張成龍，韓鈺倩

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司宿州市城郊供電公司，安徽 宿州 234000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市供用電形式的深度變革，高可靠性供電、高滲透率分布式能源友好接入對(duì)配電網(wǎng)控制運(yùn)行提出了更高要求[1-3]。近年來(lái)，基于電壓源換流器（VSC）的VSC-MTDC技術(shù)得到快速發(fā)展，其基于共用直流母線的多個(gè)換流器將交流系統(tǒng)進(jìn)行AC-DC-AC解耦互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)任意饋線長(zhǎng)期安全合環(huán)運(yùn)行，大幅提高電網(wǎng)供電可靠性；風(fēng)電、光伏等大規(guī)模可再生能源友好并網(wǎng)，有效提高配網(wǎng)清潔能源消納能力；PQ四象限控制，可精確調(diào)控電網(wǎng)潮流分布，提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性[4-5]。

VSC-MTDC換流器數(shù)目較多，直流電壓控制較復(fù)雜，其主要的控制方式有主從控制、電壓裕度控制、下垂控制3種[6]。主從控制下系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定性較好且能精確控制換流器的輸出功率，但系統(tǒng)的功率僅由主站平衡，多個(gè)換流器之間須要通信，當(dāng)換流器出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，其可靠性不高[7]。為提高系統(tǒng)供電可靠性，有學(xué)者提出了電壓裕度控制，通過(guò)設(shè)定電壓裕度值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同控制模式的切換，且各換流器間不須要通信[8]。但以上兩種控制策略在同一時(shí)刻有且僅有一臺(tái)換流器承擔(dān)系統(tǒng)的功率平衡，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而在下垂控制中多個(gè)換流器共同承擔(dān)系統(tǒng)的功率平衡，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和穩(wěn)態(tài)特性較高，但對(duì)控制系統(tǒng)的模型精度要求較高且下垂系數(shù)固定，一般只用在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及功率波動(dòng)大的系統(tǒng)中[9]。針對(duì)單一控制策略無(wú)法滿足配電網(wǎng)多端柔直系統(tǒng)在復(fù)雜多變工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]提出一種電壓組合控制策略，結(jié)合電壓裕度控制和下垂控制的優(yōu)點(diǎn)并相互彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)，但定系數(shù)下垂控制在組合控制中存在模式切換過(guò)程中功率波動(dòng)較大以及對(duì)模型精度要求較高的問(wèn)題，不利于系統(tǒng)靈活經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

基于此，本文提出一種改進(jìn)的組合控制策略。在電壓裕度控制中引入變系數(shù)下垂控制，并針對(duì)主換流器3種典型運(yùn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略；最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提控制策略和控制器的有效性。

1 VSC-MTDC數(shù)學(xué)模型

圖1為單端VSC-MTDC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 單端VSC-MTDC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)PQ獨(dú)立解耦控制，根據(jù)圖1可得換流站dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)方程：

式中：Usd、Urd、Usq、Urq、id、iq分別為換流站交流側(cè)電壓、電網(wǎng)側(cè)電壓、電網(wǎng)側(cè)電流的dq軸分量；ω為電網(wǎng)角頻率。

由于阻值R較小其損耗可忽略不計(jì)，換流站從交流側(cè)吸收的有功和無(wú)功功率為：

若取Us的矢量方向?yàn)閐軸，則Usq=0，式（2）可表示為：

當(dāng)VSC-MTDC正常運(yùn)行時(shí)，忽略換流站損耗，系統(tǒng)交流側(cè)和直流側(cè)功率保持平衡，系統(tǒng)的有功功率守恒方程式為：

式中：Udc為直流側(cè)母線電壓；C為直流側(cè)電容；n為系統(tǒng)中換流站個(gè)數(shù)。在VSC-MTDC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的直流電壓要維持恒定，即公式（4）等式左邊要等于0。

2 改進(jìn)的組合控制策略

2.1 傳統(tǒng)組合控制策略

目前已有許多學(xué)者研究柔直的協(xié)調(diào)控制策略，圖2是一種傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，其核心思想是將傳統(tǒng)下垂控制和電壓裕度控制進(jìn)行合理組合。

圖2 傳統(tǒng)組合控制下?lián)Q流站各端口工作特性

2.2 改進(jìn)組合控制策略

為更好地實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)多端柔直系統(tǒng)在復(fù)雜多變工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行，將變系數(shù)下垂控制與電壓裕度控制進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)組合控制策略。所設(shè)計(jì)的控制策略換流站各端口的工作特性如圖3所示。根據(jù)主換流站所處的工作狀態(tài)不同，可以將VSC-MTDC的運(yùn)行場(chǎng)景分為以下3種典型模式。

圖3 所提改進(jìn)組合控制下?lián)Q流站各端口的工作特性

輸出功率在主換流站允許范圍內(nèi)，沒(méi)有超出其輸出功率極限，從換流站1工作在定功率模式下，系統(tǒng)的直流電壓的穩(wěn)定由主換流站來(lái)維持。當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)超出正負(fù)0.01Udcref時(shí)，從換流站1自動(dòng)的切換到變系數(shù)下垂控制模式下，由從換流站1補(bǔ)償系統(tǒng)部分功率缺額，緩解主換流站的調(diào)節(jié)壓力，使系統(tǒng)更快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

主換流站極限功率下運(yùn)行，此時(shí)輸出功率達(dá)到主換流站額定值，直流母線電壓波動(dòng)超過(guò)正負(fù)0.02Udcref時(shí)，主換流站迅速切換到定功率控制模式下，此時(shí)從換流站1切換到定直流電壓控制模式，從換流站2維持原來(lái)運(yùn)行模式不變。

主換流站發(fā)生嚴(yán)重故障退出運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)有功功率嚴(yán)重不平衡，直流電壓波動(dòng)超過(guò)正負(fù)0.03Udcref時(shí)，從換流站1進(jìn)入定功率控制模式，從換流站2按設(shè)定的裕度值將控制模式切換到變系數(shù)下垂控制模式下。當(dāng)主換流站故障消除重新投入運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)至初始穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

所提改進(jìn)組合控制策略在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，能夠嚴(yán)格按照指令值運(yùn)行，這是單一的下垂控制無(wú)法做到的。當(dāng)主站發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，多個(gè)換流站能夠同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)功率缺額，使系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行，這是電壓裕度控制所不具有的能力。將改進(jìn)的下垂控制和電壓裕度控制進(jìn)行組合，能夠有效抑制系統(tǒng)在故障情況下直流母線電壓的波動(dòng)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，這是傳統(tǒng)組合控制策略所不具有的優(yōu)勢(shì)。

3 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在Matlab/Simulink中搭建如圖4所示的配電網(wǎng)五端背靠背柔直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在仿真模型中，5個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同的VSC直流側(cè)端口通過(guò)直流公共母線互聯(lián)，構(gòu)成背靠背接線形式。為驗(yàn)證本章所提新型協(xié)調(diào)控制策略的有效性和優(yōu)越性，將所提新型協(xié)調(diào)控制策略與電壓裕度控制、傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制在換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行場(chǎng)景中進(jìn)行仿真驗(yàn)證和結(jié)果分析。

圖4 配電網(wǎng)五端背靠背柔直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

五端背靠背柔性直流系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 五端背靠背柔直系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.2 換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行

當(dāng)主換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，VSC2取代VSC1成為主換流站采用定直流電壓控制，VSC3、VSC4和VSC5根據(jù)實(shí)際情況從定有功功率控制切換到改進(jìn)下垂控制。設(shè)定初始狀態(tài)下VSC2的有功功率指令是-5 MW，VSC3、VSC4、VSC5的有功功率指令分別為2 MW、3.5 MW、2.5 MW。VSC1作為逆變站在0.45 s時(shí)發(fā)生故障并退出運(yùn)行，經(jīng)過(guò)0.2 s后VSC1排除故障重新投入運(yùn)行。將所提新型協(xié)調(diào)控制策略（下垂系數(shù)可變）與傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略（下垂系數(shù)固定）以及電壓裕度控制進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖5到12所示。

圖5為電壓裕度控制下各端口輸出功率仿真波形。由圖可知，在0.45 s主換流站VSC1輸出功率變?yōu)?，此時(shí)VSC2工作在定直流電壓控制模式，VSC3、VSC4和VSC5工作在定功率控制模式下，系統(tǒng)因VSC1發(fā)生故障退出運(yùn)行產(chǎn)生的功率缺額全部由VSC2承擔(dān)，VSC2輸出功率波動(dòng)幅度較大。從圖10可以得知，電壓裕度控制下的直流母線電壓最大波動(dòng)幅度超過(guò)0.8 kV，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為0.32 s。

圖5 電壓裕度控制下各端口輸出功率仿真波形

圖6為傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下各端口輸出功率。由圖可知，當(dāng)VSC1發(fā)生故障時(shí)，VSC2工作在定直流電壓控制模式，VSC3、VSC4和VSC5工作在傳統(tǒng)下垂控制模式下，VSC4和VSC5下垂系數(shù)相同，因此承擔(dān)的有功功率相同，各自承擔(dān)了0.5 MW功率，此時(shí)系統(tǒng)的功率缺額由4個(gè)換流站共同承擔(dān)，能夠縮短系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，但工作在傳統(tǒng)下垂控制模式下的換流站在補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額時(shí)，輸出有功功率不平滑，功率波動(dòng)幅度較大，對(duì)有功功率的控制精度不高。從圖10可以得知，在此控制模式下，母線電壓最大波動(dòng)幅度在0.6 kV左右，直流母線電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間約為0.14 s。

圖6 傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下各端口輸出功率仿真波形

圖7為所提控制下各端口輸出功率，各端口輸出有功功率相比于傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制平滑，功率波動(dòng)幅度更小，有功功率控制精度更高。從圖8和圖9可知，當(dāng)VSC1退出運(yùn)行時(shí)，VSC4有功功率裕度大，主動(dòng)承擔(dān)更多的有功，VSC3和VSC5的有功裕度小，下垂系數(shù)減小，承擔(dān)相應(yīng)較少的有功，避免過(guò)載現(xiàn)象的發(fā)生。系統(tǒng)的直流母線波動(dòng)如圖10所示，由圖可知，在所提控制下系統(tǒng)直流母線電壓的波動(dòng)幅度小于0.35 kV，直流母線電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間約為0.08 s。

圖7 所提控制下各端口輸出功率仿真波形

圖8 VSC3和VSC4輸出功率仿真波形

圖9 VSC1作為逆變站退出運(yùn)行時(shí)下垂系數(shù)仿真波形

圖10 不同控制下直流母線電壓仿真波形

由以上分析可知，所提組合控制相比于傳統(tǒng)組合控制和電壓裕度控制，直流母線電壓波動(dòng)幅度和響應(yīng)時(shí)間更小，對(duì)換流站輸出有功功率波動(dòng)抑制效果更好，有功功率的控制精度更高，能夠更好地保證系統(tǒng)在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)快速進(jìn)入到安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

VSC1作為整流站在0.45 s時(shí)發(fā)生故障退出運(yùn)行，經(jīng)過(guò)0.2 s后VSC1排除故障重新投入運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖11和12所示。設(shè)定初始狀態(tài)下VSC2的有功功率指令是3 MW，VSC3、VSC4、VSC5的有功功率指令分別為-1 MW、-2 MW、2.5 MW。

圖11為所提控制下各端口輸出功率情況，各換流站工作情況和VSC1作為逆變站退出運(yùn)行時(shí)情況基本相同，當(dāng)VSC1退出運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)出的有功功率減少，直流母線電壓要降低，各換流站在補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額的過(guò)程中，輸出有功功率較平滑。圖12為不同控制方式下直流母線電壓波動(dòng)情況，從中可以看出，在所提新型協(xié)調(diào)控制策略下，系統(tǒng)直流母線電壓波動(dòng)幅度小于0.2 kV，波動(dòng)幅度最小，電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間約為0.01 s，響應(yīng)速度最快。

圖11 所提控制下各端口輸出功率仿真波形

圖12 不同控制下直流母線電壓仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)VSC-MTDC控制策略存在的輸出功率和直流母線電壓波動(dòng)較大以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的組合控制策略，能夠使直流母線電壓波動(dòng)幅度和響應(yīng)時(shí)間更小，對(duì)換流站輸出有功功率波動(dòng)抑制效果更好，有功功率的控制精度更高，能夠更好地保證系統(tǒng)在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)快速進(jìn)入到安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。