王林川，謝宜宏，楊海威，熊毅

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

分布式直流電壓裕度控制的多終端的VSC HVDC系統(tǒng)的建模

王林川，謝宜宏，楊海威，熊毅

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

本文論述了多端的電壓源型換流器的高壓直流(VSC－HVDC)輸電的穩(wěn)定性模型。介紹了轉(zhuǎn)換器處的直流電壓控制模型，該模型采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)且允許二端的VSC－HVDC系統(tǒng)的中斷。當(dāng)將模型應(yīng)用到多端直流系統(tǒng)時(shí)，在直流電壓控制轉(zhuǎn)換器失效情況下，功率控制器接管控制電壓。搭建了一個(gè)四端高壓直流輸電模型，并使用PSCAD進(jìn)行仿真，結(jié)果表明:在直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器中斷后，該模型可應(yīng)急采取電壓裕度控制分配電力失衡。

高壓直流(HVDC)傳輸控制;電力系統(tǒng)建模

1 引言

過去的幾十年時(shí)間，人們一直在研究基于電壓源型換流器的高壓直流技術(shù)(VSC HVDC)，目前已有人嘗試搭建一種新的基于VSC的高壓直流輸電技術(shù)疊加的直流電網(wǎng)［1］。系統(tǒng)向多終端VSC－HVDC拓展的前景，以及多端直流系統(tǒng)控制模型都已經(jīng)成為了比較熱門的研究課題。本文介紹了直流系統(tǒng)分布式直流電壓控制的通用機(jī)電穩(wěn)定性模型。本文所做的多端直流系統(tǒng)的建模，與傳統(tǒng)建模的區(qū)別在于建模的詳細(xì)程度，電磁暫態(tài)程序準(zhǔn)確地表達(dá)出了系統(tǒng)開關(guān)特性和電磁暫態(tài)。平均模型和機(jī)電穩(wěn)定性模型［2］已被用于研究替代外部結(jié)構(gòu)控制器［3－4］，優(yōu)化設(shè)置［5－7］以及與交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)的相互作用［8－10］和系統(tǒng)頻率支持［11－12］。如文獻(xiàn)［13］提出的潮流算法，用于解決分布式直流電壓穩(wěn)態(tài)控制。多端直流系統(tǒng)的控制和建模的已經(jīng)取得了一定的研究成果，隨著電壓成為直流系統(tǒng)關(guān)鍵的控制變量，很多人把目光投向了直流電壓在不同的轉(zhuǎn)換器處的分布式控制。兩個(gè)主要控制方法是電壓裕度控制［14－15］和直流電壓下垂控制［6－8，16－17］，本文主要對(duì)電壓裕度控制進(jìn)行研究，基于基本頻率的建模方法，在模型中添加兩個(gè)重要的擴(kuò)展。首先，詳細(xì)地表示了電流控制回路和外部控制器處的電流和電壓的限制范圍。其次，在外部控制器中引入級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，使在直流電壓控制器轉(zhuǎn)換失敗時(shí)，功率控制器接管控制電壓。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是這種二端系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，在文中擴(kuò)展到多端直流系統(tǒng)，從而獲得廣義級(jí)聯(lián)控制組，這種廣義的級(jí)聯(lián)控制組可以適應(yīng)電壓裕度控制。

2 轉(zhuǎn)換器和直流電網(wǎng)建模

轉(zhuǎn)換器可等效為一個(gè)連接在公共耦合點(diǎn)(PCC)后面的可控電壓源，公共耦合點(diǎn)的復(fù)阻抗為，如圖1所示。這種復(fù)雜的阻抗包括轉(zhuǎn)換器和變壓器的電抗。將三相方程變換到dq旋轉(zhuǎn)參考系中，并假設(shè)電網(wǎng)電壓us全部分量都在q軸的方向上，轉(zhuǎn)換方程成為

圖1 換流站交流側(cè)單相圖解

假設(shè)在PCC處的電壓與q軸時(shí)忽略了鎖相環(huán)(PLL)的影響時(shí)是完全一致的。

一階系統(tǒng)模型由轉(zhuǎn)換器的電力電子開關(guān)的處理和計(jì)算所造成的時(shí)間延遲為:

圖2 轉(zhuǎn)換器模塊圖解

圖3直流側(cè)集總參數(shù)模型

圖2所描述的模型是ucd的一個(gè)相似的表達(dá)。

直流線路的集總π等效方案表示，如圖3所示?？偩€i的直流電壓的動(dòng)態(tài)方程為:

其中，udci和idci分別為總線i的直流電壓和直流電流，Cdc，ci為轉(zhuǎn)換器的直流容量，idcij為總線i和j間分支的電流，Cdcij為分支容量。當(dāng)模擬集總電感考慮直流電流動(dòng)態(tài)時(shí)，如圖3所示，連接到總線i的分支電流動(dòng)態(tài)方程為:

其中，Rdcij和Ldcij分別為直流支路的電阻和電感。

3 二端VSC－HVDC系統(tǒng)的控制

3.1 電流解耦控制

VSC由一個(gè)與系統(tǒng)電壓同步的旋轉(zhuǎn)的dq參考系控制。圖4顯示了內(nèi)部電流控制器，其中包含了抗飽和(AWU)。

圖4 解耦內(nèi)部電流控制器

限制電壓ucqlim和ucdlim由最大調(diào)制系數(shù)mmax及直流電壓udc確定。最大的轉(zhuǎn)換器電壓幅值uclim可寫為

采用這樣的限制后，控制器可以優(yōu)先有功或無功的功率控制。解耦定義為

改進(jìn)后的q解耦可定義為

在限制電壓下，Δucd和優(yōu)先于電流的控制電壓。當(dāng)優(yōu)先有功功率控制時(shí)，q軸的限制Ucqlim可以寫為:

另外，可以同等考慮d軸和q軸的分量

3.2 標(biāo)準(zhǔn)兩終端的外部控制

電流控制分量icq和icd分別連接到有功和無功功率，交流系統(tǒng)中加入VSC。圖5顯示了外部有功和無功的功率控制器。圖5(b)所示的是無功功率控制器的一種替代方式，它可以用軸電流直接控制交流端電壓。無功功率控制不是本文的重點(diǎn)，將不再做進(jìn)一步的討論。

圖5 外部功率控制器

圖6 外部直流電壓控制器

在兩終端系統(tǒng)中，一個(gè)變換器控制有功功率，如圖5(a)所示，其他的變換器控制直流總線處的電壓，如圖6所示。當(dāng)優(yōu)先有功功率時(shí)，電流的q分量和d分量的限制，分別為圖5和圖6中的icqlim和icdlim，可以表示為:

另外，也可以同等考慮有功和無功功率控制，表達(dá)式為:

此操作保證了轉(zhuǎn)換器在恒功率因數(shù)運(yùn)行，而且它還可以在轉(zhuǎn)換器到達(dá)極限點(diǎn)時(shí)向交流網(wǎng)絡(luò)提供無功功率支持。式(15)、(16)中優(yōu)先有功功率，這使得它適用于直流電壓控制變換器。而式(17)、(18)中的穩(wěn)態(tài)性能與之相反，取決于受限前的電流參考值。

在交流故障條件下參考電流也會(huì)減少，以限制變換器的短路電流［18］。當(dāng)PCC點(diǎn)電壓下降，通過ic，dqlim=ic，dqlim，sc可以很容易得出上述情況。比起在故障條件下限制電流，優(yōu)先無功功率控制還可以滿足電網(wǎng)關(guān)于電壓支持的規(guī)范要求［19］。

3.3 冗余的外部控制

上一部分的控制方式的一個(gè)缺點(diǎn)，就是控制結(jié)構(gòu)無法應(yīng)對(duì)直流電壓轉(zhuǎn)換器的中斷。而中斷的電壓控制轉(zhuǎn)換器不僅會(huì)導(dǎo)致功率下降，由于直流電壓控制器還可以控制直流電壓，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)。

觀察限流后轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，在缺少加入無功功率的轉(zhuǎn)換器時(shí)，會(huì)得到公式(15)、(16)。而以公式(19)、(20)的方法會(huì)使轉(zhuǎn)換器以恒定功率因cos?c數(shù)運(yùn)行，如

圖7 有功功率控制與直流電壓控制聯(lián)結(jié)

由于直流電壓控制對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行很重要［20］，因此，可以重復(fù)使用直流電壓控制的方法，圖7顯示了這樣的級(jí)聯(lián)的功率控制結(jié)構(gòu)。在直流轉(zhuǎn)換器終端的直流電壓，通過實(shí)施恰當(dāng)?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)，保證一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)轉(zhuǎn)換器控制直流電壓。

在功率控制轉(zhuǎn)換器中，直流電壓同時(shí)作為參考信號(hào)和反饋信號(hào)，如圖7所示，因此只有Δudc被保留下來作為直流電壓控制器的輸入。在系統(tǒng)中其他轉(zhuǎn)換器的有功功率或直流電壓置位點(diǎn)改變，導(dǎo)致直流電壓改變時(shí)，利用實(shí)際直流電壓udc替代參考值u*dc，可以避免直流電壓控制器的抵消。

數(shù)學(xué)表達(dá)為

4 多端VSC HVDC電壓裕度控制

當(dāng)冗余控制結(jié)構(gòu)用于多端結(jié)構(gòu)，即所謂的電壓裕度控制方案，在主轉(zhuǎn)換器失效時(shí)，可以提供直流備用冗余轉(zhuǎn)換器(或直流電壓控制轉(zhuǎn)換器)。圖8顯示了從直流側(cè)觀察到的控制方式的穩(wěn)態(tài)的P－V特性，從而忽略了轉(zhuǎn)換器的損耗。Pdclim在第三節(jié)討論了，是由icq得到的有功功率限制。因此，Pdclim實(shí)際值取決于交流總線的電壓和icqlim/icdlim的比率。不同的轉(zhuǎn)換器的電壓裕度可以由不同轉(zhuǎn)換器的直流電壓控制所決定，其中只有一個(gè)轉(zhuǎn)換器可以控制直流電壓。

圖8 電壓裕度控制P－V圖解

與二端系統(tǒng)相反，在直流冗余轉(zhuǎn)換器失效時(shí)，它仍可以傳輸功率，圖10顯示了對(duì)圖9中的四端VSCHVDC系統(tǒng)實(shí)施的電壓裕度控制的仿真結(jié)果。在仿真中，潮流初始化后，平均電壓等于1［21］，在直流電壓控制器2中斷后，轉(zhuǎn)換器3的電壓達(dá)到上限udcmax。由于它的電流達(dá)到極限，控制器3不能繼續(xù)控制控制器的電壓。當(dāng)控制器1控制電壓后，直流系統(tǒng)電壓上升。因?yàn)樽兓闹绷麟妷旱挠绊憶]有反饋到功率控制轉(zhuǎn)換器，只要電壓沒到達(dá)極限點(diǎn)，轉(zhuǎn)換器4的功率保持不變(如圖7所示)。

圖9 系統(tǒng)原始模型

圖10 直流網(wǎng)端口2停斷后其他端口相互作用

5 結(jié)論

在本文中，提出了一個(gè)多端VSC－HVDC系統(tǒng)模型。該模型的突出特點(diǎn)是，它有一個(gè)廣義的級(jí)聯(lián)控制方式，允許MTDC系統(tǒng)電壓裕度控制，控制器的電流和電壓限制表述的很詳細(xì)。對(duì)二端系統(tǒng)電壓控制轉(zhuǎn)換器的損耗的策略，被運(yùn)用到多端系統(tǒng)的電壓裕度的控制。該模型已經(jīng)被擴(kuò)展到包括分布式直流電壓控制，它通過模擬顯示限值如何影響電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以及它忽略轉(zhuǎn)換器限值所受的影響。

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Multip-terminal VSC HVDC System Modeling of Distributed DC Voltage Margin Control

WANG Lin-chuan，XIE Yi-hong，YANG Hai-wei，XIONG Yi
(Electrical Engineering College，Northest Power University，Jilin 132012，China)

The stability model of high voltage direct current(VSC－HVDC)to multiple terminal(MTDC)system is discussed the paper.This paper introduces the DC voltage in the converter with level control model，this model allows the VSC－HVDC system interrupt two terminal.When extended to multi terminal HVDC system，the model naturally evolved into a converter in DC voltage control failure，converter receives the DC voltage control of master-slave settings.This paper built a four terminal HVDC transmission model，and using the PSCAD simulation.The results show that:the model can be used in emergency DC converter system after the interruption system take the voltage margin control the imbalance of distribution of power.

high voltage direct current(HVDC)transmission control;power system modeling

TM712

B

1004－289X(2016)04－0022－05

2015－06－30

王林川(1955－)，男，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制;

謝宜宏(1990－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娤到y(tǒng)穩(wěn)定與控制;

楊海威(1990－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電并網(wǎng);熊毅(1986－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)。