一種用于多端直流輸電系統交流故障穿越的新型控制策略

楊舟，楊仁炘，施剛*，張建文

（1.中國電力工程顧問集團有限公司，北京市 西城區 100120；2.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學)，上海市 閔行區 200240）

0 引言

隨著各國對可再生能源的重視，海上風電場的裝機容量在迅速增加，5 MW 的風機已經廣泛應用，而10 MW 及以上容量的風機也已經商業化。日益增大的海上風電場并網容量對并網技術提出更高的要求[1]，特別是大規模風電場的突然脫網，對于交流電網穩定性的影響非常顯著。因此，為了滿足并網法則的要求，可靠的交流故障穿越能力非常必要[2-4]。由于多端直流輸電(multiterminal direct current，MTDC)系統可實現交流電網和風電場的解耦控制，以避免交流故障通過直流網絡蔓延[5-6]，未來很可能通過多端直流輸電系統將大規模海上風電場并入交流電網[7-8]。這就要求多端直流輸電系統具有一個穩定且可行的故障穿越(fault ride through，FRT)的控制策略以滿足并網要求。

從經濟性和穩定性等方面來看，多端直流輸電的控制系統需要滿足多方面的要求，其中保持直流電壓穩定和靈活地分配有功功率是2 個重要方面[9]，同時為了提高可靠性，需要多個換流站共同控制直流電壓[10]。目前，已有很多不同的控制策略被提出，主要包括直流電壓下垂控制和電壓邊界控制[11]。下垂控制法的優勢在于在無需通信的前提下，能夠靠多個換流站共同控制直流電壓，但是還有一些不足有待解決，比如功率分配對于線路阻抗依賴性強，功率調節不精確[12]，而且只要有功功率發生波動，直流電壓就會按照下垂特性曲線相應變化[13]。電壓邊界控制策略在有功功率波動時，能有效控制直流電壓的恒定，但是實際上這種方法每次只有一個換流站來控制直流電壓，這對于大型多端直流輸電系統是不夠可靠的。

交流故障穿越能力是多端直流輸電系統領域另一個研究熱點。文獻[14-15]討論了不同的運行模式來提高系統故障穿越能力。為了避免直流過電壓，多端直流輸電系統換流站的控制與風電場降功率控制的協調配合十分必要。降功率的方法已有很多研究，幾種無需通信的方法更加可行，包括直流斬波器法、降壓法和升頻法[16-18]。但是，現有文獻僅研究了這些方法在點對點的直流輸電系統，或者基于傳統的電壓下垂控制策略的多端直流輸電系統中的應用。

本文提出了一種新型的直流電壓協調控制(coordinated DC voltage control，CDVC)策略，并結合降壓法、升頻法和直流斬波器法這3 種無需通信的故障穿越方法，有效提高了多端直流輸電系統的故障穿越能力。所提出的新型控制策略的優勢在于可以由多個換流站共同控制直流電壓，能夠按比例靈活分配有功功率。因此，基于新型直流電壓協調控制的多端直流輸電系統在應對交流故障時，一定程度上比基于傳統電壓下垂控制的多端直流輸電系統具有更好的性能。

1 多端直流輸電測試系統

一個并入交流系統的五端直流輸電系統如圖1 所示，其將作為本文的基準測試系統。在直流系統中，3 個電網側換流站(grid side voltage source converter，GSVSC)采用直流電壓協調控制，而2 個風電場側的換流站(wind farm voltage source converter，WFVSC)采用交流電壓控制。3個交流電網通過簡化的阻抗Z1和Z2連接，不同的阻抗大小代表電網之間不同的電氣距離。

圖1 五端直流輸電系統Fig.1 A five-terminal HVDC system

2 直流電壓協調控制策略

2.1 直流電壓協調控制的原則

對于一個典型的多端直流輸電系統，每個換流站除了由本地控制中心控制，也可以接收集控中心的調度指令[19]。在這種結構下，可以將直流電壓控制環放到集控中心里，而其余部分仍然留在每個換流站的本地控制中心，如圖2 所示，每個GSVSC換流站的d軸電流參考值就可以通過集控中心發送的指令獲得。實際上，第i個換流站所接收到的d軸電流參考值是總的d軸電流乘以一個系數Ki后的結果，這些系數滿足式(1)。通過這種方式，就可以把總的電流按照比例Ki分配給每個換流站。

圖2 直流電壓協調控制策略Fig.2 Coordinated DC voltage control strategy

這樣每個換流站都可以參與直流電壓的控制，因為d軸電流的給定值是通過一個跟隨直流電壓變化的PI控制器來求出的。同時，總的有功功率也可以按照這種方式以比例Ki分配給不同的GSVSC換流站。至于Ki的選擇，可以采用最優潮流的原則，或者其他合理可行的算法。

2.2 直流網絡的潮流分析

五端直流輸電系統的簡化穩態等效電路如圖3 所示，其中R1，R2，R3代表3 個連接GSVSC 換流站的直流電纜的電阻值；R4，R5代表連接2 個WFVSC換流站的直流電纜的電阻值；Vdc1—Vdc5和Idc1—Idc5分別對應換流站的直流電壓和電流；Vdc0、Idc0分別是直流母線電壓、電流，通過集控中心來監測。因此，可以由此求出有功功率，以這個五端系統為例，可以描述為：

圖3 五端直流輸電系統的等效電路圖Fig.3 DC equivalent circuit of five-terminal DC system

這樣，可以求出傳輸到GSVSC換流站的有功功率：

由于直流電纜的阻值很小，可以忽略式(5)中的二階項，得到式(7)：

其中i∈{1,2,3}。

由此，注入到GSCVSC 換流站的有功功率Pi和對應換流站的電流參考值系數Ki成正比，如式(8)所示：

2.3 交流故障時的控制原則及其理論分析

當電網發生短路故障后，交流電壓跌落產生較大的短路電流，達到換流站的電流限幅值，控制器無法正常控制直流電壓。

而基于CDVC 控制策略靈活分配有功功率的優勢，可以根據交流電壓跌落的程度系數α=Vac/

圖4 第i個GSVSC本地控制站的新型故障穿越控制Fig.4 The novel FRT strategy of the GSVSC i at the local station

由于直流電壓外環PI 控制器的自適應性，這種自動調節并不會影響直流電壓的穩定性和控制精度，證明如下。

1）穩定性的影響

考慮到增加自動調節相當于改變了電流內環的給定指令，對內環穩定性沒有影響，因此可以將內環控制看作是一個比例系數Kw，換流站的控制系統可以簡化為如圖5 所示，其中反饋系數K可看作1。

圖5 直流電壓外環的簡化框圖Fig.5 Simplified control block of DC voltage

當自動調節換流站的有功功率的比例系數時，相當于對內環的比例Kw產生了一個擾動，此時外環開環的傳遞函數為

式中：Kp，τi為電壓外環控制器參數。由伯德圖穩定判據可知，當α在(0,1)pu 范圍變化時，始終滿足相角裕度和幅值裕度均大于0，因此當交流電壓變化自動調節比例系數Ki時，直流電壓始終穩定。

2）直流電壓精度的影響

當調整了電流指令后，會產生一個暫態的電壓偏差ΔUdc，由于PI 控制器的積分作用，只要ΔUdc不為0，分配給其他換流站的電流指令就會相應地增大，最終自動調整了比例分配，以使ΔUdc為0，如公式(10)所示，Udc變為額定值。因此，電壓下垂系數的自動調節對直流電壓的精度也沒有影響。

式中：UdcN為額定直流電壓；τ為PI控制器中積分器的時間常數。

3 交流故障穿越控制策略

當交流電網發生接地故障時，如果故障不是很嚴重，可以僅通過電壓跌落程度系數α調整有功功率的分配比例系數Ki，降低故障電網所連接的換流站的有功功率分配比例，則可以重新實現直流電壓的無偏差控制；但是如果故障嚴重，分配給其他正常換流站的有功功率超過了它們的最大限度，直流電壓會繼續上升，此時就需要結合風電場側的換流站降低有功功率，來保證直流電壓的穩定性。

因此，需要針對不同程度的交流故障，采取分層控制，以最大限度地利用有功功率，提高系統FRT 能力：1）GSVSC 根據交流故障程度自動調節有功功率分配比例，使冗余的有功功率盡可能多地由正常換流站傳輸到交流電網；2）WFVSC換流站在無需通信的情況下，通過檢測是否超過設定的直流電壓閾值Udcth的方法，觸發升頻法或者降壓法來降低風電功率；3）直流輸電系統中的斬波器則作為后備保護，保證降低風電功率時，交流電壓、頻率和風電場轉速都不會超過允許的范圍。

3.1 電網側換流站的控制

圖6 為CDVC 控制電網側換流站的電壓電流特性曲線，從圖6 可以看出，只要直流電流沒有達到上限，換流站就可以控制直流電壓穩定在額定值。而當直流電流達到上限時，直流電壓電流的特性可以表示為

圖6 CDVC控制電網側換流站的電壓電流特性曲線Fig.6 Voltage and current characteristic curve of converter station on grid side controlled by CDVC

式中：Vac和Iac_max分別為交流電壓和最大交流電流；cosφ為功率因數，可以認為在故障時基本保持不變。

因此，在達到電流上限值之前，每個換流站仍然有一定的容量吸收有功功率。這個優勢對于多端直流輸電系統中部分換流站發生交流故障時的協調控制很有幫助，因為其他正常的換流站就可以利用這部分的容量繼續吸收有功功率，及時建立功率平衡。但是，這種能力是有限制的，其值為ΔPCDVC，可以表示為

式(12)表明，ΔPCDVC與交流電壓Vac和換流站吸收的有功功率Pi有關，因此，交流電壓跌落得越低，換流站已經吸收的有功功率越大，那么這種方法所能平衡的有功功率的最大值ΔPCDVC就越小。為了充分利用這部分容量，集控中心可以根據不同的情況調整系數Ki。

但是，如果故障造成的多余的功率超過了這個上限，就需要配合降功率控制策略。

3.2 風場側換流站的控制

文獻[20]介紹了幾種無需通信的降功率方法，包括降壓法和升頻法，如圖7 所示。但是，實際上降功率法也是有上限的，因為這些方法受限于風電場匯聚點交流電壓、頻率的邊界以及風電場的轉速要求，可用ΔPwind表示。因此直流斬波器應該安裝在直流線路中，作為一個后備保護策略。

圖7 風場側換流站的降功率法Fig.7 Power reduction methods of WFVSC

3.3 直流斬波器的控制

觸發直流斬波器的直流電壓閾值U′dcth可選擇比降功率法的直流電壓閾值Udcth高一些，這樣可以保證只有當降功率法所降功率ΔPwind還不足以控制直流電壓穩定時才觸發直流斬波器。斬波器的電阻可由式(13)求出：

式中：ΔPexcess是故障時產生的總的多余的功率；ΔPchop是通過直流斬波器減小的有功功率；Rchopper是直流斬波器的電阻值。同時滿足U′dcth＞Udcth。

4 仿真結果及分析

4.1 模型建立

根據圖1，基于PSCAD/EMTDC 建立了一個五端直流輸電系統的仿真模型，其中風電場1和2由雙饋發電機組組成，其容量分別為200 MW 和150 MW。換流站額定容量為200 MV·A，額定直流電壓是320 kV，線路參數見表1。3個電網側換流站的初始有功功率由最優潮流算法分配為3∶4∶6。

表1 直流電纜的參數Tab.1 Parameters of DC cables

仿真算例1和算例2分別驗證了當發生不同程度的交流電壓跌落時的控制效果。當輕微故障時，即不能正常注入交流電網的有功功率小于ΔPCDVC，僅需要GSVSC的有功功率分配比例調節就可以實現系統的故障穿越；而當故障較為嚴重時，即直流暫態過電壓超過設定的閾值Udcth，則需要結合風電場降低有功功率法來重新建立穩定的直流電壓。仿真驗證了所提出控制策略與傳統的電壓下垂控制策略相比，對直流電壓以及有功功率分配等方面的控制效果。

4.2 算例1：輕微的交流故障

在本算例中，交流電網1在3 s時，發生了一個持續500 ms 的三相接地短路故障。交流電網1與其他電網之間的電氣距離較大，由簡化阻抗較大的Z1表示。圖8(a)、(c)、(e)、(g)分別為在電壓下垂控制策略下3個GSVSC換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率和直流電流，圖8(b)、(d)、(f)、(h)分別為在CDVC 策略下3 個電網側換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率和直流電流。

由圖8(a)和(b)可以看出，該故障導致交流電網1的電壓跌落到0.5 pu，而其他交流電網電壓不受影響。由于這個故障不是很嚴重，不能正常注入交流電網的有功功率小于ΔPCDVC，因此直流電壓沒有超過Udcth，降功率法沒有被觸發。

圖8 輕微交流故障時不同控制策略效果對比Fig.8 Effect comparison of different control strategoes for minor AC faults

從圖8(c)和(d)可以看出，電壓下垂控制策略中的直流電壓可以保持穩定，但是穩定在330 kV(1.03 pu)，而在CDVC 控制策略下的直流電壓可以穩定在額定值。從圖8(e)和(f)可知，這2 種方法都可以通過電網2 和3 所連接的換流站吸收多余的有功功率，從而幫助系統實現故障穿越。而圖8(g)和(h)表明，這個過程直流電流沒有出現過電流現象，故障后能夠快速恢復正常。總之，雖然這2 種方法都可以幫助多端直流輸電系統實現故障穿越，但是CDVC 可以保證直流電壓穩定在額定值，而電壓下垂控制難免會引入直流電壓偏差。

4.3 算例2：嚴重的交流故障

在本算例中，在3 s時，交流電網2發生了一個持續500 ms的三相接地短路故障。由于其阻抗較小，代表電網2和電網3之間的電氣距離小，因此，當交流電網2 發生故障后，不僅GSVSC2 的交流電壓跌落到0，而且GSVSC3 的交流電壓也跌落到0.5 pu。圖9(a)、(c)、(e)、(g)、(i)分別為在電壓下垂控制策略下的3個GSVSC換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率，以及WFVSC 換流站采用升頻法的頻率及其有功功率；圖9(b)、(d)、(f)、(h)、(j)分別為在CDVC 控制策略下3個GSVSC換流站的交流電壓有效值、直流電壓、有功功率，以及WFVSC 換流站采用升頻法的頻率及有功功率。

由于這次故障導致直流電壓升高至大約336 kV(1.05 pu)，超過了降功率的電壓閾值Udcth，降功率法被觸發，如圖9(c)、(d)所示。

在CDVC 控制策略下，檢測到交流電網2 和交流電網3 的過電流可以使集控中心調整功率分配系數Ki，以充分利用有功功率。因此，在這種情況下，分配比例從原來的最優潮流原則的3∶4∶6改為2∶0∶1，這樣，GSVSC1和GSVSC3就可以以其最大能力吸收多余的功率。顯然，從圖9(e)、(f)中看出，功率變化的過程平滑而迅速，同時電壓下垂控制中的有功功率分配比例沒有變化。結果，在CDVC 控制策略下的WFVSC 換流站所需要降低的有功功率比在電壓下垂控制策略需要降低的有功功率節省了約40 MW，如圖9(i)、(j)所示。因此，所提出的控制策略不僅有助于多端直流輸電系統實現故障穿越，而且可以通過快速改變功率分配比例，有效利用多余的功率。

圖9 嚴重交流故障時不同控制策略效果對比Fig.9 Effect comparison of different control policies for severe AC faults

5 結論

提出了一種適用于多端直流輸電系統的新型控制策略——直流電壓協調控制，其特點是可以控制直流電壓恒定，同時在無需獲悉精確的線路阻抗時，可以按照最優潮流控制或者其他控制目標準確地分配有功功率。這些優勢為多端直流輸電系統的故障穿越控制提供了有利的條件。

如果一個電網側換流站發生交流故障，可以通過其他正常的換流站來緩解直流網絡中有功功率的不平衡。但是，如果故障比較嚴重，就需要協調控制電網側換流站和風場側換流站來建立功率平衡，避免直流過電壓。通過結合降壓法、升頻法和直流斬波器等一系列交流故障穿越控制策略，所提出的直流電壓協調控制策略和傳統的電壓下垂控制策略都可以幫助系統實現故障穿越，但是前者能夠保持直流電壓穩定在額定值，而后者難免會造成直流電壓的偏差。另外在故障期間，所提出的控制策略可以迅速而準確地調節電網側換流站功率分配比例，以充分利用各換流站功率傳送能力。

下階段的研究將致力于在實驗平臺上進一步驗證所提出的控制策略的有效性和可靠性。