考慮交流電網調節能力的VSC-MTDC改進下垂控制方法

李子壽，周密，徐箭，蘭天楷

(1.國網湖北省電力公司，武漢市 430077；2.武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072)

考慮交流電網調節能力的VSC-MTDC改進下垂控制方法

李子壽1，周密2，徐箭2，蘭天楷2

(1.國網湖北省電力公司，武漢市 430077；2.武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072)

多端柔性直流輸電系統的現有下垂控制方法可以將直流網絡的不平衡功率在各換流站間進行合理分配，但忽略了各換流站交流側系統的承受能力，無法根據交流側系統的暫態響應情況來靈活調節各換流站所分配的不平衡功率量。因此，該文提出一種考慮交流電網調節能力的多端柔性直流網絡改進下垂控制方法，該方法根據擾動后交流側電網的頻率偏移情況來自動調節下垂控制的斜率系數，在不改變控制器結構的前提下，可使直流側的不平衡功率在各交流電網中得到更為靈活合理的分配。在實時數字仿真器(real-time digital simulator, RTDS)平臺搭建了仿真模型，通過與固定斜率下垂控制方法和考慮功率裕度的自適應下垂控制方法進行對比，驗證了該改進控制方法的有效性和優越性。

多端柔性直流系統；改進下垂控制方法；交流側響應；頻率偏移

0 引 言

隨著電力電子技術和現代控制技術的發展，基于可控通斷半導體器件(insulated gate bipolar transistor, IGBT)的電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)在直流輸電領域中獲得了廣泛應用[1]。電壓源型換流器所構成的柔性直流(voltage source converter based high voltage direct current, VSC-HVDC)輸電網絡克服了常規直流輸電的固有缺陷，既能實現有功功率和無功功率的解耦控制與直流潮流的快速反轉，又能向無源網絡供電，非常適合可再生能源的并網和跨區域電網的互聯[2-9]。

3個及以上VSC換流站通過串聯、并聯或混聯方式連接起來，構成多端柔性直流(VSC based multi-terminal high voltage direct current, VSC-MTDC)輸電網絡[10]。目前，VSC-MTDC的基本控制方法主要包括兩大類：主從控制方法和帶電壓下垂特性的控制方法(簡稱下垂控制)[11-14]。主從控制方法，僅選取1個換流站作為主換流站，采用定直流電壓控制，該換流站的作用是維持直流母線電壓恒定，并獨立承擔直流網絡中的不平衡功率，相當于交流系統的平衡節點。此方法原理簡單，直流電壓質量較好，但其要求主換流站具有較大的調節容量，并且需要依靠換流站間的高速通信來協調各換流站有功功率指令值，可靠性差。下垂控制方法則彌補了主從控制方法的缺陷，能夠將不平衡功率按照下垂控制中的斜率系數分配至多個換流站，大大減輕了單個換流站的調節壓力，且系統正常運行時不需要高速通信，相對可靠。

文獻[15]提出一種直流電壓偏差控制策略，該策略的實質是在主換流站越限或者退出運行后，具有電壓控制能力的后備換流站能夠檢測到直流電壓的較大偏移，并轉入定直流電壓運行模式，從而接替主換流站維持直流電壓的穩定。文獻[16]提出了多點直流電壓控制策略，將多個換流站設為定直流電壓控制模式，提高了多端系統的功率平衡能力和運行的可靠性與經濟性。文獻[17]和文獻[18]在主從控制和下垂控制的基礎上，分別設計了基于自律分散思想的組合控制方式和直流電壓偏差斜率控制策略，通過兩種傳統控制方式的組合創新實現了更加可靠靈活的系統控制性能。文獻[19]結合直流電壓偏差控制和下垂控制的優點，設計了直流電壓優化控制策略，優化了系統的動態響應特性。文獻[20]設計了一種基于多代理系統的多端直流電網控制系統，并充分利用代理本身的自治性和反應性，獲得更迅速、更準確、更優化的多端直流系統控制過程。文獻[21]在電壓下垂控制中引入一個公共直流參考電壓，實現了多點直流電壓的協調控制，使系統具有更好的穩態和暫態運行特性。

通常情況下，換流站下垂控制的斜率系數為一個定值，根據換流站的容量來整定，斜率系數一旦確定后，無法根據系統實際運行情況來靈活調節各換流站的功率分配比例。文獻[22]提出自適應斜率控制策略，即根據換流站功率裕度來自適應調節斜率系數K，使得不平衡功率在各換流站中得到合理分配。但這種方法完全沒有考慮交流電網的承受能力，在實際電網中，分配到各互聯電網的不平衡功率不僅與其換流站的功率裕度有關，也應考慮交流側電網的調節能力。如有些電網雖然與直流側交換功率較少，換流站功率裕度大，但是其電網當前旋轉備用容量很小，若按照文獻[22]的分配方法，則在直流電網中出現擾動后，該電網需分攤較多的不平衡功率，交流電網頻率將出現過大的偏移。

因此，本文提出考慮交流電網調節能力的VSC-MTDC改進下垂控制方法，在保證直流網絡正常工作的前提下，根據擾動后交流側電網的頻率偏移情況來自動調節下垂控制的斜率系數，使得直流側不平衡功率在各交流電網中得到更為靈活合理的分配。在實時數字仿真器(RTDS)平臺搭建三端柔性直流輸電網絡模型，仿真驗證該方法的有效性和優越性。

1 VSC-MTDC的下垂控制方法

適用于VSC-MTDC的直流電壓下垂控制原理與交流系統的一次調頻原理類似，可以用一條直流電壓Udc與有功功率P的下垂特性曲線來表示，如圖1所示。由于直流線路上電壓降落較小，各換流站直流側電壓近似相等。為了簡化分析，本文忽略直流輸電線路損耗，認為所有換流站均工作于同一額定直流電壓。

圖1 VSC-MTDC下垂控制原理Fig.1 Principle diagram of droop control for VSC-MTDC system

當直流側出現不平衡功率導致直流電壓變化時，各換流站按照斜率系數自動調節其輸出的有功功率值，滿足直流輸電網絡的功率平衡，以達到新的穩態。

圖2 VSC-MTDC下垂控制器結構Fig.2 Structure of droop controller for VSC-MTDC system

穩態時，控制器輸出誤差信號為0，換流站i直流側電壓與功率的關系可表示為

(1)

當直流網絡出現功率擾動ΔP時，直流電壓Udc隨之改變，各換流站根據其下垂特性自動搜尋新的平衡點。設直流電壓的改變量為ΔUdc，則由圖1可知，換流站i分攤的有功功率ΔPi與直流電壓改變量ΔUdc存在如下關系：

(2)

為了保證直流網絡功率平衡，各換流站所分攤的有功功率之和應等于直流網絡中的功率擾動值ΔP，故

(3)

即

(4)

將式(4)代入式(2)，換流站i分攤的有功功率量ΔPi可寫為

(5)

可以看出，當各換流站的斜率系數固定時，任一換流站在調節過程中所分攤的功率與其斜率系數成反比，即換流站斜率系數越大，其所分攤的不平衡功率越小。通常情況下，各換流站的斜率系數按照其換流站額定容量的反比來整定，保證額定容量大的換流站承擔較多的不平衡功率，額定容量小的換流站承擔較少的不平衡功率。

2 改進下垂控制方法

采用如前所述的固定斜率下垂控制方法時，未考慮換流站的功率裕度，容易導致個別換流站滿載從而失去響應和調節能力。為了克服此缺點，文獻[22]提出在暫態過程中根據換流站的功率裕度自動改變各換流站的斜率系數，從而調節其所承擔不平衡功率的大小。該方法雖然比固定斜率控制更貼近工程實際，但未考慮到交流電網的實際調節能力。

維持直流網絡穩定的根本目的是保證互聯交流電網的可靠功率交換及其各自所帶負荷的正常運行。直流網絡中出現不平衡功率時，若某個換流站功率調節至滿載甚至過載而失去了繼續響應的能力，其他換流站仍可繼續調節，交、直流系統仍能正常運行；但若在平抑不平衡功率的過程中，交流側系統頻率波動過大，容易引起安全穩定控制裝置動作，進行切機、切負荷等操作，系統損失較大。故在進行直流網絡不平衡功率的協調分配時，應考慮各交流系統的響應及承受能力。

據此，本文提出一種改進的下垂控制方法，其主要目的是在直流電網不平衡功率的分配過程中，考慮交流側電網的承受和調節能力，根據各交流側頻率波動來調整換流站斜率系數的大小，從而在不改變控制器結構的基礎上，使不平衡功率在各互聯交流系統中得到更為靈活合理的分配，抑制交流電網頻率的過度偏移。

按照上述思路，各換流站的斜率系數可設置為

根據系統不同運行狀態，采用此改進控制方法后，換流站可能出現如下3種控制模式：

(2)控制模式2。當直流網絡中無功率擾動但某交流側系統出現擾動時，該交流側系統所連接換流站的斜率系數Ki會隨著其交流頻率的波動而改變，但由于直流側直流電壓穩定不變，直流網絡的運行點仍在特性曲線的平衡點處，Ki的變化不會影響直流網絡的功率分布。換流站輸出功率不變，該交流側頻率波動由其交流系統自行調節。

3 仿 真

圖3 三端柔性直流輸電系統仿真結構圖Fig.3 Simulation structure of three-terminal VSC-HVDC system表1 三端柔性直流輸電系統參數Table 1 Parameters of three-terminal VSC-HVDC system

(1)t=2 s時，換流站VSC2的有功指令值從60 MW提升至70 MW(情況1)。圖4和圖5分別為各交流系統頻率和各換流站外送功率的響應曲線。

如圖所示，換流站VSC2的功率指令改變后，若采用固定斜率控制方法，直流側10 MW的不平衡功率按照固定的斜率在系統S1和S3間進行分配，即PVSC1和PVSC3各增加5 MW，f1和f3分別向上波動至50.43 Hz和50.12 Hz。

圖4 交流側系統頻率響應曲線(情況1)Fig.4 Frequency response curves of AC systems (case 1)

圖5 換流站外送功率響應曲線(情況1)Fig.5 Power output response curves of converter stations (case 1)

如果采用文獻[22]中考慮換流站功率裕度的下垂控制方法，由于在擾動后換流站VSC1的功率裕度計算值較大，交流系統S1需承擔較多不平衡功率，VSC1外送功率PVSC1的改變量增加，VSC3的外送功率PVSC3的改變量減少。與定斜率控制時相比，f3的波動稍有減弱；但由于系統S1裝機容量小、調節能力弱，頻率f1波動峰值為50.51 Hz，大于定斜率控制時的峰值，且超過了電網頻率的安全穩定范圍。

圖6 斜率系數K變化曲線(情況1)Fig.6 Response curves of the droop coefficients Ki (case 1)

(2)t=2 s時，VSC2的有功指令值從60 MW降至55 MW(情況2)。圖7、8分別為各交流系統頻率和各換流站外送功率的響應曲線。

t=2 s時，VSC2的有功指令值從60 MW降至55 MW，直流側出現-5 MW的不平衡功率，若采用定斜率控制方法，PVSC1和PVSC3各減少-2.5 MW，頻率f1和f3最低分別降至49.78 Hz和49.94 Hz。

如采用考慮換流站功率裕度的控制方法，換流站VSC1的功率裕度計算值較VSC3的小，交流系統S1承擔較少的不平衡功率，交流系統S3承擔較多的不平衡功率。與定斜率控制時相比，f1波動的最低值提升至49.82 Hz，f3波動的最低值降至49.93 Hz。

圖7 交流側系統頻率響應曲線(情況2)Fig.7 Frequency response curves of AC systems (case 2)

圖8 換流站外送功率響應曲線(情況2)Fig.8 Power output response curves of converter stations (case 2)

(3)t=2 s時，換流站VSC1交流母線節點1處發生瞬時性單相接地故障，短路時間為0.1 s，短路阻抗為1 Ω(情況3)。

如圖10、11所示，t=2 s后，短路故障導致VSC1交流側母線電壓UBUS1陡降，換流站VSC1吸收的功率迅速減少。為保證直流網絡的功率平衡，VSC3吸收的功率增加。

圖9 斜率系數K變化曲線(情況2)Fig.9 Response curves of slope coefficients Ki (case 2)

圖10 交流系統S1交流側電壓響應曲線Fig.10 AC voltage response curves of system S1

圖11 交流側系統頻率響應曲線(情況3)Fig.11 Frequency response curves of AC systems (case 3)

若斜率系數固定不變，頻率f1在故障消除后波動至50.50 Hz。若采用所提出的改進控制方法，由于分攤至各換流站的不平衡功率能夠快速地響應交流系統頻率的暫態變化，最終f1最高波動至50.40 Hz，其控制效果優于固定斜率和考慮換流站功率裕度的控制方法。

由于不平衡功率在各系統間得到了更為合理的分配，直流電壓波動被快速平抑，如圖12所示，f3的偏移也更小。

圖12 直流電壓響應曲線Fig.12 DC voltage response curves

由3組仿真結果可知，若采用所提出的改進下垂控制方法，在VSC-MTDC中互聯交流系統的總調節能力充足的情況下，各端系統的頻率偏移均不會超出標準運行范圍。在暫態變化過程中，一旦有某端系統的頻率偏移過大，其對應換流站的輸送功率將朝著抑制其頻率繼續偏移的趨勢改變，而其他頻率偏移較小的交流系統所對應換流站的輸送功率將朝著使其系統頻率偏移增大的趨勢改變。最終，VSC-MTDC中的不平衡功率在各端系統間得到了更為合理的分配，各系統的頻率偏移趨于平均，均不會超過標準范圍。

4 結 論

VSC-MTDC系統采用故定斜率的下垂控制方法時，直流網絡中的不平衡功率將按照既定斜率在各換流站間進行分配，未考慮實際運行工況，更沒有考慮交流系統的響應及承受能力，可靠性較差。據此，本文提出一種考慮交流電網調節能力的VSC-MTDC改進下垂控制方法，當直流網絡出現功率擾動時，該改進控制方法能夠根據交流電網的頻率響應情況來靈活地調節各換流站的斜率系數，進而改變各互聯系統所承擔的不平衡功率，提高交流電網的穩定性，使系統更快達到穩態。RTDS仿真結果驗證了該方法在不同運行情況下的正確性和有效性。

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(編輯 張小飛)

An Improved Droop Control Method for VSC-MTDC Considering AC Grid Regulation Ability

LI Zishou1, ZHOU Mi2, XU Jian2, LAN Tiankai2

(1.State Grid Hubei Electric Power Company, Wuhan 430077, China；2. School of Electrical Engineering,Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The existing droop control methods for the voltage source converter based multi-terminal high voltage direct current (VSC-MTDC) system can reasonably distribute the unbalanced power of DC network among the converter stations, but neglect the bearing capacity of AC system in converter system, and cannot flexibly adjust the power output variation of converter stations according to the transient responses of the AC systems. Therefore, this paper proposes an improved droop control method for VSC-MTDC system considering the adjusting ability of AC grid. The improved method can adaptively modify the slope coefficient of droop control based on the frequency deviation of the AC grid, which can distribute the unbalance power in the DC grid more flexible and reasonable without changing the controller structure. Compared to the droop control method with fixed slope coefficient and the adaptive droop control method with considering power margin, the proposed improved control method is proved to be more effective and superior on the RTDS (real-time digital simulator) platform.

VSC-MTDC; improved droop control method; response of AC system; frequency deviation

國家重點基礎研究發展計劃項目(973計劃)(2012CB215201)；國家自然科學基金項目(51477122，51190100)

TM 727

A

1000-7229(2016)06-0079-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.06.012

2016-02-20

李子壽(1979)，男，碩士，主要從事電力系統運行與控制方面的研究；

周密(1991)，女，通信作者，碩士研究生，主要研究方向為電力系統穩定分析與運行控制，柔性直流輸電與直流電網控制；

徐箭(1980)，男，博士，副教授，主要研究方向為電力系統暫態穩定、電壓穩定分析與控制，大規模風電并網分析與控制等;

蘭天楷(1994)，男，湖北武漢人，本科在讀，主要研究方向為電力系統運行與控制。

Project supported by The National Basic Research Program of China (973 Program)(2012CB215201);National Natural Science Foundation of China(51477122,51190100)