隨州廣水示范工程高壓大容量能量路由器不同運行方式下控制策略研究

肖 繁，柳 丹，熊 平，譚道軍，曹 侃，范雪峰，王秋開

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

為構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，實現(xiàn)源端高比例新能源廣泛接入，探究源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制和多能互補方法，擬在湖北省廣水縣構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)運行場景與試驗基地，以七端口能量路由器為主體，實現(xiàn)新能源與主網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)建智能電網(wǎng)，減少儲能投資，形成“就地平衡為主，與主網(wǎng)互動為輔”的未來電網(wǎng)形態(tài)。能量路由器的接入使得示范工程接入主網(wǎng)后存在多種運行方式，不同運行方式下需要針對性地給出控制策略，否則存在因控制策略不一致導(dǎo)致的電壓和頻率等暫態(tài)沖擊，可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)場發(fā)生，需要研究能量路由器在不同運行方式下的控制策略方案。

1 背景

在現(xiàn)有研究中，主要針對能量路由器或者電力電子變壓器本體控制策略的研究，并未涉及大容量能量路由器或電力電子變壓器接入電網(wǎng)后不同運行方式下控制策略的分析與研究。對于能量路由器結(jié)構(gòu)，文獻［1］研究了能量路由器在交直流配電網(wǎng)中對分布式發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備與電力網(wǎng)絡(luò)實施智能管理和控制。ABB、Bombardier 公司分別研制用于替換鐵路系統(tǒng)的機車牽引用工頻變壓器的單相AC-DC型PET樣機，其交流側(cè)接入15 kV/16.7 Hz 單相交流電網(wǎng)，運行工況較為單一［2-3］。針對在交流配電系統(tǒng)中替換傳統(tǒng)工頻變壓器的應(yīng)用，美國電科院采用中點鉗位型電路拓撲，研制了三相AC 2.4 kV/AC 277 V的PET樣機［4］。GE公司采用10 kV SiCMOSFET 器件和直接AC-AC 變換型電路拓撲，研制了1 MV·A PET 樣機，雖然系統(tǒng)運行效率高，但可控性相對較差，且不具備直流設(shè)備接入功能［5］。美國北卡萊羅納州立大學(xué)研制了小容量多端口PET樣機，并對其調(diào)制和控制策略開展了研究［6-7］。中科院電工所采用模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter，MMC）和輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series Output Parallel，ISOP）型DC-DC變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)，先后研制了兩代10 kV PET樣機，并實現(xiàn)了在10 kV交流電網(wǎng)和750 V直流微電網(wǎng)中的掛網(wǎng)運行［8-9］。華中科技大學(xué)研制了可改善工廠供電質(zhì)量的單向潮流AC-DC型PET樣機［10］。文獻［14］采用 SiC功率器件研制了面向光伏變流器并網(wǎng)應(yīng)用的1 MV·A AC-DC 型PET樣機，對其效率優(yōu)化策略開展了研究。

針對MMC 側(cè)交流故障穿越問題，文獻［11］、文獻［12］提出了在正負序dq 坐標下以抑制負序電流或有功功率和無功功率二倍頻波動為目標的MMC 交流故障穿越控制策略。針對MMC側(cè)直流故障穿越問題，文獻［13］、文獻［14］針對混合型MMC提出了直流故障穿越控制策略，在直流短路故障時能與交流電網(wǎng)進行不間斷無功功率交互，然而未考慮交流電網(wǎng)不對稱故障工況。在交流電網(wǎng)不對稱故障時，MMC的內(nèi)部環(huán)流存在正序、負序和零序分量，為抑制交流環(huán)流需增加正序、負序和零序環(huán)流抑制器，若采用常規(guī)dq0坐標下的控制將會使得MMC 控制系統(tǒng)過于復(fù)雜。為此，文獻［15］提出了基于橋臂電流控制的MMC 綜合控制策略，但該方法電流內(nèi)環(huán)采用比例控制，不能實現(xiàn)電流無差跟蹤；另外，該方法無法實現(xiàn)直流極對極短路故障穿越控制。為克服上述問題，文獻［16］提出了基于分層的電壓外環(huán)和基于比例重復(fù)控制的內(nèi)環(huán)橋臂電流控制的MMC改進綜合控制策略，實現(xiàn)了在高壓交直流電網(wǎng)故障、交流電壓畸變等復(fù)雜工況下的高壓級統(tǒng)一控制。然而，在直流故障穿越期間該方法需向交流電網(wǎng)注入負序電流。

針對能量路由器與風(fēng)光新能源、儲能及負荷的協(xié)同控制研究，文獻［17］基于日前、日內(nèi)時間尺度同時對分布式電源和需求側(cè)負荷進行優(yōu)化協(xié)調(diào)，提出一種以微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷”整體運行成本最低為目標函數(shù)的多時間尺度能源系統(tǒng)優(yōu)化模型；文獻［18］基于實時電價，分別對包含風(fēng)、光、儲的微電網(wǎng)設(shè)計經(jīng)濟運行方案，以并網(wǎng)運行模式下微電網(wǎng)整體運行費用最小化為目標，比較不同微源的微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性。文獻［19］-文獻［22］同時兼顧了經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，考慮DG的燃料成本和發(fā)電環(huán)境成本，提出了一種孤島運行模式下以DG整體運行成本最低為目標函數(shù)的微電網(wǎng)運行優(yōu)化模型。除此之外，也有不少學(xué)者將安全可靠性作為微電網(wǎng)運行優(yōu)化目標。如文獻［22］-文獻［25］在設(shè)立微電網(wǎng)安全運行可靠性指標的置信區(qū)間的前提下，提出一種兼顧微電網(wǎng)運行安全可靠性與經(jīng)濟性的運行優(yōu)化模型；文獻［26］-文獻［28］通過建立微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真，從動態(tài)角度構(gòu)建微電網(wǎng)運行成本及可靠性成本優(yōu)化模型。

綜上，上述理論研究和工程未考慮高壓能量路由器接入高比例電力電子設(shè)備示范區(qū)與電網(wǎng)后，在不同方式下的控制策略方案。基于此，本文針對100%新能源新型電力系統(tǒng)示范工程通過能量路由器接入主網(wǎng)的場景，分別給出了不同運行方式下能量路由器各端口的控制策略，并通過RTDS平臺進行了仿真驗證。

2 能量路由器控制系統(tǒng)構(gòu)建模式

2.1 能量路由器接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多端口大容量能量路由器跨接于北環(huán)變110 kV母線與永陽變110 kV 母線之間，具有AC110 kV/AC110 kV/AC10 kV/DC±20 kV/DC750 V/DC±375 V/DC375 V共7個端口，為實現(xiàn)多個端口間的能量轉(zhuǎn)換，能量路由器包含以下主體設(shè)備，其連接示意圖如圖1所示。

圖1 能量路由器接入電網(wǎng)示意圖Fig.1 Diagram of energy router connected to power grid

兩個AC 110 kV 端口采用以背靠背形式連接的2套60 MW VSC 換流器1 和60 MW VSC 換流器2，換流器1 與220 kV 永陽變110 kV 母線相連，換流器2 與北環(huán)站內(nèi)110 kV 母線相連，實現(xiàn)互聯(lián)母線間的柔性調(diào)控；AC10 kV端口采用1套5 MW VSC換流器3，換流器3 與站內(nèi)10 kV 母線相連，作為站內(nèi)10 kV 備用電源接口；DC750 V 端口采用1 套2 MW 直掛儲能直流變壓器，其與站內(nèi)儲能相連，平抑新能源發(fā)電的功率波動，參與示范區(qū)電網(wǎng)的調(diào)壓、調(diào)峰，同時可作為電網(wǎng)的啟動電源；DC±375 V端口采用1套2 MW直流變壓器，實現(xiàn)光伏接入；DC375 V 端口采用 1 套0.5 MW 直流變壓器，與DC±375 V端口一同實現(xiàn)電動汽車、儲能、直流用電負荷等元素的靈活接入；DC±20 kV端口通過直流斷路器引出，為直流配電網(wǎng)提供接口。

2.2 能量路由器二次系統(tǒng)架構(gòu)

能量路由器控制保護系統(tǒng)分為協(xié)調(diào)控制層、站級控制保護系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場采集層四層結(jié)構(gòu)，總體架構(gòu)圖如圖2所示。

能量路由器協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與能量路由器各設(shè)備控制系統(tǒng)相連，具備控制模式切換、控制模式選擇、直流電壓穩(wěn)定、路由器設(shè)備啟停判定、路由器設(shè)備啟停等功能，同時，與上級源網(wǎng)荷儲進行信息交互。控制保護系統(tǒng)主要開展控制與保護策略的實現(xiàn)；監(jiān)控系統(tǒng)主要對全站相關(guān)設(shè)備監(jiān)控；現(xiàn)場采集層主要包括對各設(shè)備狀態(tài)信息的采集。

3 不同運行方式下控制策略

在系統(tǒng)正常工作條件下，根據(jù)新能源出力和負荷水平，主要分為能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式和獨立運行方式兩種。其中，由于能量路由器傳輸功率受限，在系統(tǒng)為能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式，分為能量路由器單獨帶示范區(qū)運行和與交流開關(guān)并聯(lián)帶示范區(qū)運行兩種狀態(tài)；考慮到能量路由器永陽側(cè)換流器故障條件下或其他特殊情況需求，導(dǎo)致永陽側(cè)換流器與交流母線脫離不能正常工作，此時為降低故障對北環(huán)的影響，可采用獨立運行模式運行。

3.1 能量路由器聯(lián)網(wǎng)方式下控制策略

能量路由器聯(lián)網(wǎng)該運行方式如圖3 所示，能量路由器投入運行，DL3 斷開，北環(huán)變與十里變聯(lián)絡(luò)線DL4、DL5開關(guān)閉合，該運行方式下北環(huán)變及十里變示范區(qū)全部通過能量路由器進行供電。

圖 2 控制保護系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of control protection system

圖3 能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式Fig.3 Networking operation mode of energy router

在能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式下，保證電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定是主要的控制目標，利用儲能輔助系統(tǒng)調(diào)頻。能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式到獨立運行切換時系統(tǒng)根據(jù)示范區(qū)域上送的一次、二次設(shè)備電壓、電流、功率信息及新能源發(fā)電預(yù)測、負荷預(yù)測等情況，通過調(diào)節(jié)新能源及負荷，減少儲能出力和保證儲能剩余SOC，為儲能運行模式切換做準備。

能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式下，永陽側(cè)換流器定直流電壓控制，北環(huán)側(cè)換流器采用下垂+VF控制，直流變壓器、直掛儲能變壓器和5 MW 換流器的控制方式均在功率控制模式，建立北環(huán)站110 kV 電壓和頻率，下面針對涉及控制策略進行詳細介紹：

1）定直流電壓控制。基本原理是根據(jù)直流電壓參考值Ud_ref控制注入到直流系統(tǒng)的有功功率，保持直流側(cè)電容器上的電壓Udc為額定值，控制原理如圖4所示。

圖4 定直流電壓控制框圖Fig.4 Diagram of constant DC voltage control

2）下垂＋VF 控制。通過換流器與風(fēng)機各自的有功功率-頻率下垂系數(shù)的比值，實現(xiàn)有功功率按比例分配。通過換流器與風(fēng)機各自的無功功率-電壓下垂系數(shù)的比值，實現(xiàn)無功功率按比例分配。當(dāng)頻率變化超過示范區(qū)和設(shè)備可以承受的頻率上限和下限允許的上下限，將其固定到限值，控制框圖如圖5所示。

圖5 有功-頻率/電壓-無功下垂+VF控制框圖Fig.5 Active power-frequency/voltage-reactive power droop +VF control block diagram

3）直流變壓器、直掛儲能變壓器功率控制模式。功率模塊高壓側(cè)Buck-boost電路通過改變開關(guān)器件占空比，可以改變其輸入電流的大小。當(dāng)占空比較大時，其等效輸出電壓較小，高壓側(cè)母線電容會放電，電流從高壓側(cè)流出，相當(dāng)于能量由低壓側(cè)向高壓側(cè)傳遞；當(dāng)占空比較小時，其等效輸出電壓大小，高壓側(cè)母線電容會充電，電流從高壓側(cè)流入，相當(dāng)于能量由高壓側(cè)向低壓側(cè)傳遞。若規(guī)定電流采樣正方向為流出±20 kV端口，則功率模塊輸入電流大小與占空比具有正相性，因此可以通過PI 控制器進行閉環(huán)控制。檢測系統(tǒng)±20 kV側(cè)直流電流Idc_fdb_±20 kV，與±20 kV 側(cè)電流指令值Idc_ref_±20 kV進行比較，將誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器進行計算，輸出調(diào)制波M_Buck_Boost與10個移相載波進行比較，載波相位依次互差360°/10=36°，若調(diào)制波大于載波，輸出高電平，若調(diào)制波小于載波，輸出低電平。按上述比較方式得到系統(tǒng)±20 kV 側(cè)的10 個雙向Buck-Boost 上管控制脈沖信號，對其取反得到雙向Buck-Boost下管脈沖，電壓源模式控制算法框圖如圖6所示。其中，載波移相做法可以將直流總電流的紋波峰值有效降低，以減小電流波動對母線的影響，并可以降低直流側(cè)濾波電感值。

圖6 電流源模式控制算法Fig.6 Current source mode control algorithm

4）5 MW換流器采用定有功功率-無功功率控制。其基本原理是根據(jù)有功功率測量值P 與控制參考值Pref的變化量或無功功率測量值Q與控制參考值Qref的變化量，通過PI調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波，以使換流器注入到交流系統(tǒng)的有功功率或無功功率到達其設(shè)定值，控制原理如圖7所示。

圖7 定有功功率、定無功功率控制框圖Fig.7 Control block diagram of constant active power and constant reactive power

3.2 能量路由器與交流開關(guān)并聯(lián)運行方式

能量路由器與交流開關(guān)處于并聯(lián)運行方式時，即能量路由器的旁路斷路器DL3 閉合，能量路由器及其并聯(lián)的交流通道共同作為永陽變和北環(huán)變間的能量通道，如圖8所示。

圖8 能量路由器與交流開關(guān)并聯(lián)運行方式Fig.8 Operation mode of energy router parallel with AC switch

當(dāng)傳輸功率大于55 MW，源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)下發(fā)聯(lián)絡(luò)開關(guān)DL3閉合指令，北環(huán)側(cè)換流器由下垂＋VF控制切換為有功功率/無功功率控制，直流變壓器、直掛儲能變壓器、5 MW換流器的控制方式均在功率控制模式；控制切換后，北環(huán)側(cè)換流器傳輸功率設(shè)定為55 MW；為了實現(xiàn)平滑切換，需要先將示范區(qū)獨立電網(wǎng)與交流主網(wǎng)進行同步。當(dāng)能量路由器和交流開關(guān)并聯(lián)運行時，直流變壓器、直掛儲能變壓器采用功率控制模式，5 MW換流器采用定有功功率/無功功率控制。

3.3 獨立運行方式

示范區(qū)從能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式切換為獨立運行方式，源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)降低能量路由器傳輸功率為零后，由直流側(cè)儲能穩(wěn)定直流電壓，閉鎖永陽側(cè)換流器，斷開交流開關(guān)DL2，永陽側(cè)換流器退出運行。示范區(qū)獨立運行時，能量路由器直流側(cè)2 MW 儲能變流器控制直流電壓，北環(huán)側(cè)換流器采用有功-頻率/電壓-無功下垂+VF控制，風(fēng)機采用自同步電壓源控制，共同為示范區(qū)負荷供電，其控制策略框圖如圖9 所示。該控制策略是在無源孤島控制策略的基礎(chǔ)上，增加了有功功率-頻率下垂環(huán)節(jié)，KP為下垂系數(shù)（Hz/MW）；無功功率-電壓下垂環(huán)節(jié)，KQ為下垂系數(shù)（kV/Mvar）。為了確定KP和KQ，需要源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)提供頻率允許變化范圍及端口交流電壓變化范圍。

圖9 有功-頻率/電壓-無功下垂+VF控制框圖Fig.9 Active power-frequency/voltage-reactive power droop +VF control block diagram

采用下垂控制的換流器將以自同步運行，與自同步改造后的風(fēng)機同時向示范區(qū)負載提供電能。通過換流器與風(fēng)機各自的有功功率-頻率下垂系數(shù)的比值，實現(xiàn)有功功率按比例分配。通過換流器與風(fēng)機各自的無功功率-電壓下垂系數(shù)的比值，實現(xiàn)無功功率按比例分配。當(dāng)頻率變化超過業(yè)主允許的上下限，將其固定到限值。

雙直流變壓器并聯(lián)運行時等效電路如圖9所示，其中Udc1和Idc1分別為直流變壓器1輸出電壓和輸出電流，Udc2和Idc2分別為直流變壓器2輸出電壓和輸出電流，Rline1為Rline2為線路阻抗，一般情況下Udc1=Udc2=Udc_ref。

下垂控制表達式設(shè)計如下：

式（1）中：Uref為直流變壓器額定輸出電壓指令值，Idc_out為直流變壓器的輸出電流實際值，Rdroop為輸出電壓、電流外特性的下垂斜率（即下垂系數(shù)），U’ref為增加下垂控制后得到的新電壓指令值，也即實際電壓指令值，附加下垂控制后，電壓源工作模式下系統(tǒng)控制算法框圖如圖10所示。

圖10 附加下垂控制后電壓源工作模式控制框圖Fig.10 Control block diagram of voltage source working mode after additional droop control

4 仿真驗證

為驗證能量路由器在不同運行方式下各端口控制策略的有效性，基于RTDS平臺開展仿真驗證工作，以下對不同運行方式下仿真結(jié)果進行說明。

4.1 能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式

在能量路由器與示范區(qū)獨立運行的模式下，永陽側(cè)換流器采用定直流電壓控制，控制母線±20 kV；北環(huán)側(cè)換流器采用下垂＋VF控制，建立示范區(qū)電壓幅值和頻率；5 MW換流器直流端口采用定低壓直流母線電壓控制，交流端口采用定有功功率/無功功率控制。仿真工況如下：仿真初始時刻永陽側(cè)換流器有功功率為30 MW，北環(huán)側(cè)換流器交流負載為45 MW；在0.25 s時，北環(huán)側(cè)換流器交流110 kV端口的有功功率增加至60 MW，無功功率增加至15 MVar。仿真波形如圖11所示，其中圖11（a）和圖11（b）為北環(huán)側(cè)換流器的交流電壓有功電壓和電流波形；圖11（c）和圖11（d）為北環(huán)側(cè)換流器的交流電壓和電流波形；圖11（e）為直流母線電壓。

由圖11（a）和圖11（b）可知，北環(huán)側(cè)換流器的有功電壓和無功電壓均能良好跟蹤給定值，在0.25 s 有功負荷增加至60 MW，無功功率增加至15 MVar，有功電壓和無功電壓經(jīng)過暫態(tài)過程回到其參考值，導(dǎo)致暫態(tài)過程中交流電壓的幅值與頻率發(fā)生短時允許范圍內(nèi)的波動。由圖11（c）和圖11（d）可知，北環(huán)側(cè)換流器采用VF 控制，交流電壓和電流基本呈三相對稱的正弦波形，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。在0.25 s 時北環(huán)側(cè)換流器端口的有功負荷和無功負載增加，交流電壓幅值會出現(xiàn)一個輕微的小跌落，隨即恢復(fù)到初始穩(wěn)態(tài)值。由于控制器使有功電流大幅增加，三相交流電流的幅值也顯著增加。只要將負荷處三相交流電壓控制在其額定值，負荷的有功和無功需求均能得到滿足。由圖11（e）可知，穩(wěn)態(tài)下，直流電壓穩(wěn)定在其額定值±20 kV。當(dāng)0.25 s 時北環(huán)側(cè)換流器端口的有功負荷和無功負載增加時，直流電壓會下降，這時永陽側(cè)換流器直流電壓控制器起作用，使直流電壓重新回復(fù)到其額定值，對系統(tǒng)的沖擊很小。

圖11 能量路由器聯(lián)網(wǎng)方式下仿真波形Fig.11 Simulation waveform under the networking mode of energy router

4.2 能量路由器與旁路開關(guān)并聯(lián)運行方式

能量路由器與旁路開關(guān)處于并聯(lián)運行方式時，永陽側(cè)換流器采用定直流電壓控制，控制直流母線電壓為±20 kV；北環(huán)側(cè)換流器采用有功功率/無功功率控制，控制能量路由器與北環(huán)側(cè)電網(wǎng)間傳遞的有功功率為60 MW，北環(huán)側(cè)剩余能量轉(zhuǎn)由交流通道傳遞；旁路斷路器通過電纜連接永陽側(cè)及北環(huán)側(cè)構(gòu)成交流通道。

圖12 能量路由器與交流開關(guān)并聯(lián)運行Fig.12 Operation of energy router parallel with AC switch

當(dāng)北環(huán)側(cè)產(chǎn)生129.2 MW的有功功率時，由能量路由器傳遞61.96 MW的功率，剩余67.3 MW功率轉(zhuǎn)由交流通道傳遞至永陽側(cè)，永陽側(cè)換流器及北環(huán)側(cè)換流器的有功功率、無功功率及交流側(cè)電壓有效值如圖13所示。

圖13 能量路由器與交流開關(guān)并聯(lián)運行Fig.13 Operation of energy router parallel with AC switch

根據(jù)仿真結(jié)果，能量路由器在滿足設(shè)定功率傳遞的同時，可實現(xiàn)與交流通道的并聯(lián)運行。同時，示范區(qū)與主網(wǎng)通過能量路由器互聯(lián)時，兩端效率達到了99.8%，具有較高的傳輸效率。

4.3 能量路由器與示范區(qū)獨立運行方式

對下垂特性進行仿真，雙并聯(lián)直流變器并聯(lián)運行且線路參數(shù)存在差壓，0.2 s前不能進行下垂控制，0.2 s后才能下垂控制，仿真波形如圖14 所示，下垂控制功能有效實現(xiàn)裝置并聯(lián)時輸出功率均分。

圖14 雙并聯(lián)換流器輸出電壓電流波形Fig.14 Output voltage and current waveform of double parallel converter

綜上，根據(jù)不同運行方式下的仿真試驗結(jié)果，能量路由器在不同運行方式下的控制策略可以安全穩(wěn)定運行需求，可為示范區(qū)安全穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文針對廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)通過能量路由器接入主網(wǎng)場景，分析了不同運行方式下能量路由器各端口變流器的控制策略，并通過構(gòu)建RTDS仿真驗證平臺，對所提控制策略的有效性進行了仿真驗證。本文對廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程的運行控制具有指導(dǎo)作用，同時相關(guān)控制除了可應(yīng)用于微電網(wǎng)接入交直流混聯(lián)電網(wǎng)的場景，對建設(shè)新型電力系統(tǒng)具有促進作用。