一種基于頻率的柔性直流分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

毛森茂，王若愚，謝 巖，羅紅梅

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518000；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

習(xí)近平總書記2020年已向世界承諾，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12×108kW以上，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國電能需求還未飽和，2050年全社會(huì)總用電量會(huì)比現(xiàn)在翻一番，約為15×1012kWh/a。因此，在“雙碳”背景下，我國需要大力發(fā)展可再生能源。

然而，風(fēng)電、光伏等可再生能源均有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，直接并入交流電網(wǎng)會(huì)對(duì)交流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，因此一般利用高壓直流HVDC（high voltage direct current）輸電技術(shù)集中接入大規(guī)模可再生能源基地，以提高新能源接入效率和可控性[1-2]。

由于珠三角、長三角、華北等負(fù)荷中心區(qū)域，是一個(gè)多回直流集中饋入的交直流混聯(lián)電網(wǎng)，存在短路電流超標(biāo)和多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗等問題[3-6]。而柔性直流VSC（voltage source converter）能夠天然地隔離短路電流，不增加受端電網(wǎng)的短路電流水平，無換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率，所以利用VSC技術(shù)對(duì)多直流饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)是解決上述問題最直接和有效的手段[7-11]。

最具典型的是廣東電網(wǎng)，經(jīng)過多年規(guī)劃建設(shè)，已成為一個(gè)典型的多直流饋入的受端電網(wǎng)，呈現(xiàn)出短路電流大范圍超標(biāo)、交直流互相影響突出、大面積停電風(fēng)險(xiǎn)防控能力不足等多個(gè)影響安全穩(wěn)定運(yùn)行的問題。因此，廣東電網(wǎng)已經(jīng)提出利用VSC對(duì)廣東電網(wǎng)不同組團(tuán)進(jìn)行異步互聯(lián)的方案，基本解決了廣東電網(wǎng)面臨的上述安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)[12-13]。

綜上，多直流饋入受端電網(wǎng)VSC分區(qū)是未來新型電力系統(tǒng)的形態(tài)之一，而VSC分區(qū)需要解決直流電壓穩(wěn)定和分區(qū)間功率協(xié)調(diào)控制的問題。目前針對(duì)VSC技術(shù)控制方面的研究，主要集中在多端VSC電壓協(xié)調(diào)控制方面[14-18]，較少涉及不同VSC分區(qū)間功率協(xié)調(diào)控制策略。

文獻(xiàn)[9]針對(duì)VSC分區(qū)穩(wěn)態(tài)控制目標(biāo)，提出計(jì)及網(wǎng)絡(luò)損耗和負(fù)載均衡的VSC最優(yōu)控制策略，針對(duì)暫態(tài)控制目標(biāo)，提出VSC自適應(yīng)下垂控制策略，但均未考慮交流頻率對(duì)控制策略的影響。文獻(xiàn)[11]根據(jù)頻率偏差大小（與50 Hz相比）判斷交流系統(tǒng)故障程度，并提出基于頻率偏差的有功功率開環(huán)緊急支援策略，但所提出的策略較依賴分區(qū)的單位頻率調(diào)節(jié)功率，而該值不易準(zhǔn)確確定。文獻(xiàn)[19]分析VSC不同控制方式對(duì)交流分區(qū)頻率的的影響，但沒有定量分析VSC分區(qū)緊急功率策略。

綜上所述，目前研究較少涉及VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，且研究主要涉及異步互聯(lián)2個(gè)分區(qū)的協(xié)調(diào)控制，并未考慮多個(gè)VSC分區(qū)間的協(xié)調(diào)控制。隨著負(fù)荷的增加，2個(gè)VSC分區(qū)將不能解決多直流饋入受端電網(wǎng)諸如短路電流超標(biāo)等安全穩(wěn)定運(yùn)行問題，需向多VSC分區(qū)發(fā)展。針對(duì)這一問題，本文主要研究多VSC分區(qū)間的頻率協(xié)調(diào)控制策略。首先，介紹VSC基本控制方法；在此基礎(chǔ)上，研究不同分區(qū)頻率與緊急功率支援的關(guān)系，提出一種適應(yīng)于多VSC分區(qū)的頻率協(xié)調(diào)控制策略；最后，在PSCAD/EMTDC中搭建VSC 3分區(qū)系統(tǒng)，驗(yàn)證所提理論的正確性和有效性。

1 VSC基本控制方法

VSC控制架構(gòu)如圖1所示，由圖1可知，VSC控制一般包括外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制。其中，外環(huán)控制是指通過有功類指令（直流電壓Udc，有功功率Pg等指令）生成d軸電流參考值，通過無功類指令（無功功率Qg，交流電壓幅值Uac等指令）生成q軸電流參考值的過程。在外環(huán)控制中，Ku、KP、Kac、KQ分別為直流電壓控制、有功功率控制、交流電壓幅值控制、無功功率控制參數(shù)。如果控制參數(shù)Ku=0，KP≠0，則VSC工作在定有功功率模式；如果控制參數(shù)Ku≠0，KP=0，則VSC工作在定直流電壓模式；如果控制參數(shù)Ku≠0，KP≠0，則VSC工作在下垂控制模式。同理，對(duì)于無功類變量控制，如果控制參數(shù)Kac=0，KQ≠0，則VSC工作在定無功功率模式；如果控制參數(shù)Kac≠0，KQ=0，則VSC工作在定交流電壓模式。外環(huán)控制生成的電流指令是內(nèi)環(huán)控制的輸入量。此外，圖1中所示變量中，分別為直流電壓、有功功率、無功功率和交流電壓幅值的控制參考指令值，PI為比例積分控制器。

圖1 VSC控制架構(gòu)Fig.1 Architecture of VSC control

對(duì)于依托VSC背靠背工程的VSC分區(qū)，VSC通常工作在一端控制直流電壓，另一端控制有功功率的模式。同時(shí)，可根據(jù)公共連接點(diǎn)交流電壓情況實(shí)時(shí)控制VSC的無功功率，實(shí)現(xiàn)VSC無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2 基于頻率的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

2.1 VSC分區(qū)間頻率特性

VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)如圖2所示，由圖2可知，VSC分區(qū)前交流電網(wǎng)是一個(gè)多直流饋入的受端電網(wǎng)，面臨短路電流超標(biāo)、多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗等問題；采用VSC背靠背技術(shù)把受端電網(wǎng)分成多個(gè)異步互聯(lián)的分區(qū)，各個(gè)分區(qū)間有功功率協(xié)調(diào)控制是保障VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

圖2 VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)Fig.2 VSC-DC segmented system

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各個(gè)分區(qū)異步互聯(lián)，各個(gè)分區(qū)間傳遞的有功功率接受調(diào)度指令，以保障各個(gè)分區(qū)間的頻率均維持在額定頻率。

一旦發(fā)生功率擾動(dòng)，例如，在分區(qū)1發(fā)生功率擾動(dòng)ΔP，假設(shè)分區(qū)間傳遞功率不發(fā)生變化，則對(duì)于分區(qū)1有

式中：KS1為分區(qū)1的單位頻率調(diào)節(jié)功率（綜合了發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的頻率特性）；Δf1為分區(qū)1的頻率與額定頻率的偏差；ΔP為分區(qū)1發(fā)生的功率擾動(dòng)。

由式（1）可得，如果分區(qū)間不進(jìn)行功率互濟(jì)，則在1個(gè)分區(qū)發(fā)生功率擾動(dòng)后，會(huì)引起本分區(qū)頻率發(fā)生較大的頻率偏移，影響本分區(qū)頻率穩(wěn)定，因此需要快速調(diào)節(jié)VSC背靠背功率，以使各分區(qū)頻率相等，即發(fā)生功率擾動(dòng)后，所有互聯(lián)分區(qū)互相協(xié)作，共同承擔(dān)功率擾動(dòng)，即

式中：KSi為分區(qū)i的單位頻率調(diào)節(jié)功率（綜合了發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的頻率特性）；Δfi為分區(qū)i的頻率與額定頻率的偏差。

VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)最理想的頻率響應(yīng)是各個(gè)分區(qū)的頻率相同，即所有異步聯(lián)網(wǎng)的分區(qū)像“同步網(wǎng)”一樣共同響應(yīng)功率擾動(dòng)，使各個(gè)分區(qū)頻率相同，即

聯(lián)立式（2）、（3）可得

分區(qū)i承擔(dān)的功率擾動(dòng)份額為

一旦分區(qū)1發(fā)生功率擾動(dòng)，則分區(qū)2和3向分區(qū)1緊急傳遞的互濟(jì)有功功率為

式中，ΔPij為分區(qū)i向分區(qū)j傳遞的有功功率增量。

一旦分區(qū)1發(fā)生功率擾動(dòng)ΔP，相鄰分區(qū)2和分區(qū)3為分區(qū)1提供緊急功率支撐為式（6），則分區(qū)1承擔(dān)的功率擾動(dòng)為

則分區(qū)1、分區(qū)2和分區(qū)3的頻率均為式（4）所述頻率，使整個(gè)VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)的頻率偏差最小。

2.2 基于頻率的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

由第2.1節(jié)分析可知，一旦一個(gè)分區(qū)發(fā)生大的功率擾動(dòng)，在分區(qū)間傳遞功率不變的情況下，發(fā)生功率擾動(dòng)的分區(qū)頻率會(huì)偏離額定值，從而進(jìn)一步觸發(fā)緊急功率支援策略。本文所提基于頻率的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略如圖3所示。

圖3 基于頻率的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略Fig.3 Frequency-based coordinated control strategy for VSC-DC segmented system

由圖3可知，為了避免緊急功率支援模式頻繁動(dòng)作，對(duì)頻率做了死區(qū)限制，如果頻率偏差超過0.1 Hz，則按照式（6）啟動(dòng)緊急功率支援；否則，分區(qū)內(nèi)自平衡。

對(duì)每個(gè)VSC，其外環(huán)控制中的有功功率控制框圖如圖4所示。

圖4 VSC背靠背系統(tǒng)有功控制框圖Fig.4 Block diagram of back-to-back VSC-DC system under active power control

3 算例分析

為了驗(yàn)證所提策略的正確性和有效性，建立如圖2所示的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體參數(shù)見表1。其中，BTB12為分區(qū)1和分區(qū)2之間的VSC背靠背；BTB13為分區(qū)1和分區(qū)3之間的VSC背靠背；BTB23為分區(qū)2和分區(qū)3之間的VSC背靠背。每個(gè)VSC背靠背工程均采用主從控制，即一端控制直流電壓，另一端控制有功功率。

表1 VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of VSC-DC segmented system

系統(tǒng)擾動(dòng)設(shè)計(jì)為當(dāng)仿真時(shí)間t=0.2 s時(shí)，分區(qū)1處負(fù)荷突然減少200 MW，若不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，這一擾動(dòng)將最終導(dǎo)致分區(qū)1頻率上升至50.2 Hz。基于本文所提的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5～6所示。

由圖5～6可知，當(dāng)分區(qū)1的負(fù)荷突然降低后，在系統(tǒng)慣量作用下，其系統(tǒng)頻率逐漸升高。當(dāng)t=0.35 s時(shí)，分區(qū)1的系統(tǒng)頻率偏差達(dá)到了0.1 Hz閾值，于是BTB12和BTB13的有功功率指令開始增加，其增加值分別為Δf1KS2與Δf1KS3；由于分區(qū)3的單位調(diào)節(jié)功率更大，其所參與的功率調(diào)節(jié)程度也更強(qiáng)，3個(gè)換流站在調(diào)節(jié)分區(qū)系統(tǒng)頻率時(shí)的最終功率見圖6；當(dāng)分區(qū)2和分區(qū)3向分區(qū)1傳輸?shù)墓β手饾u減小后，分區(qū)1的系統(tǒng)頻率立刻達(dá)到峰值并逐漸下降，分區(qū)2和分區(qū)3的系統(tǒng)頻率逐漸上升，直至3個(gè)分區(qū)的系統(tǒng)頻率相等；3個(gè)分區(qū)的系統(tǒng)頻率最終穩(wěn)定在50.067 Hz附近，這與理論計(jì)算值相一致。

圖5 分區(qū)頻率仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of frequency in different zones

圖6 分區(qū)間功率仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of power indifferent zones

仿真結(jié)果表明，所提出的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，能借用正常VSC分區(qū)的功率對(duì)存在較大頻率偏差的VSC分區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)某一分區(qū)的頻率偏差由所有VSC區(qū)間共同承擔(dān)的功能。在各區(qū)間換流站功率互濟(jì)時(shí)不僅能立刻平衡不同區(qū)間系統(tǒng)頻率，而且對(duì)直流電壓造成的影響較小。

4 結(jié)論和展望

針對(duì)VSC分區(qū)間功率協(xié)調(diào)控制問題，本文提出了一種基于頻率的VSC分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。該策略通過利用其他VSC分區(qū)換流站的緊急功率支援，有效解決了一個(gè)分區(qū)在大功率擾動(dòng)下容易出現(xiàn)的較大頻率偏移問題，充分利用不同VSC分區(qū)間的功率互濟(jì)，實(shí)現(xiàn)了異步VSC分區(qū)間的“同步”運(yùn)行。

在未來工作中，應(yīng)該結(jié)合各VSC分區(qū)的源-荷特性，進(jìn)一步研究單位頻率調(diào)節(jié)功率參數(shù)的選取問題。