含直流电压二次调节的VSC-MTDC互联系统频率稳定控制

袁志昌， 吴志力， 金 强， 姜世公， 黄 寅

(1. 清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京市 100084; 2. 国网北京经济技术研究院有限公司， 北京市 102209;3. 国网安徽省电力有限公司， 安徽省合肥市 230061)

0 引言

多端柔性直流输电(voltage source converter based multi-terminal DC，VSC-MTDC)基于电压源换流器技术，同过直流线路将多个电源或电网连接起来，实现潮流的灵活控制。自从中国的南澳和舟山的多端柔性直流工程先后投运，多端直流(MTDC)技术在海上风电并网、海岛及负荷中心供电、交流电网异步互联等领域的应用受到越来越多的关注和研究[1-4]。

目前在交流电网异步互联领域，已投运的工程包括美国Eagle Pas-Texas背靠背工程、英国—爱尔兰联网工程、鲁西背靠背工程等[5-7]。这些工程通常侧重其异步隔离的功能，按照预设的传输功率值运行，将交流电网的故障限制在自身区域内，防止影响另一侧电网。然而，当柔性直流输送功率对于送受端交流电网的容量来说占有很大的比例时，也应该考虑其在交流电网之间发挥事故支援的能力，因为柔性直流的一个突出优势在于传输的有功、无功功率都可以在数十毫秒级别快速精确调整，将这种受控的快速调节能力发挥出来，可以提高整个互联系统的安全稳定性，同时避免系统间的事故传递。

基于柔性直流的异步互联系统频率支援控制是实现上述目标的手段之一，国内外学者在该领域提出了各种方法，从技术路线上可以分成以下几类：基于站间通信的主从式控制[8-10]、通过直流电压传递频率偏差的主从式控制[11-12]、附加频率调节的下垂控制[13-15]、虚拟同步机类的控制方法[16-19]。其中主从式控制方法对站间通信的要求较高，另外换流站故障后的切换也比较复杂，这限制了其应用范围。虚拟同步机类的控制方法则结构比较复杂，参数整定的难度高。附加频率调节的下垂控制具有控制结构简单、可灵活扩展端数、不依赖通信的优点，具有较高的工程实用性。然而其直流电压通常不能维持在额定值，尤其当频率出现较大扰动时,直流电压偏离额定值过大可能引起直流系统运行的中断，不利于保持系统稳定。

为此，本文提出一种含有直流电压二次调节的频率稳定控制方法，在不损失频率调节能力的前提下，可以保证直流电压恢复至额定值。在PSCAD中通过一个三端柔性直流系统的仿真以及与现有方法对比验证了本文所提方法的有效性。

1 基于柔性直流的异步互联系统结构

一个用于多个交流电网异步互联的三端柔性直流系统的结构如图1所示。图中：AC1～AC3代表三个交流电网，VSC1～VSC3代表三个柔性直流换流站。在研究系统总体特性时，可以将每个交流系统等效成一个等值发电机和等值负荷的模型，交流电网与柔性直流换流器之间通过等值电抗代表。由于电压源型换流器的柔性直流换流站可以主动控制各端直流电压的大小，从而控制直流电网的潮流流向，这就为多端直流和直流电网的形成奠定了基础，因此异步互联系统的端数可以根据电网需要扩展到更多端数。

图1 基于VSC-MTDC的异步互联系统结构Fig.1 Structure of asynchronous interconnected system connected based on VSC-MTDC

柔性直流换流站通常采用同步旋转坐标下的dq轴电流结构控制[7]，这一控制结构在变频调速、静止同步补偿器(STATCOM)、风电变流器等电压源换流器中已获得广泛应用，是一种成熟的技术方案。内环电流控制调整电压源换流器(VSC)输出电压的相位和幅值，其目标是无差地跟踪设定dq轴电流参考值。而dq轴电流参考值则由外环控制器计算得到，通常情况下，d轴电流根据换流站需输出的有功功率或直流电压值决定，而q轴电流根据换流站需输出的无功功率或交流侧电压决定。

2 下垂控制及其频率附加控制

2.1 下垂控制

多端柔性直流系统的协调控制方法包括主从控制、下垂控制和功率裕度控制。主从控制需要划分主站和从站，并且需要在多个换流站之间建立可靠的通信以实现故障后主站和从站的切换，这就增加了控制系统的复杂性，同时也降低了其可靠性和灵活性。下垂控制中每个站的控制器结构是相同的，当系统发生功率变化或者拓扑变化时，各换流端根据预设的功率—电压下垂特性自动分配功率增量，无需做模式的切换。功率裕度控制是介于主从和下垂之间的一种方法，稳态时工作在主从方式，当系统受故障影响偏离稳态运行点时，则自动转换至下垂控制模式。

由于下垂控制无需通信、控制结构简单、可扩展性好等优势，因而更适合用于多端柔性直流系统。传统的下垂内环电流控制的参考电流idref由直流电压和传输功率共同决定，如式(1)所示。

(1)

式中：Pref和Udcref分别为系统额定运行点的有功功率和直流电压；P和Udc分别为当前时刻的有功功率和直流电压测量值；Kp1和Ki1分别为比例—积分(PI)调节器的比例系数和积分系数；KD为下垂斜率。在PI调节器的作用下，当流入交流侧的功率增大或减小时，直流电压按照斜率KD的线性特性自动下垂。

2.2 含频率附加调节的下垂控制

单纯的电压—功率下垂控制无法对交流系统的频率波动做出响应，为了实现这种功能，文献[13]提出在下垂控制的功率参考值中附加一个频率外环，其结构如图2(a)所示，为了防止频率微小的频率波动引起参考功率频繁变化，在频率—功率下垂特性中设置了死区[14]，如图2(b)所示，仅当频率低于下限fl或超过上限fh时参考功率才会变化，变化的斜率为Kf，文献[14]中设置的死区大小为0.1 Hz。文献[15]提出的使功率随电压平方呈下垂的策略，也可以获得相似的控制效果。

图2 含附加频率控制的换流站下垂控制Fig.2 Droop control for converter station with auxiliary frequency control

互联的每个换流站都采用如图2所示的下垂控制后，任意一个交流区域的频率变化超过死区设定值之后，都会引起换流站输出功率的变化，直接调节交流电网频率。同时，在电压—功率下垂特性的作用下，直流电压也会相应地上下调节，并自然地传递到互联的其他换流站。这些换流站根据直流电压的变动改变输出功率，这样就实现了互联的各个交流系统同时支援发生频率扰动的交流系统，从整体上降低功率缺额引起的频率偏差。从上述工作原理可以看出，下垂控制也是利用了直流电压作为传递各个异步互联系统频率波动信息的媒介。

3 含直流电压二次调节的频率控制

3.1 控制器设计

直流电压是柔性直流系统中的一个重要电气量，为保证设备安全和系统正常运行，通常要求直流电压与额定值的偏差不能超过一定的阈值，比如正在讨论的国标中规定中低压直流系统的运行电压与额定值的偏差不超过10%，在已投运的柔性直流系统中，直流电压低于0.9(标幺值)或超过1.1时，往往引起直流系统保护动作。

为了减小多端柔性直流系统直流电压的偏差，本文提出一种具有直流电压二次调压能力的频率稳定控制方法，其结构如图3所示。与图2所示的现有方法相比，本方法增加了一个与直流电压偏差相关的附加功率项ΔPUDC，其值由直流电压反馈值和参考值的误差经过PI环节计算得到，如式(2)所示。

(2)

式中：Kp2和Ki2分别为PI调节器的比例系数和积分系数。

图3 含直流电压二次调节的控制器结构Fig.3 Structure of controller with DC voltage secondary regulation

将该附加功率项ΔPUDC叠加到换流站有功功率参考值上，其效果相当于改变了直流电压—有功功率下垂曲线的截距，在其调控作用下，达到稳态时，可以将直流电压恢复至设定值Udcref。

3.2 参数设计方法

观察图2(a)可以发现，附加频率控制中，交流电网频率偏差经过放大后形成功率增量ΔPf，该功率增量叠加到换流站初始功率参考值Pref0之上，累加得到Pref，此后的环节与传统下垂控制相同。因此附加频率控制的作用是将直流电压—功率的下垂曲线左右平移。当交流电网频率跌落时，计算出的功率增量ΔPf大于零，下垂曲线右移，换流站向交流电网传输的有功增加，帮助交流电网恢复频率稳定。同时，由于流出直流系统的功率增加，直流电压相应降低。其他换流站在直流电压—功率下垂曲线的作用下，减小向交流电网传输的功率，或者增加从交流电网吸收的功率，这样，就实现了从无扰动的交流系统向发生扰动的交流系统提供旋转备用的支援作用。观察式(1)的控制规律，下垂特性由单纯的代数关系表征，没有积分或延时环节，因此其动态响应主要由PI环节的参数Kp1和Ki1决定。

如图3所示，直流电压二次调节环节根据直流电压与设定值的偏差计算功率增量ΔPUDC，也叠加到功率参考值上，因此其原理与频率调节相同，也是通过改变下垂曲线的截距实现左右平移。与频率调节通过比例系数直接将偏差放大参与下垂曲线计算不同，直流电压偏差ΔUDC通过一个PI环节计算得到功率增量ΔPUDC，通过改变PI环节的参数Kp2和Ki2，可以调整直流电压偏差参与下垂曲线计算的响应时间。

对于频率调节和直流电压调节两个目标，频率调节是主要目标，当交流系统发生扰动后，柔性换流站应该尽可能快地响应，增减功率以参与调频。此外，直流电压偏差作为传递频率偏差信息的媒介，也应该允许其在扰动发生之后的一段时间内快速调整，通过直流电压—功率的下垂特性自动将功率变化量分配到全体换流站。直流电压调节是相对次要的一个目标，可以等前述频率调节的过程结束后，再缓慢地变化下垂曲线的截距，逐步将直流电压恢复至设定值。

根据这一原则，在标么值系统下，本文将决定频率调节响应时间的PI参数Kp1和Ki1设计为Kp1=1，Ki1=10，决定直流电压调节响应时间的PI参数设计为Kp2=0.2，Ki2=1，将两个PI的阶跃响应时间明显区分，实现频率调节和二次电压调节的动态响应匹配。Kf的大小取决于换流站可参与交流电网频率调节的功率裕度，KD的大小通常取决于各个换流站额定容量的大小及预期的功率分配特性。

4 仿真验证

为了验证本文提出的控制算法，在PSCAD/EMTDC中建立了图1所示的三端柔直系统仿真模型，其主要参数如表1所示。

表1 仿真系统主要参数Table 1 Parameters of simulation system

仿真的时序如下：t=0～1 s之间，系统启动，柔性直流换流站建立直流电压，传输设定的功率，定义从交流系统流向直流电网的功率为正方向，三个换流站的功率分别为P1=500 MW，P2=400 MW，P3=-100 MW；在t=2 s时刻，区域3有一组容量为300 MW的负荷投入运行，由于该区域备用容量较小，其频率跌落到约49 Hz。从图4所示的频率曲线可以看出，区域1和区域2的频率未发生变化，这两个区域均未参加对区域3的频率支援。

图4 未施加频率支援控制的频率曲线Fig.4 Frequency curves without frequency support control

在该仿真模型上分别验证了图2所示的仅含频率调节的控制方法和图3所示的含有直流电压二次调节的控制方法，并与常规控制相比较。

图5为区域3的电网频率，常规控制下，柔性直流换流站不参与电网调频，频率跌至49 Hz，而加入频率调节后，电网频率可恢复值49.5 Hz以上，附加直流电压二次调节后，频率调节的效果并没有太大区别，仍可恢复值49.5 Hz以上。

图5 三种控制方法下区域3的频率曲线Fig.5 Frequency curves at area 3 under three control methods

图6所示为直流侧极间电压。常规控制下，直流电压维持在额定电压值700 kV，然而其不具备频率调节的功能。附加频率调节后，换流站提升直流输出功率参与交流电网调频，在下垂特性作用下，直流电压跌落至625 kV，低于0.9(标幺值)。增加本文提出的直流电压二次调节后，直流电压在频率扰动之后的一段时间内也会跌落(3 s以前)，最低值跌落到650 kV，随后直流电压二次调节发挥作用，直流电压缓慢恢复，至20 s后，可以恢复至额定值。

图6 三种控制方法下的直流电压曲线Fig.6 DC voltage curves under three control methods

5 结语

利用柔性直流快速精确的功率控制能力实现异步互联交流系统间频率支援控制，是提高互联系统安全稳定一种有效途径。本文提出一种含直流电压二次调节的频率稳定控制策略，将直流电压偏差经过PI环节计算出的功率增量附加到下垂控制的参考功率上。在整定控制参数时，将d轴参考电流的PI计算环节动态响应时间设计在1 s以内，而将直流电压二次调节的PI环节动态响应时间设置为10 s左右，通过两者响应时间的匹配实现两种控制目标的兼顾。仿真分析表明，该方法可保证频率支援控制的效果，同时在频率调节过程结束后，直流电压可以缓慢恢复至额定值，防止由于直流电压偏差破坏柔性直流系统正常运行，从而提高多端柔性直流系统的运行性能和可靠性。如何根据互联交流系统的容量和调频特性设定MTDC下垂系数，实现扰动后互联系统的频率全局最优控制是进一步研究的方向。