張臘華，鄒曉松，袁旭峰，熊煒，鄭華俊，班國邦，楊榮

(1. 貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽550025；2. 貴州電網(wǎng)有限公司電力科學(xué)研究院，貴陽550002)

0 引言

隨著柔性互聯(lián)技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用不斷提升，配電網(wǎng)對電能質(zhì)量、供電可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求越來越高[1 - 4]。然而當(dāng)主變壓器(簡稱主變)或饋線故障失去電源后，柔性互聯(lián)裝置需要迅速切換至孤島控制模式對失電區(qū)域的敏感負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)供，而換流器不同運(yùn)行模式之間的相互切換將引發(fā)復(fù)雜的暫態(tài)調(diào)整過程，給系統(tǒng)帶來諸多危害，因此實(shí)現(xiàn)換流器運(yùn)行模式的平滑切換對提升系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和供電可靠性至關(guān)重要[5 - 8]。

在利用柔性互聯(lián)技術(shù)改善配電網(wǎng)性能方面，最早由英國帝國理工學(xué)院學(xué)者提出的智能軟開關(guān)(soft open point，SOP)概念，該技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)對功率傳輸?shù)莫?dú)立控制，又能對無源系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)供[9 - 10]。對于柔性互聯(lián)配電網(wǎng)而言，其主要包括4種控制模式：①定直流電壓-無功功率控制(Udc/Q)；②定有功、無功功率控制模式(P/Q)；③下垂控制模式(PUdc/Q)；④孤島控制模式(V/f)[11 - 15]。通常采用①+②控制模式，若發(fā)生故障失電，需要將功率控制模式切換到V/f控制模式，實(shí)現(xiàn)對孤島模式的切換。然而P/Q控制作為一種給定有功和無功功率控制，使得換流器按照給定值輸出，P/Q控制的控制目標(biāo)僅限于受控側(cè)的功率需求，然而系統(tǒng)側(cè)的頻率、電壓幅值仍然需外部支撐，因此P/Q控制僅限于與系統(tǒng)相連進(jìn)行功率傳輸，無法在離網(wǎng)工況下維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，V/f控制雖彌補(bǔ)了P/Q控制的不足之處，但該控制對功率的控制能力較弱，系統(tǒng)功率波動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)快速有效控制。

柔性互聯(lián)配電網(wǎng)必須具備故障自愈的能力，而孤島控制是實(shí)現(xiàn)故障自愈的技術(shù)前提，孤島控制的切換技術(shù)是提高電能質(zhì)量和供電可靠性的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[16]提出一種通用型聯(lián)網(wǎng)與孤島共存的控制策略，將換流器頻率指令值的偏差控制通過交流系統(tǒng)有功功率-頻率和換流器有功功率-直流電壓的下垂系數(shù)進(jìn)行控制，從而配合交流系統(tǒng)一次、二次調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)了換流器兩種模式的平滑切換。文獻(xiàn)[17]提出了柔性互聯(lián)多微網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制，將改進(jìn)型下垂控制應(yīng)用到多個(gè)微電網(wǎng)孤島控制模式下，實(shí)現(xiàn)了多微網(wǎng)孤島運(yùn)行工況下功率波動(dòng)就地平抑，提高了多微網(wǎng)運(yùn)行的供電可靠性。文獻(xiàn)[18]提出了基于多目標(biāo)模糊優(yōu)化的配電網(wǎng)柔性互聯(lián)裝置運(yùn)行配置，提高了柔性互聯(lián)配網(wǎng)運(yùn)行的供電可靠性。文獻(xiàn)[19]提出了一種新的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)，該控制虛擬發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上加入抗干擾狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制對控制器提供一個(gè)補(bǔ)償回路，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行模式平穩(wěn)過渡到孤島運(yùn)行模式，該控制也不依賴于孤島檢測環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[20]分析了三端口SOP并網(wǎng)與離網(wǎng)工況下的數(shù)學(xué)模式，提出一種基于控制器狀態(tài)跟蹤的下垂控制方法，實(shí)現(xiàn)了換流器控制模式之間的平滑切換。

綜上所述，換流站控制的差異性決定了控制器從P/Q模式切換到V/f控制模式時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)生較大變化，進(jìn)而引發(fā)過電壓、過電流現(xiàn)象，若采取措施不及時(shí)將引起保護(hù)誤動(dòng)作、換流器過流閉鎖，系統(tǒng)停運(yùn)等問題，為有效解決以上問題，本文提出一種改進(jìn)型孤島控制模式，將有功功率-直流電壓平方分配特性的固定下垂系數(shù)與利用虛擬慣量的自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了孤島控制模式下同時(shí)兼顧功率控制與系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，最后，通過 PSCAD/EMTDC 暫態(tài)仿真軟件對所提控制策略進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性和合理性。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及B2B-MMC控制策略

本文針對傳統(tǒng)配電網(wǎng)110 kV/10 kV雙主變系統(tǒng)采用背靠背模塊化多電平換流器(back-to-back modular multilevel converter, B2B-MMC)替代傳統(tǒng)分段開關(guān)，換流器從P/Q模式切換到V/f控制模式的研究，該系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。協(xié)調(diào)控制兩端MMC是保障柔性互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。B2B-MMC投入運(yùn)行時(shí)斷路器QFd、 分段開關(guān)QSd處于斷開狀態(tài)，將變電站內(nèi)負(fù)荷等效為負(fù)載1、負(fù)載2。

圖1 柔性互聯(lián)變電站模型

對于每個(gè)換流站而言，換流站的外環(huán)控制需固定兩個(gè)控制自由度，包括一個(gè)有功類控制和一個(gè)無功類控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)B2B-MMC工作在主從控制模式下，當(dāng)與換流器從站相連的主變發(fā)生故障并退出運(yùn)行后，該側(cè)換流器需要切換至圖3所示的孤島控制模式，進(jìn)而為交流系統(tǒng)的負(fù)荷提供電源保障失電側(cè)交流系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定[21 - 22]。通常采用硬切換的方式，然而換流站控制的差異性決定了切換過程中存在不可避免的暫態(tài)過程。

圖2 B2B-MMC系統(tǒng)控制框圖

圖3 B2B-MMC孤島控制框圖

2 B2B-MMC的改進(jìn)型孤島控制模式

本文提出一種改進(jìn)型孤島控制模式，該控制策略可以避免換流器切換為孤島控制模式時(shí)產(chǎn)生的過壓、過流現(xiàn)象，提高系統(tǒng)可靠性，其主要是將有功功率-電壓平方分配特性的固定下垂系數(shù)與利用虛擬慣量的自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)相結(jié)合，具體如下：

(1)

式中：ω和ω0分別為交流系統(tǒng)的額定角速度和實(shí)際角速度；Pref和P分別為有功功率參考值和額定值；Udcref和Udc分別為直流電壓參考值和額定值；Kpp和Kip分別為B2B-MMC輸出功率值的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)；Kdc和Kf分別為有功功率-直流電壓平方分配特性的下垂系數(shù)和基于虛擬慣量的自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)。

2.1 換流器有功功率-電壓平方下垂系數(shù)

模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中，R0、L0為MMC的j(j=a，b，c)相上、下橋臂等值損耗電阻和電感，Rs、Ls為交流網(wǎng)側(cè)濾波電阻和濾波電感，CSM為全橋子模塊儲(chǔ)能電容，upj、ipj、unj、inj分別為上、下橋臂電壓和電流。Usj為交流端口電網(wǎng)電壓。進(jìn)一步分析了MMC直流側(cè)電壓與MMC橋臂功率之間的關(guān)系，其原理介紹如下。

圖4 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

MMC的第j相橋臂瞬時(shí)功率可表示為：

Pj=upjipj+unjinj

(2)

MMC上、下橋臂電壓和電流表達(dá)式為：

(3)

(4)

式中：∑upj_CSM(t)、 ∑unj_CSM(t)分別為MMC第j相上、下橋臂全橋子模塊電容電壓，np(t)、nn(t)分別為上、下橋臂的全橋子模塊開關(guān)函數(shù)。開關(guān)函數(shù)表達(dá)式如式(5)所示。

(5)

將式(3)—(4)代入式(2)可得：

(6)

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，MMC橋臂電壓中存在二倍頻分量，即：

(7)

式中Δuj2f為二倍頻分量。

將式(7)代入式(6)得：

(8)

由于二倍頻分量較小，可以將其忽略，進(jìn)而得到換流器橋臂瞬時(shí)功率如下：

(9)

在模式切換過程中，由于換流器有功功率出力激增，造成B2B-MMC直流側(cè)電壓產(chǎn)生較大波動(dòng)進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此應(yīng)選取合適的有功功率-電壓平方下垂系數(shù)Kdc， 使得直流側(cè)電壓波動(dòng)較小，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

2.2 自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)

基于有功功率-電壓平方的下垂系數(shù)Kdc可以根據(jù)B2B-MMC的功率波動(dòng)來合理調(diào)整換流器輸出功率，然而當(dāng)系統(tǒng)從P/Q模式切換到V/f控制模式過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的功率不平衡導(dǎo)致系統(tǒng)頻率偏移穩(wěn)定值，僅依靠有功功率-電壓平方的下垂系數(shù)Kdc控制將難以保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，為有效支撐系統(tǒng)頻率，引入了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制[23 - 25]。進(jìn)而將同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行方程和B2B-MMC直流側(cè)有功功率進(jìn)行耦合，模擬同步發(fā)電機(jī)有功功率-頻率控制以實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)支撐，其中同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程具體如式(10)所示。

(10)

式中：H為同步發(fā)電機(jī)的慣性系數(shù)；f0和f分別為系統(tǒng)頻率額定值和實(shí)際值；Pm和Pe分別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和電磁功率；ΔP1為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上存儲(chǔ)或釋放的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。

在模式切換過程中換流器的功率失衡,交流系統(tǒng)的頻率將會(huì)相應(yīng)地改變,該不平衡量將由同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上存儲(chǔ)或釋放的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能來補(bǔ)償,從而恢復(fù)換流器的功率平衡以及交流系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。

對于B2B-MMC而言，換流器直流側(cè)等效電壓-功率特性和同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行方程特性相似。換流器直流側(cè)等效電壓-功率特性動(dòng)態(tài)方程具體如式(11)所示。

(11)

式中：C為直流側(cè)總電容值；Pin和Pout分別為換流器輸入功率和輸出功率；ΔP2為直流側(cè)電容存儲(chǔ)或釋放的功率。

為建立換流器直流側(cè)電壓與交流系統(tǒng)頻率的耦合關(guān)系，聯(lián)立式(10)和式(11)可得：

(12)

對式(12)兩端進(jìn)行定積分可得：

(13)

(14)

(15)

對式(15)進(jìn)行改寫可得有功功率-電壓平方的下垂控制方程具體如下。

(16)

(17)

由式(16)—(17)可以看出，交流系統(tǒng)頻率變化時(shí)下垂系數(shù)Kf能夠自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。當(dāng)系統(tǒng)從P/Q模式切換到V/f控制模式過程中，交流系統(tǒng)頻率變化越大，自適應(yīng)下垂系數(shù)越大，減少交流系統(tǒng)的頻率波動(dòng)，從而使換流器直流側(cè)不平衡功率在交流系統(tǒng)側(cè)得到合理的分配，抑制換流器模式切換過程中的電壓、電流沖擊。

自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)為一變量，具體變化根據(jù)頻率偏差、直流側(cè)的總電容值等參數(shù)有關(guān)，理論計(jì)算得到自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)波動(dòng)范圍為0.05～0.16，在仿真模型中測量出的自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)變化區(qū)間為0.07～0.19，理論計(jì)算值和仿真模型中的計(jì)算值波動(dòng)范圍不大，本方法根據(jù)實(shí)際模型的不同計(jì)算的下垂系數(shù)也有差異性。

綜上，本文所提出一種改進(jìn)型孤島控制模式整體控制框圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型孤島控制框圖

3 算例分析

3.1 算例1：平滑切換

為驗(yàn)證本文所提的柔性互聯(lián)變電站中改進(jìn)孤島控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC暫態(tài)仿真平臺(tái)搭建了如圖1所示的仿真模型。其中換流器初始運(yùn)行控制模式為主從控制，直流側(cè)采用偽雙極接線，同步發(fā)電機(jī)的慣性系數(shù)H取值為0.15，固定下垂系數(shù)選取為1.8，自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)根據(jù)實(shí)際模型的不同計(jì)算的下垂系數(shù)也存在差異性，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 換流器仿真參數(shù)

根據(jù)式(1)搭建了改進(jìn)型孤島控制模型，設(shè)定在變電站的單母線分段開關(guān)之間采用模塊化多電平換流器替代分段開關(guān)。主變1側(cè)母線負(fù)荷等效為8 MW，主變2側(cè)母線負(fù)荷等效為10 MW，將換流器MMC1設(shè)定為主站，用于穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，MMC2設(shè)定為從站，承擔(dān)換流器功率的傳輸，0～1 s時(shí)MMC2功率設(shè)定為5 MW，1 s時(shí)主變2故障退出運(yùn)行換流器切換不停電轉(zhuǎn)供模式，該模式可以通過MMC1向故障側(cè)提供電力缺額，保障負(fù)荷持續(xù)供電，滿足負(fù)荷的供電可靠性。為便于分析，將孤島控制模式和改進(jìn)型孤島控制模式進(jìn)行對比分析，其中負(fù)載電流、電壓選取其中一相進(jìn)行對比。由于B2B-MMC運(yùn)行在變電站內(nèi)，本文孤島檢測時(shí)間很短，因此忽略孤島檢測時(shí)間。

圖6給出了換流器從P/Q模式切換到孤島控制模式和改進(jìn)型孤島控制模式的柔性互聯(lián)變電站系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對比波形。

圖6 孤島模式切換運(yùn)行特性對比圖

由圖6(a)—(b)可知,1 s時(shí)主變退出運(yùn)行，MMC2承擔(dān)10 MW負(fù)荷，換流器切換為常規(guī)孤島運(yùn)行模式。該模式為換流器硬切換，將產(chǎn)生較大的電壓電流沖擊，其中負(fù)載沖擊電流達(dá)到3.1 kA，采用改進(jìn)型孤島控制模式?jīng)_擊電流有效降低其值為0.54 kA，負(fù)載電壓也引起短時(shí)的畸變；采用改進(jìn)型孤島控制模式，負(fù)載沖擊電流大幅減小，負(fù)載電壓趨于平穩(wěn)。

由圖6(c)、(d)可知，孤島控制下?lián)Q流器輸出功率的大小取決于交流側(cè)負(fù)荷；改進(jìn)型孤島模式切換過渡過程中，減小了換流器功率超調(diào)時(shí)間，換流器功率過渡過程非常短暫，在數(shù)毫秒內(nèi)即過渡到新的穩(wěn)態(tài)；采用孤島控制模式時(shí)，切換瞬間直流電壓大致波動(dòng)在17.5 kV～22 kV，若波動(dòng)時(shí)間過長嚴(yán)重影響換流器運(yùn)行可靠性，而改進(jìn)型孤島控制模式，切換瞬間直流電壓大致波動(dòng)在19.6 kV～20.3 kV，直流母線電壓偏離均在±0.5 kV以內(nèi)，跌落程度明顯變小，滿足換流器運(yùn)行規(guī)程，體現(xiàn)了改進(jìn)孤島控制模式在切換過程中的優(yōu)勢。

3.2 算例2：改進(jìn)型孤島模式下負(fù)荷突變

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)型孤島控制模式能夠適應(yīng)孤島模式下負(fù)荷的變化，設(shè)定主變1側(cè)等效負(fù)荷為8 MW，主變2側(cè)初始負(fù)荷為8 MW，MMC2初始功率設(shè)定為0，1 s時(shí)切換為改進(jìn)型孤島控制模式，1.5 s時(shí)孤島側(cè)負(fù)荷突增5 MW負(fù)荷，2 s時(shí)突減5 MW負(fù)荷，換流器參數(shù)與算例1一致，圖7給出了改進(jìn)型孤島控制模式下的負(fù)荷突變的運(yùn)行波形圖。

圖7 改進(jìn)型孤島控制運(yùn)行波形圖

由圖7可知，改進(jìn)型孤島控制能夠適應(yīng)失電狀態(tài)下負(fù)荷的突變。在1.5 s時(shí)負(fù)荷突增工況下，采用改進(jìn)型孤島控制負(fù)載電流平穩(wěn)過渡，換流器輸出功率始終跟隨負(fù)荷變化，直流側(cè)電壓在負(fù)荷突變是產(chǎn)生較小波動(dòng)，波動(dòng)范圍始終在允許波動(dòng)范圍以內(nèi)，2 s時(shí)負(fù)荷突減亦實(shí)現(xiàn)了換流器的平穩(wěn)運(yùn)行，證實(shí)了該控制能夠在孤島模式下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

4 結(jié)論

孤島控制模式能夠向失電區(qū)域不間斷供電，體現(xiàn)了柔性互聯(lián)配電網(wǎng)的優(yōu)勢所在。然而，由于孤島控制與主從控制的控制器差異性較大，切換過程中控制系統(tǒng)亦會(huì)發(fā)生較大變化，容易產(chǎn)生沖擊電流、沖擊電壓等現(xiàn)象。本文提出一種改進(jìn)型孤島控制模式，將有功-直流電壓平方分配特性的固定下垂系數(shù)與利用虛擬慣量的自適應(yīng)慣性下垂系數(shù)相結(jié)合，其中虛擬慣性技術(shù)是將B2B-MMC系統(tǒng)中直流側(cè)有功功率和交流系統(tǒng)頻率進(jìn)行耦合，使其能夠在切換過程中快速調(diào)節(jié)慣性下垂系數(shù)進(jìn)而抑制切換過程中的暫態(tài)沖擊，實(shí)現(xiàn)孤島模式下的平滑切換，最后對所提控制策略進(jìn)行仿真研究，結(jié)論如下。

1)本文所提的改進(jìn)型孤島控制模式，實(shí)現(xiàn)了換流器不同模式之間的平滑切換和失電區(qū)域的不間斷供電，由仿真對比實(shí)驗(yàn)可知，切換過程中大幅減小了沖擊電流、電壓現(xiàn)象，同時(shí)減小了換流器功率超調(diào)時(shí)間，直流側(cè)電壓波動(dòng)符合運(yùn)行規(guī)程，提高了系統(tǒng)可靠性。

2)改進(jìn)型孤島控制模式同時(shí)能夠適應(yīng)失電工況下負(fù)荷突變帶來的影響，實(shí)現(xiàn)了孤島模式下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。