李 慧范新橋

(北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,北京海淀100192)

0 引言

眾所周知,電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)具有功率反轉(zhuǎn)時(shí)直流側(cè)電壓極性不變、有功功率和無(wú)功功率解耦控制、無(wú)換相失敗問(wèn)題、諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此,基于VSC的多端柔性直流(multi-terminal flexible direct current,MTDC)輸電技術(shù)在異步電網(wǎng)互聯(lián)、城市直流輸配電以及解決大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)等領(lǐng)域具有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)以其模塊化設(shè)計(jì)、輸出波形諧波含量低、結(jié)構(gòu)靈活便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)已成為柔性直流輸電系統(tǒng)的首選換流器拓?fù)鋄3-4]。我國(guó)已投運(yùn)的南澳島三端柔性直流輸電工程[5]、舟山五端柔性直流輸電工程[6]及張北四端柔性直流電網(wǎng)示范工程[7]的換流閥均采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；贛MC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電,具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可靠性等特點(diǎn)[8],將成為未來(lái)直流電網(wǎng)發(fā)展的重要方向[9]。此外,在提升電能傳輸容量方面,基于MMC的直流電網(wǎng)比交流電網(wǎng)更有優(yōu)勢(shì),更適合于接納分布式清潔能源構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基于MMC的多端柔性直流系統(tǒng)換流站級(jí)控制策略方面開(kāi)展了一系列研究。文獻(xiàn)[10]針對(duì)背靠背MMC-HVDC的應(yīng)用需求,提出了一種新型控制策略,將調(diào)控有功功率(或直流電壓)的任務(wù)由傳統(tǒng)控制策略的一側(cè)換流器單獨(dú)承擔(dān)變?yōu)橛蓛蓚?cè)換流器同時(shí)響應(yīng),提高了控制的靈活性和系統(tǒng)的響應(yīng)速度,但該策略能否應(yīng)用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)仍有待探究。文獻(xiàn)[11]針對(duì)MMC常規(guī)控制策略抗干擾能力低、輸出不穩(wěn)定等缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn),將外環(huán)控制由開(kāi)環(huán)改為閉環(huán),并加入暫態(tài)故障控制模塊,有效改善了系統(tǒng)的暫穩(wěn)特性,但系統(tǒng)的反應(yīng)速度稍有降低。文獻(xiàn)[12]針對(duì)多端柔性直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)非線性和不確定性的特點(diǎn),提出了一種基于指數(shù)趨近律的滑模電流控制策略,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的滑模電流控制器替代原有的內(nèi)環(huán)比例積分(proportional integral,PI)控制環(huán)節(jié),但該策略增加了控制的復(fù)雜程度。

目前,現(xiàn)有多端系統(tǒng)換流站控制核心大多采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制,雖然在一定程度上縮短了反應(yīng)時(shí)間,但其結(jié)構(gòu)對(duì)于異常工況或擾動(dòng)等仍然不能準(zhǔn)確地控制,無(wú)法保證系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性。本文針對(duì)外環(huán)PI控制傳遞函數(shù)中閉環(huán)零點(diǎn)不在原點(diǎn)的缺陷,引入改進(jìn)型的PI控制,同時(shí)為了進(jìn)一步提高有功功率外環(huán)控制器的動(dòng)態(tài)性能,還加入電壓下垂控制環(huán)節(jié),提出組合的控制策略,有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制的缺點(diǎn)。利用PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建了基于MMC的四端直流電網(wǎng)仿真模型,算例結(jié)果表明了所提控制策略的正確性和有效性。

1 基于MMC的直流電網(wǎng)換流站控制策略

多端柔性直流輸電系統(tǒng)具有串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)3種接線方式[13]。無(wú)論哪種接線方式,都必須滿足其中一端換流站實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的控制,工程上常用主從控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文以四端MMC-MTDC直流電網(wǎng)為例進(jìn)行分析,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。需要指明的是,本文涉及的交流系統(tǒng)均為強(qiáng)系統(tǒng)。

1.1 傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略

基于MMC的柔性直流電網(wǎng)換流站的控制策略中,最常用的是雙閉環(huán)矢量控制。外環(huán)控制又分為有功類控制和無(wú)功類控制,前者包括直流電壓控制和有功功率控制,后者包括無(wú)功功率控制;內(nèi)環(huán)則是電流控制環(huán)[14]。圖2為MMC換流站的控制結(jié)構(gòu)圖。

圖1 基于MMC的四端直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of MMC-based four-terminal DC grid

圖2 MMC換流站的控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control structure of MMC station

1.2 組合控制策略

1.2.1 改進(jìn)型的外環(huán)PI控制

采用經(jīng)典的雙閉環(huán)PI控制時(shí),由于外環(huán)PI控制傳遞函數(shù)中存在較大的微分項(xiàng),閉環(huán)零點(diǎn)的位置不在原點(diǎn),當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí),控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量,導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差[15],這種現(xiàn)象在模塊化多電平變換器控制系統(tǒng)中尤為突出[16]。因此,本文提出在換流站外環(huán)控制器中引入改進(jìn)型的PI控制策略。

圖3為改進(jìn)型的PI控制框圖,以有功功率控制為例。這種控制策略是將傳統(tǒng)PI中處于前向通道的比例系數(shù)(kp1)轉(zhuǎn)移到反饋通道中,使其由串聯(lián)校正作用轉(zhuǎn)變?yōu)榫植糠答佌{(diào)節(jié)作用,以此減小控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)的超調(diào)量,更有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[17]。

在實(shí)際運(yùn)行中,考慮到外環(huán)功率的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)電流的響應(yīng)速度,可近似認(rèn)為電流能夠完全跟蹤其參考值,即Gp(s)=1,于是得到改進(jìn)PI控制策略下有功功率控制的傳遞函數(shù)為

圖3 改進(jìn)型PI控制框圖Fig.3 Improved PI control diagram

式中：G(s)表示有功功率控制的傳遞函數(shù);P(s)表示換流站有功功率的實(shí)際值;Pref(s)表示換流站有功功率的給定值;usd表示交流電源處電壓的d軸分量;kp1和ki1分別表示有功功率外環(huán)PI控制的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

式(1)的分子中只含常數(shù)項(xiàng),表示其零點(diǎn)位置均在原點(diǎn),從而降低了傳統(tǒng)PI控制器中微分項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)控制的不利影響。就對(duì)參考值的跟蹤速度而言,若選擇較大的積分增益ki1值,改進(jìn)型PI控制比同等條件下傳統(tǒng)PI控制更快,更好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求。

1.2.2 電壓下垂控制

為了進(jìn)一步提高有功功率外環(huán)控制器的動(dòng)態(tài)性能,本文提出在改進(jìn)的有功外環(huán)PI控制器中加入電壓下垂控制環(huán)節(jié),可以對(duì)有功功率的期望值按照直流電壓下垂特性進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,快速有效地跟蹤期望值,實(shí)現(xiàn)各換流站間有功功率的平衡,從而穩(wěn)定直流側(cè)電壓[18]。比較udc與udcref得到直流電壓不平衡量,再乘以下垂系數(shù)k即可得到有功功率期望值的修正量。于是,電壓-有功下垂控制表達(dá)式為

式中：P'ref表示修正后的有功功率期望值;udcref和udc分別表示直流電壓期望值和實(shí)際值;k表示下垂控制系數(shù);Pref表示有功功率期望值。

綜上,本文提出的基于MMC柔性直流電網(wǎng)換流站級(jí)的控制策略是：定直流電壓控制和定無(wú)功功率控制均采用改進(jìn)型PI控制策略,定有功功率控制則采用改進(jìn)型PI與電壓下垂的組合控制策略。改進(jìn)后的MMC換流站控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 仿真驗(yàn)證

圖4 改進(jìn)后的MMC換流站控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Improved control structure of MMC station

為了驗(yàn)證本文提出的換流站級(jí)控制策略正確性和有效性,采用圖1四端系統(tǒng)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建模進(jìn)行仿真分析。該四端系統(tǒng)中的3個(gè)換流站(MMC1、MMC2和MMC3)分別發(fā)出260、100和40 MW的有功功率,另外一個(gè)換流站(MMC4)接收400 MW有功功率。換流站MMC4為主站,采用定直流電壓-定無(wú)功功率控制;其余換流站為從站,均采用定有功功率-定無(wú)功功率控制,其中MMC2還可以實(shí)現(xiàn)定有功和定直流電壓兩種方式下的切換控制。仿真系統(tǒng)各換流站的控制器參數(shù)如表1所示。

表1 換流站控制器參數(shù)Table 1 Control lerparametersofconverterstations

2.1 穩(wěn)態(tài)仿真

所有換流站采用本文提出的控制策略,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)時(shí),各換流站有功功率及直流側(cè)電壓的仿真波形如圖5所示。設(shè)置系統(tǒng)仿真總時(shí)長(zhǎng)為5 s。

從圖5(a)可以看出,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),各換流站的有功功率依次為260、100、40和-400 MW,其中正功率值表示發(fā)出有功,負(fù)功率值表示吸收有功,說(shuō)明控制系統(tǒng)能將各有功功率控制到其期望值,且系統(tǒng)有功功率保持平衡。同時(shí),圖5(b)中直流側(cè)電壓運(yùn)行在400 kV,說(shuō)明直流電壓也實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望值的控制,整個(gè)系統(tǒng)能夠保持良好的穩(wěn)定性。

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的仿真波形Fig.5 Simulations for system steady-state operation

2.2 主換流站因故障退出仿真

對(duì)于采用主從控制的多端直流系統(tǒng),當(dāng)主換流站因故障退出運(yùn)行時(shí),從換流站就要由原來(lái)的定有功功率控制切換為定直流電壓控制,從而承擔(dān)保持系統(tǒng)直流側(cè)電壓穩(wěn)定的責(zé)任。為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略也適用于主站退出、從站切換控制的情況,設(shè)置主站MMC4在t=3 s時(shí)切出,同時(shí)從站MMC2按照?qǐng)D4控制策略由定有功控制切換為定直流電壓控制,相應(yīng)的增益設(shè)置為kpV2=0.069和kiV2=0.48?？偡抡鏁r(shí)長(zhǎng)為5 s,仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)可以看出,當(dāng)主站MMC4因故退出運(yùn)行時(shí),其有功功率由400 MW降為0 MW,從換流站MMC2替換為主站發(fā)揮系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)作用,其有功功率由100 MW變?yōu)?300 MW,另2個(gè)換流站功率發(fā)生波動(dòng)后又快速穩(wěn)定到原始值。由圖6(b)可見(jiàn),因系統(tǒng)有功功率出現(xiàn)一定缺額,使得直流電壓有所下降,并最終穩(wěn)定在350 kV。由此可見(jiàn),新的控制策略能夠滿足主換流站因故障退出運(yùn)行后,其他換流站快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

2.3 控制策略對(duì)比仿真

圖6 主站MMC4退出運(yùn)行的仿真波形Fig.6 Simulation of the master station MMC4 outage

為證明本文提出的控制策略比傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制更有效,分別從有功功率波動(dòng)、直流電壓波動(dòng)兩種工況進(jìn)行比較。方法1采用本文提出的策略,方法2采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制策略。兩種方法下對(duì)應(yīng)的PI參數(shù)保持一致。

2.3.1 有功功率波動(dòng)仿真

假設(shè)某時(shí)刻交流系統(tǒng)3的有功功率發(fā)生變化,由40 MW增大到60 MW,再減小到40 MW。設(shè)置從換流站MMC3有功功率期望值在t=2 s時(shí)由40 MW升至60 MW,并在1 s后恢復(fù)到初始狀態(tài),仿真總時(shí)長(zhǎng)為5 s,各換流站有功功率及直流側(cè)電壓的仿真結(jié)果如圖7所示,圖中紅色代表本文提出的策略,綠色代表傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI策略。

從圖7可以看出,當(dāng)交流系統(tǒng)3(換流站MMC3)的有功功率發(fā)生波動(dòng)時(shí),交流系統(tǒng)4(換流站MMC4)作為直流系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn),進(jìn)行了反向等量功率的變化,其接收功率由400 MW升到420 MW,并在1 s后又降至400 MW,以達(dá)到系統(tǒng)有功功率平衡的目的,而其余兩站的有功保持不變;由圖7(e)可知,系統(tǒng)直流側(cè)電壓因換流站MMC4功率波動(dòng)也出現(xiàn)了相應(yīng)的波動(dòng)。此外,以圖7(b)為例比較兩種控制策略的優(yōu)劣,可以看出：相比于方法2(即常規(guī)PI控制),方法1能夠有效地降低波形的超調(diào)量,快速地跟蹤期望值,從而縮短了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,提高了運(yùn)行效率,更好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率平衡和直流電壓穩(wěn)定。

圖7 交流系統(tǒng)3功率波動(dòng)時(shí)兩種策略的波形對(duì)比Fig.7 Comparison of two strategies when the active power fluctuates in 3#wind farm

2.3.2 直流側(cè)電壓波動(dòng)仿真

假設(shè)某時(shí)刻直流側(cè)電壓發(fā)生變化,由400 kV突變到450 kV,再減小到380 kV。設(shè)置換流站MMC4直流電壓期望值在t=2 s時(shí)由400 kV升至450 kV,當(dāng)t=3 s時(shí)又降為380 kV。仿真總時(shí)長(zhǎng)為5 s,典型換流站的有功功率和直流側(cè)電壓的仿真結(jié)果如圖8所示,圖中紅色代表本文提出的策略,綠色代表傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI策略。

圖8 直流側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)兩種策略的波形對(duì)比Fig.8 Comparison of two strategies when DC voltage fluctuates

由圖8(a)和8(b)可見(jiàn),當(dāng)直流電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),各換流站的有功功率均出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖,但是因有功控制采用改進(jìn)PI與電壓下垂控制策略,其過(guò)沖的幅度明顯小于傳統(tǒng)PI控制,功率在擾動(dòng)后能迅速回到初始工作運(yùn)行點(diǎn)。由圖8(c)可以看出,采用方法一的控制策略時(shí),直流側(cè)電壓在初始狀態(tài)更接近期望值400 kV,當(dāng)電壓由400 kV升到450 kV時(shí),電壓上升率有所降低,波動(dòng)幅度明顯減少,跟蹤新的期望值速度加快,其控制效果優(yōu)于方法二的控制。

3 結(jié)論

本文提出一種適用于MMC的柔性直流電網(wǎng)換流站級(jí)控制策略,即有功功率外環(huán)控制器采用改進(jìn)PI控制和電壓下垂控制的組合方式,無(wú)功功率和直流電壓的外環(huán)控制器均采用改進(jìn)PI控制。電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC的仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的控制策略簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),且在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、主站因故障切除、從站有功功率波動(dòng)、直流側(cè)電壓波動(dòng)等各種工況下,控制效果顯著,既減小了振蕩幅度,又能夠縮短擾動(dòng)后恢復(fù)時(shí)間,具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性。

未來(lái)電網(wǎng)的形態(tài)將變?yōu)槿嵝曰ヂ?lián)的交直流系統(tǒng),分布式能源的接入會(huì)給柔性互聯(lián)交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)影響,有必要進(jìn)一步研究接入弱交流系統(tǒng)的直流電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)控制策略問(wèn)題。