蔡明，陳濤，張松光，岳偉，劉小勇

(1. 廣東電網有限責任公司，廣東 廣州510620；2. 廣東電網有限責任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515041；3.榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114000)

隨著電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的快速發(fā)展，基于其的柔性直流輸電(VSC based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)技術成為直流輸電技術的主流趨勢。傳統(tǒng)直流輸電以雙端單點直流電壓控制較多，而多端VSC-HVDC技術可實現(xiàn)多個電源區(qū)向多個負荷區(qū)供電，換流站既可以作為整流站也可以作為逆變站，充分體現(xiàn)了多端VSC-HVDC系統(tǒng)的靈活性和經濟性[1-2]。

多端VSC-HVDC系統(tǒng)是在同一直流網絡中，含有2個以上VSC換流站的VSC-HVDC系統(tǒng)，其最顯著的特點是能夠實現(xiàn)多電源供電、多落點受電。作為一種靈活快捷的輸電方式，多端VSC-HVDC技術在風電等新能源并網、構筑城市直流配電網等領域具有廣闊的應用前景。目前，直流電壓控制有主從控制、直流電壓偏差控制及直流電壓斜率控制3種模式，其中主從控制實現(xiàn)簡單，但對換流站間的通信要求較高，換流站間通信的準確性直接影響控制效果[3-4]；電壓偏差控制無需站間通信，但設計復雜，控制器參數(shù)的選取會對控制效果造成影響[5-7]；直流電壓斜率控制無需站間通信，結構簡單，根據(jù)各換流站不同的容量特性設定各自的斜率和不同的調差特性曲線，可實現(xiàn)多個換流站共同作用、同時決定系統(tǒng)運行狀態(tài)，能夠彌補只采用一個換流站作為主站進行直流電壓控制的缺陷[8-10]。關于直流電壓斜率下垂控制，文獻[11-15]中提到了下垂控制的具體實現(xiàn)方法和控制結果，但均未考慮到直流輸電線路阻抗對多點定直流電壓換流站功率分配的影響，以致在系統(tǒng)功率波動時引起直流電壓偏移，以及功率分配不能精確跟隨設定值和各換流站容量比例。

本文分析了多端VSC-HVDC的功率協(xié)調控制，提出一種適用于兩端及多端VSC-HVDC系統(tǒng)直流電壓控制換流站的功率分配協(xié)調控制策略；所提控制策略可實現(xiàn)單點和多點定直流電壓控制換流站依據(jù)各站容量以及運維人員的設定合理分配負荷功率，消除因負荷功率變化引起的直流電壓偏移和功率分配誤差。

1 多端VSC-HVDC系統(tǒng)結構

多端VSC-HVDC系統(tǒng)指的是在同一直流網架下，含有2個以上VSC換流站的VSC-HVDC系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)多電源供電，多落點受電。三端VSC-HVDC系統(tǒng)簡化結構如圖1所示。

圖1 三端VSC-HVDC系統(tǒng)簡化結構Fig.1 Simplified structure of three-terminal VSC-HVDC system

圖1中，R1、R2和R3為直流線路電阻，T1、T2和T3為換流站。各個換流站通過直流側線路接到直流母線上，每個換流站交流側所接既可以為有源系統(tǒng)，也可以為無源系統(tǒng)，因此每個換流站的控制方式可能不同。為了維持各個換流站交換功率平衡，必須有至少一個換流站采用定直流電壓控制，以維持直流側電壓的穩(wěn)定。

在基于VSC的多端VSC-HVDC系統(tǒng)中，除了負責控制直流電壓的換流站外，還有功率節(jié)點，每個換流站向多端直流網絡發(fā)出或吸收設定的有功功率。對交流側來說，有功功率和無功功率可以同時獨立進行調節(jié)，多端VSC-HVDC系統(tǒng)中各換流站的有功功率控制模式主要為定有功功率控制和無源系統(tǒng)的電壓頻率控制兩種[16-21]。

2 常規(guī)多端協(xié)調控制策略

多端VSC-HVDC系統(tǒng)比兩端系統(tǒng)具有更高的經濟性和靈活性，但是其控制器的設計更為復雜，多端VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器主要有帶通信的控制和不帶通信的控制兩種模式。前者的控制方式為主從控制，即所有換流站中有一個換流站為主站，負責穩(wěn)定直流電壓和功率平衡；后者的控制方式主要為直流電壓偏差控制和直流電壓斜率控制。直流電壓偏差控制實質上是在定直流電壓主站故障退出運行后，后備定直流電壓從站能夠檢測到直流電壓偏差，并自動轉入定直流電壓模式，與帶通信的主從控制有相似性；采用直流電壓斜率控制器的多端系統(tǒng)，各換流站有獨立的功率與直流電壓關系曲線，可以實現(xiàn)不同運行情況下的直流功率快速平衡和分配。常規(guī)工程中采用的是較為簡單可靠的、帶通信的主從控制和電壓偏差控制。

在已有工程中，更多的是采用帶通信的控制，站間有帶冗余的通信光纖，南澳三端系統(tǒng)為典型的帶站間通信控制的多端系統(tǒng)?；谥鲝目刂频亩喽讼到y(tǒng)中，定直流電壓站一般選取功率最大站，同時也是多端系統(tǒng)的主站，其他站則被選取為定功率站。在正常運行模式下，主換流站控制直流系統(tǒng)的直流電壓，其他換流站按照設定的有功功率點運行，不參與直流電壓調節(jié)；當直流電壓過高時，附加控制啟動過壓限流控制，將系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定下來，如圖2中定功率站的虛線部分。圖2中，Udc為直流電壓，Udcref為直流電壓參考值，Idc為直流電流，Imax、Imin分別為允許直流電流的最大值和最小值，Idcref為直流電流參考值。

如果系統(tǒng)多個送端為新能源并網等純送電電源，或經交流聯(lián)絡線存在第二送電通道時，當唯一受端退出運行，送端亦將退出運行，系統(tǒng)不設置從換流站。以南澳工程為例(如圖2所示)，空心點為各換流站的實際運行工作點，圖中2個定功率站為送端，受端為定直流電壓站，受端功率等于2個送端功率之和。當受端交流系統(tǒng)故障或其他原因導致直流電壓上升，2個送端啟動過壓限流功能，送端功率減小，直至直流電壓恢復至正常水平；當受端換流站故障退出運行時，送端2個送電換流站也退出，三端停運，轉為交流送能。

圖2 基于簡單控制的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略Fig.2 Control strategy for multi-terminal VSC-HVDC system based on simplified control

如果系統(tǒng)設置了從換流站，當主換流站因故障退出運行時，主換流站控制系統(tǒng)會向從換流站發(fā)出控制模式切換命令，從換流站接替主換流站完成功率平衡的任務，同時穩(wěn)定直流電壓，其他換流站保持原有控制模式不變。

若多端直流系統(tǒng)設置帶有直流電壓偏差控制的換流站，當負責定直流電壓的主換流站出現(xiàn)故障退出運行后，直流電網功率失衡，換流站注入直流網絡的功率大于或小于換流站從直流電網吸收的功率；因此直流電壓升高或降低，當達到從換流站的電壓閾值時，從換流站自動轉換為定直流電壓控制。

3 基于電壓-電流下垂控制的多端協(xié)調控制策略

3.1 多點定直流電壓-電流下垂控制

多端VSC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要前提是直流電壓穩(wěn)定，除了采用帶通信的主從控制和電壓偏差控制外，目前研究熱點是多點定電壓電流下垂控制，可支持更多節(jié)點的直流網絡。多點定直流電壓下垂控制策略通過預先設計各站的下垂特性，保證各定直流電壓換流站按照各站容量比例輸出，提高多端VSC-HVDC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

定直流電壓斜率控制有電壓-有功功率下垂控制和電壓-電流下垂控制兩種方式，本文采用直流電壓-電流下垂控制，圖3所示為其特性曲線。采用直流電壓-電流下垂特性控制，可實現(xiàn)多站控制直流電壓時的動態(tài)分擔負載；同時，各站有自己的最大允許直流電流Imax(目前采用額定直流電流)，當Idc超出允許時，將轉入限流控制，不再維持Udc，斜率rdr一般按容量進行整定。

圖3 直流電壓-電流下垂特性Fig. 3 Droop characteristic of DC voltage and current

直流電壓-電流下垂控制結構框圖如圖4所示，首先根據(jù)交流側有功功率參考值Pref和直流側額定電壓Udcref計算得到直流電流參考值Idcref，經過下垂控制得到直流電壓控制參考值Udcref，將其與采樣得到的直流電壓Udc進行比較，并經過比例積分(proportional integral，PI)調節(jié)器調節(jié)得到電流內環(huán)參考值idref(另加下標max和min分別表示該值的最大和最小值)，LPF為低通濾波器。

圖4 定直流電壓站控制結構Fig. 4 Control diagram of constant DC voltage station

3.2 附加電壓調節(jié)的多端定有功功率控制

圖5所示為多端有功功率控制換流站定有功功率對外特性圖。當Udc在一定范圍內(如額定±3%)時，控制有功功率等于設定值；當Udc超出范圍并且Udc在最大允許范圍內時，采用定直流電壓的下垂特性控制；當Udc超出最大允許范圍時，轉入限流控制；具體控制策略如圖6所示。定功率站控制采用3個PI調節(jié)器，其中：2個PI調節(jié)器對給定電壓進行下垂特性調整；1個PI調節(jié)器對有功進行調整，確保當Udc在范圍內時，對有功功率的調節(jié)是無差的。通過對3個調節(jié)器的輸出取最大/最小操作，保證三者之間的穩(wěn)態(tài)切換；任何一個調節(jié)器起作用時，通過退飽和調節(jié)器動態(tài)設定其他兩個調節(jié)器中的積分輸出，保證三者之間的動態(tài)平穩(wěn)切換。圖6中，ki_Vdc為直流電壓調節(jié)器的積分模塊、kp_Vdc為直流電壓調節(jié)器的比例模塊、ki_p為有功調節(jié)器的積分模塊、kp_p為有功調節(jié)器的比例模塊、P為1個比例模塊。

圖5 定功率站對外特性Fig. 5 External characteristic of constant power converter station

4 基于二次功率協(xié)調控制的多端協(xié)調控制策略

4.1 二次功率協(xié)調調整控制

定直流電壓斜率控制有2個問題：①由于定直流電壓站采用了直流電壓斜率控制，當實際功率偏離下垂特性設計的額定功率，會導致Udc抬升或降低偏移額定電壓；②當涉及到多個定直流電壓站之間的功率分配時，在未考慮線路電阻的影響時，其值的準確性將直接影響控制效果，這將直接導致多個定直流電壓控制站之間的功率分配偏離設計的分配比例。

因此，對定直流電壓站m(1≤m≤n)，將其有功功率之和乘以系數(shù)km作為該站有功功率的設定值，設定值與反饋值進行比較后，經PI調節(jié)，與設定值疊加，生成該站直流電壓斜率控制的有功指令，兩站控直流電壓時二次調整如圖7所示。圖7中，Pf為有功功率反饋值，Pfbk為有功功率反饋值經濾波后的值。

圖7 2個定電壓站集控中心控制框圖Fig. 7 Control diagram of centralized control center of two constant DC voltage stations

4.2 多點定直流電壓控制器設計

多站采用直流電壓控制時的功率協(xié)調控制策略如圖8所示，n為多端VSC-HVDC系統(tǒng)中定直流電壓站個數(shù)，Pf1,Pf2, …,Pfn為各定直流電壓站有功功率反饋值；Pfbk1,Pfbk2, …,Pfbkn分別為各定直流電壓站有功功率反饋值經濾波后的值；PI1, PI2, …, PIn分別為各定直流電壓站比例積分器；Pref1,Pref2, …,Prefn分別為功率分配控制生成的各定直流電壓站直流電壓斜率控制的有功指令；PN1,PN2, …,PNn分別為各定直流電壓站額定有功功率；k1,k2, …,kn分別為各定直流電壓站可設定的有功功率分配系數(shù)。各定直流電壓站輸出有功功率按照各站額定有功功率進行比例分配，滿足

(1)

5 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC平臺上搭建三端VSC-HVDC系統(tǒng)模型，其中2個換流站采用定直流電壓斜率控制，1個換流站采用定有功功率控制，仿真系統(tǒng)參數(shù)設置見表1，設置相關參數(shù)時，在不同時間段下降斜率和直流線路電阻值不同。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation system

設T1、T2按2∶1吸收T3發(fā)出的100 MW有功功率，直流線路在各時間段內的電阻值見表2，下降斜率k2=2k1，在控直流電壓換流站未使用和使用二次功率協(xié)調控制時的仿真波形如圖9所示。

表2 線路電阻Tab.2 Resistance of DC transmission lines

由圖9可以看出，在定直流電壓換流站使用二次協(xié)調控制后，由于功率分配部分根據(jù)各定直流電壓站的實際有功功率不斷修正直流電壓斜率控制的有功功率參考值，使得各定直流電壓站按照設定比例分配有功功率，并在線路阻抗發(fā)生變化時不影響各站的功率分配。

圖9 輸出有功功率波形Fig.9 Output active power waveforms

T3發(fā)出50 MW有功功率，6～8 s后，T3發(fā)出150 MW有功功率，未使用二次協(xié)調控制的功率分配和直流電壓仿真波形，以及使用功率協(xié)調控制后的直流電壓波形如圖10所示。由于采用直流電壓斜率控制，當T3功率階躍、系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時，實際功率偏離了下垂特性設計的額定功率，會導致直流電壓偏移額定電壓。使用二次功率協(xié)調控制后，由于引入功率分配，不斷修正直流電壓斜率控制有功功率參考值，使得不同負載穩(wěn)態(tài)時直流電壓穩(wěn)定在額定值附近。

圖10 直流側電壓波形Fig. 10 Waveform of DC voltage

6 結論

本文提出一種多端柔VSC-HVDC系統(tǒng)改進的直流電壓下垂控制策略，通過在單點或多點定直流電壓控制換流站控制中引入二次功率協(xié)調控制，消除直流輸電線路阻抗，使得功率分配不受輸電線路阻抗影響，能夠準確跟蹤系統(tǒng)設定值；該策略可為多端VSC-HVDC系統(tǒng)的工程應用提供理論依據(jù)。

通過PSCAD仿真，驗證了在直流電壓下垂控制基礎上二次功率協(xié)調控制的正確性，以及對未使用和使用功率二次協(xié)調控制的直流電壓下垂控制在多端VSC-HVDC系統(tǒng)功率發(fā)生階躍時進行了比較分析；相關結果表明功率協(xié)調控制能夠在功率階躍的情況下保持直流電壓穩(wěn)定不產生偏移，提高整個多端VSC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。