多端电压源型直流输电系统的控制策略阮思烨1,李国杰2,孙元章2(1.国网运行有限公司,北京市100005;2.清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084)摘要:以提高多端电压源型直流输电系统的运行可靠性为目的,提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流输电系统控制策略。

在系统负荷发生突变或任一换流站故障退出后,所有具备功率调节能力的换流站根据给定的调制方式在一定程度上分担系统功率的缺额,这样既维持了系统内的功率平衡,又避免了单个换流站承担功率过大的情况。

最后通过数字仿真验证了所提出的控制策略设计的正确性和可行性。

关键词:多端电压源型直流输电系统;直流电压—有功功率调节特性;电压源换流器;控制策略中图分类号:TM761;TM721.1收稿日期:2008212213;修回日期:2009202224。

国家自然科学基金资助项目(50823001)。

0　引言到目前为止建成的电压源换流器(VSC )型直流输电系统[122]都是两端直流系统,即只有一个整流站和一个逆变站。

与基于电流源换流器的传统直流输电[3]不同,电压源型直流输电可以给无源系统直接供电,潮流反转时电流方向反转,电压极性不变[426]。

因此,它适合于构成具备较高可靠性的并联多端直流系统,便于对潮流的控制。

其应用场合包括[4]:从能源基地输送电力到远方的几个负荷中心、为大城市和工业中心供电、连接分布式发电系统等。

与双端直流系统相比,多端直流输电系统的各个换流站之间功率可以相互协调,因此,运行更加灵活、可靠,但是控制也相对复杂。

近年来,国内外许多学者针对多端VSC 直流系统已经展开了广泛的研究。

文献[7]提出了基于单端直流电压调节的多端直流控制策略,它指定一个换流站作为主导换流站,该换流站起到系统内功率平衡和直流电压稳定的作用。

其不足之处在于没有考虑换流站故障尤其是主导换流站故障退出时的情况。

文献[8]设计了换流站紧急退出情况下的控制策略,但该设计仅仅是为了防止换流站直流侧过电压,没有进行各换流站间的功率协调设计。

文献[9]给出了基于功率模式与直流电压模式之间自动转换的控制方式,其原理如下:正常情况下指定一个换流站作为主导站,作为功率平衡节点;一旦主导站退出工作,将由另一个换流站充当主导站的作用,其余的换流站仍然保持定有功功率输出。

该控制方式在一定程度上弥补了文献[728]在设计上的不足,其缺点是要求充当主导站的换流站有足够大的后备容量以完全补偿系统功率的不平衡,这在实际中很难实行。

为解决上述控制策略的不足,本文提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流系统控制策略。

采取该控制策略,扰动发生后各电压源换流站均能够稳定运行,同时避免了单个换流站过载的情况。

利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EM TDC [10]建立多端VSC 直流输电系统和控制模型,验证了所设计的控制器的有效性和合理性。

1　多端VSC 直流系统的建模本文以图1所示的环状多端电压源型直流系统为例。

图1　多端电压源型直流系统Fig.1　A multi 2infeed V SC 2HV DC system该系统包括5个电压源换流站:VSC1作为主导站,工作在直流电压模式下,交流侧与无穷大电源—75—第33卷　第12期2009年6月25日Vol.33　No.12J une 25,2009相连;VSC2,VSC4和VSC5工作在功率模式下,交流侧与无穷大电源相连;VSC3工作在交流电压模式下,交流侧与风力发电双馈电机及阻性负荷连接。

双馈风机和阻性负荷的初始功率量分别为0.6和-1.4(标幺值,以注入直流网络为正方向),各换流站的功率P i (i =1,2,…,5)以注入直流网络为正方向。

电压源换流站以及双馈风机的建模和控制见文献[11213]。

各个电压源换流站的工作状态由表1给出。

在本文的标幺值系统中:功率基值为100MVA ,交流电压基值为35kV ,直流电压基值为70kV 。

表1　电压源换流站工作状态T able 1　Status of V SC stations换流站初始功率运行模式VSC1 1.10直流电压模式VSC2 1.34功率模式VSC3-0.80功率模式VSC4-1.00功率模式VSC5-0.60交流电压模式2　多端VSC 直流系统的工作特性在多端直流输电系统中,各换流站之间有必要进行功率的协调配合,以防止个别换流站过载(特别是主导站)。

基于这一思想,提出了基于直流电压—有功功率的控制策略,换流站的工作特性根据其工作模式(直流电压控制模式、功率控制模式和交流电压控制模式)的不同可分为3类,其工作特性如图2所示。

U do ,P i o (i =2,4,5)分别为工作在直流电压控制模式和功率控制模式下的VSC 换流站的直流电压和有功功率初始设定值;P 3L 为VSC3换流站所连接受的端网络的负荷功率;k i 为VSC 换流站功率调节系数。

图2　各控制模型下V SC 换流站的工作特性Fig.2　Characteristics of V SC stationsunder different controls直流电压—有功功率的控制策略是通过直流电压来调节各换流站的有功功率输出。

由于直流网络中电阻压降的原因,各换流站直流母线电压并不相同,有必要选择其中的关键母线上的直流电压U d 进行监控,根据该直流电压的变化协调配置整个直流网络的有功功率。

直流电压监控点的选择类似于交流网络中电压中枢点的选择[14],以本文图1给出的多端直流系统为例,选择VSC1换流站输出的直流电压U d 作为监控电压。

对于换流站VSC2,VSC4和VSC5而言,U d 可以通过本地测量信号计算得到,对于那些与VSC1换流站没有直接电气连接的远端换流站(如VSC3),U d 的信号可以通过广域测量系统获得。

根据VSC 换流站的工作特性,直流网络的工作状态分为3种:状态1:VSC1换流站的输出功率在自由调节的允许范围[P 1n ,P 1m ]内,此时直流系统内的功率平衡都由VSC1来维持。

VSC1输出的直流电压恒为U do ,其余换流站输出功率保持不变。

通常情况下,直流网络工作在状态1。

状态2:VSC1换流站的输出功率超出其自由调节的允许范围[P 1n ,P 1m ],超出功率部分将由直流系统内所有具有功率调节能力的换流站来承担。

假设换流站都能正常运行,忽略线路损耗的影响,则超出部分功率ΔP 与直流电压偏差ΔU d 的关系为:ΔP =-(k 1+k 2+k 3+k 4+k 5)ΔU d 观察点直流电压稳定在U d m +ΔU d (ΔP <0)或者U d n +ΔU d (ΔP >0)。

状态3:VSC1换流站因故障退出运行后,注入直流网络的功率不等于吸收的功率,则直流电压上升或下降,系统工作点发生变化,当直流电压超出[U d n ,U d m ]的范围,剩余的所有具有功率调节能力的换流站动作,承担直流系统的功率缺额,忽略线路损耗的影响,则有:ΔP =-(k 2+k 3+k 4+k 5)ΔU d 为了确保系统在新工作点下仍能保持有功平衡,直流电压稳定在U d m +ΔU d (ΔP <0)或者U d n +ΔU d (ΔP >0)。

由以上分析可见,功率调节系数k 1～k 5的选择对于系统运行至关重要。

它们的比例决定了各换流站的功率分配比例;其次由直流电压偏差控制原理ΔU d =-ΔP/(k 2+k 3+k 4+k 5)可知,功率调节系数的大小还决定了直流电压U d 的工作范围。

本文中设定k 1∶k 2∶k 3∶k 4∶k 5=3∶2∶0∶2∶3,该比值决定各换流站在状态2或状态3时的功率分配比例。

假设直流电压超出[U d n ,U d m ]范围的最大允许值ΔU dmax =0.04,并假设最严重的情况为VSC1退出运行(ΔP =1.1),于是由剩余的具有功率调节能力的换流站分担功率缺额,根据ΔP =-(k 2+k 3+k 4+k 5)ΔU d ,要求k 2+k 3+k 4+k 5≥1.1/ΔU dmax =27.5。

为满足以上条件,各系数取值—85—2009,33(12)　为k 1=21,k 2=14,k 3=0,k 4=14和k 5=21。

VSC3换流站由于工作在交流电压控制模式下,不具备功率调节的能力,对应的功率调节系数k 3=0。

需要指出的是,各个VSC 换流站调节其输出功率的方式并不相同。

VSC1是通过调节直流电压参考值的方式U dref 来控制有功功率输出,而VSC2,VSC4和VSC5是通过调节有功功率参考值P i ref (i =2,4,5)的方式来控制有功功率输出,VSC3的功率输出不可控,它的交流电压参考值U acref 为一设定的常数U aco 。

各个VSC 换流站的参考值给出方式如图3所示。

图3　上层控制系统框图Fig.3　Control diagram of the upper system3　仿真结果与分析为验证上述模型和控制器的有效性,本文用仿真软件PSCAD/EM TDC 对图1所示的系统进行数字仿真研究。

讨论了系统在以下几种情况的响应:①VSC3换流站侧负荷短时突变;②VSC2换流站短时故障退出;③VSC1换流站短时故障退出。

各VSC 换流站的工作状态参见表1。

多端系统上层控制参数为:[P 1n ,P 1m ]=[-1.1,1.1],[U d n ,U d m ]=[0.96,1.04],k 1=21,k 2=14,k 3=0,k 4=14,k 5=21。

图4给出的是VSC3换流站侧在3s 时切除阻性负荷引起注入功率由-0.8变为0.6,引起了直流系统功率不平衡,注入直流网络的功率大于其输出功率,直流电压上升,系统工作点发生变化。

这部分功率偏差在VSC1换流站的可调容量允许范围之内,因此全部由VSC1换流站补偿,确保系统在新的运行点仍能保持有功平衡且直流电压仍然稳定在U do 。

5个换流站中只有VSC1换流站随着VSC3换流站的注入功率变化进行了相应的调整,其余换流站输出功率基本不受影响。

5s 时刻,阻性负荷重新投入运行,直流系统自动恢复。

整个过程中直流系统工作在状态1。

图4　VSC3侧注入功率突变时的系统响应Fig.4　System responses when P 3ch anged图5给出了VSC2换流站短时退出运行时的系统响应。

VSC2换流站的短时退出运行同样造成了直流系统功率不平衡,注入功率小于输出功率,直流电压下降。

VSC1换流站捕捉到直流电压的下降信息,迅速提高注入功率。

随着VSC1换流站的输出功率超出其可调容量允许范围,直流系统自动由状态1转入状态2运行。

图5　V SC2短时退出运行时的系统响应Fig.5　System responses when VSC2is outof service temporarily超出VSC1换流站可调容量的功率部分ΔP 将由直流系统内所有具有功率调节能力的换流站共同承担,即ΔP =-(k 1+k 3+k 4+k 5)ΔU d 直流电压稳定在U d n +ΔU d 。