題將極大影響新能源接入,相關(guān)研究或工程應(yīng)用中給出的解決方案總體可分為以下三大類,如圖1 所示。

圖1 大規(guī)模新能源接入解決方案Fig.1 Solutions for large-scale integration of renewable energy

1）增加電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備。增加調(diào)相機、無功補償或儲能等設(shè)備,以替代原有同步電機部分功能。如調(diào)相機可提高系統(tǒng)短路容量、實現(xiàn)無功支撐,以解決電網(wǎng)電壓支撐問題,在特高壓直流輸電系統(tǒng)接入的交流電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用［27］。該方案主要通過增加額外設(shè)備滿足電網(wǎng)需求,投資較大。

2）發(fā)揮新能源支撐電網(wǎng)能力。作為能源并網(wǎng)接口,并網(wǎng)變流器可通過靈活控制塑造電網(wǎng)特性,如采用虛擬同步機控制、下垂控制和無功補償?shù)龋?8］。為發(fā)揮暫態(tài)擾動期間的有功支撐能力,新能源并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行點需低于額定功率或配備相關(guān)儲能設(shè)施,經(jīng)濟性差。同時,多并網(wǎng)單元協(xié)調(diào)難度大,參數(shù)設(shè)置不合理將惡化電網(wǎng)運行特性。

3）柔直換流器實現(xiàn)電網(wǎng)支撐。柔直一端采用直流電壓控制提供能量支撐,另一端采用構(gòu)網(wǎng)型控制接入電網(wǎng),模擬四象限運行同步機,提供有功功率和無功功率支撐,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

對于大容量跨區(qū)傳輸換流站,采用基于構(gòu)網(wǎng)型控制的柔直技術(shù),適應(yīng)于強、弱和無源系統(tǒng)多場景,在實現(xiàn)功率傳輸?shù)耐瑫r,基于電壓源控制特性,發(fā)揮慣量/電壓支撐。

2 技術(shù)框架

學(xué)術(shù)界對于實現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)型控制的具體策略尚無統(tǒng)一定論,相關(guān)研究中將構(gòu)網(wǎng)型控制總體分為基于PLL 控 制 和 無PLL 控 制 兩 大 類［29-30］。其 中,基 于PLL 的構(gòu)網(wǎng)型控制通過增加有功和無功控制參考值附加量來模擬慣量和阻尼環(huán)節(jié),表現(xiàn)為“受控電流源”特性,在強電網(wǎng)下穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定,但在弱系統(tǒng)下容易引起小干擾失穩(wěn)/振蕩［31］。本文只討論無PLL的構(gòu)網(wǎng)型控制策略,其在強弱電網(wǎng)下運行更為靈活,且具備孤島運行能力。

構(gòu)網(wǎng)柔直換流器對外特性可等效為電壓源,如圖2（a）所示。圖中:θ為電壓源相位,基于不同的同步方式自產(chǎn)；Eref為電壓源內(nèi)電勢幅值,通過無功/電壓控制決定；Zv為構(gòu)網(wǎng)柔直換流器等效阻抗,該參數(shù)可通過控制器的虛擬阻抗環(huán)節(jié)設(shè)置；Zg為電網(wǎng)等效電阻；Usabc和Isabc分別為輸出電壓和電流；Us,d和Us,q分別為輸出電壓在dq坐標(biāo)系下的d軸和q軸電壓；Is,d和Is,q分別為輸出電流在dq坐標(biāo)系下的d軸和q軸電流；Is,d,ref和Is,q,ref分別為Is,d和Is,q的參考值；Uc,d,ref和Uc,q,ref分別為在dq坐標(biāo)系下d軸和q軸控制電壓的參考值；Uref為電壓參考值；Usrms為并網(wǎng)母線電壓有效值；Qref為無功功率參考值；Qs為無功功率；kQ為電壓/無功下垂控制系數(shù)；E0為空載電動勢。構(gòu)網(wǎng)型控制的整體控制結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示,基于輸入的電壓源相位和內(nèi)電勢幅值,經(jīng)交流電壓控制和內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)得到最終參考波。其中,電壓源相位和內(nèi)電勢幅值獲取方式分別如圖2（c）和圖2（d）所示。根據(jù)相位自產(chǎn)的不同同步方式,構(gòu)網(wǎng)型控制可分為以下3 類。

圖2 構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)框架Fig.2 Technology framework of grid-forming control

1）下垂控制［32］。下垂控制是最簡單的構(gòu)網(wǎng)型控制策略之一,其相位自產(chǎn)方式基于有功功率-頻率下垂特性。該策略具備調(diào)頻能力,但不具備慣量支撐能力。同時,該策略響應(yīng)速度快,易引起系統(tǒng)頻率振蕩,其可應(yīng)用于有調(diào)頻需求或存在多換流單元并聯(lián)的電網(wǎng)場景。下垂控制數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

式中:ωref和Pref分別為頻率和有功參考值；ω為控制虛擬轉(zhuǎn)速；Ps為輸出電磁功率；kf為有功功率-頻率下垂系數(shù)。

2）虛擬同步機控制［33-34］。虛擬同步機控制相位自產(chǎn)方式基于發(fā)電機機電暫態(tài)方程。該策略模擬發(fā)電機的運行特性,可為系統(tǒng)提供慣量和阻尼環(huán)節(jié),適用于弱電網(wǎng)接入和大規(guī)模新能源接入等應(yīng)用場景。但在引入慣量環(huán)節(jié)的同時,也會引入傳統(tǒng)同步電機的低頻振蕩問題。虛擬同步機控制數(shù)學(xué)模型如式（2）所示。

式中:Pm為發(fā)電機機械功率,控制中Pref與其等效；TJ為慣性時間常數(shù)；D為阻尼系數(shù)；ω為發(fā)電機轉(zhuǎn)速,控制中表示虛擬轉(zhuǎn)速。

3）直流電壓同步控制［35］。與下垂控制和功率同步控制不同,直流電壓同步控制基于直流電壓實現(xiàn)構(gòu)網(wǎng),因此其主要應(yīng)用于定直流電壓控制的換流站（如受端換流站）。該控制策略可實現(xiàn)與功率同步控制相同的特性,但其控制參數(shù)匹配難度大。直流電壓同步控制數(shù)學(xué)模型如式（3）所示。

式中:Vdc和Vdcref分別為直流電壓實際值和參考值；kT為阻尼系數(shù)；kJ為慣量系數(shù)；kD為直流電壓跟蹤系數(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 并網(wǎng)性能評價

目前,電網(wǎng)對傳統(tǒng)矢量控制的柔直并網(wǎng)運行要求,可總結(jié)為“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”三點:“穩(wěn)”是指在穩(wěn)態(tài)時不發(fā)生各種失穩(wěn)和振蕩問題,電網(wǎng)故障時能夠可靠實現(xiàn)穿越；“準(zhǔn)”是指穩(wěn)態(tài)運行時功率偏差控制在1%以內(nèi),以滿足電網(wǎng)運行方式調(diào)度安排和電力市場交易需求；“快”是指階躍響應(yīng)時間控制在100 ms 左右,以保證柔直快速響應(yīng)穩(wěn)控指令。

以往的柔直性能要求標(biāo)準(zhǔn)主要建立在柔直傳輸功率需求上,尚無柔直支撐電網(wǎng)性能評價要求,可從慣量支撐能力和電壓支撐能力兩方面考慮。

1）慣量支撐能力。參考同步電機可提供的慣量支撐能力,如式（4）所示［36］。

式中:SB為發(fā)電機額定容量；fn為電網(wǎng)額定頻率；df/dt為頻率變化率。由式（4）可知,慣量支撐能力主要體現(xiàn)的是短時有功支撐能力,有助于緩解電網(wǎng)頻率驟變,為電網(wǎng)長周期（秒級以上）調(diào)頻贏得時間,可基于式（4）對構(gòu)網(wǎng)型控制柔直給出慣量要求。

發(fā)電機的慣量時間常數(shù)TJ是其固有屬性,一般為5～10 s,是影響其慣量支撐能力的主要因素。與發(fā)電機不同,柔直構(gòu)網(wǎng)型控制參數(shù)TJ可根據(jù)系統(tǒng)需求整定。需注意的是,構(gòu)網(wǎng)型控制無法獲取電網(wǎng)頻率,計算得到的虛擬頻率遲于實際電網(wǎng)頻率。因此,電磁功率響應(yīng)滯后于同慣量參數(shù)的發(fā)電機響應(yīng)。

慣量時間常數(shù)TJ的選取可通過理論計算或仿真分析得出。文獻(xiàn)［37］提出了如式（5）所示的電網(wǎng)慣量計算公式。其中,Esg為同步單元動能,SB,sg為電網(wǎng)中所有同步單元總?cè)萘?SB,new為電網(wǎng)中所有新能源總?cè)萘?Hsys為電網(wǎng)慣量,Hsys>4 s 表示系統(tǒng)慣量充足。一方面,若將構(gòu)網(wǎng)型柔直作為系統(tǒng)中可提供慣量支撐的同步單元,則慣量時間常數(shù)TJ可按照該式進(jìn)行理論推算,但各參數(shù)的準(zhǔn)確獲取難度較大；另一方面,可通過大規(guī)模機電或電磁仿真驗證TJ設(shè)置的合理性,可考慮相角階躍、頻率突變和系統(tǒng)強弱切換等試驗項目［11］。目前的實際工程主要基于仿真計算得出合理參數(shù),一般為秒級。

柔直換流器的慣量支撐能力來源于對側(cè)換流器,對于某些對側(cè)換流器不具備能量提供條件（如新能源接入）的場景,相關(guān)文獻(xiàn)提出了基于子模塊電容儲存能量以實現(xiàn)慣量支撐［38-39］,但其慣量支撐能力較弱。為徹底解決對側(cè)換流器能量不足的問題,需要對一次系統(tǒng)拓?fù)渖壱员苊馍鲜鰣鼍啊?/p>

2）電壓支撐能力。電網(wǎng)故障時電網(wǎng)電壓下降,若向電網(wǎng)內(nèi)注入電流,可抬高系統(tǒng)電壓,實現(xiàn)電壓穩(wěn)定支撐。構(gòu)網(wǎng)型控制表現(xiàn)為電壓源特性,電網(wǎng)故障時內(nèi)電勢不變,輸出電流可瞬時增大,電源注入電網(wǎng)較大電流有助于系統(tǒng)電壓恢復(fù)。

電網(wǎng)中對于故障期間的電流注入需求應(yīng)由大電網(wǎng)仿真計算和成套設(shè)計校核得出,需要考慮電壓穩(wěn)定支撐、設(shè)備一次耐受和斷路器開斷容量等因素。

英國并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范提出構(gòu)網(wǎng)型控制換流器需在5 ms 內(nèi)注入電流以支撐電壓,并給出了故障期間注入電流大小范圍與故障持續(xù)時間要求的曲線［10］,如附錄A 圖A1 所示。其中,綠色區(qū)域滿足要求,故障初期柔直可注入較小電流,隨著故障時間增長,注入電流應(yīng)增大至其額定值。

不同應(yīng)用場景下對故障期間柔直的有功和無功需求不一致,如大容量跨區(qū)功率傳輸需優(yōu)先滿足有功需求,弱電網(wǎng)接入需優(yōu)先滿足無功支撐。因此,應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)需求對故障期間注入電網(wǎng)的電流有功和無功特性實現(xiàn)分配。

柔直采用構(gòu)網(wǎng)型控制能發(fā)揮慣量和電壓支撐能力的前提,除了控制器設(shè)計的持續(xù)優(yōu)化,還需要考慮一次設(shè)備性能。其中,設(shè)備過流能力和能量來源是最重要的兩個因素,兩者都需要額外經(jīng)濟成本以提升性能。因此,應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟成本和技術(shù)需求給出構(gòu)網(wǎng)型柔直的合理并網(wǎng)性能指標(biāo)。

3.2 寬頻諧振穩(wěn)定

寬頻諧振穩(wěn)定問題是分析電網(wǎng)在某個運行點的線性化系統(tǒng),屬于小信號分析范疇［40］。電網(wǎng)中的電源或負(fù)荷在一定的頻段內(nèi)可能存在負(fù)電阻效應(yīng),若電網(wǎng)中正電阻無法消除該負(fù)阻,對應(yīng)頻次的小擾動將會無限放大,導(dǎo)致寬頻諧振穩(wěn)定性問題［41］。

寬頻諧振穩(wěn)定性分析方法大體可分為電磁暫態(tài)仿真、基于時域的狀態(tài)空間分析法和頻域穩(wěn)定分析幾大類［42］。其中,基于頻域的阻抗分析是應(yīng)用較為廣泛的方法,通過分析換流器與電網(wǎng)之間的相頻和幅頻特性關(guān)系,可揭示系統(tǒng)振蕩機理,給出影響因素的靈敏度［43-44］。

3.2.1 高頻諧振

對于采用雙閉環(huán)的傳統(tǒng)矢量控制,由于控制鏈路延時的影響,換流器的輸出阻抗特性在高頻段表現(xiàn)為負(fù)阻尼特性,導(dǎo)致其接入電網(wǎng)后可能存在高頻振蕩。在中國舟山［45］、魯西［46］、廈門、渝鄂［47］、張北［1］和如東柔直工程現(xiàn)場調(diào)試和試運行過程中均出現(xiàn)了不同頻段的高頻振蕩,后采取各種措施實現(xiàn)了高頻振蕩抑制。高頻振蕩的主導(dǎo)環(huán)節(jié)為內(nèi)環(huán)電流控制。目前,大部分構(gòu)網(wǎng)型控制依然保留了內(nèi)環(huán)電流控制,高頻段的阻抗特性與傳統(tǒng)矢量控制區(qū)別不大,依然有發(fā)生高頻振蕩的風(fēng)險。特別是對于柔直帶空載線路或新能源接入等場景,高頻段系統(tǒng)阻尼較低,高頻振蕩問題更易發(fā)生。

為抑制高頻振蕩,可參考傳統(tǒng)矢量控制解決方案,包括如下幾種解決方案。

1）控制器增加阻尼環(huán)節(jié)。通過附加低通濾波［41］、陷波器［48］和虛擬電阻［49］等方法來增加內(nèi)環(huán)電流控制器相關(guān)頻段的阻尼,該方案在中國渝鄂工程和如東柔直工程中實現(xiàn)了應(yīng)用。其無需額外硬件成本,但只能實現(xiàn)在某一控制延時和振蕩頻段下的阻尼,難以可靠實現(xiàn)全工況、全頻段高頻抑制。

2）一次系統(tǒng)引入無源阻尼。為補償控制器負(fù)電阻,在柔直換流器交流側(cè)加入類似于電阻-電感-電容（RLC）電路的無源阻尼電路,使柔直換流器輸出阻抗在高頻段呈現(xiàn)正阻尼特性［50］,該方案在中國白鶴灘-江蘇工程受端實現(xiàn)了應(yīng)用。其阻尼效果可靠,但增加了系統(tǒng)成本,而且會額外產(chǎn)生系統(tǒng)功率損耗。

3）穩(wěn)態(tài)直接電壓控制。如圖3 所示,穩(wěn)態(tài)運行時采用直接電壓控制,由內(nèi)電勢和相位直接生成參考波,一定程度上消除了控制和電網(wǎng)特性之間的耦合,可降低高頻負(fù)阻影響［51］；檢測到電網(wǎng)故障后,投入內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)以實現(xiàn)電流限幅。該方案可應(yīng)用于含高滲透率電力電子裝置的柔直接入場景,其難點主要在于故障精準(zhǔn)判斷和兩種控制的平滑切換。根據(jù)工程仿真結(jié)果,故障發(fā)生后需要在3 ms 內(nèi)實現(xiàn)故障檢測并可靠切換至電流控制。然而,過于靈敏的切換判據(jù)易因電網(wǎng)正常波動引起開閉環(huán)頻繁切換,可考慮將故障判據(jù)（如負(fù)序電壓、負(fù)序電流和正序電壓等）與過流判據(jù)相結(jié)合的方法實現(xiàn)故障檢測。

圖3 構(gòu)網(wǎng)型直接電壓控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid-forming direct voltage control

3.2.2 低頻諧振

傳統(tǒng)的同步電機在次同步頻段因負(fù)阻效應(yīng)會發(fā)生低頻振蕩,構(gòu)網(wǎng)型控制在模擬同步電機慣量和阻尼特性的同時,也會引入傳統(tǒng)同步電機的低頻振蕩問題［29］。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilizer,PSS）是廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)電機輔助調(diào)節(jié)器,通過對勵磁調(diào)節(jié)器提供輔助控制信號,使發(fā)電機產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子電角速度偏差同相位的電磁轉(zhuǎn)矩分量,抑制低頻振蕩并增加系統(tǒng)阻尼［52］。構(gòu)網(wǎng)型控制的有功控制環(huán)節(jié)可增加輔助環(huán)節(jié)以實現(xiàn)低頻振蕩抑制,如附錄A 圖A2 所示,難點在于控制系數(shù)的合理配置。

3.3 暫態(tài)穩(wěn)定

虛擬功角理論可用于分析柔直并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性,虛擬功角是指PLL/同步自產(chǎn)的角度與電網(wǎng)電壓角度之差,其決定了換流器同步過程的動態(tài)特性,但受限于換流器設(shè)備的過流能力,在暫態(tài)大干擾下柔直換流器需要進(jìn)行電流限幅,可能使換流器的電壓源特性切換為電流源特性,使得換流器的同步穩(wěn)定特性更為復(fù)雜［30］。

3.3.1 故障限流算法

構(gòu)網(wǎng)型控制的柔直換流器故障限流算法總體可分為以下2 類:

1）電流直接限幅［53］。電流直接限幅方式總體分為兩大類:一是過流時依然采用構(gòu)網(wǎng)型控制,需要對電流參考值進(jìn)行限幅,內(nèi)環(huán)控制器實現(xiàn)電流指令準(zhǔn)確跟蹤,也被稱為電流飽和控制；二是過流時切換為傳統(tǒng)的基于PLL 的矢量控制,通過對電流精確控制實現(xiàn)限流。電流直接限幅的方法速度快、精度高,限幅期間柔直電壓源特性轉(zhuǎn)為電流源特性。

2）間接限幅［54-55］。間接限幅通過控制增大內(nèi)部虛擬阻抗實現(xiàn)限流,其本質(zhì)上可等效為增大換流器與故障點之間的電氣距離。在限流處理時,虛擬阻抗可平滑增大,故障期間外部特性表現(xiàn)為電壓源串聯(lián)可調(diào)阻抗的特性。

3.3.2 暫態(tài)功角失穩(wěn)

構(gòu)網(wǎng)型控制在大干擾進(jìn)入限流模式后,當(dāng)采用直接電流限制模式時,會使換流器的電壓源特性切換為電流源特性,其運行特性如圖4（a）所示,功角曲線由L1變化為L2,穩(wěn)定裕度大幅減?。?6］。圖中:Pref為運行指令值；Pmax為換流器額定容量。

圖4 構(gòu)網(wǎng)型控制虛擬功角曲線Fig.4 Virtual power angle curves of grid-forming control

構(gòu)網(wǎng)型控制穩(wěn)定運行于點a,電網(wǎng)故障時運行點a切換到曲線L3的點b,Pref與電磁功率產(chǎn)生加速面積S1,虛擬功角沿曲線L3持續(xù)增大；點c故障切除,運行點切換至曲線L2的點d,然后進(jìn)入減速區(qū)域,由于構(gòu)網(wǎng)型控制動能依然大于0,虛擬功角繼續(xù)沿曲線L2增大,若運動到點e前可減速到0,則功角可以回退到點d直至限流模式取消并最終回歸到點a；若運動到點e無法減速到0,則系統(tǒng)將失穩(wěn)。

由上述分析可知,構(gòu)網(wǎng)型控制暫態(tài)穩(wěn)定特性受限于限流算法,特性較為復(fù)雜。為了提高構(gòu)網(wǎng)型控制暫態(tài)穩(wěn)定特性,可考慮如下解決措施:

1） 降低有功參考值。參考發(fā)電機減小機械功率措施,故障期間降低有功參考值,如圖4（b）所示,可同時實現(xiàn)減小加速面積和增大減速面積的目的。

2） 增大電磁功率輸出。參考發(fā)電機強行勵磁措施,故障時通過電壓控制提高內(nèi)電勢,從而使電磁功率曲線L2上移,一定程度上可減小加速面積。

4 問題與挑戰(zhàn)

4.1 控制參數(shù)設(shè)計

4.1.1 系統(tǒng)支撐需求與傳統(tǒng)性能的矛盾

系統(tǒng)支撐需求是指電網(wǎng)在發(fā)生大小擾動時,柔直能夠提供電網(wǎng)支撐的能力；傳統(tǒng)性能評價主要指對直流“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的要求。構(gòu)網(wǎng)型控制主要并網(wǎng)參數(shù)包括慣量時間常數(shù)TJ、阻尼系數(shù)D和調(diào)壓系數(shù)kpv等,其決定了并網(wǎng)特性,各參數(shù)對系統(tǒng)需求和柔直性能的影響如表1 所示。

表1 構(gòu)網(wǎng)型控制參數(shù)影響分析Table 1 Parameter influence analysis of grid-forming control

一方面,TJ是慣量支撐能力的體現(xiàn),發(fā)電機中該參數(shù)的取值范圍約為6～8 s,如式（4）所示,TJ越大越有利于系統(tǒng)頻率變化時的慣量支撐能力；另一方面,TJ是控制器有功差值的積分時間常數(shù),TJ越大有功階躍響應(yīng)越慢,越不利于柔直快速執(zhí)行系統(tǒng)指令。

D表示對系統(tǒng)頻率變化的阻尼,滿足式（6）,發(fā)電機中該參數(shù)很小,可忽略不計,但構(gòu)網(wǎng)型控制中由于小干擾穩(wěn)定和孤島切換的需求,需要設(shè)置較大值。一方面,D越大調(diào)頻能力越強,且在孤島運行時控制得到的頻率偏差越小；另一方面,電網(wǎng)頻率實時波動,基于“分區(qū)分級”的調(diào)頻需求,并沒有柔直長期大幅參與調(diào)頻的需求,而D越大穩(wěn)態(tài)功率波動越大,不利于電網(wǎng)開展調(diào)度方式安排和電力市場交易。

式中:Δf為電網(wǎng)頻率偏離額定頻率的值。

kpv表示電壓控制比例-積分（PI）環(huán)節(jié)的比例系數(shù),對于電壓控制起到主導(dǎo)作用,其體現(xiàn)了電網(wǎng)電壓偏離參考值時柔直的調(diào)節(jié)能力。kpv越大表示調(diào)壓能力越強,越有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定；而kpv設(shè)置過大將導(dǎo)致電壓跌落后,內(nèi)電勢增大較快,輸出電流過大,難以實現(xiàn)故障穿越。

4.1.2 強弱系統(tǒng)對穩(wěn)定需求的矛盾

合理的控制參數(shù)應(yīng)保證在各種強度系統(tǒng)下的穩(wěn)定要求,根據(jù)文獻(xiàn)［18］的研究結(jié)論,隨著電網(wǎng)強度增大,構(gòu)網(wǎng)型控制小信號模型的系統(tǒng)極點將逐漸右移,直至出現(xiàn)在右半平面造成小信號不穩(wěn)定,且主導(dǎo)極點具有較大虛部,系統(tǒng)阻尼比小。解決該問題關(guān)鍵是提高控制器的阻尼,可通過增大控制器的虛擬阻抗將強系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為虛擬弱系統(tǒng)［57］,但虛擬阻抗若設(shè)置較大,可能使得功率極限小于額定功率,導(dǎo)致功率傳輸受限。

為解決不同工況對參數(shù)需求的差異,相關(guān)研究提出了附加控制或參數(shù)自適應(yīng)方法［58］,難點在于對工況的準(zhǔn)確快速識別以及參數(shù)的合理匹配。

4.2 一次設(shè)備能力

與同步電機可承受短時6～7 倍過流能力不同,電力電子設(shè)備過流能力較差。目前,中國柔直工程長期過負(fù)荷能力一般不超過1.1 p.u.,難以發(fā)揮故障時的支撐能力,其中,絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）是限制柔直工程過負(fù)荷能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一方面,設(shè)計具有更大長期通流能力的設(shè)備是解決上述問題的根本方案,可通過提高IGBT 芯片電流密度或增多芯片并聯(lián)個數(shù)實現(xiàn)IGBT 核心器件的更大通流能力,但需要平衡技術(shù)需求與經(jīng)濟性之間的關(guān)系［59］。另一方面,可發(fā)掘現(xiàn)有設(shè)備短時過流能力以實現(xiàn)短時慣量和電壓支撐,大電流導(dǎo)致的溫升和瞬時關(guān)斷尖峰電壓是決定IGBT 過流能力的核心要素。

IGBT 瞬態(tài)熱阻曲線可反映其短時溫升過程。某4.5 kV/3 000 A IGBT 瞬態(tài)熱阻曲線如附錄A 圖A3 所示,在輸出電流增大約1 s 后IGBT 溫度達(dá)到穩(wěn)定值,利用該1 s 內(nèi)的溫升過程可實現(xiàn)故障期間短時大電流輸出。

關(guān)斷尖峰電壓是指子模塊上下2 個開關(guān)器件交替開通和關(guān)斷過程中在雜感上產(chǎn)生的電壓,其滿足式（7）。

式中:Uc為電容穩(wěn)態(tài)運行電壓；Ls為子模塊雜感；di/dt為開關(guān)器件交替開通關(guān)斷過程中的電流變化率；Umax為產(chǎn)生的最大關(guān)斷電壓,其高于IGBT 反向關(guān)斷額定電壓時將導(dǎo)致?lián)舸?。因?在考慮故障期間的短時電網(wǎng)支撐能力時應(yīng)考慮瞬時電壓和電流對電力電子器件的影響。

4.3 能量來源

構(gòu)網(wǎng)型控制換流器實現(xiàn)電網(wǎng)有功支撐需求的能量來源于兩方面:對于毫秒級的能量主要來源于儲存在兩端換流器電容內(nèi)的能量；對于長期的能量支撐,則需從對側(cè)獲取,而對側(cè)在某些系統(tǒng)條件下無法提供能量支撐,因此需額外設(shè)計能量回路。

1）在直流電壓控制站接入的交流電網(wǎng)布置調(diào)頻調(diào)峰設(shè)備,如儲能裝置。構(gòu)網(wǎng)型控制換流器有功功率波動傳導(dǎo)至對側(cè)后,調(diào)頻調(diào)峰設(shè)備平抑該功率波動。該方案依然會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響,且具有一定延時。

2）在直流側(cè)布置儲能。通過有源模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）方案［60］或?qū)δ苤睊煊谥绷鱾?cè),如圖5 所示。構(gòu)網(wǎng)型控制換流器對電網(wǎng)有功支撐的能量來源于直流側(cè),不會對另外一側(cè)的交流電網(wǎng)產(chǎn)生影響。兩側(cè)換流器可實現(xiàn)直流電壓控制與構(gòu)網(wǎng)型控制的切換,以滿足兩側(cè)電網(wǎng)需求。該方案實現(xiàn)的技術(shù)難點主要是高壓絕緣、電池荷電狀態(tài)均衡和水冷聯(lián)合設(shè)計等技術(shù)問題,同時應(yīng)考慮消防和經(jīng)濟性問題。

圖5 直流儲能方案Fig.5 DC energy storage schemes

5 結(jié)語

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)需要靈活的輸電技術(shù)作為支撐,采用構(gòu)網(wǎng)型控制的柔直技術(shù)可在跨區(qū)大容量功率傳輸?shù)耐瑫r,實現(xiàn)系統(tǒng)支撐。本文概述了柔直構(gòu)網(wǎng)型控制的關(guān)鍵技術(shù)和問題,具體結(jié)論如下:

1）相較于傳統(tǒng)柔直矢量控制,構(gòu)網(wǎng)型控制底層控制邏輯發(fā)生較大變化,可為電網(wǎng)提供慣量和電壓支撐,需要結(jié)合設(shè)備能力以及電網(wǎng)穩(wěn)定需求提出并網(wǎng)性能要求。

2）構(gòu)網(wǎng)型控制的并網(wǎng)特性與電網(wǎng)耦合關(guān)系較大,控制器穩(wěn)定需求與系統(tǒng)性能要求存在一定矛盾。為同時滿足兩者要求,不僅需要基于理論分析和仿真驗證對控制參數(shù)持續(xù)優(yōu)化,還應(yīng)探索魯棒性更強、響應(yīng)更優(yōu)的新型控制策略。

3）寬頻振蕩問題是影響柔直實際工程應(yīng)用的一大難題,傳統(tǒng)的阻尼控制對于改善相應(yīng)頻段的阻抗特性具有較優(yōu)效果,但無法實現(xiàn)全頻段振蕩抑制。穩(wěn)態(tài)直接電壓控制和暫態(tài)電流抑制結(jié)合的新型策略可以有效解決全頻段穩(wěn)定性問題。

4）一次設(shè)備性能的提升需要大量的成本投入,綜合考量經(jīng)濟性和技術(shù)需求,應(yīng)挖掘現(xiàn)有設(shè)備短時過流能力和能量支撐能力,從而使構(gòu)網(wǎng)型控制在目前技術(shù)條件下發(fā)揮出更大技術(shù)優(yōu)勢。

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