，，

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

近年來，隨著包括風(fēng)力和太陽能等可再生能源的分布式發(fā)電的興起，以及將直流并網(wǎng)用于海上風(fēng)電場的技術(shù)日趨成熟，多端直流輸電技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注[1-7]。多端直流輸電系統(tǒng)是由 3 個(gè)或 3個(gè)以上的換流站以及連接換流站之間的高壓直流輸電線路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，與傳統(tǒng)的兩端直流輸電相比運(yùn)行方式更加靈活、便捷，是直流輸電的發(fā)展方向[8-12]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體開關(guān)器件從早期的半控晶閘管發(fā)展到了現(xiàn)在的全控型開關(guān)，其性能優(yōu)越性大幅提升。目前在用的晶閘管有：雙極型晶體管(bipolar junction transistor，BJT)、絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolor transistor，GBT)、門極管段晶閘管(gate turn-off thyristor，GTO)、場控晶閘管(Mos controlled thyristor，MCT)等。半導(dǎo)體開關(guān)器件的進(jìn)步促進(jìn)了電力電子變流技術(shù)的發(fā)展，這就在很大程度上提高了柔性直流輸電技術(shù)的進(jìn)步，尤其是電壓源型換流器的出現(xiàn)，使得這種基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術(shù)成為了新的輸電方法，產(chǎn)生通過脈寬調(diào)制(plus width modulation, PWM)控制的VSC進(jìn)行直流輸電的概念，這就是新一代的直流輸電技術(shù)柔性直流輸電[1-3](VSC-HVDC)。在VSC-HVDC中，用全控型器件代替了原來的半控型器件，使系統(tǒng)能對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行同時(shí)和獨(dú)立的傳輸，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)無源網(wǎng)絡(luò)供電。VSC-HVDC輸電技術(shù)克服了傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)的不足，擴(kuò)展了直流輸電的應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著世界能源緊缺和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，中國開始大力推廣和開發(fā)風(fēng)能、太陽能燈可再生清潔能源，來優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。然而風(fēng)能和太陽能分散性、小型化、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的特點(diǎn)制約了風(fēng)電利用規(guī)模的擴(kuò)大，妨礙了傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)和CSC-HVDC輸電技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，城市配電網(wǎng)的快速擴(kuò)容要求有限的輸電線路能夠輸送更多的電能，另一方面，大量配電網(wǎng)轉(zhuǎn)入地下，給中國電網(wǎng)發(fā)展造成很大的問題。

VSC-HVDC輸電技術(shù)能夠有效解決上述問題，并且已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，尤其是在分布式發(fā)電系統(tǒng)接入大電網(wǎng)、城市直流配電網(wǎng)改造、孤島供電、異步大電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域VSC-HVDC輸電系統(tǒng)取得了良好的效果。然而，當(dāng)VSC-HVDC兩端輸電系統(tǒng)中一段VSC發(fā)生故障后，系統(tǒng)將被迫處于癱瘓狀態(tài)，給系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響。VSC在系統(tǒng)潮流翻轉(zhuǎn)式保持極性不變，這個(gè)特點(diǎn)可以使運(yùn)行方式更加靈活，控制更加多樣。多端柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-multi terminal HVDC，VSC-MTDC)應(yīng)運(yùn)而生，VSC-MTDC可以用于的領(lǐng)域包括：大規(guī)模新型能源輸?shù)竭h(yuǎn)方負(fù)荷送電；向弱交流系統(tǒng)、不同區(qū)域間電力市場交易；負(fù)荷密集的大城市甚至是無源網(wǎng)絡(luò)供電等。VSC-MTDC仍然處于理論研究和模擬實(shí)驗(yàn)階段，尚沒有工程應(yīng)用。目前對(duì)VSC-MTDC的研究多集中在多個(gè)換流器的并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性，系統(tǒng)的故障穿越能力，換流器間的功率分配等方面，因此，VSC-MTDC的協(xié)調(diào)控制策略稱為了最為關(guān)鍵的問題。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)VSC-HVDC輸電技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)建模和控制策略兩個(gè)方面。VSC-HVDC系統(tǒng)的控制策略分為直接電流控制和間接電力控制兩類。間接電流[4-9]控制優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，無功量和有功量相互耦合，并且無法直接實(shí)現(xiàn)電流限流的保護(hù)，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用存在使用困難。直接電流控制策略采用電流閉環(huán)控制，使電流能夠快速響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)，有功和無功的解耦控制，因此直接電流控制得到了廣泛地關(guān)注和快速發(fā)展。文獻(xiàn)[10]在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立了 VSC-HVDC的連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型,研究d-q軸解耦控制策略,設(shè)計(jì)了不完全微分的PI有功和電壓控制器。文獻(xiàn)[11]通過α-β坐標(biāo)系，建立了二極管鈕位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變流器數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了正負(fù)序分離算法并提出了相應(yīng)的控制策略,著重分析了離散性遲滯對(duì)控制器性能的影響。文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)了二極管鉗位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSC背靠背直流輸電系統(tǒng)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了 VSC內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制器。文獻(xiàn)[13]推導(dǎo)了 d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下VSC-HVDC的穩(wěn)態(tài)模型,根據(jù)逆系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)了 VSC-HVDC非線性系統(tǒng)的線性化控制無源網(wǎng)絡(luò)或者弱交流網(wǎng)絡(luò)供電。文獻(xiàn)[14]研究了VSC-HVDC系統(tǒng)對(duì)有源和無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)的控制策略,運(yùn)用PSCAD/EMTDC軟件，仿真驗(yàn)證了不同控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[15-16]建立了 VSC-HVDC向無源網(wǎng)絡(luò)供電的Matlab仿真模型,仿真驗(yàn)證分析了無源網(wǎng)絡(luò)側(cè)的定交流電壓控制策略。

針對(duì)舟山多端柔性直流輸電工程進(jìn)行了分析，繪制了舟山工程的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)，并提出相應(yīng)的控制策略。通過仿真驗(yàn)證舟山系統(tǒng)采用電壓偏差控制、無源孤島控制以及無功功率和交流電壓斜率偏差控制時(shí)，能夠提高舟山系統(tǒng)在交流故障、換流站退出、孤島運(yùn)行以及遠(yuǎn)方電壓降落時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，增強(qiáng)了舟山系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。

1 舟山VSC-MTDC工程

舟山地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模較小，短路容量不高，大容量風(fēng)電集中送出后對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)有一定影響。舟山電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)島嶼間聯(lián)網(wǎng)時(shí)，要充分考慮風(fēng)電場的影響。風(fēng)電場的接入采用傳統(tǒng)交流接入方式時(shí)，隨著傳輸距離的增加，輸電線路電壓降落較大，需要大量補(bǔ)充無功，這將嚴(yán)重制約其功率輸送能力。采用全控器件的柔性高壓直流輸電 (VSC-HVDC) 方式，可以對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行快速、靈活控制的同時(shí)還能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償風(fēng)電場系統(tǒng)無功功率，穩(wěn)定并網(wǎng)母線電壓，能直接連接短路容量小的弱交流系統(tǒng)，甚至向無源網(wǎng)絡(luò)供電等特點(diǎn)，較為適合島嶼眾多、島嶼間距離較遠(yuǎn)、同時(shí)又包含一定容量風(fēng)電場的舟山電網(wǎng)系統(tǒng)[17]。

舟山電網(wǎng)的風(fēng)電場多集中于定海、衢山和泗礁。若采用VSC-HVDC將各個(gè)包含風(fēng)場的島嶼電網(wǎng)系統(tǒng)接入主電網(wǎng)時(shí)，雖然VSC可以獨(dú)立控制有功和無功潮流，控制結(jié)構(gòu)簡單可靠，但是仍有不足：①每個(gè)島嶼接入電網(wǎng)都需要一套完整的直流輸電系統(tǒng)，造價(jià)較高；②風(fēng)電場作為間歇性、多變化的電源，在大容量分散接入電網(wǎng)時(shí)，受端電網(wǎng)對(duì)多饋入直流系統(tǒng)支撐能力不足，不利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；③兩端直流輸電系統(tǒng)，其控制方式相對(duì)簡單、可靠，但是它在靈活性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面仍存在許多不足之處。而VSC-MTDC系統(tǒng)能夠在必要時(shí)對(duì)本地電網(wǎng)提供頻率支撐，解決高風(fēng)電滲透率對(duì)系統(tǒng)的不利影響，有利于建設(shè)“電網(wǎng)友好型”風(fēng)電場。因此通過VSC-MTDC系統(tǒng)匯集風(fēng)電功率，聯(lián)合舟山電廠的火電功率重新分配潮流，從而實(shí)現(xiàn)島嶼間聯(lián)網(wǎng)，成為了最佳方案。

本工程在舟山本島、岱山島、衢山島、洋山島及泗礁島分別建設(shè)定海換流站、岱山換流站、衢山換流站、洋山換流站和泗礁換流站，并通過構(gòu)建5端柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各島嶼電網(wǎng)連接。

1.1 舟山VSC-MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中構(gòu)建了舟山工程的仿真模型，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行示意圖

圖1中定海、岱山、衢山、泗礁、洋山5個(gè)換流站分別同5個(gè)島嶼的交流電網(wǎng)相連，其中定海換流站通過220 kV的交流線路同陸地主網(wǎng)相連，岱山換流站通過220 kV的交流線路同定海站相連，并通過110 kV線路與衢山換流站相連，泗礁換流站和衢山換流站之間通過110 kV線路相連，洋山換流站與陸地主網(wǎng)S無直接電氣聯(lián)系，是通過110 kV線路同陸地主網(wǎng)Z相連，陸地主網(wǎng)S和Z通過500 kV網(wǎng)絡(luò)相連。

1.2 舟山VSC-MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，此時(shí)定海站作為系統(tǒng)的主導(dǎo)站，系統(tǒng)中5個(gè)換流站的交直流系統(tǒng)基本參數(shù)如表1所示。

表1 正常運(yùn)行時(shí)換流站交直流系統(tǒng)參數(shù)

柔性直流輸電系統(tǒng)中，聯(lián)結(jié)變壓器的作用是使系統(tǒng)交流電壓變換到與換流器直流側(cè)電壓相匹配的二次側(cè)電壓，使換流站工作在最佳的電壓范圍之內(nèi)，從而減小輸出電流和電壓中諧波的含量。本工程中各換流站均采用三相三繞組變壓器，第三繞組用于提供站用電源。

橋臂電抗器在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中起到聯(lián)結(jié)交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的紐帶作用，本模型采用5端換流站每相上下橋臂各安裝1臺(tái)，共6臺(tái)。其中定海換流站電感值為9 Mh、岱山為120 Mh、衢山、洋山、泗礁均為360 Mh。

此外，各換流站負(fù)荷分別為岱山150 MW、衢山50 MW、泗礁75 MW、洋山60 MW

2 舟山控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是舟山柔性直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分,直接關(guān)系著柔性直流輸電運(yùn)行的性能、安全、效益。相比于兩端柔性直流輸電系統(tǒng),多端柔性直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略更為復(fù)雜,需要考慮多端系統(tǒng)之間的直流電壓協(xié)調(diào)穩(wěn)定。

2.1 舟山系統(tǒng)控制策略分析

多端柔性直流輸電系統(tǒng)的主要控制策略中，系統(tǒng)中換流站應(yīng)該同時(shí)具備有功功率類或無功功率類的控制量， 根據(jù)交直流電網(wǎng)實(shí)際情況，模型中舟山5 端柔性直流中有功類控制方式定海站和岱山站具備定直流電壓控制的能力，要具備直流電壓控制方式，岱山、衢山、泗礁、洋山換流站采用定有功功率控制。無功控制類采取無功功率和交流電壓斜率偏差控制策略。

采用無功功率和交流電壓斜率偏差控制的優(yōu)點(diǎn)是：具備交流電壓斜率控制器的換流站能夠迅速地對(duì)網(wǎng)絡(luò)的潮流變化做出響應(yīng)，調(diào)整其無功功率，因此這種控制方式比較適合應(yīng)用于潮流頻繁變化的柔性直流輸電系統(tǒng)中。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中各個(gè)換流站可以根據(jù)自身的無功功率容量調(diào)節(jié)自身無功功率的送出，能夠?qū)ο到y(tǒng)需求的無功功率進(jìn)行合理的分配，有利于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)故障引發(fā)的振蕩。此外，當(dāng)換流站同交流系統(tǒng)失去電氣聯(lián)系后，換流站無功類控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換為定交流電壓控制。

2.2 舟山系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

針對(duì)無功控制類提出交流電壓斜率控制策略，即在PI型控制器的參考交流電壓疊加一個(gè)輔助控制量，從而有

(1)

(2)

進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，柔性直流輸電接入點(diǎn)的交流電壓由下式?jīng)Q定。

(3)

(4)

其中，調(diào)節(jié)斜率k滿足

(5)

無功功率和交流電壓斜率控制策略通過多個(gè)換流站來穩(wěn)定交流電壓，所有具備功率調(diào)節(jié)能力的換流器都參與功率調(diào)節(jié)。采用無功功率和交流電壓斜率控制策略的換流站可以根據(jù)其所測得的交流電壓的數(shù)值時(shí)刻調(diào)整其無功功率的設(shè)定值，以滿足交流輸電網(wǎng)絡(luò)對(duì)無功功率的需求，能夠迅速地實(shí)現(xiàn)無功功率快速平衡的分配，并且各換流站之間不需要通信，也不需要進(jìn)行控制模式的切換。圖1中換流站的外環(huán)控制器都采用無功功率和交流電壓斜率控制器。當(dāng)換流站的無功功率變化的時(shí)候，換流站會(huì)沿著各自的斜率曲線搜尋新的運(yùn)行點(diǎn)以滿足交流系統(tǒng)功率的平衡。控制特性圖和控制器結(jié)構(gòu)分別如圖2圖3所示。

圖2 交流電壓斜率控制特性圖

圖3 基于交流電壓斜率控制的外環(huán)控制器

由上分析，舟山系統(tǒng)各個(gè)換流站直流類功率采取的控制方式：定海站為定直流電壓；岱山站為有功功率/定直流電壓；衢山、泗礁和洋山站均采用定有功功率/孤島控制方式。無功功率類采取的控制方式為：5個(gè)換流站均采用定交流電壓斜率方式。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證舟山系統(tǒng)控制策略的實(shí)用性，對(duì)舟山系統(tǒng)遠(yuǎn)方電壓降落情況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)1.5 s時(shí)遠(yuǎn)方電網(wǎng)電壓降落，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 遠(yuǎn)方電網(wǎng)電壓降落220 kV母線電壓

圖5 遠(yuǎn)方電網(wǎng)電壓降落各換流站無功功率

圖6 遠(yuǎn)方電網(wǎng)電壓降落各換流站直流功率

按照式(5)所示的曲線對(duì)各個(gè)換流站的無功和交流電壓斜率進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)中各換流站調(diào)節(jié)斜率：定海站為1/30(即交流電壓每變化1%時(shí)無功功率變化30 Mvar)；岱山為1/20；泗礁為1/10；衢山為1/10。

由圖4可知電壓由0.995跌落到0.978，系統(tǒng)電壓壓降為3.15%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的各換流站無功功率變化分別為定海站51.3 Mvar；岱山站34.2 Mvar；衢山站17.1 Mvar；泗礁站17.1 Mvar。

分析圖5(忽略各換流器中的濾波器和無功補(bǔ)償裝置影響)可知，各換流站無功功率變化值同計(jì)算結(jié)果相同，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無功功率的合理分配。分析圖5可知當(dāng)遠(yuǎn)方電網(wǎng)電壓降落時(shí)系統(tǒng)直流功率傳輸沒有受到影響，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)有功和無功的單獨(dú)傳輸，驗(yàn)證了無功功率和交流電壓斜率偏差控制的實(shí)用性和有效性。

4 結(jié) 語

針對(duì)舟山多端柔性直流輸電工程進(jìn)行了分析，繪制了舟山工程的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)，并提出相應(yīng)的控制策略。通過仿真驗(yàn)證舟山系統(tǒng)采用電壓偏差控制、無源孤島控制以及無功功率和交流電壓斜率偏差控制時(shí)，能夠提高舟山系統(tǒng)在交流故障，換流站退出，孤島運(yùn)行以及遠(yuǎn)方電壓降落時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，增強(qiáng)了舟山系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。

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