袁志昌， 吳志力， 金 強(qiáng)， 姜世公， 黃 寅

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市 100084; 2. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司， 北京市 102209;3. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司， 安徽省合肥市 230061)

0 引言

多端柔性直流輸電(voltage source converter based multi-terminal DC，VSC-MTDC)基于電壓源換流器技術(shù)，同過直流線路將多個(gè)電源或電網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)潮流的靈活控制。自從中國(guó)的南澳和舟山的多端柔性直流工程先后投運(yùn)，多端直流(MTDC)技術(shù)在海上風(fēng)電并網(wǎng)、海島及負(fù)荷中心供電、交流電網(wǎng)異步互聯(lián)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注和研究[1-4]。

目前在交流電網(wǎng)異步互聯(lián)領(lǐng)域，已投運(yùn)的工程包括美國(guó)Eagle Pas-Texas背靠背工程、英國(guó)—愛爾蘭聯(lián)網(wǎng)工程、魯西背靠背工程等[5-7]。這些工程通常側(cè)重其異步隔離的功能，按照預(yù)設(shè)的傳輸功率值運(yùn)行，將交流電網(wǎng)的故障限制在自身區(qū)域內(nèi)，防止影響另一側(cè)電網(wǎng)。然而，當(dāng)柔性直流輸送功率對(duì)于送受端交流電網(wǎng)的容量來說占有很大的比例時(shí)，也應(yīng)該考慮其在交流電網(wǎng)之間發(fā)揮事故支援的能力，因?yàn)槿嵝灾绷鞯囊粋€(gè)突出優(yōu)勢(shì)在于傳輸?shù)挠泄?、無功功率都可以在數(shù)十毫秒級(jí)別快速精確調(diào)整，將這種受控的快速調(diào)節(jié)能力發(fā)揮出來，可以提高整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，同時(shí)避免系統(tǒng)間的事故傳遞。

基于柔性直流的異步互聯(lián)系統(tǒng)頻率支援控制是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的手段之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域提出了各種方法，從技術(shù)路線上可以分成以下幾類：基于站間通信的主從式控制[8-10]、通過直流電壓傳遞頻率偏差的主從式控制[11-12]、附加頻率調(diào)節(jié)的下垂控制[13-15]、虛擬同步機(jī)類的控制方法[16-19]。其中主從式控制方法對(duì)站間通信的要求較高，另外換流站故障后的切換也比較復(fù)雜，這限制了其應(yīng)用范圍。虛擬同步機(jī)類的控制方法則結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，參數(shù)整定的難度高。附加頻率調(diào)節(jié)的下垂控制具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靈活擴(kuò)展端數(shù)、不依賴通信的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程實(shí)用性。然而其直流電壓通常不能維持在額定值，尤其當(dāng)頻率出現(xiàn)較大擾動(dòng)時(shí),直流電壓偏離額定值過大可能引起直流系統(tǒng)運(yùn)行的中斷，不利于保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

為此，本文提出一種含有直流電壓二次調(diào)節(jié)的頻率穩(wěn)定控制方法，在不損失頻率調(diào)節(jié)能力的前提下，可以保證直流電壓恢復(fù)至額定值。在PSCAD中通過一個(gè)三端柔性直流系統(tǒng)的仿真以及與現(xiàn)有方法對(duì)比驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

1 基于柔性直流的異步互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)用于多個(gè)交流電網(wǎng)異步互聯(lián)的三端柔性直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：AC1～AC3代表三個(gè)交流電網(wǎng)，VSC1～VSC3代表三個(gè)柔性直流換流站。在研究系統(tǒng)總體特性時(shí)，可以將每個(gè)交流系統(tǒng)等效成一個(gè)等值發(fā)電機(jī)和等值負(fù)荷的模型，交流電網(wǎng)與柔性直流換流器之間通過等值電抗代表。由于電壓源型換流器的柔性直流換流站可以主動(dòng)控制各端直流電壓的大小，從而控制直流電網(wǎng)的潮流流向，這就為多端直流和直流電網(wǎng)的形成奠定了基礎(chǔ)，因此異步互聯(lián)系統(tǒng)的端數(shù)可以根據(jù)電網(wǎng)需要擴(kuò)展到更多端數(shù)。

圖1 基于VSC-MTDC的異步互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of asynchronous interconnected system connected based on VSC-MTDC

柔性直流換流站通常采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的dq軸電流結(jié)構(gòu)控制[7]，這一控制結(jié)構(gòu)在變頻調(diào)速、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)、風(fēng)電變流器等電壓源換流器中已獲得廣泛應(yīng)用，是一種成熟的技術(shù)方案。內(nèi)環(huán)電流控制調(diào)整電壓源換流器(VSC)輸出電壓的相位和幅值，其目標(biāo)是無差地跟蹤設(shè)定dq軸電流參考值。而dq軸電流參考值則由外環(huán)控制器計(jì)算得到，通常情況下，d軸電流根據(jù)換流站需輸出的有功功率或直流電壓值決定，而q軸電流根據(jù)換流站需輸出的無功功率或交流側(cè)電壓決定。

2 下垂控制及其頻率附加控制

2.1 下垂控制

多端柔性直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法包括主從控制、下垂控制和功率裕度控制。主從控制需要?jiǎng)澐种髡竞蛷恼?，并且需要在多個(gè)換流站之間建立可靠的通信以實(shí)現(xiàn)故障后主站和從站的切換，這就增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也降低了其可靠性和靈活性。下垂控制中每個(gè)站的控制器結(jié)構(gòu)是相同的，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率變化或者拓?fù)渥兓瘯r(shí)，各換流端根據(jù)預(yù)設(shè)的功率—電壓下垂特性自動(dòng)分配功率增量，無需做模式的切換。功率裕度控制是介于主從和下垂之間的一種方法，穩(wěn)態(tài)時(shí)工作在主從方式，當(dāng)系統(tǒng)受故障影響偏離穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換至下垂控制模式。

由于下垂控制無需通信、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)，因而更適合用于多端柔性直流系統(tǒng)。傳統(tǒng)的下垂內(nèi)環(huán)電流控制的參考電流idref由直流電壓和傳輸功率共同決定，如式(1)所示。

(1)

式中：Pref和Udcref分別為系統(tǒng)額定運(yùn)行點(diǎn)的有功功率和直流電壓；P和Udc分別為當(dāng)前時(shí)刻的有功功率和直流電壓測(cè)量值；Kp1和Ki1分別為比例—積分(PI)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；KD為下垂斜率。在PI調(diào)節(jié)器的作用下，當(dāng)流入交流側(cè)的功率增大或減小時(shí)，直流電壓按照斜率KD的線性特性自動(dòng)下垂。

2.2 含頻率附加調(diào)節(jié)的下垂控制

單純的電壓—功率下垂控制無法對(duì)交流系統(tǒng)的頻率波動(dòng)做出響應(yīng)，為了實(shí)現(xiàn)這種功能，文獻(xiàn)[13]提出在下垂控制的功率參考值中附加一個(gè)頻率外環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，為了防止頻率微小的頻率波動(dòng)引起參考功率頻繁變化，在頻率—功率下垂特性中設(shè)置了死區(qū)[14]，如圖2(b)所示，僅當(dāng)頻率低于下限fl或超過上限fh時(shí)參考功率才會(huì)變化，變化的斜率為Kf，文獻(xiàn)[14]中設(shè)置的死區(qū)大小為0.1 Hz。文獻(xiàn)[15]提出的使功率隨電壓平方呈下垂的策略，也可以獲得相似的控制效果。

圖2 含附加頻率控制的換流站下垂控制Fig.2 Droop control for converter station with auxiliary frequency control

互聯(lián)的每個(gè)換流站都采用如圖2所示的下垂控制后，任意一個(gè)交流區(qū)域的頻率變化超過死區(qū)設(shè)定值之后，都會(huì)引起換流站輸出功率的變化，直接調(diào)節(jié)交流電網(wǎng)頻率。同時(shí)，在電壓—功率下垂特性的作用下，直流電壓也會(huì)相應(yīng)地上下調(diào)節(jié)，并自然地傳遞到互聯(lián)的其他換流站。這些換流站根據(jù)直流電壓的變動(dòng)改變輸出功率，這樣就實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)的各個(gè)交流系統(tǒng)同時(shí)支援發(fā)生頻率擾動(dòng)的交流系統(tǒng)，從整體上降低功率缺額引起的頻率偏差。從上述工作原理可以看出，下垂控制也是利用了直流電壓作為傳遞各個(gè)異步互聯(lián)系統(tǒng)頻率波動(dòng)信息的媒介。

3 含直流電壓二次調(diào)節(jié)的頻率控制

3.1 控制器設(shè)計(jì)

直流電壓是柔性直流系統(tǒng)中的一個(gè)重要電氣量，為保證設(shè)備安全和系統(tǒng)正常運(yùn)行，通常要求直流電壓與額定值的偏差不能超過一定的閾值，比如正在討論的國(guó)標(biāo)中規(guī)定中低壓直流系統(tǒng)的運(yùn)行電壓與額定值的偏差不超過10%，在已投運(yùn)的柔性直流系統(tǒng)中，直流電壓低于0.9(標(biāo)幺值)或超過1.1時(shí)，往往引起直流系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作。

為了減小多端柔性直流系統(tǒng)直流電壓的偏差，本文提出一種具有直流電壓二次調(diào)壓能力的頻率穩(wěn)定控制方法，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。與圖2所示的現(xiàn)有方法相比，本方法增加了一個(gè)與直流電壓偏差相關(guān)的附加功率項(xiàng)ΔPUDC，其值由直流電壓反饋值和參考值的誤差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)計(jì)算得到，如式(2)所示。

(2)

式中：Kp2和Ki2分別為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

圖3 含直流電壓二次調(diào)節(jié)的控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of controller with DC voltage secondary regulation

將該附加功率項(xiàng)ΔPUDC疊加到換流站有功功率參考值上，其效果相當(dāng)于改變了直流電壓—有功功率下垂曲線的截距，在其調(diào)控作用下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，可以將直流電壓恢復(fù)至設(shè)定值Udcref。

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)方法

觀察圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，附加頻率控制中，交流電網(wǎng)頻率偏差經(jīng)過放大后形成功率增量ΔPf，該功率增量疊加到換流站初始功率參考值Pref0之上，累加得到Pref，此后的環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)下垂控制相同。因此附加頻率控制的作用是將直流電壓—功率的下垂曲線左右平移。當(dāng)交流電網(wǎng)頻率跌落時(shí)，計(jì)算出的功率增量ΔPf大于零，下垂曲線右移，換流站向交流電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄υ黾?，幫助交流電網(wǎng)恢復(fù)頻率穩(wěn)定。同時(shí)，由于流出直流系統(tǒng)的功率增加，直流電壓相應(yīng)降低。其他換流站在直流電壓—功率下垂曲線的作用下，減小向交流電網(wǎng)傳輸?shù)墓β?，或者增加從交流電網(wǎng)吸收的功率，這樣，就實(shí)現(xiàn)了從無擾動(dòng)的交流系統(tǒng)向發(fā)生擾動(dòng)的交流系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)備用的支援作用。觀察式(1)的控制規(guī)律，下垂特性由單純的代數(shù)關(guān)系表征，沒有積分或延時(shí)環(huán)節(jié)，因此其動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要由PI環(huán)節(jié)的參數(shù)Kp1和Ki1決定。

如圖3所示，直流電壓二次調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)根據(jù)直流電壓與設(shè)定值的偏差計(jì)算功率增量ΔPUDC，也疊加到功率參考值上，因此其原理與頻率調(diào)節(jié)相同，也是通過改變下垂曲線的截距實(shí)現(xiàn)左右平移。與頻率調(diào)節(jié)通過比例系數(shù)直接將偏差放大參與下垂曲線計(jì)算不同，直流電壓偏差ΔUDC通過一個(gè)PI環(huán)節(jié)計(jì)算得到功率增量ΔPUDC，通過改變PI環(huán)節(jié)的參數(shù)Kp2和Ki2，可以調(diào)整直流電壓偏差參與下垂曲線計(jì)算的響應(yīng)時(shí)間。

對(duì)于頻率調(diào)節(jié)和直流電壓調(diào)節(jié)兩個(gè)目標(biāo)，頻率調(diào)節(jié)是主要目標(biāo)，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后，柔性換流站應(yīng)該盡可能快地響應(yīng)，增減功率以參與調(diào)頻。此外，直流電壓偏差作為傳遞頻率偏差信息的媒介，也應(yīng)該允許其在擾動(dòng)發(fā)生之后的一段時(shí)間內(nèi)快速調(diào)整，通過直流電壓—功率的下垂特性自動(dòng)將功率變化量分配到全體換流站。直流電壓調(diào)節(jié)是相對(duì)次要的一個(gè)目標(biāo)，可以等前述頻率調(diào)節(jié)的過程結(jié)束后，再緩慢地變化下垂曲線的截距，逐步將直流電壓恢復(fù)至設(shè)定值。

根據(jù)這一原則，在標(biāo)么值系統(tǒng)下，本文將決定頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間的PI參數(shù)Kp1和Ki1設(shè)計(jì)為Kp1=1，Ki1=10，決定直流電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間的PI參數(shù)設(shè)計(jì)為Kp2=0.2，Ki2=1，將兩個(gè)PI的階躍響應(yīng)時(shí)間明顯區(qū)分，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和二次電壓調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)匹配。Kf的大小取決于換流站可參與交流電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的功率裕度，KD的大小通常取決于各個(gè)換流站額定容量的大小及預(yù)期的功率分配特性。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的控制算法，在PSCAD/EMTDC中建立了圖1所示的三端柔直系統(tǒng)仿真模型，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Parameters of simulation system

仿真的時(shí)序如下：t=0～1 s之間，系統(tǒng)啟動(dòng)，柔性直流換流站建立直流電壓，傳輸設(shè)定的功率，定義從交流系統(tǒng)流向直流電網(wǎng)的功率為正方向，三個(gè)換流站的功率分別為P1=500 MW，P2=400 MW，P3=-100 MW；在t=2 s時(shí)刻，區(qū)域3有一組容量為300 MW的負(fù)荷投入運(yùn)行，由于該區(qū)域備用容量較小，其頻率跌落到約49 Hz。從圖4所示的頻率曲線可以看出，區(qū)域1和區(qū)域2的頻率未發(fā)生變化，這兩個(gè)區(qū)域均未參加對(duì)區(qū)域3的頻率支援。

圖4 未施加頻率支援控制的頻率曲線Fig.4 Frequency curves without frequency support control

在該仿真模型上分別驗(yàn)證了圖2所示的僅含頻率調(diào)節(jié)的控制方法和圖3所示的含有直流電壓二次調(diào)節(jié)的控制方法，并與常規(guī)控制相比較。

圖5為區(qū)域3的電網(wǎng)頻率，常規(guī)控制下，柔性直流換流站不參與電網(wǎng)調(diào)頻，頻率跌至49 Hz，而加入頻率調(diào)節(jié)后，電網(wǎng)頻率可恢復(fù)值49.5 Hz以上，附加直流電壓二次調(diào)節(jié)后，頻率調(diào)節(jié)的效果并沒有太大區(qū)別，仍可恢復(fù)值49.5 Hz以上。

圖5 三種控制方法下區(qū)域3的頻率曲線Fig.5 Frequency curves at area 3 under three control methods

圖6所示為直流側(cè)極間電壓。常規(guī)控制下，直流電壓維持在額定電壓值700 kV，然而其不具備頻率調(diào)節(jié)的功能。附加頻率調(diào)節(jié)后，換流站提升直流輸出功率參與交流電網(wǎng)調(diào)頻，在下垂特性作用下，直流電壓跌落至625 kV，低于0.9(標(biāo)幺值)。增加本文提出的直流電壓二次調(diào)節(jié)后，直流電壓在頻率擾動(dòng)之后的一段時(shí)間內(nèi)也會(huì)跌落(3 s以前)，最低值跌落到650 kV，隨后直流電壓二次調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，直流電壓緩慢恢復(fù)，至20 s后，可以恢復(fù)至額定值。

圖6 三種控制方法下的直流電壓曲線Fig.6 DC voltage curves under three control methods

5 結(jié)語(yǔ)

利用柔性直流快速精確的功率控制能力實(shí)現(xiàn)異步互聯(lián)交流系統(tǒng)間頻率支援控制，是提高互聯(lián)系統(tǒng)安全穩(wěn)定一種有效途徑。本文提出一種含直流電壓二次調(diào)節(jié)的頻率穩(wěn)定控制策略，將直流電壓偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)計(jì)算出的功率增量附加到下垂控制的參考功率上。在整定控制參數(shù)時(shí)，將d軸參考電流的PI計(jì)算環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)在1 s以內(nèi)，而將直流電壓二次調(diào)節(jié)的PI環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為10 s左右，通過兩者響應(yīng)時(shí)間的匹配實(shí)現(xiàn)兩種控制目標(biāo)的兼顧。仿真分析表明，該方法可保證頻率支援控制的效果，同時(shí)在頻率調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，直流電壓可以緩慢恢復(fù)至額定值，防止由于直流電壓偏差破壞柔性直流系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而提高多端柔性直流系統(tǒng)的運(yùn)行性能和可靠性。如何根據(jù)互聯(lián)交流系統(tǒng)的容量和調(diào)頻特性設(shè)定MTDC下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)后互聯(lián)系統(tǒng)的頻率全局最優(yōu)控制是進(jìn)一步研究的方向。