混合直流输电系统无功协调控制策略优化

郭海平，李猛，黄立滨，杜兆斌，夏成军

（1.南方电网科学研究院，广东广州 510080；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510641）

混合直流输电系统无功协调控制策略优化

郭海平1，李猛2，黄立滨1，杜兆斌2，夏成军2

（1.南方电网科学研究院，广东广州 510080；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510641）

针对多回直流落点于同一交流系统，且其中有一回或几回直流为柔性直流工程，构成混合多馈入直流输电系统的发展趋势，建立了一种并联混合型直流输电模型。传统直流输电工程无功控制中的gamma-kick功能用以减轻滤波器投切瞬间对交流系统造成的无功冲击及电压扰动，但该种控制功能以增大关断角，牺牲运行经济性为代价；在并联混合直流输电系统中，通过对柔性直流单元与滤波器投切的协调控制，将滤波器投切过程中馈入交流系统的阶跃型无功功率等效置换成斜线型无功功率，可以减少无功冲击和电压扰动，取代gamma-kick功能。在PSCAD/EMTDC中进行仿真建模，并以电压变化绝对值和电压暂态变化率为指标，对换流母线电压的波动进行定量分析，验证了无功协调控制功能的有效性。

混合直流输电；gamma-kick；无功协调控制；无功特性置换

随着直流输电工程在大容量远距离输电及区域电网互联等领域的广泛应用，将会出现两回或多回直流线路落点于同一交流系统的情况，形成多馈入直流输电系统（MIDC），受端交流系统的强度也会相对减弱。当受端系统强度减弱到一定程度后，会产生最大传输功率受限、换相失败风险增大、交流母线电压调节能力减弱等问题。因此，弱交流系统下换流站滤波器组在投切瞬间对交流母线造成的无功冲击以及带来的电压扰动问题是不可忽视的[1]。除此以外，滤波器组在最差合闸角进行投切或在执行某些方式的投切以后，逆变站谐波产生交互影响，继而引起谐波不稳定，还可能会造成直流系统的换相失败[2-3]。

现有的传统电流源换相直流工程（LCC-HVDC）无功控制策略中多配有gamma-kick功能来平滑滤波器投切瞬间系统无功的改变，抑制交流系统电压波动，但其功能的实现是暂时性提高换流器无功消耗，牺牲运行的经济性为代价的。且gamma-kick输出值的大小及其在上升和下降阶段的改变速率需要跟换流变分接头控制TCC系统的死区进行配合，以兼顾保持交流系统无功特性的平滑过渡与减少换流变分接头的频繁动作，增加了控制参数寻优的复杂性。

如果MIDC其中一回或几回直流线路为柔性直流（VSC-HVDC）线路时，就会形成并联混合多馈入直流输电系统。并联混合多馈入直流输电系统中VSC-HVDC子系统的存在有助于调节受端交流母线电压，提高视在短路容量和电压稳定性。我国华东地区已有多条LCC-HVDC落点于上海附近的沿海区域，且上海南汇风电场已经投入运行。随着对东海离岸风电场的进一步开发和西电东送工程的增多，华东电网将形成多条LCC-HVDC与多条VSCHVDC混合馈入的复杂情况[4]。南方电网依据其所辖区域内“强直弱交，多回直流同时馈入”的主网架结构，提出了云南电网与南方电网主网实施异步联网的方案，以优化电网结构，提高电网运行安全稳定性。通过综合考虑经济性、技术可行性等指标，其中鲁西背靠背直流工程采用近期一回1 000 MW传统直流和1 000 MW柔性直流并联，远期两回1 000 MW传统直流和1 000 MW柔性直流并联的组合联网方案，计划2016年内投入运行[5-6]。混合直流输电也已进入工程实施阶段。如何实现LCC-HVDC和MMCHVDC间无功的协调控制，减少弱交流系统在滤波器组投切过程中产生的无功冲击，提高其电压稳定性成为一个新的研究课题。

由于并列混合型直流输电拓扑应用较少，相应对滤波器投切控制系统与柔直单元的无功协调控制的研究也较少见诸于各类文献。但已有学者在变电站调压控制、配电网无功补偿等领域展开了类似的综合考虑无功优化中的离散变量与连续变量的协调控制[7-8]。文献[9]研究了STATCOM与变压器分接头控制间的协调，但是忽略了对作为无功主要来源的电容器组的协调控制。文献[10]提出了应用在配电网中的基于小容量STATCOM和TSC的低成本混合无功补偿设备。文献[11]提出了变电站无功控制中，STATCOM与传统无功控制手段的协调，但其协调控制都仅是通过计算系统无功需求量，来匹配电容器组的投入数量以及STATCOM的无功出力，将单一的由电容器组进行离散化的无功支撑，变为一种“假性”的由STATCOM和电容器组构成的连续型无功补偿。所谓“假性”连续无功补偿，指的是其控制策略只能满足各种无功设备的出力总和在稳态时符合系统无功需求的连续变化，本质上只是提高了静态无功补偿设备的利用率，但无功补偿的动态响应过程中，仍然存在较大的无功冲击。

本文搭建了一种由一回LCC-HVDC和一回MMCHVDC并列构成的并联混合型直流输电系统，并协调传统直流单元的滤波器投切控制与柔性直流单元的无功解耦控制，即在滤波器投切瞬间，柔性直流单元进行无功反调，且无功出力随时间的推移而不断减少，从而可以把滤波器阶跃式的无功特性，等效置换为斜线式的无功特性，以实现无功的优化控制。

1 LCC-HVDC中的无功控制策略

以逆变侧为例，如图1所示，在LCC-HVDC中，其无功控制分区主要有3部分：即位于交流母线处的交流场滤波器投切控制，位于换流变压器的TCC分接头控制，以及位于换流器控制系统内的gammakick功能。滤波器投切控制[12-13]是为了维持换流站与交流系统交换的无功功率在一定范围内，满足系统谐波性能需求，限制滤波器谐波过负荷；TCC分接头控制的作用是维持逆变侧换流器熄弧角或直流电压在给定参考值附近；gamma-kick功能则是为了减少滤波器投切瞬间给交流系统带来的无功冲击及电压扰动。由于gamma-kick功能的实现是以牺牲直流运行经济性为代价，该部分无功控制策略在混合直流输电系统存在进一步优化的空间。

图1 传统直流无功控制分区示意图Fig.1 Diagram of reactive control in LCC

在gamma-kick功能投入时，当交流站控发出投滤波器命令时，待滤波器组断路器闭合，gammakick的输出在极短时间内上升至Δγ，此时γ=γ0+Δγ，然后γ以慢速回落至γ0；交流站控发出切滤波器命令后，经过一段延时后滤波器组断路器才会断开，gamma-kick的输出在这段延时内以慢速上升至Δγ，此时γ=γ0+Δγ，断路器断开，γ在极短的时间内回落至γ0[14]。以投滤波器瞬间为例，gamma-kick的控制时序图如图2所示。

图2 gamma-kick控制时序示意图Fig.2 Sequence diagram of gamma-kick control

通过试验可知，gamma-kick投入后，在滤波器投入或切除瞬间，通过暂时增大或降低γ的参考值，瞬时改变换流器的无功消耗，对限制交流系统无功功率及电压的动态变化率起到一定的作用。

但这种以快速调节γ角，减小滤波器投切瞬间无功冲击，抑制电压波动的方式，都需要暂时增大γ角，这会使得传输的直流功率降低，消耗的无功功率提高，直流开关场中的设备应力增大，降低了设备的利用率，增加了设备的损耗，不利于直流系统的经济运行。

2 VSC-HVDC的功率解耦控制策略

并联混合型直流输电系统中的柔性直流单元采用双闭环直接电流控制，可以实现基于dq坐标系的有功功率和无功功率的解耦控制[15-17]。柔性直流单元的外环控制器接收到站级控制下发的有功类（直流电压或有功功率）指令，经过PI调节得到有功电流的参考值，并送给内环电流控制器的PI环，引入电网电压d轴分量作为前馈量和q轴电压耦合补偿量，得到换流器输出电压的d轴分量；站级控制下发的无功类（交流电压或无功功率）指令，经过PI调节得到内环电流参考值，并送给内环电流控制器；同时引入电网电压q轴分量作为前馈量，和d轴电压耦合补偿量得到换流器输出电压的q轴分量。经过坐标变化，最后可以得到abc静止三相坐标系下的调制波。柔性直流单元的有功无功解耦双闭环控制的原理图如图3所示。较之于传统的基于交流侧基波幅值与相位控制的间接电流控制法，这种双闭环直接电流控制法具有动态响应快，便于实现限流控制等优点。

图3 柔直单元无功控制原理图Fig.3 Diagram of reactive control in MMC unit

3 混合直流输电的无功协调控制策略优化

在传统直流和柔性直流并联混合型直流输电系统中，利用MMC-HVDC可以进行有功、无功解耦控制的优势，协调柔性直流的无功输出调节与滤波器投切控制；可以在不影响直流系统运行经济性的条件下，减缓交流滤波器投切给交流系统带来的无功冲击及相应的电压扰动。在滤波器组投切的瞬间迅速改变柔直发出（吸收）的无功功率，随后再以较为平缓的速率降低柔性直流发出（吸收）的无功功率直至其为0。这样可以把由于滤波器投切而馈入交流系统的近似阶跃型无功功率置换为近似线性的无功功率，从而可以减轻滤波器投切瞬间对交流系统的无功冲击以及对交流母线电压的扰动。

并联型混合直流输电无功协调控制模块的原理图如图4所示。当该模块接收到滤波器投切指令后，经过延时、展宽、选择、累加等环节，向柔性直流单元发出一定数值的无功功率指令。该指令值其实是一个累加求和的结果，其大小由被累加项和单位时间所决定。以投入一组滤波器为例，介绍无功协调控制模块的工作原理。滤波器投切命令经过延时和展宽环节后转换为一个具有一定宽度的脉冲，输入到2个选择器中。当该脉冲保持在高电平状态时，选择器1输出一个极短的时间t1作为累加运算的单位时间，选择器2输出一个正值作为被累加项；经过一段延时后，选择器的输入变为低电平，选择器1输出一个较长的时间t2作为累加运算的单位时间，选择器2输出一个负值作为被累加项：这样即可使得柔直单元在滤波器投入的瞬间迅速接收到一个较大的吸收无功功率的指令，随后在较长的一段时间内该指令缓慢减小，最后被限幅环节限制在0 Mvar。可以看出，选择器1输出的时间常数决定了柔性直流单元无功输出的爬坡速率，选择器2输出值的正负则决定了柔性直流单元无功的变化方向。

图4 无功协调控制模块Fig.4 Reactive power coordinated control block

4 仿真试验验证

4.1 仿真算例说明

基于PSCAD/EMTDC搭建上述包含详细控制结构的并联混合型直流系统模型。仿真试验以在逆变侧投滤波器的情况为例，通过分别观察无功协调控制模块投入与退出时，由于滤波器投入而馈入交流系统无功功率的变化以及逆变侧交流电压有效值的变化，验证了无功协调控制模块对减少滤波器投入瞬间对交流系统产生的无功冲击及对交流电压的扰动起到了一定的优化作用。

4.2 仿真结果分析

如图5所示，通过对并联混合直流输电系统中柔性直流单元接受到协调控制模块的无功指令值进行观察，可以验证柔直单元在滤波器投切瞬间的响应确实符合最初的设计思路。

图5 柔性直流单元无功指令Fig.5 Reactive power order of MMC unit

观察无功协调功能投入前后，在滤波器投入过程中馈入到交流系统的无功功率的变化（图6），可以发现，馈入交流系统的“阶梯状”无功功率被等效地“置换”为变化更趋平缓，冲击明显减少的类似斜线型无功功率。该种无功协调控制策略对改善滤波器投切带来的瞬时无功冲击大有裨益。

图6 滤波器投切过程中馈入交流系统的无功功率示意图Fig.6 Diagram of reactive power sent to AC system when filters

图7为并联混合直流输电系统中，无功协调控制功能退出和投入后，直流系统在伴随着滤波器不断投入的升功率过程中，逆变侧交流线电压有效值变化曲线。可以看出，在无功协调控制功能退出时，在滤波器投入瞬间，逆变侧交流电压有效值会产生一个瞬时的冲击，然后随着传输直流功率的上升，换流站消耗的无功增大，逆变站交流电压再以一定速度回落，交流母线电压有效值曲线在滤波器投入瞬间及其后一段时间内呈现出类似锯齿状的形态；无功协调控制功能投入时，交流母线电压于滤波器投入瞬间未产生较大的抖动，曲线也更为平缓。

图7 逆变侧交流电压有效值Fig.7 RMS voltage in invert station

以滤波器投入瞬间的电压变化绝对值和电压暂态变化率为指标，对无功协调控制功能投入前后的逆变侧交流母线电压的波动进行定量分析，可以得到表1和表2。本文中电压暂态变化率定义为滤波器投入（切除）前后各一个周波内的逆变侧交流电压有效值的最小值（最大值）与最大值（最小值）差值的绝对值，占滤波器投切前交流电压的最小值（最大值）的比例，即

表1 逆变侧交流电压变化绝对值对比Tab.1 Comparison of absolute value of the variation of AC voltage in invert station

表2 逆变侧交流电压暂态变化率对比Tab.2 Comparison of transient change rate of AC voltage in invert station

从表1和表2中，可以看出：在投入无功协调控制功能的情况下，滤波器投入瞬间，电压变化绝对值和电压暂态变化率较未投入时有明显的下降，逆变侧交流母线电压的波动亦得到了很好的抑制。

5 结语

本文提出了一种适用于并联混合型直流输电系统中的无功协调控制策略，通过在滤波器投切瞬间，改变柔性直流单元的无功出力，对由滤波器投切而造成的交流无功冲击进行反调，将由于滤波器投切而馈入交流系统的原始阶跃型无功功率等效置换成斜线型无功功率。通过在PSCAD/EMTDC中搭建混合直流输电控制系统的详细模型，验证了混合直流输电系统中无功协调控制策略的有效性。由仿真分析可以看出，在投入无功协调功能后，滤波器投切对交流系统造成的无功冲击和电压扰动都得到了较好抑制，有利于接入弱交流系统的直流系统稳定经济运行。

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（编辑 冯露）

Coordinated Control Strategy of Reactive Power in Parallel Hybrid HVDC

GUO Haiping1，LI Meng2，HUANG Libin1，DU Zhaobin2，XIA Chengjun2
（1.Electric Power Institute of CSG，Guangzhou 510080，Guangdong，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510641，Guangdong，China）

When several HVDC systems set in the same AC system and one or more of HVDC projects are VSC-HVDC，multi-infeeded direct current（MIDC）comes into existence.In view of this trend，a model of parallel hybrid HVDC is established in this paper.Traditionally，gamma-kick is generally used in LCC-HVDC to alleviate reactive power impact and voltage disturbance in the AC system when filters are switching at the expense of operation economy.For that matter，the step index reactive characteristic of filters is replaced with the inclined reactive characteristic by substituting coordinated control of filter switching and MMC unit for gamma-kick in the parallel hybrid HVDC so that the reactive power impact and voltage disturbance can be impressed.The detailed model of the parallel hybrid HVDC is built in PSCAD/EMTDC.The fluctuation of voltage in the commutation bus is analyzed with the index of absolute value of the variation of RMS voltage and transient change rate of RMS voltage.In this way，the effectiveness of the reactive power coordinated control is proved.

hybrid HVDC；gamma-kick；coordinated control of reactive power；replacement of reactive characteristics

国家自然科学基金（51577071）；广东省自然科学资金（2015 A030313202）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51577071）；Guangdong Natural Science Foundation（2015 A030313202）.

1674-3814（2016）10-0016-06

TM721.3

A

2016-06-13。

郭海平（1986—），男，硕士，研究方向为新能源发电、常规直流及柔性直流输电实时仿真技术；

李 猛（1991—），男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电；

黄立滨（1974—），男，硕士，研究方向电力系统仿真、高压直流输电控制保护。