適用于VSC-MTDC的改進組合控制策略

張成龍，韓鈺倩

（國網安徽省電力有限公司宿州市城郊供電公司，安徽 宿州 234000）

隨著我國經濟的高速發展和城市供用電形式的深度變革，高可靠性供電、高滲透率分布式能源友好接入對配電網控制運行提出了更高要求[1-3]。近年來，基于電壓源換流器（VSC）的VSC-MTDC技術得到快速發展，其基于共用直流母線的多個換流器將交流系統進行AC-DC-AC解耦互聯，可實現任意饋線長期安全合環運行，大幅提高電網供電可靠性；風電、光伏等大規模可再生能源友好并網，有效提高配網清潔能源消納能力；PQ四象限控制，可精確調控電網潮流分布，提高電網運行安全性和經濟性[4-5]。

VSC-MTDC換流器數目較多，直流電壓控制較復雜，其主要的控制方式有主從控制、電壓裕度控制、下垂控制3種[6]。主從控制下系統直流電壓穩定性較好且能精確控制換流器的輸出功率，但系統的功率僅由主站平衡，多個換流器之間須要通信，當換流器出現故障時系統不能穩定運行，其可靠性不高[7]。為提高系統供電可靠性，有學者提出了電壓裕度控制，通過設定電壓裕度值來實現不同控制模式的切換，且各換流器間不須要通信[8]。但以上兩種控制策略在同一時刻有且僅有一臺換流器承擔系統的功率平衡，不利于系統的安全穩定運行。而在下垂控制中多個換流器共同承擔系統的功率平衡，系統的動態響應性和穩態特性較高，但對控制系統的模型精度要求較高且下垂系數固定，一般只用在結構簡單以及功率波動大的系統中[9]。針對單一控制策略無法滿足配電網多端柔直系統在復雜多變工況下安全穩定運行的問題，文獻[10]提出一種電壓組合控制策略，結合電壓裕度控制和下垂控制的優點并相互彌補了各自的缺點，但定系數下垂控制在組合控制中存在模式切換過程中功率波動較大以及對模型精度要求較高的問題，不利于系統靈活經濟運行。

基于此，本文提出一種改進的組合控制策略。在電壓裕度控制中引入變系數下垂控制，并針對主換流器3種典型運行場景設計系統協調控制策略；最后通過仿真驗證了所提控制策略和控制器的有效性。

1 VSC-MTDC數學模型

圖1為單端VSC-MTDC系統拓撲結構圖。

圖1 單端VSC-MTDC系統拓撲結構圖

為實現PQ獨立解耦控制，根據圖1可得換流站dq坐標系下數學方程：

式中：Usd、Urd、Usq、Urq、id、iq分別為換流站交流側電壓、電網側電壓、電網側電流的dq軸分量；ω為電網角頻率。

由于阻值R較小其損耗可忽略不計，換流站從交流側吸收的有功和無功功率為：

若取Us的矢量方向為d軸，則Usq=0，式（2）可表示為：

當VSC-MTDC正常運行時，忽略換流站損耗，系統交流側和直流側功率保持平衡，系統的有功功率守恒方程式為：

式中：Udc為直流側母線電壓；C為直流側電容；n為系統中換流站個數。在VSC-MTDC穩態運行時，系統的直流電壓要維持恒定，即公式（4）等式左邊要等于0。

2 改進的組合控制策略

2.1 傳統組合控制策略

目前已有許多學者研究柔直的協調控制策略，圖2是一種傳統的協調控制策略，其核心思想是將傳統下垂控制和電壓裕度控制進行合理組合。

圖2 傳統組合控制下換流站各端口工作特性

2.2 改進組合控制策略

為更好地實現配電網多端柔直系統在復雜多變工況下安全穩定運行，將變系數下垂控制與電壓裕度控制進行結合，設計一種改進組合控制策略。所設計的控制策略換流站各端口的工作特性如圖3所示。根據主換流站所處的工作狀態不同，可以將VSC-MTDC的運行場景分為以下3種典型模式。

圖3 所提改進組合控制下換流站各端口的工作特性

輸出功率在主換流站允許范圍內，沒有超出其輸出功率極限，從換流站1工作在定功率模式下，系統的直流電壓的穩定由主換流站來維持。當直流母線電壓波動超出正負0.01Udcref時，從換流站1自動的切換到變系數下垂控制模式下，由從換流站1補償系統部分功率缺額，緩解主換流站的調節壓力，使系統更快進入穩定狀態。

主換流站極限功率下運行，此時輸出功率達到主換流站額定值，直流母線電壓波動超過正負0.02Udcref時，主換流站迅速切換到定功率控制模式下，此時從換流站1切換到定直流電壓控制模式，從換流站2維持原來運行模式不變。

主換流站發生嚴重故障退出運行時，系統內出現有功功率嚴重不平衡，直流電壓波動超過正負0.03Udcref時，從換流站1進入定功率控制模式，從換流站2按設定的裕度值將控制模式切換到變系數下垂控制模式下。當主換流站故障消除重新投入運行時，系統恢復至初始穩定運行狀態。

所提改進組合控制策略在系統穩定運行范圍內，能夠嚴格按照指令值運行，這是單一的下垂控制無法做到的。當主站發生故障退出運行時，多個換流站能夠同時承擔系統功率缺額，使系統能夠快速恢復到穩定狀態運行，這是電壓裕度控制所不具有的能力。將改進的下垂控制和電壓裕度控制進行組合，能夠有效抑制系統在故障情況下直流母線電壓的波動，提高動態響應性，這是傳統組合控制策略所不具有的優勢。

3 仿真驗證及結果分析

3.1 仿真參數設置

在Matlab/Simulink中搭建如圖4所示的配電網五端背靠背柔直系統結構圖，在仿真模型中，5個拓撲結構完全相同的VSC直流側端口通過直流公共母線互聯，構成背靠背接線形式。為驗證本章所提新型協調控制策略的有效性和優越性，將所提新型協調控制策略與電壓裕度控制、傳統協調控制在換流站發生故障退出運行場景中進行仿真驗證和結果分析。

圖4 配電網五端背靠背柔直系統結構圖

五端背靠背柔性直流系統仿真參數設置如表1所示。

表1 五端背靠背柔直系統仿真參數

3.2 換流站發生故障退出運行

當主換流站發生故障退出運行時，VSC2取代VSC1成為主換流站采用定直流電壓控制，VSC3、VSC4和VSC5根據實際情況從定有功功率控制切換到改進下垂控制。設定初始狀態下VSC2的有功功率指令是-5 MW，VSC3、VSC4、VSC5的有功功率指令分別為2 MW、3.5 MW、2.5 MW。VSC1作為逆變站在0.45 s時發生故障并退出運行，經過0.2 s后VSC1排除故障重新投入運行。將所提新型協調控制策略（下垂系數可變）與傳統協調控制策略（下垂系數固定）以及電壓裕度控制進行對比，仿真結果如圖5到12所示。

圖5為電壓裕度控制下各端口輸出功率仿真波形。由圖可知，在0.45 s主換流站VSC1輸出功率變為0，此時VSC2工作在定直流電壓控制模式，VSC3、VSC4和VSC5工作在定功率控制模式下，系統因VSC1發生故障退出運行產生的功率缺額全部由VSC2承擔，VSC2輸出功率波動幅度較大。從圖10可以得知，電壓裕度控制下的直流母線電壓最大波動幅度超過0.8 kV，恢復到穩定狀態的時間為0.32 s。

圖5 電壓裕度控制下各端口輸出功率仿真波形

圖6為傳統協調控制下各端口輸出功率。由圖可知，當VSC1發生故障時，VSC2工作在定直流電壓控制模式，VSC3、VSC4和VSC5工作在傳統下垂控制模式下，VSC4和VSC5下垂系數相同，因此承擔的有功功率相同，各自承擔了0.5 MW功率，此時系統的功率缺額由4個換流站共同承擔，能夠縮短系統恢復到穩定狀態的時間，但工作在傳統下垂控制模式下的換流站在補償系統功率缺額時，輸出有功功率不平滑，功率波動幅度較大，對有功功率的控制精度不高。從圖10可以得知，在此控制模式下，母線電壓最大波動幅度在0.6 kV左右，直流母線電壓恢復到穩定狀態的時間約為0.14 s。

圖6 傳統協調控制下各端口輸出功率仿真波形

圖7為所提控制下各端口輸出功率，各端口輸出有功功率相比于傳統協調控制平滑，功率波動幅度更小，有功功率控制精度更高。從圖8和圖9可知，當VSC1退出運行時，VSC4有功功率裕度大，主動承擔更多的有功，VSC3和VSC5的有功裕度小，下垂系數減小，承擔相應較少的有功，避免過載現象的發生。系統的直流母線波動如圖10所示，由圖可知，在所提控制下系統直流母線電壓的波動幅度小于0.35 kV，直流母線電壓恢復到穩定狀態的時間約為0.08 s。

圖7 所提控制下各端口輸出功率仿真波形

圖8 VSC3和VSC4輸出功率仿真波形

圖9 VSC1作為逆變站退出運行時下垂系數仿真波形

圖10 不同控制下直流母線電壓仿真波形

由以上分析可知，所提組合控制相比于傳統組合控制和電壓裕度控制，直流母線電壓波動幅度和響應時間更小，對換流站輸出有功功率波動抑制效果更好，有功功率的控制精度更高，能夠更好地保證系統在發生嚴重故障時快速進入到安全穩定運行狀態。

VSC1作為整流站在0.45 s時發生故障退出運行，經過0.2 s后VSC1排除故障重新投入運行，仿真結果如圖11和12所示。設定初始狀態下VSC2的有功功率指令是3 MW，VSC3、VSC4、VSC5的有功功率指令分別為-1 MW、-2 MW、2.5 MW。

圖11為所提控制下各端口輸出功率情況，各換流站工作情況和VSC1作為逆變站退出運行時情況基本相同，當VSC1退出運行，系統發出的有功功率減少，直流母線電壓要降低，各換流站在補償系統功率缺額的過程中，輸出有功功率較平滑。圖12為不同控制方式下直流母線電壓波動情況，從中可以看出，在所提新型協調控制策略下，系統直流母線電壓波動幅度小于0.2 kV，波動幅度最小，電壓恢復到穩定狀態的時間約為0.01 s，響應速度最快。

圖11 所提控制下各端口輸出功率仿真波形

圖12 不同控制下直流母線電壓仿真波形

4 結束語

針對傳統VSC-MTDC控制策略存在的輸出功率和直流母線電壓波動較大以及動態響應速度慢等問題，提出一種改進的組合控制策略，能夠使直流母線電壓波動幅度和響應時間更小，對換流站輸出有功功率波動抑制效果更好，有功功率的控制精度更高，能夠更好地保證系統在發生嚴重故障時快速進入到安全穩定運行狀態。