VSC-MTDC 系统后备站改进控制策略

罗志宏，朱瑞可

(1．成都供电公司，四川 成都610000;2．四川大学 电气信息学院，四川 成都610065)

0 引言

多端柔性直流系统技术发展迅速，具有经济性好、灵活性强和可控性高等显著优势，在分布式发电系统并网、向远距离负荷供电、构筑城市直流配电网、实现多电源供电、多落点受电等领域具有广阔的应用前景［1～7］。

VSC-MTDC 系统中必须有一端换流站采用定直流电压控制，称之为主导换流站。目前柔性直流输电系统采用的多点直流电压控制方法主要由电压偏差控制和电压斜率控制等［8-12］。直流电压偏差控制通过设定备用换流站来提高系统的稳定性，其不足之处在于同一时刻只有单个换流站参与功率调节，对直流潮流变化响应不够快速，且容易导致主导换流站过载。直流电压斜率特性的控制策略，将稳定直流电压的任务分配给多个换流站，可以实现直流功率快速平衡的分配，但是其缺陷是无法实现直流功率的精确控制。文献［13］结合这两种控制策略的优点，提出了一种新型直流电压控制策略—直流电压偏差斜率控制策略，利用偏差控制特性，实现换流站直流功率的跟踪，利用斜率控制特性，加快了其动态响应能力;但该策略并未考虑换流站实际运行工况，对于功率裕度不大的后备换流站，若按照固定斜率去承担波动的功率量，可能会导致满载从而切换为定功率运行，失去对直流网络潮流变化响应的能力。

本文针对偏差斜率控制策略的不足，提出了考虑后备换流站功率裕度的改进斜率控制策略。该策略无需通信，在主导站失去控制直流网络电压能力时，保证了功率裕度较小的后备站分担较少的不平衡功率，功率裕度较大的后备站则承担较多的不平衡功率，充分利用了后备站的功率调节能力。最后在PSCAD/ EMTDC 中的仿真结果验证了该协调控制策略的有效性和可行性。

1 VSC-MTDC 系统

根据运行条件和设计要求不同，VSC-MTDC输电系统基本接线方式有2 种:串联型接线方式和并联型接线方式，如图1 所示。与串联接线方式相比，并联接线方式直流输电的线路损耗较小，易于控制，进一步扩展的灵活性较高，具有相对较少的运行问题，因而在多数工程中被广泛接受。并联型拓扑有两种形式:环网型和辐射型，分别如图1(b)和(c)所示。相比于辐射型拓扑，环网型拓扑中所需的直流线路更多，经济性较差，各直流线路上的潮流不易控制，线路保护设计难度较大。辐射型结构经济性更高，各换流站直流电流控制相对独立，扩展性更强，同时也有利于多端协调控制策略的实现。本文所研究的基于辐射型的四端柔性直流输电系统如图1(c)所示，4 个电压源型换流站的直流侧通过直流网络并联连接;交流侧与各自独立的交流网络S1～S4相连。其中VSC1～VSC3 具备功率调节能力，VSC1采用定直流电压斜率控制，VSC2 与VSC3 作为后备站采用偏差斜率控制;其他所有不具备功率调节能力的换流站用VSC4 等效代替，采用定有功功率控制。

图1 VSC-MTDC 系统拓扑

2 改进偏差斜率控制

2.1 偏差斜率控制原理分析

由于直流输电线的电阻较小且没有电抗，因此并联型直流网络中各节点的电压近似相等。直流电压偏差斜率控制原理图如图2 所示。

图2 直流电压偏差斜率控制特性图

图2 中，Pref为换流站的有功功率参考值，和为偏差斜率控制器的上下限动作电压，为直流电压极限范围，K为U-P 特性曲线斜率。

VSC1 作为主导换流站，在稳态运行的情况下采用定直流电压控制起到直流电压稳定节点的作用，其直流电压指令值为。VSV2 和VSC3 具备直流电压偏差斜率控制器，在稳态运行时，VSV2 和VSC3 直流电压在运行范围内，当VSC1 丧失了稳定直流网络电压的能力时，直流网络的功率不平衡会直接导致直流电压的失稳以至于超出运行范围，采用偏差斜率控制的后备换流站VSV2 和VSC3，通过改变定有功功率控制换流站输出功率特性，及时维持直流电压的稳定，避免系统直流电压的崩溃，从而增加系统运行的可靠性［10-13］。

2.2 后备站改进斜率控制

假设有N 个后备换流站运行于直流电压偏差斜率控制方式。在主导站失去控制直流电压能力后，直流网络剩余的不平衡功率用ΔP表示，对于第n 个后备换流站，其稳定点由(Udc，Pn)变为。记，直流电压波动量为

不平衡功率ΔP 可表示为

可得出斜率为Kn的换流站所分担的功率为

则定有功换流站传输的功率可记为

由式(4)可知，直流电压控制斜率K 决定了直流网络中不平衡的有功功率分配到各换流站的多少。假如各换流站采用同样大小的K，则不平衡功率将平分给各换流站承担。各换流站的K 不同时，较大的K 意味着将分担较小的不平衡功率，较小的K 意味着分担较多的不平衡功率。换流站斜率系数的选取若一般根据换流站的容量来确定，使得KiRi=KjRj，(∀i ≠j)，其中Ri为第i 个换流站的额定容量。

但采用固定斜率系数有一个缺点，即并未考虑换流站在实际运行工况下的功率裕度，在平衡直流网络不平衡功率时，会出现部分主导站仍余有功率裕度的情况下，其他主导站因满载切换为定功率运行而失去对直流网络潮流变化响应的能力。以图1(c)所示的四端系统为例进行说明。假设系统初始运行于图3 中状态1，VSC2 与VSC3的稳定点分别为和。VSC1 失去定直流电压的能力后，直流电压升高超设定值，后备站VSC2 与VSC3 由定功率控制切换为定直流电压斜率控制，系统最终稳定于状态2，稳定点分别为和。可以看出状态2下VSC3 的稳定点对应的有功率将达到其极限容量值，表明换流站满载切换为定功率运行，失去了对直流网络潮流变化响应的能力;而VSC2仍有一定量的功率裕度。

图3 VSC1～VSC3 控制特性图

图中:Pref表示有功功率指令值;Pmax表示换流站功率极限值，不考虑换流站过载能力时，为额定容量;为直流电压变化的极限值;K表示斜率。

为使后备站更合理地分担直流网络内出现的不平衡功率，本文提出了考虑后备换流站功率裕度的改进斜率控制策略，主要改进为将斜率系数K*定义为:

式中:α 为常数，α=0．2;Pmax-|P|为换流站功率裕度。由式(5)可知，在α 值确定后，K*值由换流站功率裕度决定:功率裕度较大的换流站K*值较小，功率裕度较小的换流站K*值较大。同时不难发现，在Pmax-|P|较小时导致K*较大，会导致流压波动超过极限值;在Pref-|P|较大时K*又过于太小，较小的直流电压波动对应着较大的功率变化，这并不利外环直流电压控制器参数的整定及换流站之间的协调控制。本文将采用动态限幅来保证K*值在合理的范围内。

图4 后备换流站控制器结构

将本文所提方法应用于图1 所示的五端柔性直流系统中，改进直流电压偏差斜率控制特性图如图5 所示。在正常运行的情况下，VSC1 作为主导站，将直流电压控制在直流电压指令值为附近，此时VSC2 和VSC3 的直流电压不会超过运行范围，换流站2 和3 维持定直流功率的运行方式。主导站VSC1 失去稳定直流网络电压的能力时(例如直流功率越限或故障退出运行等)，直流网络的功率不平衡会直接导致直流电压的失稳。在直流电压超过运行范围时，具备直流电压偏差斜率控制器的VSC2 和VSC3 由定功率控制方式切换为本文所提直流电压斜率控制方法。改进斜率控制方法保证了功率裕度较小的换流站分担较少的不平衡功率，功率裕度较大的换流站则承担较多的不平衡功率，及时维持直流电压的稳定，同时实现了不平衡功率合理的分配，避免了后备站因满载运行切换至定功率运行的情况。

图5 改进直流电压偏差斜率控制特性图

3 仿真分析

在仿真软件PSCAD/ EMTD 平台上搭建如图1(c)所示的四端柔性直流系统。在仿真中，VSC1～VSC4 额定容量分别为200 MW，150 MW，150 MW 和500 MW;额定正负极直流电压Udref=400 kV;为［360 kV，440 kV］;偏差斜率控制器上下限动作电压和分别为390 kV 和410 kV;固定斜率K2=K3=0．2。以交流网络注入直流网络为功率参考正方向，初始状态下，VSC2～VSC4 的有功参考指令值分别为100 MW，50 MW 与-275 MW。

算例1:VSC4 的功率指令在2 s 时刻由-275 MW 变化至330 MW，4 s 时刻变化至-430 MW。图6 给出了两种电压偏差斜率控制下的仿真结果进行对比分析。

初始状态下，VSC1 作为主导站控制直流电压在400 kV 左右，输送的功率约为112 MW。2 s 时刻VSC4 的功率指令由- 275 MW 变化至- 330 MW 后，直流网络中出现60 MW 的不平衡功率，由于VSC1 仍余有较大的功率裕度，其采用的定直流电压方式将正负极直流电压稳定在400 kV 左右;VSC2 与VSC3 运行在定功率模式。

4 s 时刻VSC4 的功率指令变化至-430 MW后，直流网络中再次出现100 MW 的不平衡功率。而主导站VSC1 的功率裕度不足，传输的直流功率越限，控制方式会从定直流电压运行方式调整为定功率运行，失去了稳定直流网络电压的能力，直流电压逐渐升高，超过410 kV 后，后备站VSC2 与VSC3 由定功率控制切换为定直流电压斜率控制。对于常规斜率控制策略，由于采用固定斜率，VSC2 和VSC3 可以根据其直流电压的数值按固定斜率K2=K3=0．2(kV/MW)调整其直流功率指令值，传输的功率分别由100 MW，50 MW升高至134 MW，84 MW，所分担的功率量都为34 MW。对于本文所提控制方法，由于VSC3 的功率裕度大于VSC2 的功率裕度，有，不平衡功率主要VSC3 分担;VSC2 分担了较少的不平衡功率。最终VSC2 与VSC3 传输的功率分别升高至123 MW 和95 MW，所分担的功率量分别为23 MW和45 MW。在满足直流输电网络功率平衡的前提下，实现了不平衡功率的合理分配。

图6 VSC4 功率抬升仿真

算例2:初始状态不变，2 s 时刻VSC1 退出运行。图7 给出了两种电压偏差斜率控制下的仿真结果对比分析。

由图7 可知，VSC1 在2 s 时刻退出运行，其传送的功率很快降至零，失去了控制直流电压的能力，相当于直流网络中出现了112 MW 的不平衡功率，导致直流电压持续升高。在直流电压超过410 kV 后，后备站VSC2 与VSC3 由定功率控制切换为定直流电压斜率控制，共同承担维持直流网络内功率平衡的任务。在常规斜率控制策略下，VSC2 传输的功率达到极限值150 MW，失去定直流电压的能力，而VSC3 还余有一定量的功率裕度。最终VSC2 与VSC3 分别分担了50 MW 和62 MW 的不平衡功率。采用本文控制策略时，VSC2 和VSC3 按照各自的功率裕度合理地分担直流网络中出现的不平衡功率，最终的分担量分别为37 MW 和75 MW，避免了出现后备站满载的情况。

图7 主导站VSC1 退出

4 结论

本文提出了一种考虑后备换流站功率裕度的直流电压偏差斜率控制策略。在正常运行的情况下，由主导站承担稳定直流电压的任务，一旦主导站失去稳定直流电压的能力时，后备站由定功率切换为直流电压斜率控制方式。本文所提方法可根据后备站的功率裕度来实现不平衡功率的合理分配，充分利用了后备站的功率调节能力，避免了常规偏差斜率控制策略下个别后备站因满载运行失去对直流网络不平衡潮流响应能力的情况，实现了不平衡功率的合理分配。

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