張野，周保榮，張東輝，涂亮，熊卿

(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

?

基于電壓滯環(huán)的柔性直流改進(jìn)低電壓穿越控制策略研究

張野，周保榮，張東輝，涂亮，熊卿

(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

柔性直流在受端弱交流系統(tǒng)故障期間可保持并網(wǎng)運(yùn)行，還可以輸出一定的無(wú)功功率支撐系統(tǒng)電壓；但在系統(tǒng)電壓恢復(fù)瞬間，所輸出的無(wú)功功率并不能立刻恢復(fù)，導(dǎo)致交流系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓。針對(duì)此問(wèn)題，首先介紹了柔性直流dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的有功功率、無(wú)功功率解耦控制策略；其次，分析了柔性直流接入的弱交流系統(tǒng)故障期間的低電壓穿越控制策略，并提出基于電壓滯環(huán)的改進(jìn)低電壓穿越控制策略，該策略不僅可以在故障期間輸出一定的無(wú)功功率支撐系統(tǒng)電壓，還可以在故障恢復(fù)瞬間使無(wú)功功率恢復(fù)到零，減小對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊；最后在PSCAD/EMTDC中搭建了柔性直流的仿真模型，驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

柔性直流；低電壓穿越；電壓滯環(huán)控制；無(wú)功功率控制；電壓恢復(fù)

相比于常規(guī)直流輸電，柔性直流具有占地面積小、無(wú)無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題、無(wú)換相失敗問(wèn)題、可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、諧波水平低、可獨(dú)立控制有功功率與無(wú)功功率等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此，近年來(lái)其在實(shí)際工程上的應(yīng)用越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)已建成的柔性直流工程有南澳多端柔性直流工程、舟山多端柔性直流工程等。未來(lái)隨著南方電網(wǎng)魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程的投產(chǎn)，電壓等級(jí)為±350 kV、容量1 000 MW的柔性直流裝置將首次出現(xiàn)在南方電網(wǎng)的主網(wǎng)架上[2-3]。

控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)出了背靠背柔性直流的連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型，并根據(jù)解耦控制方法，實(shí)現(xiàn)了有功功率與無(wú)功功率的獨(dú)立控制；文獻(xiàn)[5-6]為了提高不對(duì)稱故障條件下柔性直流的低電壓穿越能力，采用了抑制負(fù)序電流的暫態(tài)控制策略；文獻(xiàn)[7]應(yīng)用圖解法分析了交流電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的影響，同時(shí)分析了接入強(qiáng)、弱交流電網(wǎng)的直流系統(tǒng)在不同控制方式下的暫態(tài)特性；文獻(xiàn)[8]分析了通過(guò)柔性直流并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組在交流系統(tǒng)故障切除后出現(xiàn)機(jī)端電壓過(guò)高的問(wèn)題，并提出通過(guò)加入電壓調(diào)節(jié)器輸出重置環(huán)節(jié)將風(fēng)機(jī)輸出的無(wú)功功率迅速地調(diào)整到合理范圍的控制方法。

本文結(jié)合柔性直流傳統(tǒng)的dq坐標(biāo)解耦控制方法與風(fēng)機(jī)的低電壓穿越控制策略，提出了一種適用于柔性直流的改進(jìn)低電壓穿越控制策略，該策略融合了電壓滯環(huán)控制的概念，不僅可以在故障期間輸出無(wú)功功率以支撐系統(tǒng)電壓，還可以通過(guò)在故障恢復(fù)瞬間加入無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置環(huán)節(jié)，迅速地將柔性直流輸出的無(wú)功功率調(diào)整到合理的范圍內(nèi)，減小其對(duì)交流系統(tǒng)電壓的沖擊。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了柔性直流的仿真模型，驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性。

1　柔性直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制策略

柔性直流的控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)其功能的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。本文將以模塊化多電平結(jié)構(gòu)的柔性直流輸電系統(tǒng)為例，介紹其控制策略?；谀K化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示[9-10]。

Rs、Ls分別為交流系統(tǒng)等效電阻和電感；P1、Q1分別為柔性直流傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率；Uac—交流系統(tǒng)電壓；ua、ia分別為柔性直流閥側(cè)電壓和電流的瞬時(shí)值；R、L分別為橋臂的電阻和電感；upa、una分別為上下橋臂等效電壓；ipa、ina分別為上、下橋臂電流；Udc—直流電壓；SM—MMC子模塊，sub-module的縮寫；N—子模塊數(shù)。圖1　柔性直流結(jié)構(gòu)

張野，等：基于電壓滯環(huán)的柔性直流改進(jìn)低電壓穿越控制策略研究以U相為例，由基爾霍夫電壓定律可得

(1)

(2)

式中uU為柔性直流輸出U相電壓。

將abc靜止坐標(biāo)系下的變量轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將式(1)dq解耦可得

(3)

式中：Ud、Uq分別為交流電壓d軸和q軸分量；Udc,d、Udc,q分別為柔性直流輸出電壓d軸和q軸分量；Id、Iq分別為交流電流d軸和q軸分量；kd,p、kq,p分別為d軸和q軸比例環(huán)節(jié)系數(shù)；kd,i、kq,i分別為d軸和q軸積分環(huán)節(jié)系數(shù)；Id,ref、Iq,ref分別為Id、Iq的參考值；ω為交流系統(tǒng)角頻率。

由此可得柔性直流系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

Udc,ref、P1,ref、Q1,ref、Uac,ref分別為直流電壓參考值、有功功率參考值、無(wú)功功率參考值和交流電壓參考值；Sm—無(wú)功功率控制目標(biāo)選擇信號(hào)；PI—比例積分控制器，proportion integral的縮寫；PWM—脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器，pulse width modulation的縮寫；①—選擇器。圖2　柔性直流控制結(jié)構(gòu)

柔性直流采用基于dq坐標(biāo)解耦的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于：首先，基于dq坐標(biāo)的解耦控制可以實(shí)現(xiàn)柔性直流輸出有功功率與無(wú)功功率的獨(dú)立控制；其次，外環(huán)功率控制可以實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)，有功類控制目標(biāo)包括有功功率與直流電壓，無(wú)功類控制目標(biāo)包括無(wú)功功率與交流電壓；而內(nèi)環(huán)電流控制又可以實(shí)現(xiàn)電流的快速響應(yīng)并對(duì)電流幅值進(jìn)行限制。

2　改進(jìn)的低電壓穿越控制策略

當(dāng)柔性直流接入的弱交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，受端系統(tǒng)電壓將大幅跌落。為支撐故障期間的系統(tǒng)電壓，柔性直流需要輸出大量的無(wú)功功率；然而，當(dāng)故障清除后系統(tǒng)電壓恢復(fù)時(shí)，柔性直流輸出的無(wú)功功率將反過(guò)來(lái)造成系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓。因此，需要合理地設(shè)計(jì)柔性直流的低電壓穿越控制策略，既要滿足故障期間支撐系統(tǒng)電壓的要求，又不能造成故障清除瞬間的系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓。

本文結(jié)合電壓滯環(huán)控制與無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置，提出了改進(jìn)的低電壓穿越控制策略，如圖3所示[11]。

ULV1、ULV2分別為低電壓穿越控制啟動(dòng)值和故障恢復(fù)判斷值；URMS—交流電壓有效值；Qac—輸出到交流系統(tǒng)的無(wú)功功率。圖中數(shù)值均為標(biāo)么值。圖3　基于電壓滯環(huán)的改進(jìn)低電壓穿越控制策略

低電壓穿越控制策略以交流電壓正序有效值為判據(jù)，并滿足1>ULV2>ULV1>0。本文取ULV1標(biāo)幺值為0.85，延時(shí)為5 ms；ULV2標(biāo)幺值為0.95，延時(shí)為15 ms。

在正常工況下，柔性直流的整流側(cè)控制直流母線電壓和無(wú)功功率，逆變側(cè)控制有功功率與無(wú)功功率。本文主要研究逆變側(cè)的控制策略，當(dāng)逆變側(cè)URMS大于ULV1并持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，故障開始信號(hào)SFS置0，無(wú)功功率控制目標(biāo)選擇信號(hào)Sm置0，柔性直流逆變側(cè)采用定無(wú)功功率控制，無(wú)功功率參考值通常為0，如圖4所示。

SLV、SLVR分別為低電壓穿越信號(hào)和恢復(fù)信號(hào);Iq,ref0—q軸電流分量初值;SFS、SFE分別為故障開始和恢復(fù)信號(hào);②—上升/下降沿觸發(fā)。圖4　基于電壓滯環(huán)的改進(jìn)低電壓穿越控制結(jié)構(gòu)

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，URMS小于ULV1并持續(xù)一定時(shí)間，SFS置1，故障結(jié)束信號(hào)SFE置0，Sm置1，柔性直流轉(zhuǎn)為故障期間的定交流電壓控制。此時(shí)，柔性直流為提升系統(tǒng)電壓，將盡最大可能發(fā)出無(wú)功功率，故障期間無(wú)功電流將很容易達(dá)到限幅，本文取無(wú)功電流限幅Iq,max標(biāo)幺值為0.9，對(duì)應(yīng)的有功電流限幅

(4)

故障期間暫態(tài)交流電壓的控制采用閉環(huán)控制，無(wú)功電流參考值取交流電壓閉環(huán)輸出值，而有功電流的控制采用開環(huán)控制，有功電流參考值取有功電流限幅值Id,max，如圖5所示。該策略可以使柔性直流在故障期間，優(yōu)先輸出無(wú)功功率支撐系統(tǒng)電壓，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖5　改進(jìn)后故障期間柔性直流的控制策略

當(dāng)故障清除后，系統(tǒng)電壓恢復(fù)。URMS大于ULV2，SFE置1，Sm置0，柔性直流恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時(shí)的定無(wú)功功率控制。但是，柔性直流控制由定交流電壓控制切換到定無(wú)功功率控制時(shí)，無(wú)功電流參考值依然為最大值，需要由無(wú)功電流內(nèi)環(huán)的PI控制緩慢地調(diào)整為穩(wěn)定值，因此故障清除后交流系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓。為減小控制結(jié)構(gòu)切換對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓的影響，本文取電壓恢復(fù)信號(hào)SLVR作為無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置的判斷信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)時(shí)，柔性直流控制結(jié)構(gòu)由定交流電壓控制切換到定無(wú)功功率控制，同時(shí)無(wú)功電流參考值也隨之置0，該策略可以有效地減少柔性直流故障后輸出的無(wú)功功率，從而減小對(duì)交流系統(tǒng)暫態(tài)電壓的沖擊。

3　PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證

本文以南方電網(wǎng)魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程的柔性直流模型為基礎(chǔ)，在PSCAD/EMTDC中搭建兩端電源等值系統(tǒng)模型，其中柔性直流額定容量為1 000 MVA，額定直流電壓為±350 kV，額定交流電壓為525 kV，變壓器變比為375 kV/525 kV，變壓器漏抗標(biāo)幺值為0.14。

兩端弱系統(tǒng)容量取“N-2”系統(tǒng)的容量，云南側(cè)系統(tǒng)容量取2016年“夏大極限”方式下羅平到魯西換流站“N-2”時(shí)的系統(tǒng)短路容量9 152 MVA，廣西側(cè)系統(tǒng)容量取2016年“夏小”方式下魯西到馬窩、魯西到百色“N-1-1”時(shí)的系統(tǒng)容量4 793 MVA，由此可知廣西側(cè)為弱交流系統(tǒng)，其暫態(tài)過(guò)電壓情況更為嚴(yán)重。

設(shè)定柔性直流輸送功率為1 000 MW，仿真時(shí)間2 s時(shí)，廣西側(cè)弱交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路接地故障，電壓瞬間跌落，如圖6所示。

圖6　交流系統(tǒng)電壓波形

當(dāng)柔性直流不采用低電壓穿越和無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置功能時(shí)，故障期間系統(tǒng)電壓跌落最深，而且故障清除后廣西側(cè)暫態(tài)過(guò)電壓達(dá)到了550 kV；當(dāng)柔性直流采用低電壓穿越控制，而不采用無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置功能時(shí)，故障期間，廣西側(cè)交流電壓明顯提高，但是故障清除后廣西側(cè)暫態(tài)過(guò)電壓更為嚴(yán)重達(dá)到了608 kV；當(dāng)柔性直流同時(shí)采用低電壓穿越和無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置功能時(shí)，故障期間廣西側(cè)電壓得到了有效支撐，而且故障清除后廣西側(cè)暫態(tài)過(guò)電壓只有547 kV，如圖7所示。

A—采用低電壓穿越、未采用無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置的方式，B—采用改進(jìn)低電壓穿越和無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置的方式，C—未采用低電壓穿越和無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置的方式。圖7　廣西側(cè)交流電壓波形

圖8為有、無(wú)采用無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置功能的無(wú)功功率輸出結(jié)果，對(duì)比可知：采用本文所提控制策略后，故障期間，柔性直流采用交流電壓閉環(huán)控制，可以輸出大量無(wú)功功率對(duì)交流系統(tǒng)電壓進(jìn)行有效支撐；故障清除瞬間，又可以通過(guò)無(wú)功電流調(diào)節(jié)器重置功能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的快速抑制，有效地減小其對(duì)交流系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓的影響。同時(shí)，柔性直流輸出的有功功率并沒有受影響，如圖9所示。

圖8　柔性直流無(wú)功功率波形

圖9　柔性直流有功功率波形

由此可見，采用本文所提出的基于電壓滯環(huán)的改進(jìn)低電壓穿越控制策略后，柔性直流可以在故障期間對(duì)交流系統(tǒng)電壓進(jìn)行支撐，同時(shí)還可以有效地減小故障清除后的交流系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文在詳細(xì)分析柔性直流內(nèi)外環(huán)控制策略與低電壓穿越控制策略的基礎(chǔ)上，提出了基于電壓滯環(huán)的柔性直流改進(jìn)低電壓穿越控制策略。該策略首先通過(guò)故障期間的交流電壓閉環(huán)控制與有功電流的開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障期間交流電壓的有效支撐；其次，該策略通過(guò)無(wú)功電流調(diào)節(jié)器的重置功能實(shí)現(xiàn)了故障清除瞬間無(wú)功功率的快速抑制，有效地減小了柔性直流對(duì)交流系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓的影響；最后利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，本文所提控制策略可以有效地提高故障期間柔性直流對(duì)系統(tǒng)電壓的支撐作用，同時(shí)還可以有效地減小其對(duì)交流系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓的影響。

[1] 張東輝, 馮曉東, 孫景強(qiáng), 等. 柔性直流輸電應(yīng)用于南方電網(wǎng)的研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2011,5(2)：1-6.

ZHANG Donghui, FENG Xiaodong, SUN Jingqiang, et al. Research of VSC HVDC Application to China Southern Power Grid[J]. Southern Power System Technology, 2011,5(2):1-6.

[2] 劉濤, 李婧靚, 李明, 等. 南方電網(wǎng)魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2014,8(6)：18-22.

LIU Tao, LI Jingjing, LI Ming, et al. Control and Protection System Design of Luxi Back-to-back Asynchronous Interconnection HVDC Project of China Southern Power Grid[J]. Southern Power System Technology, 2014,8(6):18-22.

[3] 張東輝, 洪潮, 周保榮, 等. 云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2014, 8(6)：1-6.

ZHANG Donghui, HONG Chao, ZHOU Baorong, et al. Asynchronous Interconnection System Scheme for Yunnan Power Grid and the Main Grid of China Southern Power Grid[J]. Southern Power System Technology, 2014, 8(6):1-6.

[4] 楊少坤, 尹明, 劉文麗, 等. 背靠背型柔性直流輸電的建模及其控制[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,34(5)：44-47.

YANG Shaokun, YIN Ming, LIU Wenli, et al. Modeling and Control of Back-to-back VSC-HVDC[J]. Journal of North China Electric Power University, 2007,34(5):44-47.

[5] 管敏淵, 徐政, 潘武略, 等. 電網(wǎng)故障時(shí)模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)的分析與控制[J]. 高電壓技術(shù)，2013,39(5)：1238-1245.

GUAN Minyuan, XU Zheng, PAN Wulue, et al. Analysis and Control of Modular Multilevel Converter Based HVDC Transmission System During Grid Faults[J]. High Voltage Engineering, 2013,39(5)：1238-1245.

[6] 趙靜, 趙成勇, 孫一瑩, 等. 模塊化多電平直流輸電聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的低電壓穿越技術(shù)[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2013, 37(3)：726-732.ZHAO Jing, ZHAO Chengyong, SUN Yiying, et al. Low Voltage Ride-through for Wind Farms Connected to Power Grid via MMC-based HVDC Transmission[J]. Power System Technology, 2013, 37(3)：726-732.

[7] 王姍姍, 周孝信, 湯廣福, 等.交流電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)模塊化多電平換流器HVDC運(yùn)行特性的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(2):17-24.

WANG Shanshan, ZHOU Xiaoxin, TANG Guangfu, et al. Influence of AC System Strength on Operating Characteristic of MMC-HVDC System[J]. Power System Technology, 2011，35(2):17-24.

[8] 栗然, 李增輝. 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)低電壓穿越后機(jī)端高電壓現(xiàn)象分析[J]. 現(xiàn)代電力, 2013, 30(1):55-59.

LI Ran, LI Zenghui. Analysis on the Terminal High Voltage of Doubly Fed Induction Generator after Occuring Low Voltage Ride Through[J]. Modern Electric Power, 2013, 30 (1):55-59.

[9] 顧益磊, 唐庚, 黃曉明, 等. 含多端柔性直流輸電系統(tǒng)的交直流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013, 37 (15):27-34.GU Yilei, TANG Geng, HUANG Xiaoming, et al. Dynamic Characteristic Analysis of Hybrid AC/DC Power Grid with Multi-terminal HVDC Based on Modular Multilevel Converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(15):27-34.

[10] 徐政. 柔性直流輸電系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[11] 郎永強(qiáng), 張學(xué)廣, 徐殿國(guó), 等. 雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率分析及控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27 (9):77-82.LANG Yongqiang, ZHANG Xueguang, XU Dianguo, et al. Reactive Power Analysis and Control of Doubly Fed Induction Generator Wind Farm[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27 (9):77-82.

(編輯霍鵬)

Research on Control Strategy for Improved Low Voltage Ride-through of VSC-HVDC Based on Voltage Hysteresis

ZHANG Ye, ZHOU Baorong, ZHANG Donghui, TU Liang, XIONG Qing

(Electric Power Research Institute of CSG, Guangzhou, Guangdong 510080, China)

VSC-HVDC can keep grid-connection operation during the period of fault of receiving-end weak AC system as well as ensure output reactive power to support system voltage. But at the moment of system voltage recovery, the output reactive power can not be recovered immediately, which will cause transient over-voltage of the AC system. In allusion to the above problem, this paper firstly introduces decoupling control strategies for active power and reactive power under VSC-HVDCdqrotational coordinate. Then it analyzes control strategy for low voltage ride-through during the period of fault of weak AC system with VSC-HVDC and proposes improved low voltage ride-through control strategy which can not only output reactive power to support the system voltage but also recover reactive power to zero at the moment of fault recovery and reduce impact on AC system. It finally establish a simulation model for VSC-HVDC in PSCAD/EMTDC and verifies validity of the control strategy.

VSC-HVDC; low voltage ride-through; voltage hysteresis control; reactive power control; voltage recovery

2016-04-13

2016-06-24

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司青年創(chuàng)新基金

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.017

TM721.1

A

1007-290X(2016)09-0084-05

張野(1986)，男，遼寧錦州人。工程師，工學(xué)博士，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、柔性直流輸電技術(shù)方面的研究工作。

周保榮(1974)，男，寧夏石嘴山人。教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的研究工作。

張東輝(1984)，男，安徽合肥人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的研究工作。