楊舟，楊仁炘，施剛*，張建文

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司，北京市 西城區(qū) 100120；2.電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))，上海市 閔行區(qū) 200240）

0 引言

隨著各國(guó)對(duì)可再生能源的重視，海上風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量在迅速增加，5 MW 的風(fēng)機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，而10 MW 及以上容量的風(fēng)機(jī)也已經(jīng)商業(yè)化。日益增大的海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量對(duì)并網(wǎng)技術(shù)提出更高的要求[1]，特別是大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的突然脫網(wǎng)，對(duì)于交流電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響非常顯著。因此，為了滿足并網(wǎng)法則的要求，可靠的交流故障穿越能力非常必要[2-4]。由于多端直流輸電(multiterminal direct current，MTDC)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)和風(fēng)電場(chǎng)的解耦控制，以避免交流故障通過(guò)直流網(wǎng)絡(luò)蔓延[5-6]，未來(lái)很可能通過(guò)多端直流輸電系統(tǒng)將大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)并入交流電網(wǎng)[7-8]。這就要求多端直流輸電系統(tǒng)具有一個(gè)穩(wěn)定且可行的故障穿越(fault ride through，F(xiàn)RT)的控制策略以滿足并網(wǎng)要求。

從經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性等方面來(lái)看，多端直流輸電的控制系統(tǒng)需要滿足多方面的要求，其中保持直流電壓穩(wěn)定和靈活地分配有功功率是2 個(gè)重要方面[9]，同時(shí)為了提高可靠性，需要多個(gè)換流站共同控制直流電壓[10]。目前，已有很多不同的控制策略被提出，主要包括直流電壓下垂控制和電壓邊界控制[11]。下垂控制法的優(yōu)勢(shì)在于在無(wú)需通信的前提下，能夠靠多個(gè)換流站共同控制直流電壓，但是還有一些不足有待解決，比如功率分配對(duì)于線路阻抗依賴性強(qiáng)，功率調(diào)節(jié)不精確[12]，而且只要有功功率發(fā)生波動(dòng)，直流電壓就會(huì)按照下垂特性曲線相應(yīng)變化[13]。電壓邊界控制策略在有功功率波動(dòng)時(shí)，能有效控制直流電壓的恒定，但是實(shí)際上這種方法每次只有一個(gè)換流站來(lái)控制直流電壓，這對(duì)于大型多端直流輸電系統(tǒng)是不夠可靠的。

交流故障穿越能力是多端直流輸電系統(tǒng)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[14-15]討論了不同的運(yùn)行模式來(lái)提高系統(tǒng)故障穿越能力。為了避免直流過(guò)電壓，多端直流輸電系統(tǒng)換流站的控制與風(fēng)電場(chǎng)降功率控制的協(xié)調(diào)配合十分必要。降功率的方法已有很多研究，幾種無(wú)需通信的方法更加可行，包括直流斬波器法、降壓法和升頻法[16-18]。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)僅研究了這些方法在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直流輸電系統(tǒng)，或者基于傳統(tǒng)的電壓下垂控制策略的多端直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文提出了一種新型的直流電壓協(xié)調(diào)控制(coordinated DC voltage control，CDVC)策略，并結(jié)合降壓法、升頻法和直流斬波器法這3 種無(wú)需通信的故障穿越方法，有效提高了多端直流輸電系統(tǒng)的故障穿越能力。所提出的新型控制策略的優(yōu)勢(shì)在于可以由多個(gè)換流站共同控制直流電壓，能夠按比例靈活分配有功功率。因此，基于新型直流電壓協(xié)調(diào)控制的多端直流輸電系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)交流故障時(shí)，一定程度上比基于傳統(tǒng)電壓下垂控制的多端直流輸電系統(tǒng)具有更好的性能。

1 多端直流輸電測(cè)試系統(tǒng)

一個(gè)并入交流系統(tǒng)的五端直流輸電系統(tǒng)如圖1 所示，其將作為本文的基準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)。在直流系統(tǒng)中，3 個(gè)電網(wǎng)側(cè)換流站(grid side voltage source converter，GSVSC)采用直流電壓協(xié)調(diào)控制，而2 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的換流站(wind farm voltage source converter，WFVSC)采用交流電壓控制。3個(gè)交流電網(wǎng)通過(guò)簡(jiǎn)化的阻抗Z1和Z2連接，不同的阻抗大小代表電網(wǎng)之間不同的電氣距離。

圖1 五端直流輸電系統(tǒng)Fig.1 A five-terminal HVDC system

2 直流電壓協(xié)調(diào)控制策略

2.1 直流電壓協(xié)調(diào)控制的原則

對(duì)于一個(gè)典型的多端直流輸電系統(tǒng)，每個(gè)換流站除了由本地控制中心控制，也可以接收集控中心的調(diào)度指令[19]。在這種結(jié)構(gòu)下，可以將直流電壓控制環(huán)放到集控中心里，而其余部分仍然留在每個(gè)換流站的本地控制中心，如圖2 所示，每個(gè)GSVSC換流站的d軸電流參考值就可以通過(guò)集控中心發(fā)送的指令獲得。實(shí)際上，第i個(gè)換流站所接收到的d軸電流參考值是總的d軸電流乘以一個(gè)系數(shù)Ki后的結(jié)果，這些系數(shù)滿足式(1)。通過(guò)這種方式，就可以把總的電流按照比例Ki分配給每個(gè)換流站。

圖2 直流電壓協(xié)調(diào)控制策略Fig.2 Coordinated DC voltage control strategy

這樣每個(gè)換流站都可以參與直流電壓的控制，因?yàn)閐軸電流的給定值是通過(guò)一個(gè)跟隨直流電壓變化的PI控制器來(lái)求出的。同時(shí)，總的有功功率也可以按照這種方式以比例Ki分配給不同的GSVSC換流站。至于Ki的選擇，可以采用最優(yōu)潮流的原則，或者其他合理可行的算法。

2.2 直流網(wǎng)絡(luò)的潮流分析

五端直流輸電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)等效電路如圖3 所示，其中R1，R2，R3代表3 個(gè)連接GSVSC 換流站的直流電纜的電阻值；R4，R5代表連接2 個(gè)WFVSC換流站的直流電纜的電阻值；Vdc1—Vdc5和Idc1—Idc5分別對(duì)應(yīng)換流站的直流電壓和電流；Vdc0、Idc0分別是直流母線電壓、電流，通過(guò)集控中心來(lái)監(jiān)測(cè)。因此，可以由此求出有功功率，以這個(gè)五端系統(tǒng)為例，可以描述為：

圖3 五端直流輸電系統(tǒng)的等效電路圖Fig.3 DC equivalent circuit of five-terminal DC system

這樣，可以求出傳輸?shù)紾SVSC換流站的有功功率：

由于直流電纜的阻值很小，可以忽略式(5)中的二階項(xiàng)，得到式(7)：

其中i∈{1,2,3}。

由此，注入到GSCVSC 換流站的有功功率Pi和對(duì)應(yīng)換流站的電流參考值系數(shù)Ki成正比，如式(8)所示：

2.3 交流故障時(shí)的控制原則及其理論分析

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，交流電壓跌落產(chǎn)生較大的短路電流，達(dá)到換流站的電流限幅值，控制器無(wú)法正?？刂浦绷麟妷?。

而基于CDVC 控制策略靈活分配有功功率的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)交流電壓跌落的程度系數(shù)α=Vac/

圖4 第i個(gè)GSVSC本地控制站的新型故障穿越控制Fig.4 The novel FRT strategy of the GSVSC i at the local station

由于直流電壓外環(huán)PI 控制器的自適應(yīng)性，這種自動(dòng)調(diào)節(jié)并不會(huì)影響直流電壓的穩(wěn)定性和控制精度，證明如下。

1）穩(wěn)定性的影響

考慮到增加自動(dòng)調(diào)節(jié)相當(dāng)于改變了電流內(nèi)環(huán)的給定指令，對(duì)內(nèi)環(huán)穩(wěn)定性沒(méi)有影響，因此可以將內(nèi)環(huán)控制看作是一個(gè)比例系數(shù)Kw，換流站的控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為如圖5 所示，其中反饋系數(shù)K可看作1。

圖5 直流電壓外環(huán)的簡(jiǎn)化框圖Fig.5 Simplified control block of DC voltage

當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)換流站的有功功率的比例系數(shù)時(shí)，相當(dāng)于對(duì)內(nèi)環(huán)的比例Kw產(chǎn)生了一個(gè)擾動(dòng)，此時(shí)外環(huán)開(kāi)環(huán)的傳遞函數(shù)為

式中：Kp，τi為電壓外環(huán)控制器參數(shù)。由伯德圖穩(wěn)定判據(jù)可知，當(dāng)α在(0,1)pu 范圍變化時(shí)，始終滿足相角裕度和幅值裕度均大于0，因此當(dāng)交流電壓變化自動(dòng)調(diào)節(jié)比例系數(shù)Ki時(shí)，直流電壓始終穩(wěn)定。

2）直流電壓精度的影響

當(dāng)調(diào)整了電流指令后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)的電壓偏差ΔUdc，由于PI 控制器的積分作用，只要ΔUdc不為0，分配給其他換流站的電流指令就會(huì)相應(yīng)地增大，最終自動(dòng)調(diào)整了比例分配，以使ΔUdc為0，如公式(10)所示，Udc變?yōu)轭~定值。因此，電壓下垂系數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)直流電壓的精度也沒(méi)有影響。

式中：UdcN為額定直流電壓；τ為PI控制器中積分器的時(shí)間常數(shù)。

3 交流故障穿越控制策略

當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，如果故障不是很?chē)?yán)重，可以僅通過(guò)電壓跌落程度系數(shù)α調(diào)整有功功率的分配比例系數(shù)Ki，降低故障電網(wǎng)所連接的換流站的有功功率分配比例，則可以重新實(shí)現(xiàn)直流電壓的無(wú)偏差控制；但是如果故障嚴(yán)重，分配給其他正常換流站的有功功率超過(guò)了它們的最大限度，直流電壓會(huì)繼續(xù)上升，此時(shí)就需要結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的換流站降低有功功率，來(lái)保證直流電壓的穩(wěn)定性。

因此，需要針對(duì)不同程度的交流故障，采取分層控制，以最大限度地利用有功功率，提高系統(tǒng)FRT 能力：1）GSVSC 根據(jù)交流故障程度自動(dòng)調(diào)節(jié)有功功率分配比例，使冗余的有功功率盡可能多地由正常換流站傳輸?shù)浇涣麟娋W(wǎng)；2）WFVSC換流站在無(wú)需通信的情況下，通過(guò)檢測(cè)是否超過(guò)設(shè)定的直流電壓閾值Udcth的方法，觸發(fā)升頻法或者降壓法來(lái)降低風(fēng)電功率；3）直流輸電系統(tǒng)中的斬波器則作為后備保護(hù)，保證降低風(fēng)電功率時(shí)，交流電壓、頻率和風(fēng)電場(chǎng)轉(zhuǎn)速都不會(huì)超過(guò)允許的范圍。

3.1 電網(wǎng)側(cè)換流站的控制

圖6 為CDVC 控制電網(wǎng)側(cè)換流站的電壓電流特性曲線，從圖6 可以看出，只要直流電流沒(méi)有達(dá)到上限，換流站就可以控制直流電壓穩(wěn)定在額定值。而當(dāng)直流電流達(dá)到上限時(shí)，直流電壓電流的特性可以表示為

圖6 CDVC控制電網(wǎng)側(cè)換流站的電壓電流特性曲線Fig.6 Voltage and current characteristic curve of converter station on grid side controlled by CDVC

式中：Vac和Iac_max分別為交流電壓和最大交流電流；cosφ為功率因數(shù)，可以認(rèn)為在故障時(shí)基本保持不變。

因此，在達(dá)到電流上限值之前，每個(gè)換流站仍然有一定的容量吸收有功功率。這個(gè)優(yōu)勢(shì)對(duì)于多端直流輸電系統(tǒng)中部分換流站發(fā)生交流故障時(shí)的協(xié)調(diào)控制很有幫助，因?yàn)槠渌５膿Q流站就可以利用這部分的容量繼續(xù)吸收有功功率，及時(shí)建立功率平衡。但是，這種能力是有限制的，其值為ΔPCDVC，可以表示為

式(12)表明，ΔPCDVC與交流電壓Vac和換流站吸收的有功功率Pi有關(guān)，因此，交流電壓跌落得越低，換流站已經(jīng)吸收的有功功率越大，那么這種方法所能平衡的有功功率的最大值ΔPCDVC就越小。為了充分利用這部分容量，集控中心可以根據(jù)不同的情況調(diào)整系數(shù)Ki。

但是，如果故障造成的多余的功率超過(guò)了這個(gè)上限，就需要配合降功率控制策略。

3.2 風(fēng)場(chǎng)側(cè)換流站的控制

文獻(xiàn)[20]介紹了幾種無(wú)需通信的降功率方法，包括降壓法和升頻法，如圖7 所示。但是，實(shí)際上降功率法也是有上限的，因?yàn)檫@些方法受限于風(fēng)電場(chǎng)匯聚點(diǎn)交流電壓、頻率的邊界以及風(fēng)電場(chǎng)的轉(zhuǎn)速要求，可用ΔPwind表示。因此直流斬波器應(yīng)該安裝在直流線路中，作為一個(gè)后備保護(hù)策略。

圖7 風(fēng)場(chǎng)側(cè)換流站的降功率法Fig.7 Power reduction methods of WFVSC

3.3 直流斬波器的控制

觸發(fā)直流斬波器的直流電壓閾值U′dcth可選擇比降功率法的直流電壓閾值Udcth高一些，這樣可以保證只有當(dāng)降功率法所降功率ΔPwind還不足以控制直流電壓穩(wěn)定時(shí)才觸發(fā)直流斬波器。斬波器的電阻可由式(13)求出：

式中：ΔPexcess是故障時(shí)產(chǎn)生的總的多余的功率；ΔPchop是通過(guò)直流斬波器減小的有功功率；Rchopper是直流斬波器的電阻值。同時(shí)滿足U′dcth＞Udcth。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 模型建立

根據(jù)圖1，基于PSCAD/EMTDC 建立了一個(gè)五端直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，其中風(fēng)電場(chǎng)1和2由雙饋發(fā)電機(jī)組組成，其容量分別為200 MW 和150 MW。換流站額定容量為200 MV·A，額定直流電壓是320 kV，線路參數(shù)見(jiàn)表1。3個(gè)電網(wǎng)側(cè)換流站的初始有功功率由最優(yōu)潮流算法分配為3∶4∶6。

表1 直流電纜的參數(shù)Tab.1 Parameters of DC cables

仿真算例1和算例2分別驗(yàn)證了當(dāng)發(fā)生不同程度的交流電壓跌落時(shí)的控制效果。當(dāng)輕微故障時(shí)，即不能正常注入交流電網(wǎng)的有功功率小于ΔPCDVC，僅需要GSVSC的有功功率分配比例調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障穿越；而當(dāng)故障較為嚴(yán)重時(shí)，即直流暫態(tài)過(guò)電壓超過(guò)設(shè)定的閾值Udcth，則需要結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)降低有功功率法來(lái)重新建立穩(wěn)定的直流電壓。仿真驗(yàn)證了所提出控制策略與傳統(tǒng)的電壓下垂控制策略相比，對(duì)直流電壓以及有功功率分配等方面的控制效果。

4.2 算例1：輕微的交流故障

在本算例中，交流電網(wǎng)1在3 s時(shí)，發(fā)生了一個(gè)持續(xù)500 ms 的三相接地短路故障。交流電網(wǎng)1與其他電網(wǎng)之間的電氣距離較大，由簡(jiǎn)化阻抗較大的Z1表示。圖8(a)、(c)、(e)、(g)分別為在電壓下垂控制策略下3個(gè)GSVSC換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率和直流電流，圖8(b)、(d)、(f)、(h)分別為在CDVC 策略下3 個(gè)電網(wǎng)側(cè)換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率和直流電流。

由圖8(a)和(b)可以看出，該故障導(dǎo)致交流電網(wǎng)1的電壓跌落到0.5 pu，而其他交流電網(wǎng)電壓不受影響。由于這個(gè)故障不是很?chē)?yán)重，不能正常注入交流電網(wǎng)的有功功率小于ΔPCDVC，因此直流電壓沒(méi)有超過(guò)Udcth，降功率法沒(méi)有被觸發(fā)。

圖8 輕微交流故障時(shí)不同控制策略效果對(duì)比Fig.8 Effect comparison of different control strategoes for minor AC faults

從圖8(c)和(d)可以看出，電壓下垂控制策略中的直流電壓可以保持穩(wěn)定，但是穩(wěn)定在330 kV(1.03 pu)，而在CDVC 控制策略下的直流電壓可以穩(wěn)定在額定值。從圖8(e)和(f)可知，這2 種方法都可以通過(guò)電網(wǎng)2 和3 所連接的換流站吸收多余的有功功率，從而幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障穿越。而圖8(g)和(h)表明，這個(gè)過(guò)程直流電流沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象，故障后能夠快速恢復(fù)正常?？傊?，雖然這2 種方法都可以幫助多端直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障穿越，但是CDVC 可以保證直流電壓穩(wěn)定在額定值，而電壓下垂控制難免會(huì)引入直流電壓偏差。

4.3 算例2：嚴(yán)重的交流故障

在本算例中，在3 s時(shí)，交流電網(wǎng)2發(fā)生了一個(gè)持續(xù)500 ms的三相接地短路故障。由于其阻抗較小，代表電網(wǎng)2和電網(wǎng)3之間的電氣距離小，因此，當(dāng)交流電網(wǎng)2 發(fā)生故障后，不僅GSVSC2 的交流電壓跌落到0，而且GSVSC3 的交流電壓也跌落到0.5 pu。圖9(a)、(c)、(e)、(g)、(i)分別為在電壓下垂控制策略下的3個(gè)GSVSC換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率，以及WFVSC 換流站采用升頻法的頻率及其有功功率；圖9(b)、(d)、(f)、(h)、(j)分別為在CDVC 控制策略下3個(gè)GSVSC換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率，以及WFVSC 換流站采用升頻法的頻率及有功功率。

由于這次故障導(dǎo)致直流電壓升高至大約336 kV(1.05 pu)，超過(guò)了降功率的電壓閾值Udcth，降功率法被觸發(fā)，如圖9(c)、(d)所示。

在CDVC 控制策略下，檢測(cè)到交流電網(wǎng)2 和交流電網(wǎng)3 的過(guò)電流可以使集控中心調(diào)整功率分配系數(shù)Ki，以充分利用有功功率。因此，在這種情況下，分配比例從原來(lái)的最優(yōu)潮流原則的3∶4∶6改為2∶0∶1，這樣，GSVSC1和GSVSC3就可以以其最大能力吸收多余的功率。顯然，從圖9(e)、(f)中看出，功率變化的過(guò)程平滑而迅速，同時(shí)電壓下垂控制中的有功功率分配比例沒(méi)有變化。結(jié)果，在CDVC 控制策略下的WFVSC 換流站所需要降低的有功功率比在電壓下垂控制策略需要降低的有功功率節(jié)省了約40 MW，如圖9(i)、(j)所示。因此，所提出的控制策略不僅有助于多端直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障穿越，而且可以通過(guò)快速改變功率分配比例，有效利用多余的功率。

圖9 嚴(yán)重交流故障時(shí)不同控制策略效果對(duì)比Fig.9 Effect comparison of different control policies for severe AC faults

5 結(jié)論

提出了一種適用于多端直流輸電系統(tǒng)的新型控制策略——直流電壓協(xié)調(diào)控制，其特點(diǎn)是可以控制直流電壓恒定，同時(shí)在無(wú)需獲悉精確的線路阻抗時(shí)，可以按照最優(yōu)潮流控制或者其他控制目標(biāo)準(zhǔn)確地分配有功功率。這些優(yōu)勢(shì)為多端直流輸電系統(tǒng)的故障穿越控制提供了有利的條件。

如果一個(gè)電網(wǎng)側(cè)換流站發(fā)生交流故障，可以通過(guò)其他正常的換流站來(lái)緩解直流網(wǎng)絡(luò)中有功功率的不平衡。但是，如果故障比較嚴(yán)重，就需要協(xié)調(diào)控制電網(wǎng)側(cè)換流站和風(fēng)場(chǎng)側(cè)換流站來(lái)建立功率平衡，避免直流過(guò)電壓。通過(guò)結(jié)合降壓法、升頻法和直流斬波器等一系列交流故障穿越控制策略，所提出的直流電壓協(xié)調(diào)控制策略和傳統(tǒng)的電壓下垂控制策略都可以幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障穿越，但是前者能夠保持直流電壓穩(wěn)定在額定值，而后者難免會(huì)造成直流電壓的偏差。另外在故障期間，所提出的控制策略可以迅速而準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)換流站功率分配比例，以充分利用各換流站功率傳送能力。

下階段的研究將致力于在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的控制策略的有效性和可靠性。