基于N-1规则的多端柔性直流输电系统联合控制策略

赵晓斌，邵冰冰，韩民晓

(1.南方电网科学研究院有限责任公司直流输电技术国家重点实验室，广州市 510080； 2.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市 102206)

基于N-1规则的多端柔性直流输电系统联合控制策略

赵晓斌1，邵冰冰2，韩民晓2

(1.南方电网科学研究院有限责任公司直流输电技术国家重点实验室，广州市 510080； 2.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市 102206)

在多端柔性直流(voltage source converter based multi-terminal DC，VSC-MTDC)输电系统安全运行时，该系统必须满足N-1法则，即当该系统任何一个换流站由于故障或者检修退出运行时，剩余系统具备功率调节能力，能够恢复功率平衡，保持系统稳定运行，且暂态过电压不会超过设备绝缘裕度。为了维持VSC-MTDC直流电压尽可能地稳定在原有水平，提出了一种考虑到VSC-MTDC中任一换流站退出运行时的联合控制策略。该策略结合了VSC-MTDC系统主从控制与下垂控制的优点，令VSC-MTDC系统中容量最大的换流站为定直流电压控制，其余换流站为直流电压-有功功率下垂控制，并设置定直流电压控制换流站参与功率调节的优先级高于其余换流站，仅当定直流电压控制换流站传输功率达到上限时其余换流站才参与功率的调节。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了VSC-MTDC的仿真模型，对所提出的联合控制策略在N-1故障条件下进行仿真验证。仿真结果表明：所提联合控制策略在换流站退出运行时有效保证了直流电压的稳定以及系统功率的紧急输送，提高了VSC-MTDC的运行稳定性。

多端柔性直流输电；N-1；直流电压；联合控制

0 引 言

随着我国在风电、光伏等可再生能源方面的投入逐年增长，实现新能源并网和远距离输电的要求十分迫切[1]。多端柔性直流 (voltage sourced converter based on the multi-terminal high voltage direct current，VSC-MTDC)输电技术能够将多个分散的小容量可再生能源发电厂接入直流系统，然后与交流侧进行并联从而缓解由风能等可再生能源的波动性引起的交流侧电压的波动，提高了整个系统的灵活性、可靠性。此外，VSC-MTDC输电系统因其具有良好的有功、无功解耦特性，在多送出和多落点受电方面比两端系统更具经济性、灵活性和可控性而在直流输电领域受到重视[2-5]。

目前VSC-MTDC输电系统的控制方式按是否需要通讯可分为2大类，第1类为主从控制，直流电压由一端换流站控制，其余换流站则采用定有功功率控制方式，该控制策略的优点是控制策略简单，缺点是需要换流站间的高速通信；第2类为电压裕度控制和电压下垂控制。这2种控制方式均不需要换流站间的通信，但也均有各自的缺点。电压裕度控制中直流电压裕度的选取很难确定，且当辅助站自动切换为定直流电压控制模式时，系统可能因指令的突变而遭受过大的应力。电压下垂控制可分为直流电压-有功功率下垂控制以及直流电压-直流电流下垂控制，其中电流特性下垂控制中，直流电容是基于线性的电压-电流关系充放电的，具有直观的物理意义；而在功率特性下垂控制中，受控量为有功功率，直流电容的充放电为非线性关系，系统的功率传输特性更为直观[6]。

但是电压下垂控制存在一定的缺陷，一旦系统功率发生变化，直流系统中所有换流站的传输功率都将发生变化，且直流电压会偏离参考值，难以保证最优运行。目前出现了很多改进的下垂控制策略；文献[7]为了兼顾直流网络的运行损耗和换流站设备的利用率，提出了一种主导站的混合下垂控制策略，文献[8]提出引入功率影响因子实现下垂系数的闭环控制，优化了不同工况下的系统运行特性；文献[9]提出根据期望输送功率对直流功率参考值进行修正的方法；文献[10]考虑到直流传输容量的利用率、直流电压质量以及系统的过电压而提出了变斜率下垂控制策略；文献[11]提出根据各换流站的功率裕度来分配不平衡功率；文献[12]提出了根据扰动后交流侧电网的频率偏移情况来自动调节下垂控制系数；文献[13]提出引入一个公共直流参考电压来参与下垂控制换流站的功率调整；文献[14]对电压裕度和电压倾斜控制策略进行了结合，提出了一种组合控制策略，改善了系统的暂态特性。上述文献中采用下垂控制时由于一端换流站的退出运行，直流电压以及各下垂控制的换流站实际输送功率都会偏离其参考值。

本文基于在VSC-MTDC输电系统安全运行时，该系统必须满足N-1法则的思想，提出一种将主从控制与电压下垂控制相结合的联合控制策略。与传统的主从控制与电压下垂控制不同的是，令VSC-MTDC输电系统容量最大的一个换流站为定直流电压控制模式，其余换流站采用直流电压下垂控制策略。当一端直流电压下垂控制换流站退出运行时，定直流电压换流站参与功率调节的优先级高于其余下垂控制换流站，当定直流电压控制换流站参与功率调节达到功率上限时自动切换到定有功功率模式，此时其余换流站才开始参与有功功率的调节，最大程度保证了直流电压稳定在原有水平。当定直流电压换流站因故障或检修退出运行时，无需像电压裕度控制一样由辅助换流站切换到定直流电压控制模式，而是由其余下垂控制换流站承担功率分配，自动随着直流电压变化而调整自身的有功功率指令，实现自律分散控制，同时能够有效避免电压裕度控制所产生的的暂态过冲。最后，在PSCAD/EMTDC中对本文所提出的联合控制策略进行仿真验证。

1 VSC-MTDC输电系统传统下垂控制策略

与交流系统中发电机组的静态频率特性相似，在直流系统中将直流电压看作为全网相同的指标，各换流站通过测量自身功率的大小，基于电压下垂特性，将功率转换为以输出电压为指令的控制信号，再根据调整后的功率反作用于输出信号，达到自动调节、自动分配功率的目的。系统中各个换流站共同承担功率平衡，通过调节直流电压来控制功率的大小。该控制方式的直流电压-有功功率下垂特性曲线如图1所示。

图1 VSC1、VSC2下垂控制工作特性曲线Fig.1 Droop control working characteristic curve ofVSC1 and VSC2

如图1所示，以有功功率注入直流网络为正方向。当有功功率失去平衡时，直流电压因电容充电/放电而上升/跌落。由图1所示VSC1、VSC2侧的下垂控制特性曲线Udc-Pdc可知，VSC1的有功功率指令将因直流电压的上升/跌落而线性增大/减小；VSC2恰恰相反，随着直流电压的上升/下降而减小/增大功率指令，直至VSC1、VSC2找到新的平衡点。电压下垂控制器的设计如图2所示。

图2 电压下垂控制器示意图Fig.2 Voltage droop controller

以VSC-MTDC输电系统直流电流、有功功率流出到直流网络为正方向，考虑VSC-MTDC输电系统中共有n个换流站，定义Pi是第i(1≤i≤n)个换流站在交流侧公共连接点(point of common coupling，PCC)处的有功功率，此时直流侧电压与电流的关系为

(1)

式中Ii、Ui、Ci分别为各换流站的直流电流，直流电压以及直流侧的电容。

由于在本文实际仿真过程中不考虑直流线路上的损耗，且各个端子的直流侧电容值均相等，令各个端子的直流侧电容均为C，直流侧电压均为U，根据功率与电压电流的关系式P=UI，结合式(1)可得有功功率与直流电压的关系为

(2)

由式(2)可知，当有功功率失去平衡时，此时直流电压因电容充电/放电而上升/跌落，其余侧换流站的控制系统将自动根据直流电压的变化而计算出当前的有功功率指令值，当所有换流站的特性曲线找到共同的运行点时，系统进入稳定运行状态的功率方程与直流电压方程为

(3)

式中：Ploss、Uiloss、Ujloss表示总有功功率损耗及第i条和第j条直流线路上的电压压降；Ui、Uj代表第i个和第j个换流站直流侧的电压。由于本文在实际仿真过程中不考虑直流线路上的损耗和换流器的损耗，因此Ploss=0，Uiloss=Ujloss=0，又根据图2所示的电压下垂控制器可得第i个换流站VSCi端子输出的有功功率表达式为

Pi=Piref_0+Kidroop(Udc-Uidcref_0)

(4)

式中：Piref_0、Uidcref_0为换流站额定有功功率及额定直流电压；Kidroop为有功功率指令随着直流电压线性变化的斜率；Udc为直流电压测量值。

本文借鉴文献[13]的下垂控制策略，引入一个公共直流参考电压，参与下垂控制换流站的功率调节，也就是令所有下垂控制换流站的Uidcref_0均相等，将式(4)代入式(3)中的功率平衡方程中可得当第j个换流站有功功率变化时的新的直流电压工作点为

(5)

式中：ΔPj为第j个换流站有功功率的变化值；Udcref_0为公共直流参考电压。

由式(5)可知第j个换流站有功功率变化前后的直流电压变化量为

(6)

由式(4)、(6)可以看出，电压下垂控制虽然使直流系统的稳定性提高，但当所有换流站都采用下垂控制时，一旦系统有功功率发生变化，直流电压运行点一定会偏离参考值，如果有功功率变化较大或者下垂系数选取不当可能会造成直流侧过电压等不利影响。此外，采用下垂控制的换流站实际输送功率也会随着直流电压的偏离而偏离参考值，使直流系统设计容量得不到充分利用。

2 基于N-1规则的联合控制策略

(7)

当VSCj换流站退出运行，系统功率缺额为ΔPj时,若VSCi的容量Pimax足以参与功率调节达到稳定状态，则直流电压不变；当VSCi换流站参与功率调节达到功率上限Pimax仍无法满足功率需求时，自动切换到定Pimax控制模式，其余下垂控制换流站参与功率的调节。2种情况下系统达到稳态时直流电压的变化量为

(8)

由式(6)和式(8)可知，相比于传统的电压下垂控制策略，当系统有功功率发生改变时，本文所提控制策略在定直流电压换流站有功功率足以平衡功率波动的情况下，稳态时直流电压变化量为0。即使定直流电压换流站有功功率裕度无法满足功率需求，相比于传统电压下垂控制策略其直流电压偏移量也会小得多，大部分的功率缺失已经被容量最大的定直流电压换流站所承担，此时其余换流站只需承担小部分的功率缺失，出现直流侧过电压的可能性很小。相比于传统下垂控制策略直流电压偏离额定运行点的减少量为

(9)

当定直流电压控制换流站退出运行，采用传统电压裕度控制策略时，如果直流电压偏移到辅助站定直流电压控制的设定范围，辅助换流站会自动切换到定直流电压控制模式，从而接管直流电压的控制。然而电压裕度控制中电压裕度的选取难以确定，且辅助换流站进行控制系统切换时，系统可能因指令的突变而遭受过大的应力。因此当定直流电压控制换流站退出运行时，本文令其余下垂控制换流站承担功率的缺额以免由于电压裕度控制中控制器参数选取不当导致系统振荡的情况[15]。

具体的基于N-1规则的VSC-MTDC输电系统联合控制流程如图3所示。

图3 基于N-1规则的VSC-MTDC输电系统联合控制策略Fig.3 Coordinated control strategy ofVSC-MTDC based on N-1 rule

3 仿真分析与验证

本文在PSCAD/EMTDC中搭建了一个4端VSC-MTDC输电系统。4个换流站采取链状连接，如图4所示，各换流站的交流系统如图5所示，其中VSC1和VSC2采用直流电压-有功功率下垂控制模式，VSC3为定有功功率控制模式来模拟因故障或检修退出运行的换流站，VSC4为容量最大的换流站。采取定直流电压控制模式，在定有功功率换流站退出运行的情况下比较传统电压下垂控制以及本文所提出的联合控制策略下直流电压的稳定性以及系统功率的紧急输送能力；在定直流电压控制换流站退出运行的情况下比较传统电压裕度控制以及联合控制策略下直流电压的稳定性。各换流站的线路参数以及初始控制参数如表1所示。

表1线路参数和初始给定参数
Table1Lineparametersandinitialgivenparameters

图4 4端VSC-MTDC系统结构图Fig.4 Topology of four-terminal VSC-MTDC

图5 交流侧系统示意图Fig.5 AC system schematic diagram

3.1 VSC3定有功功率类换流站退出运行

图6 VSC3(P3ref=100 MW)退出运行时的波形图Fig.6 Waveform when VSC3(P3ref=100 MW) quits operation

由图6可以看出，在1 s VSC3换流站退出运行时，采用传统电压下垂控制策略时直流电压由于功率的不平衡偏离原有的电压水平最后稳定在了0.980 pu，且采用下垂控制的换流站实际输送功率也会随着直流电压的偏离而改变；当采用联合控制策略时，在1 s VSC3换流站退出运行时,虽然此时直流电压的暂态冲击相比于传统电压下垂控制较大，但是最后直流电压能稳定在原有水平，且当定直流电压控制换流站能够维持功率平衡时其余下垂控制换流站不需要改变其输送功率，充分利用了直流系统的设计容量，也没有影响到其余换流站功率的输送。

为了模拟当功率缺失超出定直流电压控制换流站功率调节能力时的情形，令VSC2换流站的P2ref_0=-300 MW，VSC3换流站P3ref=300 MW，同样令VSC3换流站在1 s时退出运行，在传统下垂控制以及联合控制下VSC1、VSC2、VSC4侧的有功功率以及直流电压波形如图7所示。

图7 VSC3(P3ref=300 MW)退出运行时的波形图Fig.7 Waveform when VSC3(P3ref=300 MW) quits operation

由图7可以看出，在1 s VSC3换流站退出运行后，采用联合控制策略直流电压最终稳定在了0.975 pu，而采用传统下垂控制策略直流电压最终稳定在了0.957 pu，相比于传统下垂控制策略本文所提出的联合控制策略能够更好地维持直流电压的稳定。但本文所提出的联合控制策略也存在其自身的缺点，由图7可以看出在1 s VSC3退出运行后，采用联合控制策略时的直流电压与有功功率的暂态波动明显要比采用传统下垂控制策略时的波动量大。

3.2 VSC4定直流电压换流站退出运行

为了比较当VSC4定直流电压换流站在2 s退出运行时采用传统电压裕度控制以及联合控制策略下直流电压的稳定性，采用传统电压裕度控制时，令VSC3为采用传统电压裕度控制时的辅助定直流电压换流站，设计电压裕度为±0.03 pu，当VSC3检测到直流电压大于1.030 pu或者小于0.970 pu时由定有功功率控制模式切换为定直流电压控制模式，VSC1和VSC2换流站设计为定有功功率控制模式，给定有功参考值分别为-300 MW和100 MW，采用联合控制策略时的控制参数与表1一样。采用传统电压裕度控制以及联合控制策略下的直流电压波形如图8所示。

图8 VSC4退出运行时的波形图Fig.8 Waveform when VSC4 quits operation

由图8(a)可以看出，采用传统电压裕度控制时，虽然直流电压最后稳定在了0.970 pu，但是当直流电压超出VSC3换流站预设限值时，系统直流电压暂态波动较大，电压跌落后的最小值可达0.755 pu，而直流电压过大的波动会对所有换流站产生影响。由图8(b)可以看出，当采用联合控制策略时，当定直流电压换流站退出运行后，直流电压最终稳定在了 0.974 pu，且跌落后的最小电压仅为0.961 pu。

综合对图8的分析可知，采用联合控制策略时直流电压暂态波动幅度相比于采用传统电压裕度控制时要小得多，且本文所提出的联合控制策略相比于传统电压裕度控制，避免了控制系统的切换以及裕度参数选取不当可能导致控制器误切换的不利影响。

4 结 论

本文针对VSC-MTDC输电系统任一换流站由于故障或者检修退出运行的情况，基于N-1规则提出了一种结合主从控制和下垂控制的联合控制策略，保证了功率的紧急输送以及直流电压的稳定。并与传统下垂控制策略和传统电压裕度控制策略进行了对比，验证了该控制策略能有效提高直流电压的稳定性。同时当定直流电压控制换流站退出运行时无需像传统电压裕度控制一样由辅助换流站自动切换到定直流电压控制的模式，而是由下垂控制换流站根据直流电压的变化自动调节功率，达到自适应调节、自动分配功率的目的，避免了控制系统的切换和直流电压波动过大的问题。

但该控制策略也存在一定的局限性，当定有功功率控制换流站退出运行时，该控制策略相比于传统下垂控制策略在暂态瞬间直流电压的波动量较大，因此该联合控制策略还有待进一步的改善。

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2017-07-11

赵晓斌(1985)，男，硕士，工程师，主要从事高压直流输电系统与成套设计方面的研究工作；

邵冰冰(1995)，男，博士研究生，主要研究方向为新能源电力系统稳定性分析与控制；

韩民晓(1963)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为直流输电、柔性交流输电、电能质量分析等。

(编辑 张小飞)

CoordinatedControlStrategyforVSC-MTDCSystemsBasedonN-1Criterion

ZHAO Xiaobin1, SHAO Bingbing2, HAN Mingxiao2

(1.State Key Laboratory of HVDC, Electric Power Research Institute, China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China; 2. School of Electrical amp; Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The operation of voltage sourced converter based on the multi-terminal high voltage direct current (VSC-MTDC) transmission system is required to meet the minimumN-1 criterion. Specifically, when one converter is out of operation due to fault or maintenance, the surviving converters have the ability to regulate power, so as to restore the balance of power and maintain the transient overvoltage without exceeding the equipment insulation margin. In order to keep the DC voltage stability of VSC-MTDC as much as possible, this paper proposes a coordinated control strategy when any converter station in VSC-MTDC is out of operation. This strategy combines the advantages of master-slave control and droop control of VSC-MTDC system. The converter owing the largest capacity is controlled with a constant DC voltage while other converters are controlled by a DC voltage-active power droop controller. Besides, the converter with constant DC voltage has a higher priority to regulate active power than other converters, and other converters start to regulate active power only when the power of the converter with constant DC voltage reaches the upper limit. Finally, the VSC-MTDC model is developed in PSCAD/EMTDC and the proposed control strategy is verified. The results show that the proposed control strategy can effectively guarantee the stability of DC voltage and the emergency transmission of power when converter station is out of operation, which improves the operation stability of VSC-MTDC.

VSC-MTDC;N-1; DC voltage; coordinated control

南方电网重点科技项目(CSGTRC-K153030)

TM761

A

1000-7229(2017)11-0019-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.11.003