基于VSC的直流配電網的電壓調整控制策略

景世良, 王　毅, 許士錦, 黑　陽, 張紫光

(華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，河北保定071003)

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基于VSC的直流配電網的電壓調整控制策略

景世良, 王毅, 許士錦, 黑陽, 張紫光

(華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，河北保定071003)

摘要：對基于VSC的直流配電網的功率控制策略進行了分析研究，提出了一種新型電壓調整控制策略。該控制策略將直流電壓下垂控制與直流電壓偏差補償控制相結合，通過偏差補償控制實時的調整各端換流站電壓控制器的直流電壓參考值，實現了系統內潮流變化時有功功率的精確控制，消除和減少了采用傳統電壓下垂控制時引起的電壓偏差，防止了直流配電網發生較大功率波動時過電壓的發生。最后，在Matlab/Simulink上搭建了兩端直流配電網和三端環狀直流配電網仿真模型，對所提控制策略進行了仿真分析，驗證了所提控制策略的有效性。

關鍵詞：直流配電網；直流電壓調整；直流電壓下垂控制；偏差補償控制

0引言

近年來，隨著分布式發電、多端直流輸電技術的不斷發展以及新型直流設備的技術突破，直流配電網的研究得到了國內外學者的廣泛關注[1-4]。直流配電網是以直流輸電為基礎，由直流換流站、交直流負荷、直流微網、分布式發電單元等組成的能量管理系統。與傳統的交流配電網相比，直流配電網的優點有：減少電力電子換流器的使用，降低換流站建設和運行成本[5]；降低電網的復雜性，減少輸電損耗[6]；不存在頻率和功角穩定性、無功環流等問題。

作為未來電網的重要組成部分，直流配電網的功率控制是首要問題，而直流電壓的穩定可以間接反映系統內有功功率的平衡，因此直流配電網穩定運行的關鍵在于直流電壓的控制。目前，適用于直流配電網的電壓控制方法主要有三種：主從控制、電壓裕度控制、電壓下垂控制。主從控制[7]通過設定一個主換流站承擔全網功率平衡，控制直流電壓穩定，而其余換流站采用定功率控制。主從控制控制原理簡單，但依賴換流站之間的通信性能，通信故障后系統難以控制[8]，且主換流站一但故障或者達到功率限值就可能導致系統失控。電壓裕度控制[9]是主從控制的一種擴展，當主換流站故障或者功率超過限額時，功率裕度較大的換流站切換至電壓控制模式，該控制方法無需站間通訊，但主換流站切換時容易引起系統震蕩，同時后備換流站的優先級確定困難[10,11]。直流電壓下垂控制[12,13]利用直流電壓與功率或電流的斜率特性，實時的響應系統內的功率波動。系統內的多端換流站可以同時采用直流電壓下垂控制，共同承擔功率平衡和系統控制[14,15]，具有很強的調節能力，且不需要站間通信，是未來直流配電網電壓控制的發展方向。

對于直流配電網的控制，當采用傳統的直流電壓下垂控制時會產生電壓偏差，尤其當系統內發生較大負荷波動時，電壓偏差可能超出額定范圍，對系統穩定運行造成嚴重影響。因此本文針對基于VSC的直流配電網的功率控制，提出了一種基于附加直流電壓偏差補償控制的改進直流電壓下垂控制策略。首先介紹了直流配電網的系統結構和換流站的數學模型，其次分析了基于U-I特性曲線的直流電壓下垂控制的優缺點，然后提出了基于附加直流電壓偏差補償控制的改進直流電壓下垂控制策略。最后，在仿真軟件Matlab/Simulink中搭建了兩端直流配電網和三端環狀直流配電網仿真模型，驗證了所提電壓調整控制策略的有效性。

1直流配電網的系統結構及建模

1.1系統拓撲結構

直流配電網的拓撲結構主要有放射狀、環狀和兩端供電3種，分別如圖1-3所示。

圖1　放射狀直流配電網拓撲結構

圖2　環狀直流配電網拓撲結構

圖3　兩端直流配電網拓撲結構

一般情況下，放射狀直流配電網的供電可靠性比較低，環狀網絡和兩端供電網絡的供電可靠性較高。直流配電網可以根據供電可靠性、負荷對電壓的要求及安裝建設投資等情況，綜合選擇直流配電網的電壓等級和拓撲結構。

1.2換流器建模

本文研究的基于VSC的直流配電網系統中各個換流器VSC的拓撲結構相同，如圖4所示。

圖4　VSC拓撲結構圖

在建立數學模型時，假設交流側三相參數對稱，忽略變壓器及交流濾波器的影響，將變壓器的漏抗和損耗統一等效到電抗器上。則VSC在同步旋轉dq坐標系下的數學模型為[16]：

(1)

式中：usid和usiq分別為換流站i交流側母線電壓的dq軸分量；uid和uiq分別為換流站i交流側出口電壓基波的dq軸分量；iid和iiq分別為換流站i流過電抗器電流的dq軸分量；Rsi和Lsi分別為聯結變壓器加相電抗器的等效電阻和電感；ω為同步旋轉角頻率。

當控制器采用直接電流控制時，通過引入電壓耦合補償項ωLsiiid、ωLsiiiq和電壓前饋補償項usid、usiq，可得到內環電流控制器的脈寬調制的輸出電壓信號：

(2)

式中：iidref和iiqref分別為換流站i外環控制生成的dq軸分量參考值；kiP和kiI分別為換流站i電流的PI控制器參數。

采用電網電壓定向的矢量控制策略時，VSCi的交、直流側傳輸的有功功率可表示為：

(3)

式中：uidc和iidc分別為換流站i直流側電壓和電流。

忽略換流站及連接電抗器的損耗，由功率守恒可得：

(4)

由式(4)可知，通過控制電流iid可以實現對換流站i的有功功率傳輸的控制及維持換流站i的直流電壓在一定范圍之內。

2直流配電網的電壓調整控制策略

直流配電網的控制可大致分為系統級、換流站級和換流器級等，本文提出的控制策略主要涉及系統級控制和換流站級控制。

根據不同的工況，直流配電網的直流電壓可以設置為正常運行區間、安全運行區間、極限運行區間[6,17]。在正常運行區間，系統內的換流器傳輸功率和負荷功率保持平衡，直流電壓保持在額定電壓的正常偏差范圍內。當換流器故障或者容量受限時，直流電壓達到安全運行區間，此時換流器可以繼續運行。當換流器傳輸功率和負荷功率嚴重失衡時，直流電壓超出極限運行區間，則采取切負荷、系統中發電單元降功率運行等措施。本文針對直流配電網的電壓控制，提出了一種基于電壓偏差補償的改進直流電壓下垂控制策略。

2.1直流電壓下垂控制策略

在直流電壓的正常運行區間內，直流配電網中的各端換流站均采用直流電壓下垂控制，利用各自的有功功率或電流與直流電壓的斜率特性，實時快速的響應功率波動，從而實現直流電壓穩定和功率平衡。直流電壓下垂控制有兩種方式：基于U-P特性曲線的直流電壓下垂控制；基于U-I特性曲線的直流電壓下垂控制。本文采用基于U-I特性曲線的直流電壓下垂控制，其控制特性如圖5所示。

圖5　換流站i的下垂控制特性

本文設定直流電壓的正常運行區間為0.95UN～1.05UN，則圖5所示的換流站i的U-I特性曲線可以表示為：

(5)

換流站i的下垂系數的表達式為：

(6)

式中：Iimax、Iimax分別為換流站i直流側電流的最大值和最小值，其表達式為：

(7)

式中：Pimax、Pimin分別為換流站i允許發送和吸收功率的最大值。

當采用電網電壓定向的矢量控制策略時，由式(4)可得換流站i有功電流分量的給定標幺值為：

(8)

換流站i的直流電壓下垂控制如圖6所示，采用雙閉環矢量控制方式，內環為電流控制環，外環采用直流電壓下垂控制。本文采用單位功率因數控制，故無功電流參考值為0。

圖6　換流站i控制結構

2.2直流電壓的附加偏差補償控制

當換流站采用直流電壓下垂控制時，雖然能實時快速的響應系統內的潮流變化，但是基于U-I特性控制曲線的斜率導致存在靜態電壓偏差，直流配電網內負荷劇烈波動時，電壓偏差容易超出正常運行區間，影響系統的直流電壓質量。

為了補償由直流電壓下垂控制引起的靜態直流電壓偏差，本文在各端換流站采用直流電壓下垂控制的基礎上，引入直流電壓的附加偏差補償控制。通過將直流電壓的參考值和實際值的差值uidc經過積分調節器后附加到電壓參考值上，得到更新后的參考值dc，從而減小或消除直流電壓偏差。其表達式為：

(9)

式中：KiI為換流站i的偏差補償控制的積分系數。

基于本地換流站信息的直流電壓附加偏差補償控制能夠很好的實現直流電壓的無差調節，但是卻不能實現各換流站傳輸功率的精確控制。由于直流配電網內傳輸線路阻抗的存在，因此系統內的各端換流站直流側電壓并不能同時達到額定電壓。因此為了實現各端換流站既能根據本地信息精確的控制各自的傳輸功率，根據各自的容量響應系統內的潮流變化，又能減少由于直流電壓下垂控制引起的電壓偏差，本文將維持某一個換流站(主站)直流側電壓為額定值，采集主站電壓偏差，將其補償到系統內的各端換流站。當主站由于故障退出運行后，其余各端換流站直接采用電壓下垂控制策略。

綜上，直流電壓的偏差補償結構如圖7所示。當主站故障退出運行時，S=1，偏差補償控制不參與調節；當主站正常運行時，S=2，偏差補償控制參與電壓參考值的調整。其目的是在考慮直流線路壓降影響的基礎上，減少由于直流電壓下垂控制引起的電壓偏差，從而維持各端換流站直流電壓在額定電壓附近，避免系統發生較大功率波動時出現過電壓。

圖7　直流電壓的附加偏差補償控制

綜上所述，當直流電壓在正常運行區間時，系統內各端換流器采用基于偏差補償控制的直流電壓下垂控制策略，當換流器的容量受限時，切換至恒功率控制模式。當直流電壓超過極限運行區間的上限時，直流配電網內的分布式發電單元降功率運行，當直流電壓超過極限運行區間的下限時，直流配電網需要切除部分次要負荷。當主站故障退出運行時，VSCi的整體控制策略如圖8所示。

圖8　換流站i電壓調整控制策略示意圖

3仿真驗證

3.1兩端直流配電網仿真分析

為了驗證本文所提出的直流配電網電壓調整控制策略的有效性，在仿真平臺Matlab/Simulink中搭建了圖9所示的兩端中壓直流配電網系統。

圖9　兩端直流配電網的仿真系統結構

模型主要參數設置如下：VSC1的額定容量為10 MW，VSC2的額定容量為5 MW，永磁直驅風電機組側換流站的額定容量為20 MW；直流母線額定電壓為20 kV，交流系統電壓為10 kV；直流線路的單位長度電阻r0=0.0139 Ω/km，單位長度電感l0=0.159 mH/km；直流線路l1=10 km，l2=5 km，l3=10 km，l4=10 km，l5=10 km；VSC1的下垂系數k1=0.045 5，VSC2的下垂系數k2=0.045 5；VSC1的偏差補償控制的積分系數K1I=10，VSC2的偏差補償控制的積分系數K2I=10。仿真時選定VSC1為主站。

仿真中，規定換流站的傳輸功率以流向直流配電網系統為正方向。下面分別對穩定運行狀態和暫態故障情況進行仿真分析。

3.1.1穩態運行仿真分析

仿真開始時，等效直流負荷L1消耗的功率PL1為10 MW，等效直流負荷L2消耗的功率PL2為4 MW，風電機組發出的功率Pw為4 MW。2 s時L1消耗功率減少6 MW，3 s時L2消耗功率增加3 MW，4 s時風電機組增發功率12 MW，5 s時風電機組功率減少12 MW。圖10對比了仿真系統分別采用本文所提電壓調整控制策略和傳統電壓下垂控制策略時系統的動態響應。

由圖10可知，當直流配電網系統內負荷功率發生波動、換流站的工作狀態發生改變等穩態情況，在本文所提控制策略下，功率自動的在VSC1和VSC2中進行分配，且容量較大的VSC1承擔了較多的功率差額，并且消除和減少了由于傳統電壓下垂控制響應功率變化時存在的電壓偏差。

圖10　兩端直流配電網穩態運行特性對比圖

3.1.2暫態運行仿真分析

仿真開始時，等效直流負荷L1消耗的功率PL1為10 MW，等效直流負荷L2消耗的功率PL2為4 MW，風電機組發出的功率Pw為4 MW。2 s時線路l2斷開，3 s時L1消耗功率減少5 MW，4 s時線路l2恢復正常運行，VSC1側交流電網在5 s時電壓跌落80%，持續時間0.625 s，7 s時VSC2由于故障退出運行。

圖11對比了仿真系統分別采用本文所提電壓調整控制策略和傳統電壓下垂控制策略時系統的動態響應。

圖11　兩端直流配電網暫態運行特性對比圖

由圖11可知，當2 s線路l2斷開后，兩端直流配電網系統由雙端供電變為雙端隔離供電，各端換流站負責各側有功功率的平衡，4 s線路l2恢復正常運行后，兩側換流站重新獲得協調控制系統負荷波動的能力。當VSC2由于故障退出運行后，VSC1能自動的響應系統的功率平衡。與傳統電壓下垂控制策略相比，采用本文所提控制策略時系統內的電壓穩定性更好。因此，本文所提控制策略能夠有效的響應系統內發生斷線及某端換流站退出運行等暫態過程。

3.2環狀直流配電網仿真分析

為了驗證本文所提控制策略對環狀直流配電網的適用性，在仿真平臺上搭建了圖12所示的三端環網系統。

模型主要參數設置如下：VSC1的額定容量為5 MW，VSC2的額定容量為10 MW，VSC3的額定容量為10 MW；直流線路l1、l2長度為10 km，其余為5 km；各端換流站的下垂系數均為0.045 5，偏差補償控制的積分系數均為10；其余參數同3.1兩端直流配電網仿真分析。仿真時選定VSC2為主站。

圖12　三端環狀直流配電網的仿真系統結構

仿真開始時，等效直流負荷L1消耗的功率PL1為8 MW，等效直流負荷L2消耗的功率PL2為10 MW。2 s時L1消耗功率增加4 MW，3 s時L2消耗功率減少6 MW，VSC1側交流母線在4 s時電壓跌落80%，持續時間0.625 s，6 s時VSC2由于故障退出運行。系統內換流站的動態響應如圖13所示。

由圖13可知，采用本文提出的電壓控制策略時，當環狀直流配電網系統內負荷功率發生波動后，系統內的功率差額能夠在各端換流站自行按照各自的容量進行分配，且維持各端直流電壓在額定值附近。當6 s主站退出運行后，其余換流站采用電壓下垂控制，維持系統的穩定運行。

圖13　三端環狀直流配電網運行特性

綜上所述，仿真結果驗證了本文所提電壓調整控制策略的有效性，該控制策略適用于直流配電網的不同拓撲結構，且各端換流站同時參與功率調節，負荷功率擾動及換流站故障退出運行后不易出現電壓越限的情況，實現了系統功率的精確控制，消除和減少了直流配電網采用傳統電壓下垂控制時引起的電壓偏差。

4結論

本文首先介紹了直流配電網的拓撲結構和換流站的數學模型，分析了直流電壓下垂控制的優缺點，提出了一種新型電壓調整控制策略，該控制策略將傳統電壓下垂控制與直流電壓偏差補償控制相結合，實現了系統內功率的精確控制，消除和減少了采用傳統電壓下垂控制時存在的靜態直流電壓偏差，提高了系統內的電壓質量，避免了直流電網中發生較大功率變化時過電壓的發生。

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Voltage Regulation Control Strategy of DC Distribution Network Based on VSC

JING Shiliang,WANG Yi,XU Shijin,HEI Yang,ZHANG Ziguang

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：The power control strategy of DC distribution network based on VSC is analyzed and a new voltage regulation control strategy is proposed.The control strategy combines the DC voltage droop control with DC voltage deviation compensation control and the reference value of the voltage controller of each converter station is adjusted in real-time by using bias compensation control,while the precise control of active power is implemented. When the power flow changes in the system,the voltage deviation caused by traditional voltage droop control is reduced and eliminated,and the occurrence of overvoltage when large power fluctuation occurs in DC distribution network is prevented.Finally,a two-terminal and three-terminal structure of DC distribution network simulation model is established in Matlab/Simulink.The simulation results verify the validity of the proposed control method.

Keywords：DC distribution network；DC voltage regulation；DC voltage droop control；deviation compensation control

收稿日期：2016-04-01。

基金項目：國家863高技術基金項目(2015AA050101)。

作者簡介：景世良(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為直流電網的電壓調整控制，Email：jing101116@163.com。

中圖分類號:TM72

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.002