李從善, 張曉偉, 和萍, 武小鵬, 趙琛

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院, 鄭州 450053)

隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整,大容量電力電子器件在電網(wǎng)中的滲透率逐步提高,在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)4個(gè)領(lǐng)域都呈現(xiàn)出電力電子化趨勢(shì)。在輸電系統(tǒng)方面,基于電壓源換流器的多端柔性直流輸電系統(tǒng)(voltage source converter based multi-terminal high voltage direct current, VSC-MTDC)是未來(lái)遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,逐漸成為新能源并網(wǎng)的最佳選擇[1-3]。

目前,應(yīng)用于VSC-MTDC系統(tǒng)的站間控制策略大致分為3種:主從控制、裕度控制和直流電壓下垂控制[4-6]。其中下垂控制利用多個(gè)換流站的功率調(diào)節(jié)能力,實(shí)現(xiàn)不平衡功率的快速分配,直流電壓響應(yīng)特性較好,但是存在直流電壓偏差較大的問(wèn)題。

針對(duì)換流站采用下垂控制消納不平衡功率時(shí)固有的直流電壓偏差問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,目前主要分為以下3種控制方法。

第一種方法是通過(guò)改進(jìn)下垂系數(shù),實(shí)現(xiàn)不平衡功率的合理分配,減小直流電壓的偏差。文獻(xiàn)[7-10]通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù),有效減小了直流電壓的偏差。然而,換流站實(shí)際有功功率傳輸值與參考值之間的偏差持續(xù)存在,直流電壓偏差也一直存在,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

第二種方法是通過(guò)改變換流站的運(yùn)行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[11]提出將直流電壓誤差通過(guò)比例-積分(proportion-integration,PI)控制器疊加到有功功率環(huán)上,利用PI控制器的無(wú)靜差特性,實(shí)現(xiàn)直流電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[12]提出一種結(jié)合主從控制和下垂控制的聯(lián)合控制策略,通過(guò)切換控制方式,實(shí)現(xiàn)直流電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[13]提出一種多點(diǎn)電壓協(xié)調(diào)控制策略,最小化換流站動(dòng)態(tài)功率偏差的同時(shí),提升了直流電壓的性能。然而,上述控制策略的本質(zhì)是將下垂站轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ绷麟妷嚎刂普?喪失了下垂控制多站協(xié)同消納不平衡功率的優(yōu)勢(shì)。

第三種方法是通過(guò)調(diào)整有功功率參考值,達(dá)到直流電壓無(wú)差調(diào)節(jié)的目的。文獻(xiàn)[14]通過(guò)采集直流系統(tǒng)的不平衡功率,疊加到有功功率參考值上,實(shí)現(xiàn)下垂曲線的平移。文獻(xiàn)[15]證明了在直流系統(tǒng)受到功率擾動(dòng)后,各換流站保持輸出功率不變的同時(shí),無(wú)法將直流電壓恢復(fù)至額定值。進(jìn)而提出一種兼具換流站功率變化最小以及直流電壓偏差最小的協(xié)調(diào)控制策略,實(shí)現(xiàn)直流電壓的“偽”無(wú)差調(diào)節(jié)。

針對(duì)換流站采用傳統(tǒng)下垂控制消納不平衡功率時(shí)固有的直流電壓偏差問(wèn)題,現(xiàn)基于第三種方法,提出一種優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略,將直流網(wǎng)絡(luò)不平衡功率作為前饋補(bǔ)償量注入傳統(tǒng)下垂控制中,通過(guò)平移下垂曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓的準(zhǔn)無(wú)差調(diào)節(jié)。同時(shí)將偏差下垂控制引入定有功功率換流站,避免不平衡功率過(guò)大導(dǎo)致下垂站滿載而失去控制直流電壓的能力。最后,通過(guò)PSCAD/EMTDC建立五端VSC-MTDC仿真模型,仿真結(jié)果驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 傳統(tǒng)下垂控制電壓偏差分析

1.1 VSC-MTDC系統(tǒng)模型

五端VSC-MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。VSC1～VSC5代表5個(gè)電壓源型換流站,直流側(cè)通過(guò)直流網(wǎng)絡(luò)并聯(lián),交流側(cè)與各自的交流電網(wǎng)連接。

圖1 VSC-MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 VSC-MTDC system structure diagram

單個(gè)VSC結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

在三相坐標(biāo)系下,Us為交流電網(wǎng)電壓;Ua、Ub、Uc分別為交流電網(wǎng)電壓;R、X分別為VSC交流側(cè)等效電阻和電抗;C為直流側(cè)電容;Udc為直流側(cè)電壓

在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下,VSC的數(shù)學(xué)模型為

(1)

式(1)中:L為交流側(cè)等效電感;Usd、Usq分別為電網(wǎng)電壓的d、q軸分量;Ud、Uq分別為 VSC交流側(cè)電壓的d、q軸分量;isd、isq分別電網(wǎng)電流的d、q軸分量;ω為電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)角速度。

1.2 傳統(tǒng)下垂控制電壓偏差分析

類比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻特性,下垂控制無(wú)需站間通信,利用直流電壓與有功功率特性曲線,實(shí)現(xiàn)不平衡功率的快速分配和直流電壓的穩(wěn)定控制。直流電壓-有功功率(Udc-Ps)控制器結(jié)構(gòu)和特性曲線如圖3和圖4所示。

Udc和Udcref分別為直流側(cè)電壓實(shí)測(cè)值和參考值;Ps、Psref和Psmax分別為換流站有功功率實(shí)測(cè)值、參考值和額定容量;k為下垂系數(shù)

圖4 直流電壓下垂控制特性圖Fig.4 DC voltage droop control characteristic diagram

在穩(wěn)態(tài)情況下,由圖3可得換流站直流電壓與有功功率的關(guān)系為

Udc=Udcref+k(Ps-Psref)

(2)

假設(shè)直流系統(tǒng)有N個(gè)換流站,其中1～m個(gè)換流站采用傳統(tǒng)下垂控制;m+1～n個(gè)換流站采用定有功功率控制,n+1～N個(gè)換流站采用定交流電壓控制。

1～m個(gè)下垂站有功功率參考值之和Pr為

(3)

式(3)中:1≤i≤m。

m+1～n個(gè)定功率站有功功率之和Pt為

(4)

式(4)中:m+1≤b≤n。

n+1～N個(gè)定交流電壓換流站有功功率之和Pw為

(5)

式(5)中:n+1≤j≤N。

根據(jù)圖4,設(shè)初始穩(wěn)態(tài)時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)1,當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)功率擾動(dòng)ΔP時(shí),m個(gè)下垂站利用自身下垂特性消納不平衡功率的同時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)也會(huì)隨之移動(dòng)。當(dāng)再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)2,此時(shí)直流電壓偏差為ΔUdc。由圖4可知,下垂站i所承擔(dān)的不平衡功率ΔPi與直流電壓偏差ΔUdc存在以下關(guān)系

(6)

根據(jù)能量守恒,各個(gè)下垂站有功功率變化量之和應(yīng)等于ΔP,即

(7)

聯(lián)立式(6)與式(7),可得

(8)

(9)

由式(8)可以看出,ΔUdc與ΔP成正比,與m個(gè)下垂站的下垂系數(shù)倒數(shù)之和成反比。這說(shuō)明,當(dāng)直流系統(tǒng)功率發(fā)生波動(dòng)后,所有下垂站會(huì)根據(jù)自身下垂曲線,協(xié)同消納不平衡功率[18]。

由式(9)可以看出,下垂系數(shù)決定了下垂站在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中所承擔(dān)的不平衡功率的多少。若各換流站采用相同的下垂系數(shù),則所有換流站均分不平衡功率;若各換流站采用不同的下垂系數(shù),則下垂系數(shù)較小的換流站將承擔(dān)較多的不平衡功率,下垂系數(shù)較大的換流站將承擔(dān)較少的不平衡功率[19]。

2 改進(jìn)的多點(diǎn)直流電壓協(xié)調(diào)控制策略

2.1 改進(jìn)下垂控制

針對(duì)換流站采用傳統(tǒng)下垂控制消納不平衡功率固有的直流電壓偏差問(wèn)題,提出一種改進(jìn)的VSC-MTDC系統(tǒng)多點(diǎn)直流電壓優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略,將不平衡功率作為前饋補(bǔ)償量注入下垂控制中,通過(guò)平移下垂曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓的準(zhǔn)無(wú)差調(diào)節(jié)。優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略的特性曲線如圖5所示。

圖5 優(yōu)化協(xié)調(diào)控制原理圖Fig.5 Optimization of coordinated control schematic diagram

設(shè)初始穩(wěn)態(tài)時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)1,當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)功率擾動(dòng)ΔP時(shí),給各個(gè)下垂站一個(gè)前饋補(bǔ)償量,大小為ΔPi。此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)從Ai變?yōu)镈i,實(shí)現(xiàn)下垂曲線的平移。Pisref和P″i分別為換流站調(diào)整前后的有功功率參考值,滿足

P″i=Pisref-ΔPi

(10)

而后換流站根據(jù)下垂特性消納不平衡功率,最終系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在Ci點(diǎn)附近,實(shí)現(xiàn)直流電壓的準(zhǔn)無(wú)差調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)下垂控制相比,換流站傳輸?shù)挠泄β什](méi)有發(fā)生改變,而直流電壓偏差近似為零,系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到大幅提高。

2.2 功率平衡分配方案

為了將直流系統(tǒng)中的不平衡功率合理分配給各個(gè)下垂站,將換流站的可用功率裕度引入功率分配系數(shù)上,快速調(diào)整有功功率參考值[20]。

P″i=Pisref-(Pimax-Pisref)×

(11)

式(11)中:Δt為系統(tǒng)采樣時(shí)間。在該功率平衡分配方案下,控制系統(tǒng)只需采集非下垂站的有功功率值,當(dāng)且僅當(dāng)直流系統(tǒng)潮流發(fā)生變化時(shí),才向下垂站更新有功功率參考值。其余情況下,下垂站只需根據(jù)最近一次更新的有功功率參考值穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)該功率平衡分配方案對(duì)站間通信要求極低,即使當(dāng)各換流站通信中斷時(shí),仍能按傳統(tǒng)下垂控制方式正常運(yùn)行。

2.3 直流電壓偏差下垂控制

(12)

式(12)中:kb為直流電壓偏差下垂系數(shù);Pbmax為定功率站的最大容量。

定功率站采用偏差下垂控制,在直流電壓超過(guò)設(shè)定的運(yùn)行范圍時(shí),設(shè)直流系統(tǒng)中余下的不平衡功率為ΔP*。當(dāng)系統(tǒng)再次達(dá)到平衡時(shí),采用偏差控制換流站的有功功率為

(13)

式(13)中:P′b為系統(tǒng)穩(wěn)定后采用偏差控制換流站的有功功率。

對(duì)于圖1所示的五端系統(tǒng),VSC1和VSC2采用優(yōu)化下垂控制,VSC3和VSC4采用直流電壓偏差下垂控制,VSC5采用定交流電壓控制。系統(tǒng)控制特性曲線如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制特性曲線Fig.6 The overall control characteristic curve of the system

3 仿真與分析

基于PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了如圖1所示的五端VSC-MTDC系統(tǒng),具體仿真參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)3個(gè)仿真算例,利用3種控制方法對(duì)比,驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 System simulation parameters

控制方法1(CM1):傳統(tǒng)下垂控制。

控制方法2(CM2):優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。

控制方法3(CM3):優(yōu)化協(xié)調(diào)控制+偏差下垂控制。

3.1 直流網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)功率盈余

t=3 s時(shí),VSC3有功功率指令值由115 MW增至185 MW,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功率增加仿真Fig.7 System power increase simulation

由圖7可以看出,由于系統(tǒng)存在損耗,所以換流站有功功率、系統(tǒng)直流電壓實(shí)際值與參考值之間略有差別。設(shè)ΔP1～ΔP5為VSC1～VSC5有功功率變化量。t=3 s時(shí),直流系統(tǒng)出現(xiàn)功率盈余,在CM1作用下,VSC1和VSC2按照傳統(tǒng)下垂控制消納不平衡功率,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),ΔP1和ΔP2分別為23.5 MW和46.5 MW,ΔUdc為7.09 kV,直流電壓偏差率為1.77%。在CM2作用下,ΔP1和ΔP2分別為16 MW和54 MW,ΔUdc為0.14 kV,直流電壓偏差率為0.035%,實(shí)現(xiàn)了直流電壓的準(zhǔn)無(wú)差調(diào)節(jié);同時(shí)系統(tǒng)將較多的不平衡功率分配給功率裕度較大的換流站,所以VSC2承擔(dān)的不平衡功率多于VSC1,避免VSC1滿載。由于直流電壓未超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)行范圍,所以CM3作用下的仿真結(jié)果與CM2相同。

3.2 直流網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)功率缺損

t=3 s時(shí),VSC3有功功率指令值由115 MW降至45 MW,仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)功率減小仿真Fig.8 System power decrease simulation

t=3 s時(shí),直流系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺損,由圖8可以看出,在CM1作用下,ΔP1和ΔP2分別為23.5 MW和46.5 MW,ΔUdc為7.03 kV,直流電壓偏差率為1.76%。在CM2作用下,ΔP1和ΔP2分別為42 MW和28 MW,ΔUdc為0.11 kV,直流電壓偏差率為0.028%。此時(shí)VSC1的功率裕度多于VSC2,所以VSC1承擔(dān)的不平衡功率多于VSC2。

3.3 換流站退出

t=3 s時(shí),VSC2退出運(yùn)行,仿真結(jié)果如圖9所示。可以看出,在CM1作用下,VSC1作為唯一的功率平衡點(diǎn),很快達(dá)到滿載并切換成定有功功率運(yùn)行,失去了控制直流電壓的能力,直流電壓將繼續(xù)下降。在CM2作用下,由于VSC3和VSC4控制方式仍然為定有功功率,并不參與系統(tǒng)功率的調(diào)節(jié),所以ΔP3和ΔP4都為0 MW。在CM3作用下,在直流電壓下降至390 kV時(shí),VSC3和VSC4由定有功功率控制轉(zhuǎn)變?yōu)橄麓箍刂?協(xié)同VSC1消納不平衡功率,承擔(dān)起穩(wěn)定直流電壓的任務(wù)。在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,ΔP1、ΔP3和ΔP4分別為26、41和33 MW,ΔUdc為14.49 kV,直流電壓偏差率為3.62%。同時(shí)VSC1并沒(méi)有達(dá)到滿載,還具備穩(wěn)定直流電壓的能力,系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了較大的提高。

圖9 換流站退出仿真Fig.9 Simulation of converter station exit

4 結(jié)論

針對(duì)換流站采用傳統(tǒng)下垂控制消納不平衡功率時(shí)固有的直流電壓偏差問(wèn)題,提出一種改進(jìn)的VSC-MTDC系統(tǒng)多點(diǎn)直流電壓優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略,結(jié)論如下。

(1)通過(guò)前饋補(bǔ)償換流站有功功率參考值,平移下垂曲線,可以實(shí)現(xiàn)直流電壓的準(zhǔn)無(wú)差調(diào)節(jié)。

(2)根據(jù)換流站功率裕度分配不平衡功率,可以有效避免部分換流站過(guò)載而其他換流站還余有功率裕度的情況發(fā)生。

(3)通過(guò)將偏差下垂控制引入定功率站,提高了系統(tǒng)在不平衡功率較大時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性。