基于附加信号的VSC-HVDC系统改进有功功率控制策略

任敬国，李可军，牛 林，赵建国，，于大洋，任敬刚，梁永亮

（1.山东大学 电气工程学院，山东 济南 250061；2.国网技术学院，山东 济南 250002；3.东营供电公司，山东 东营 257091）

0 引言

电压源换流器型高压直流输电（VSC-HVDC）技术具有多种优点，如能够实现有功功率和无功功率的独立控制，具有动态无功补偿能力，改善电能质量，向无源网络供电以及易实现多端直流输电等[1-4]。因此，VSC-HVDC技术非常适用于风电场并网、孤岛供电、交流系统的非同步互联、电力市场交易以及多端直流输电等领域[5-8]，具有广阔的应用前景。

为了维持有功功率平衡，VSC-HVDC系统的一侧换流站必须采用定直流电压控制（DCVC），称之为主导换流站。当主导站的交流侧电网发生故障时，电网电压跌落导致主导站输出相同功率需要更大的电流；同时，鉴于限流器的作用，电网电压跌落导致主导站实际用于维持有功功率平衡的容量减小。若故障前主导站输送的有功功率值与故障后电网电压的比值大于一定值，主导站将进入限流模式，系统直流电压失去控制；最严重的情况是主导站因内部故障停运，系统完全失去了直流电压控制的能力。由于两侧换流站间没有通信，或虽然采用了通信但存在一定的延时，定有功功率控制（APC）换流站仍按照参考值进行有功功率的输送，引起直流电压迅速上升或下降，最终导致直流过电压或欠电压保护装置动作，使VSC-HVDC系统被迫停运。

VSC-HVDC系统的直流电压控制问题受到了广泛的关注和研究。文献[9]提出了一种新型广义直流电压控制策略，将APC换流站的外环有功功率控制器设计为一种广义直流电压控制器，有效地解决了上述问题，但其控制器中的PI环节偏多，参数调试比较困难。文献[10-12]提出了采用滞环控制的模式切换控制策略，给出了该控制策略的设计与参数计算方法，并验证了不同运行方式和故障情况下该策略的有效性。文献[13]将依赖于直流电压的电流指令限制单元（VDCCOL）引入到VSC-HVDC系统中，较好地解决了故障期间系统的直流电压控制问题。在此基础上，本文提出了一种更容易实现的、可自动适应正常与故障状态的改进有功功率控制策略，即在外环有功功率参考值中加入了依赖于本地直流电压的修正值信号，从而实现故障期间有功功率的平衡，保证直流电压在安全范围内。

1 VSC-HVDC系统的结构与原理

联接有源交流系统时VSC-HVDC系统示意图见图1，P1和i1分别为交流电网流入换流站1的有功功率和电流，Pdc1和Idc1分别为换流站1流入直流线路的直流功率和电流，Udc1和Udc2分别为换流站1和换流站2的直流电压，Rd和Ld分别为直流线路的等效电阻和电感。由于优秀的过电流控制能力，基于同步旋转坐标系的双环矢量控制[14-15]在实际工程中得到了广泛的应用，本文也采用此方式。为研究方便，假设换流站1采用APC来控制有功功率的传送（APC换流站），换流站2采用DCVC来维持直流电压稳定（主导换流站）。

图1 VSC-HVDC系统示意图Fig.1 Block diagram of VSC-HVDC system

VSC-HVDC系统的直流电压波动本质上是直流侧电容和线路的充／放电功率不平衡所引起的，即两端换流站的有功功率以及系统有功损耗的不平衡。当直流电容器和线路储存的能量增大时，直流电压也随之上升。主导站作为直流系统的有功功率平衡节点，当其进入限流模式或因故障停运时，系统无法维持有功功率平衡，因此失去了对直流电压的控制，此时需要APC换流站实现有功功率的平衡，提供直流电压控制能力。

2 改进控制器的功率特性曲线

2.1 功率特性曲线

当APC换流站工作于整流状态时，主导站停运或进入限流模式会导致从直流系统汲取的有功功率减少，直流电压上升，此时，APC换流站需要减少充电功率；反之，APC换流站需要减少放电功率。因此，可基于直流电压的变化特点，相应地改变故障期间 APC 控制器的有功功率参考值[16-17]，以保持故障期间的有功功率平衡，故本文提出的有功功率控制器功率特性曲线如图2所示。右侧曲线为APC换流站工作于整流状态时的特性曲线，左侧曲线为其工作于逆变状态时的特性曲线。

图2 有功功率控制器的功率特性曲线Fig.2 Power characteristic curve of active power controller

图2中，P1ref为APC换流站的有功功率参考值，[Udc1min，Udc1max]为直流电压最大工作范围，[Ulimdc1min，Ulimdc1max]为安全电压范围，krec和kinv分别为整流和逆变状态下功率特性曲线的斜率。相比于自动限制有功电流参考值，该方法的控制响应偏慢，但实现起来比较简单，且其控制响应时间能够满足直流电压控制的要求。

2.2 直流电压最大工作范围的求取

安全电压范围[Udlicm1min，Uldicm1max]可以根据开关器件和电容器等设备的安全电压来确定；直流电压最大工作范围[Udc1min，Udc1max]则需要根据直流系统参数和指令值来进行计算，且需要考虑一定的裕度值以防止计算误差影响控制器的正常运行。

根据基尔霍夫电压定律，对直流线路有：

在正常稳定状态下，忽略直流线路的谐波分量而仅考虑直流分量，则直流电流Idc1为常数，故：

由上式知，APC换流站的直流功率Pdc1可表示为：

假设稳态时主导站始终处于DCVC模式，未进入限流模式且直流电压参考值不变，则Udc2可视为常数。忽略 APC 换流站的损耗，得[10]：

其中，Us为APC换流站侧交流相电压幅值；i1d为电抗器电流的有功分量，其取值范围取决于APC换流站的有功电流限流器设计，见式（5）。

联合式（3）—（5）即可解出 APC换流站的直流电压工作范围。为了防止计算误差导致正常运行状态下修正值不为零，引入裕度值σ，使直流电压工作范围的计算结果增大2σ，以保证有功功率控制的精确度。

3 基于附加信号的有功功率控制

3.1 外环控制器设计

为实现如图2所示的直流电压-功率特性，本文给出了相应的外环有功功率控制器设计方法，见图3。其中，ΔP1ref为有功功率修正值，i1dref、i1dmax和 i1dmin分别为APC换流站的电抗器电流i1有功分量的参考值、最大值和最小值。

ΔP1ref计算模块通过对变量 Udc1、P1ref和常量Udc1min、Udc1max、Ulimdc1min、Ulimdc1max进行计算从而得到有功功率修正值ΔP1ref，并附加到有功功率参考值上，以实时地控制换流站的有功功率输出。

图3 外环有功功率控制器Fig.3 Outer-loop active power controller

3.2 有功功率修正值的计算

由图2知，在正常情况下，APC换流站有功功率修正值应为0，即：

当APC换流站运行于整流状态时，若主导站失去直流电压控制能力，系统直流电压上升且满足Udc1＞Udc1max，根据线性定律，得：

整理上式，得：

式（8）即为整流状态下APC换流站有功功率修正值ΔP1ref的计算公式。同理，逆变状态下ΔP1ref的计算公式为：

因此，由式（6）、（8）、（9）可以得到 ΔP1ref计算模块的实现方法，如图4所示。其中，Pdirection取决于APC换流站的有功功率参考值：若P1ref＞0，则Pdirection=1；反之，Pdirection=0。

图4 有功功率修正值的计算Fig.4 Calculation of active power correction

3.3 工作原理分析

以换流站1工作于整流状态为例进行说明，P1ref＞0，则Pdirection=1，此时有功功率从换流站1流向换流站2，换流站2工作于逆变状态。

正常工作情况下，换流站1的有功功率控制器工作于如图2所示的右侧功率特性曲线上，且有以下不等式成立：

由式（8）和式（10）可知：

由图4知，Ptemp1与0进行求最小值运算，其结果为0，即ΔP1ref=0，则有功功率指令值没有修正，保证了正常运行状态下有功功率控制不受修正值计算环节的影响。

当换流站2侧交流系统发生接地故障时，电网电压跌落使得输出相同的功率需要更大的电流，因此换流站2进入限流模式，导致其向交流系统输送的有功功率下降（下降程度取决于并网点处的电压幅值以及换流器限流范围）。由于有功功率不平衡，直流电容开始充电，直流电压失去控制并开始上升。更为严重的情况是换流站2因内部故障紧急停运，闭锁触发脉冲或者断开与交流系统的电气联系导致其向交流系统输送的有功功率下降为零，直流电压迅速上升。

在以上2种故障情况下，换流站1采用基于修正信号的有功功率控制策略，通过检测本地直流电压信号计算得到有功功率修正值。当本地直流电压满足不等式 Udc1＞Udc1max时，由式（8）和式（10）可知：

由图4知，ΔPtemp1与0进行求最小值运算，其结果为 ΔPtemp1，即 ΔP1ref=ΔPtemp1。ΔP1ref附加到原有功功率指令值上，则实际的有功功率指令值减小，并且随着直流电压的升高，有功功率指令值减小的幅度逐渐增大，直至直流系统的有功功率平衡为止，最终直流电压稳定在[Udc1max，Ulimdc1max]范围内的某一工作点，这样就保证了故障期间有功功率平衡和直流电压控制。

换流站1工作于逆变状态时，改进控制器的工作原理类似，故不再赘述。

4 仿真验证

为验证上文提出的控制策略，本文在PSCAD／EMTDC环境中建立了如图1所示的VSC-HVDC系统仿真模型，模型参数选择如下：额定直流电压1kV，交流系统线电压有效值400 V，电抗器电感5 mH，电抗器电阻0.2 Ω，直流电容器 2000 μF，直流线路等效电阻Rd=2 Ω，直流线路等效电感Ld=20 mH，开关频率4950 Hz，换流站1侧有功电流限流-31～31 A，换流站2侧有功电流限流-41～41 A。

根据式（3）—（5）计算得到换流站1直流电压的工作范围（单位kV）为：

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取裕度值σ=0.02kV，则：

考虑设备的安全电压限制和低压过电流限制，得到：

算例1：换流站1处于整流状态且P1ref=12 kW，换流站2的直流电压参考值为1kV。1 s时刻，换流站2侧交流电网发生三相接地短路故障，故障持续0.15 s后切除，仿真结果如图5所示。

图5 算例1的仿真结果Fig.5 Simulative results of case 1

由图 5（a）、（b）知：故障前，换流站 1 的有功功率维持在12 kW，直流侧电压维持在1.023kV；故障初期1～1.017 s，由于换流站1向直流侧注入的有功功率大于换流站2吸收的有功功率，直流电容充电，直流电压开始上升；换流站1的直流电压在1.017 s左右达到1.0495kV，此后，附加控制环节开始作用，计算得到有功功率修正值，并使换流站1有功功率迅速减小。因此，故障期间直流电压被维持在1.12kV以下，防止了直流过电压的出现。故障清除后，换流站2恢复了直流电压控制能力。由图5（b）可知，1.15 s故障清除后，换流站2从直流系统吸收的有功功率迅速增加，将直流系统多余的能量回馈到交流网络，直至直流电压恢复到正常水平。故障清除后，VSC-HVDC系统恢复到故障前运行状态，安全地度过了故障过程。

算例2：换流站1处于逆变状态且P1ref=-12 kW，换流站2的直流电压参考值为1kV。1 s时刻，换流站2侧交流电网发生三相接地短路故障，故障持续0.15 s后切除，仿真结果如图6所示。

图6 算例2的仿真结果Fig.6 Simulative results of case 2

由图 6（a）、（b）知：故障前，换流站 1 直流侧电压维持在0.975kV；故障初期1～1.012 s，换流站2有功功率迅速下降而换流站1的有功功率不变，直流电容放电，导致直流电压快速下降；换流站1的直流电压在1.012 s左右达到0.9486kV，此后，附加控制环节开始作用并使得换流站1从直流系统吸收的有功功率迅速减小。因此，故障期间直流电压被维持在0.86kV以上，防止了直流欠电压的出现。由图6（b）知，1.15 s故障清除后，换流站2恢复了直流电压控制能力，有功功率迅速增加，从交流网络吸收能量用于直流电容充电，直至直流电压恢复到正常水平。故障清除后，VSC-HVDC系统恢复到故障前运行状态。

由图7知：故障初期1～1.013 s，换流站2闭锁并断开与交流系统的联系后，换流站1有功功率保持不变，直流电压开始迅速上升；1.013 s左右，附加控制环节开始作用，有功功率指令值迅速下降，直流系统的有功功率不平衡度也随之减缓，因此，直流电压的上升逐渐趋于平缓，并最终稳定在1.145kV左右；换流站1的有功功率稳定在0.5 kW，仅用于维持直流系统电压。由此可见，附加控制策略保证了主导站停运情况下的直流电压控制和系统非故障设备的持续并网运行。

5 结论

本文提出了一种更容易实现的、基于附加信号的VSC-HVDC系统有功功率控制策略。该策略根据本地直流电压计算得到有功功率修正值并附加到指令值中，以达到维持有功功率平衡的目的，从而减少故障时系统直流侧过电压和欠电压现象，保证了故障期间直流系统的持续、安全和稳定运行，提高了故障后VSC-HVDC系统的快速恢复能力。PSCAD／EMTDC仿真结果表明，本文提出的控制策略能够维持正常情况和故障期间VSC-HVDC系统的直流电压控制，具有良好的响应特性。