羅 蘭，王渝紅，陳詩昱，萬良彬

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610065)

基于電壓源型多端柔性直流輸電(voltage source converter based multi-terminal direct current，VSC-MTDC)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，使得VSC-MTDC的靈活性和可靠性得到充分發(fā)揮，適用于新能源并網(wǎng)以及異步電網(wǎng)互聯(lián)等多種場合[1-3]。目前關(guān)于VSC-MTDC系統(tǒng)的控制策略，包括主從控制、電壓偏差控制、電壓下垂控制等主要的3種主流的控制方式，其中電壓下垂控制無需站間通信，其換流站可以根據(jù)電壓情況相應(yīng)的分配功率[4-7]，然而這3種站間控制主要考慮直流系統(tǒng)的電壓以及功率的分配情況，沒有考慮連接的交流電網(wǎng)的頻率問題以及交流網(wǎng)絡(luò)功率的承載問題。虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator，VSG)技術(shù)可以讓換流站模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，為系統(tǒng)提供阻尼和慣性支撐，具有一次調(diào)頻和調(diào)壓的能力[8-10]。

現(xiàn)有的VSC換流器，若只采用dq內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)，換流器無法對(duì)連接的交流系統(tǒng)進(jìn)行頻率的支撐[11]。針對(duì)上訴問題，有學(xué)者對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)參與交流系統(tǒng)頻率支撐進(jìn)行了部分研究。文獻(xiàn)[12]對(duì)于兩端的高壓直流輸電，設(shè)計(jì)了VSG控制的功率內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并且給出了慣性系數(shù)和阻尼系數(shù)以及電壓控制器中的比例積分(proportional-integral，PI)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[13]以直流電壓相互協(xié)調(diào)控制為目標(biāo)的改進(jìn)VSG控制策略，提升了直流系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[14]提出了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略，參數(shù)自適應(yīng)的調(diào)整可以有效地抑制頻率的偏差。文獻(xiàn)[15]在二階模型VSG控制中加入虛擬阻抗環(huán)節(jié)，可以抑制系統(tǒng)電壓和頻率的波動(dòng)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[16]證明了VSG控制策略可以有效抑制低頻振蕩的產(chǎn)生，為VSC-MTDC系統(tǒng)提供阻尼特性。文獻(xiàn)[17]基于VSG技術(shù)提出一種VSC受端換流器控制策略，采用模糊PI下垂控制來平衡交直流系統(tǒng)間的功率分配，提升了系統(tǒng)慣性，緩解了擾動(dòng)下頻率和電壓的波動(dòng)。文獻(xiàn)[18]根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣性時(shí)間常數(shù)以及電容的時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，利用直流電容上的能量來提供慣性，形成了送端采用模擬慣量控制和受端采用虛擬同步機(jī)聯(lián)合控制策略，改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。文獻(xiàn)[19]在逆變站引入下垂裕度控制，其輸出的差值作為VSG有功控制環(huán)節(jié)的輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，當(dāng)直流電網(wǎng)中定電壓控制站超出設(shè)定的電壓裕度，該VSG控制的換流站具有后備定電壓能力，沒有考慮交流系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[20]將VSG控制與其余換流站的下垂控制協(xié)調(diào)配合，提高了直流電壓的穩(wěn)定性，提高了受端換流器的參與交流系統(tǒng)的頻率能力，其改進(jìn)VSG控制只在一端換流器中采用。

在上述研究基礎(chǔ)之上，現(xiàn)針對(duì)VSC-MTDC系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于VSG控制的自適應(yīng)有功功率和直流電壓的下垂控制策略。旨在提高交流網(wǎng)絡(luò)的慣性支撐和一次調(diào)頻能力，根據(jù)交流網(wǎng)絡(luò)的頻率變化情況自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，使各交流網(wǎng)絡(luò)間的不平衡功率分配更加合理。

1 VSC-MTDC下垂控制以及虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理

1.1 下垂控制特性分析

下垂控制策略實(shí)質(zhì)上直流電壓和有功功率的協(xié)調(diào)配合控制策略。下垂控制策略不需要各個(gè)換流站實(shí)時(shí)通信，各個(gè)換流站可以根據(jù)下垂控制特性迅速尋找新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，從而在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有功功率的重新分布，減小換流站的運(yùn)行壓力，各個(gè)換流站功率分配情況主要是由下垂控制系數(shù)決定。下垂控制框圖如圖1所示。

P、Pref分別為有功功率的實(shí)際值與給定值；Q、Qref分別為無功功率的實(shí)際值與給定值；Rf、Xf分別為換流站輸出端濾波電阻和濾波電抗；Rg、Xg分別為換流站與交流網(wǎng)絡(luò)之間的線路電阻和電抗；iabc、uabc分別為交流網(wǎng)絡(luò)的電流和電壓；icdref、icqref分別為外環(huán)d軸、q軸電流參考值；icd、icq分別為外環(huán)d軸、q軸電流實(shí)際值；ucd、ucq分別為內(nèi)環(huán)d軸、q軸電壓輸出量；Idc為直流電流實(shí)際值；θpll為鎖相環(huán)的角度；U為交流系統(tǒng)電壓；ucabc為生成的調(diào)制電壓信號(hào)

直流電壓改變量和直流功率改變量之間的關(guān)系即下垂控制公式為

ΔP=K(Udc-Udcref)

(1)

式(1)中:ΔP為P-U下垂控制中功率改變量；Udc、Udcref分別為直流電壓的實(shí)際值與給定值；K為下垂控制系數(shù)。

式(1)描繪了直流電壓的改變量和功率指令改變量的關(guān)系，將式(1)改寫為

(2)

在實(shí)際的多端柔性直流系統(tǒng)中，換流站的容量、直流電壓等是有一定范圍的，因此直流電壓和有功功率是運(yùn)行中有上下限的限制，根據(jù)控制量的關(guān)系繪制出下垂控制特性如圖2所示。

pu為標(biāo)幺值單位

在每個(gè)換流站內(nèi)，某一段時(shí)間下垂控制系數(shù)K為一個(gè)固定量，因此每個(gè)換流站的功率修改量與電壓差之比可以表示為

K1ΔUdc1∶K2ΔUdc2∶…∶KnΔUdcn=

ΔP1∶ΔP2∶…∶ΔPn

(3)

每個(gè)換流站的下垂系數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到多端柔直系統(tǒng)的功率分配更加合理。

1.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理

隨著新能源接入交直流網(wǎng)絡(luò)，光伏和風(fēng)機(jī)等電力電子設(shè)備不具有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，導(dǎo)致系統(tǒng)的慣性支撐能力弱，因此考慮采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，增加系統(tǒng)的慣性支撐。

如圖3所示為換流站與同步發(fā)電機(jī)的原理對(duì)比。PCC為并網(wǎng)母線，設(shè)定參考電壓為U∠0，換流站交流側(cè)出口電壓和同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為E∠δ，原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率為Pm，轉(zhuǎn)子動(dòng)能為Ek，同步發(fā)電機(jī)電磁功率為Pe。

圖3 虛擬同步機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的對(duì)比圖

同步發(fā)電機(jī)功率平衡關(guān)系，可以通過的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程來表示，即

(4)

式(4)中：H為發(fā)電機(jī)慣量時(shí)間常數(shù)；ω為實(shí)際角速度。

VSG所在的系統(tǒng)，VSC換流站直流側(cè)電容電壓功率平衡表達(dá)式為

(5)

式(5)中：Pin為輸入柔直系統(tǒng)的功率；Pout為輸出柔直系統(tǒng)進(jìn)入交流系統(tǒng)的功率；C為換流站內(nèi)并聯(lián)的電容值；Udc為電容兩端的直流電壓。由式(4)、式(5)可知在功率傳輸方面，換流站和同步發(fā)電機(jī)類似。

2 基于VSG控制的VSC-MTDC自適應(yīng)下垂控制

將柔直換流站看作原動(dòng)機(jī)，根據(jù)交流電網(wǎng)的頻率自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)以及附加功率，該控制器的附加功率指令由兩部分組成，表達(dá)式為

ΔPVSC=ΔPVSG+ΔPK

(6)

式(6)中：ΔPVSC為總附加功率；ΔPVSG為虛擬同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的附加功率；ΔPK為下垂控制產(chǎn)生的附加功率。

將式(4)進(jìn)行改寫，將轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程應(yīng)用于換流站采用的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略中，加入虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J以及阻尼系數(shù)D，體現(xiàn)出角速度變化量和角速度變化率對(duì)功率平衡的影響，可得

(7)

式(7)中:ωref為額定角速度。

對(duì)式(7)分析可知，當(dāng)輸入和輸出功率相等時(shí)，實(shí)際角速度保持恒定；當(dāng)功率輸入和輸出功率不平衡時(shí)，此時(shí)角速度發(fā)生改變，通過釋放和吸收功率來維持功率的平衡。將式(7)改寫得到ΔPVSG,表達(dá)式為

(8)

ΔPK為下垂控制產(chǎn)生的附加功率，主要是通過自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)，改變附加功率。下垂系數(shù)調(diào)整的思路為：其中一端換流站連接的交流網(wǎng)絡(luò)頻率變化量較大時(shí)，柔直系統(tǒng)的其余換流站連接交流系統(tǒng)，可以通過VSC-MTDC進(jìn)行功率調(diào)整，達(dá)到頻率互聯(lián)調(diào)節(jié)效果，有助于緩解頻率變化較大的交流系統(tǒng)功率不平衡現(xiàn)象，同時(shí)在減小擾動(dòng)的情況下，調(diào)節(jié)交流網(wǎng)絡(luò)的頻率變化量。因此要增加頻率變化量小的網(wǎng)絡(luò)，多分擔(dān)一些柔直網(wǎng)絡(luò)的不平衡功率，降低頻率變化量大的交流系統(tǒng)的不平衡功率分擔(dān)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功率分配優(yōu)化以及頻率整體變化量更小。根據(jù)頻率的變化情況，提出了頻率差值裕度，計(jì)算公式為

(9)

式(9)中：Δf為實(shí)際頻率差值；Δfmax為最大允許頻率差值；fef為頻率偏差系數(shù)。

當(dāng)fmin

為了盡可能地使不平衡功率分配合理，需要加大頻率差值小的網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)更多的不平衡功率，減小頻率偏差大的網(wǎng)絡(luò)共享不平衡功率。在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，各換流站的不平衡功率分配主要取決于下垂系數(shù)，因此，將有功功率和直流電壓的下垂系數(shù)通過頻率差值裕度進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整為

基于前文的分析,低電壓SRAM測(cè)試主要包括兩個(gè)部分,即面向穩(wěn)定性故障的DFT設(shè)計(jì)和基于March-Like算法的MBIST設(shè)計(jì),本節(jié)在成熟的數(shù)字芯片設(shè)計(jì)環(huán)境中,進(jìn)行低電壓SRAM測(cè)試電路的實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行仿真與分析。

K′=K(1-fef)γ

(10)

式(10)中：K′為電壓-有功功率自適應(yīng)下垂系數(shù)；K為下垂系數(shù)初始值；γ為加速因子系數(shù)。

自適應(yīng)下垂系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是考慮了交流網(wǎng)絡(luò)的頻率變化。當(dāng)VSC-MTDC系統(tǒng)中存在功率輸出和輸入不平衡時(shí)，其直流電壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，輸出給交流網(wǎng)絡(luò)的功率主要由P-U下垂系數(shù)分配功率，這樣容易造成交流網(wǎng)絡(luò)功率不平衡，出現(xiàn)頻率穩(wěn)定性問題。如果下垂系數(shù)過大，容易造成輸出到交流網(wǎng)絡(luò)的功率過多，如果下垂系數(shù)太小，直流系統(tǒng)的不平衡功率無法及時(shí)被吸收?？紤]到頻率差值裕度一般會(huì)小于1，會(huì)降低下垂系數(shù)，綜合考慮加速因子γ=2。

本文控制策略可以使換流站根據(jù)交流側(cè)系統(tǒng)的頻率變化進(jìn)行附加功率指令的調(diào)節(jié)，通過VSG控制和直流電壓-功率下垂系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，使具有調(diào)節(jié)能力的換流站可以分擔(dān)MTDC系統(tǒng)中不平衡功率，其控制策略設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4中，曲線左側(cè)為MTDC系統(tǒng)，VSC站采用VSG和自適應(yīng)下垂控制。在上面的控制圖中，VSG控制策略能為交流網(wǎng)絡(luò)提供慣性支撐，在出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)可以減小系統(tǒng)波動(dòng)。自適應(yīng)P-U下垂控制可以根據(jù)各交流網(wǎng)絡(luò)的頻率偏差來調(diào)整不平衡功率在各交流網(wǎng)絡(luò)之間的分配，力求保證各交流網(wǎng)絡(luò)的頻率偏差在允許范圍內(nèi)。兩種控制方法的結(jié)合，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率波動(dòng)的抑制和不平衡功率在各電網(wǎng)之間的合理分配。

圖4 VSC-MTDC系統(tǒng)換流站控制器

3 仿真驗(yàn)證

基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建如圖5所示的拓?fù)浞抡?，AC3、AC4為有源交流系統(tǒng)，裝機(jī)容量分別為192、192 MW；VSC1與VSC2為整流站，作為新能源送出采用定有功功率控制，額定容量分別為250、300 MW；VSC3與VSC4為逆變站，采用下垂控制，額定容量分別為250、300 MW；直流電壓參考值Udcref為400 kV。假定換流站有功功率以流入直流系統(tǒng)為正方向，四端VSC-MTDC的主要參數(shù)如表1所示。

圖5 四端MTDC系統(tǒng)

表1 四端柔性直流系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 受端負(fù)荷改變

在5 s時(shí)交流網(wǎng)絡(luò)AC3負(fù)荷由300 MW增加到330 MW，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 AC3負(fù)荷增加時(shí)的仿真對(duì)比

對(duì)圖6進(jìn)行分析，采用傳統(tǒng)的下垂控制策略，AC3負(fù)荷發(fā)生改變，VSC-MTDC仍然按照穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行功率傳輸，換流站VSC3無法對(duì)連接的交流系統(tǒng)AC3的頻率變化做出相應(yīng)的響應(yīng)；AC3只能通過發(fā)電機(jī)組自身的調(diào)頻性能以及負(fù)荷自身的功頻特性來進(jìn)行功率調(diào)節(jié)作用，達(dá)到有功平衡，導(dǎo)致f3發(fā)生較大波動(dòng)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差為0.29 Hz，換流站VSC4連接的交流網(wǎng)絡(luò)頻率f4不受影響。當(dāng)采用本文控制策略時(shí)，在f3頻率差值改變后，VSC3的下垂系數(shù)改變，使附加有功功率參考值根據(jù)f3的頻率變化情況進(jìn)行調(diào)整，通過圖6(c)可以看出，換流站VSC3增加了12 MW的輸出功率，使交流網(wǎng)絡(luò)AC3得到功率支援，減輕了AC3的負(fù)荷壓力，此時(shí)f3的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率差值為0.19 Hz，相比傳統(tǒng)下垂控制策略，f3準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率減小了0.1 Hz；通過圖6(d)分析，換流站VSC4減小了12 MW的輸出功率，對(duì)交流網(wǎng)絡(luò)AC3進(jìn)行了功率支援，相應(yīng)地增加了AC4的負(fù)荷壓力，此時(shí)f4準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差為0.07 Hz，在長期穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)。

3.2 送端功率改變

VSC1站定功率站由220 MW變?yōu)?50 MW，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 VSC1輸入功率改變仿真對(duì)比

對(duì)圖7進(jìn)行分析，VSC1站輸入30 MW的不平衡功率，需要VSC3和VSC4下垂控制站來消納MTDC系統(tǒng)盈余的功率。在傳統(tǒng)下垂控制策略下，VSC3和VSC4按照P-U下垂控制特性曲線來分配30 MW的不平衡功率，其中換流站VSC3分配12 MW，換流站VSC4分配18 MW，結(jié)果f3與f4的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差分別為0.1 Hz和0.2 Hz。當(dāng)采用本文控制策略后，VSC4分擔(dān)的不平衡功率量由18 MW變?yōu)?4 MW，分擔(dān)的功率量減小，f4準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差量減小為0.12 Hz，頻率偏差提高了0.08 Hz。VSC3分擔(dān)量有12 MW變?yōu)?6 MW，f3的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差變?yōu)?.12 Hz。

4 結(jié)論

通過對(duì)VSC-MTDC控制策略的研究，提高了交流系統(tǒng)的慣性以及調(diào)頻特性，并在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

(1)交流網(wǎng)絡(luò)遇到擾動(dòng)時(shí)，換流站可以快速調(diào)整注入和輸出的功率以減小交流系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)，交流系統(tǒng)參與P-U下垂控制共享VSC-MTDC不平衡功率。

(2)下垂系數(shù)可以根據(jù)交流系統(tǒng)的頻率變化情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，增加頻率偏差，較小網(wǎng)絡(luò)分擔(dān)不平衡功率，降低頻率偏差，較大網(wǎng)絡(luò)分擔(dān)不平衡功率；同時(shí)引入虛擬同步機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一次調(diào)頻以及在擾動(dòng)情況下為MTDC提供慣性支撐能力。