周 密，徐 箭，孫元章

（武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

近年來，我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計，我國2014年風電新增裝機容量為19810 MW，累計并網(wǎng)裝機容量達到96370 MW①國家電網(wǎng)公司.特高壓規(guī)劃.2010.②國家能源局.風電發(fā)展“十二五”規(guī)劃.2012.③國家發(fā)展和改革委員會能源研究所.中國風電發(fā)展路線圖2050.2011.。然而，我國的絕大部分風電集中分布在遠離負荷中心的“三北”（西北、華北和東北）地區(qū)，這類地區(qū)負荷水平較低，市場規(guī)模小，大規(guī)模風電的并網(wǎng)及風電的不確定性給電網(wǎng)調(diào)頻帶來了嚴峻考驗［1-2］。為提高風電利用率、保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，有必要加強跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)建設，實現(xiàn)風電大規(guī)模外送和跨省區(qū)調(diào)節(jié)［3-6］。

基于可控通斷器件（IGBT）的電壓源型換流器（VSC）所構成的多端柔性直流輸電（MTDC）網(wǎng)絡不僅能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，向無源網(wǎng)絡供電，而且能實現(xiàn)潮流快速反轉，非常適合可再生能源的并網(wǎng)和跨區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)［7］。目前，針對多端柔性直流網(wǎng)絡所提出的控制方法主要包括主從控制方法、帶電壓下垂特性的控制方法及其改進控制［8-12］。這些控制方法均側重于直流側電壓控制與功率平衡，沒有考慮各交流系統(tǒng)的響應限制和承受能力，以及風電在互聯(lián)網(wǎng)絡中的跨區(qū)調(diào)節(jié)。當某端交流系統(tǒng)由于風電劇烈波動而導致頻率大幅偏移時，直流網(wǎng)側和其他端的交流系統(tǒng)不會對其做出響應。

文獻［13］在電壓下垂控制中引入附加有功功率-頻率下垂控制（以下簡稱P-f控制），該控制能在交流側電網(wǎng)發(fā)生緊急故障時，實現(xiàn)各端交流系統(tǒng)的功率相互支援。然而為了保證小擾動下各交流系統(tǒng)間互不影響，P-f控制存在啟動上下限［14］，不能及時響應風電波動所引起的頻率變化。且P-f控制一旦啟動后，所有的交流區(qū)域電網(wǎng)無論備用容量是多是少，均會被迫參與調(diào)節(jié)。

針對我國國情，為了充分利用西南區(qū)域和華中區(qū)域響應速度快、調(diào)節(jié)能力強的水電資源來跨區(qū)平抑“三北”地區(qū)由于風電波動所導致的大幅頻率偏移，本文在P-f控制的基礎上，提出了一種在多端直流電網(wǎng)各區(qū)域間平抑風電波動的附加控制方法。該方法能實現(xiàn)風電在區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)之間的定向跨區(qū)調(diào)節(jié)，并且在電網(wǎng)頻率偏移過大時，可以按照協(xié)調(diào)控制策略與P-f控制相配合，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。在實時數(shù)字仿真器（RTDS）平臺搭建了六端柔性直流輸電網(wǎng)絡的詳細模型，并仿真驗證了所提出的控制策略的有效性。

1 VSC換流站控制原理

VSC換流站的控制方式主要有間接電流控制和直接電流控制2種。后者由于快速的動態(tài)響應和優(yōu)良的控制性能，在實際工程中得到了廣泛應用，其控制器如圖1所示［15］。外環(huán)控制器根據(jù)柔性直流輸電上層控制系統(tǒng)所給定的有功類和無功類物理量參考值，產(chǎn)生合適的參考信號，并傳遞給內(nèi)環(huán)電流控制器，內(nèi)環(huán)控制器根據(jù)該參考信號生成調(diào)制波信號和觸發(fā)脈沖，來控制系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄蜔o功功率。

在定交流電壓控制模式下，換流站能夠快速自動調(diào)整無功功率、維持交流側電壓的恒定。故在跨區(qū)平抑風電波動的過程中，主要考慮對其有功功率的控制。除了跟蹤外環(huán)控制器的有功類參考量外，柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β蔖s還受到最大直流線路電流的限制，即：

其中，Udc為換流站直流側電壓。

圖1 直接電流控制器結構框圖Fig.1 Structure of direct current controller

2 風電跨區(qū)調(diào)節(jié)控制方法

2.1 P-f下垂特性控制方法

與主從控制方法相比，電壓下垂控制可以使直流電網(wǎng)中的不平衡功率在各個換流站中按比例分配，從而避免個別地區(qū)承擔過大的功率擾動［16］。為了使直流側能夠在必要時響應交流側的頻率變化，文獻［13］在電壓下垂控制的基礎上引入P-f下垂特性控制，如圖2所示。圖中，Δf′為P-f控制所對應的頻率偏差量；Kf、KU分別為P-f控制和電壓下垂控制的特性系數(shù)。

圖2 引入P-f特性的電壓下垂控制框圖Fig.2 Block diagram of voltage droop control with P-f character

交流系統(tǒng)的頻率偏差會影響換流站輸出的有功功率值，使直流網(wǎng)中出現(xiàn)不平衡功率，其他各區(qū)換流站通過電壓下垂特性自動調(diào)節(jié)其輸出的有功功率，直到直流網(wǎng)中的功率達到新的平衡。此外，為了防止交流系統(tǒng)頻率的較小波動導致?lián)Q流站有功指令值的頻繁改變，P-f控制存在啟動限值fref±A。

2.2 風電跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制

2.1節(jié)所提出的控制方法雖然能夠在某交流系統(tǒng)由于風電功率波動引起頻率出現(xiàn)較大偏移時，通過直流網(wǎng)絡讓其他端交流系統(tǒng)來平抑一部分風電功率波動，但不能按照各區(qū)的調(diào)節(jié)能力來分配其所承擔的不平衡功率量，極端情況下可能導致參與調(diào)節(jié)的某些交流系統(tǒng)出現(xiàn)大的頻率波動。本文提出一種改進的風電跨區(qū)域調(diào)節(jié)附加控制方法（以下簡稱附加控制），其整體思路如下。

將多端系統(tǒng)中的區(qū)域劃分為3類：第1類區(qū)域風電容量大，作為待調(diào)節(jié)區(qū)域（以下簡稱X區(qū)域）；第2類區(qū)域風電容量小或者無風電，而水電備用充足，作為調(diào)節(jié)區(qū)域（以下簡稱Y區(qū)域）；第3類區(qū)域不符合前述特征，不參加風電波動的跨區(qū)調(diào)節(jié)（以下簡稱Z區(qū)域）。

X、Y區(qū)域的附加控制邏輯分別如圖3和圖4所示。電網(wǎng)正常運行時，附加控制不啟動。當屬于X區(qū)域的某個交流電網(wǎng)（Xi）風電功率波動過大導致系統(tǒng)頻率超過啟動限值時，系統(tǒng)根據(jù)當前時刻Xi區(qū)域的風電功率波動趨勢來進行邏輯判斷，若此時Xi區(qū)域的系統(tǒng)頻率達到啟動上（下）限值，且風電功率相對于前一時刻的值有增加（減小）的趨勢，則Control信號由0躍變?yōu)?，附加控制啟動。隨后，相應頻率偏差量通過比例環(huán)節(jié)疊加至其換流站有功功率指令值上，抑制其頻率的繼續(xù)偏移。同時，為保證直流網(wǎng)內(nèi)功率平衡，上層控制系統(tǒng)根據(jù)所有X區(qū)域的功率附加量之和在線修正各Y區(qū)域換流站的有功功率指令值在Y區(qū)域內(nèi)各交流電網(wǎng)按比例分配功率調(diào)節(jié)量，直至Xi區(qū)域頻率偏移恢復至啟動限值以下，Control信號恢復至0。

圖3 Xi區(qū)域風電附加控制邏輯框圖Fig.3 Block diagram of additional control logic for wind power of Xiareas

圖4 Yi區(qū)域風電附加控制邏輯框圖Fig.4 Block diagram of additional control logic for wind power of Yiareas

由于Z區(qū)域不參與風電的跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制，因此，該類區(qū)域的VSC換流站采用常規(guī)電壓下垂控制。

3 風電跨區(qū)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略

3.1 協(xié)調(diào)控制策略

2.2節(jié)提出的附加控制可以在Xi區(qū)域風電波動時抑制頻率的過大偏移，但其調(diào)節(jié)范圍仍受Yj區(qū)域水電調(diào)節(jié)能力的限制。若風電波動異常劇烈，或者在附加控制啟動的同時Xi區(qū)域又出現(xiàn)了其他使頻率偏差過大的故障，則很有可能導致Yj區(qū)域的頻率超出運行限制。因此本文將P-f控制作為附加控制的后備控制，設計了如圖5所示的考慮風電跨區(qū)調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略，除風電跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制外，各X、Y、Z區(qū)域的其他控制部分均采用相同的結構。各X、Y、Z區(qū)域可通過區(qū)域選擇開關來選擇相應的跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制策略。

圖5 風電跨區(qū)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制方法框圖Fig.5 Block diagram of coordinated control for interregional wind power adjustment

對于X區(qū)域，當Xi區(qū)域頻率偏移達到B且附加控制啟動后，若參與調(diào)節(jié)的某區(qū)域頻率仍波動至超過｛fref-A，fref+A｝（A＞B），則啟動 P-f控制，所有互聯(lián)區(qū)域（包括Z區(qū)域）均參與頻率控制，共同維持系統(tǒng)穩(wěn)定。此外，在Xi區(qū)域的附加控制中加入上下限｛-（A-B），A-B｝，即附加控制正常作用所對應的區(qū)間為｛（-A，-B）∪（B，A）｝，當 Xi區(qū)域超過A后，附加控制的功率疊加量將被保持在為A時所對應的上限值，以確保P-f控制過程中換流站調(diào)節(jié)功率不受風電波動的影響，從而快速使全網(wǎng)系統(tǒng)恢復穩(wěn)定。

對于Y區(qū)域，在Xi區(qū)域的風電附加控制啟動后，Yj區(qū)域根據(jù)比例分配風電功率調(diào)節(jié)量，并調(diào)節(jié)相應的換流站有功功率；若在調(diào)節(jié)過程中Yj區(qū)域交流電網(wǎng)的頻率超出范圍｛-（A-B），A-B｝，則其 P-f控制啟動，控制頻率穩(wěn)定。

對于Z區(qū)域，由于該類區(qū)域不參與風電的跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制，因此，區(qū)域選擇開關置0。

3.2 控制參數(shù)的選擇

為了保證響應的及時性，同時避免啟動太頻繁，將附加控制的啟動參數(shù)B取0.1 Hz。而為了使附加控制有充分的作用區(qū)間，避免在跨區(qū)平抑風電波動的過程中對未參與調(diào)節(jié)的區(qū)域頻率造成影響，取A=0.15 Hz，即當系統(tǒng)頻率偏移超過0.15 Hz時，啟動P-f控制。

由于換流站的有功功率不能超過由式（1）確定的正常運行上下限為了考慮與 P-f控制的配合，在Xi區(qū)域附加控制中引入功率裕度系數(shù)α，即：

其中，PXi為Xi區(qū)域的換流站初始功率。

根據(jù)圖3所示的附加控制框圖，式（2）可改寫為：

附加控制所對應的頻率偏差量的上下限｛- （A-B），A-B｝為｛-0.05 Hz，0.05 Hz｝，故對式（3）分別取可得：

考慮控制的快速性取其允許范圍內(nèi)的最大值，即：

其中可由式（1）計算得到。 式（1）中通常取1.2倍的額定直流電流［17］，且在所提出的控制方法中，直流電壓Udc波動不大，故有功功率上下限可取為其中為Xi區(qū)域換流站的額定功率。

為了合理利用Y區(qū)域的備用及換流站容量裕度，將所有X區(qū)域輸入到多端柔性直流網(wǎng)的風電跨區(qū)調(diào)節(jié)附加功率之和按照各Y區(qū)域當前的備用容量之比分配，并保證不超過各換流站的功率限值即：

且：

其中為 Yj區(qū)域當前的機組備用容量為所有Y區(qū)域的機組實際備用容量之和；PYj為Yj區(qū)域換流站的初始功率。Y區(qū)域的機組備用容量可通過本地相量測量單元（PMU）實時同步采樣監(jiān)測得到。

對于P-f控制中的系數(shù)Kf，其數(shù)值大小直接決定了該控制方式下各區(qū)域換流站響應其交流側頻率偏差量Δf′所產(chǎn)生的功率調(diào)整量，即該區(qū)域的不平衡功率量，故可綜合考慮其交流系統(tǒng)強度和換流站容量裕度來進行整定［18］。

4 仿真驗證

為了驗證本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略的有效性，在RTDS平臺搭建了如圖6所示的六端柔性直流輸電系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)如表1和表2所示，3號區(qū)和5號區(qū)系統(tǒng)的風電滲透率分別達到了30%和20%，屬于X區(qū)域；2號區(qū)和4號區(qū)系統(tǒng)的水電裝機比例分別占其總裝機的60%和50%，具有充足的水電調(diào)節(jié)容量，屬于Y區(qū)域；1號區(qū)和6號區(qū)則屬于Z區(qū)域。取附加控制的功率裕度系數(shù)α=0.8，根據(jù)前述計算方法可得到3號區(qū)和5號區(qū)的風電跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制系數(shù)分別為 3.2、5.2。 P-f控制的特性系數(shù)Kf均設為3。

圖6 六端柔性直流輸電系統(tǒng)Fig.6 Six-terminal VSC-HVDC system

表1 六端柔性直流網(wǎng)絡系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of six-terminal VSC-HVDC system

表2 換流站主電路參數(shù)Table 2 Parameters of converter stations

算例1：t=0s開始，5號區(qū)風電功率出現(xiàn)如圖7所示大幅波動，波動范圍達到風電額定裝機容量的20%。

圖7 5號區(qū)風電功率Fig.7 Wind power of Area 5

圖8所示為P-f控制方法下各區(qū)域頻率響應曲線。由圖8中的虛線可知，若僅靠5號區(qū)系統(tǒng)自身發(fā)電機和負荷的調(diào)節(jié)能力，該風電波動將導致系統(tǒng)頻率振蕩超過50.35 Hz。若加入P-f控制，在5號區(qū)系統(tǒng)頻率f5上升至50.15 Hz后，P-f控制啟動，5號區(qū)系統(tǒng)將和其他5個區(qū)域共同承擔其不平衡功率。平衡過程中所有區(qū)域均參與調(diào)節(jié)，f5被控制在運行限制值50.2 Hz以下，但是相應地，其他區(qū)域的頻率均有波動。

圖8 P-f控制方法下各區(qū)域頻率響應曲線Fig.8 Frequency response of six areas under P-f control

圖9 協(xié)調(diào)控制方法下各區(qū)域頻率響應曲線Fig.9 Frequency response of six areas under coordinated control

如果采用本文提出的風電波動跨區(qū)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制方法，其控制效果如圖9所示。t=3.5 s時，f5升至50.1 Hz，附加控制啟動，一部分不平衡功率通過換流站送至2號區(qū)和4號區(qū)，f5的振蕩得到了快速控制，最終未超過50.15 Hz，根據(jù)協(xié)調(diào)策略，后備P-f控制未啟動。2號區(qū)和4號區(qū)的頻率出現(xiàn)小幅波動，但由于水電的快速調(diào)節(jié)能力，其頻率偏移未超過允許范圍。而1號區(qū)和6號區(qū)沒有參與調(diào)節(jié)，其系統(tǒng)頻率不會受到任何影響。

通過比較圖8和圖9可知，本文所提出的風電波動跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制方法不僅能夠有效地抑制風電波動所導致的頻率偏移，還充分利用了水電豐富區(qū)域的調(diào)節(jié)能力來跨區(qū)平抑風電波動。與僅有P-f控制時相比，該附加控制方法針對性更強，并且在跨區(qū)調(diào)節(jié)風電的過程中，可避免調(diào)節(jié)能力較弱的地區(qū)（1號區(qū)和6號區(qū)）受5號區(qū)風電波動的影響。

算例2：t=0 s開始，5號區(qū)風電仍然按照圖7所示波動。t=7.5 s時刻，5號區(qū)系統(tǒng)交流側甩負荷100 MW，t=9.5 s時負荷恢復。

系統(tǒng)在僅有P-f控制和在風電跨區(qū)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制方法下的頻率響應曲線分別如圖10和圖11所示。由仿真結果可知，在僅有P-f控制時，f5在負荷故障后上升到了50.3 Hz以上，超出系統(tǒng)正常運行限值，并且其他5個區(qū)域的頻率都上升到了近50.2 Hz。若采用本文所提出的協(xié)調(diào)控制方法，則能夠更早地抑制f5因風電波動產(chǎn)生的偏移，比較圖10和圖11，協(xié)調(diào)控制方法中的附加控制將5號區(qū)系統(tǒng)甩負荷前一時刻的頻率從50.17 Hz降低到了50.11 Hz，并且使1號區(qū)和6號區(qū)的頻率保持在額定值。在負荷恢復后，由于不平衡功率過多，f5繼續(xù)上升，上升過程中附加控制仍在發(fā)揮作用，2號區(qū)和4號區(qū)利用水電優(yōu)勢來分擔這部分不平衡功率，直到f5超過50.15 Hz，P-f控制啟動，隨后其他區(qū)域一起參與調(diào)節(jié)。協(xié)調(diào)控制方法下，所有區(qū)域系統(tǒng)的頻率偏移都未超過±0.2 Hz，各系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定運行。

算例3：3號區(qū)和5號區(qū)風電同時劇烈波動（如圖12所示），3號區(qū)和5號區(qū)的風電功率波動范圍分別為19%和20%。

圖10 P-f控制方法下各區(qū)域頻率響應曲線Fig.10 Frequency response of six areas under P-f control

圖11 協(xié)調(diào)控制方法下各區(qū)域頻率響應曲線Fig.11 Frequency response of six areas under coordinated control

圖12 3號區(qū)和5號區(qū)風電功率Fig.12 Wind power of Area 3 and 5

圖13和圖14分別為采取P-f控制方法和本文提出的風電跨區(qū)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略的控制效果。

圖13 P-f控制方法下各區(qū)域頻率響應曲線Fig.13 Frequency response of six areas under P-f control

圖14 協(xié)調(diào)控制方法下各區(qū)域頻率響應曲線Fig.14 Frequency response of six areas under coordinated control

如圖14所示，采用本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略，t=0 s開始，3號區(qū)和5號區(qū)風電功率同時迅速增加，導致其系統(tǒng)頻率f3和f5先后達到50.1 Hz，附加控制啟動，將大量的不平衡功率輸送到2號區(qū)和4號區(qū)進行平抑，雖然2號區(qū)和4號區(qū)具有大量水電調(diào)節(jié)容量，但是由于風電功率的波動太大，使得其系統(tǒng)頻率急劇上升，直至2號區(qū)頻率f2超過50.15 Hz時，后備P-f控制啟動，將一部分風電功率通過P-f控制分攤至全網(wǎng)，1號區(qū)和6號區(qū)也參與調(diào)節(jié)。對比圖13和圖14，采用協(xié)調(diào)控制策略后，既能在幾乎不影響1號、6號兩區(qū)系統(tǒng)的同時平抑3號、5號兩區(qū)因大量風電波動導致的頻率偏移，又能避免承擔過多不平衡功率的2號區(qū)與4號區(qū)系統(tǒng)的頻率超過安全穩(wěn)定限制。

5 結論

本文基于我國現(xiàn)有風電功率調(diào)節(jié)問題和柔性多端直流輸電的特點，提出了一種跨區(qū)域平抑風電波動的多端柔性直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。該方法將風電跨區(qū)調(diào)節(jié)附加控制和P-f下垂控制相結合，并制定了詳細的配合策略，給出了控制參數(shù)的范圍。RTDS仿真結果表明，本文所提出的協(xié)調(diào)控制方法能夠在系統(tǒng)正常運行時實現(xiàn)風電高滲透率地區(qū)短時劇烈風電波動的定向跨區(qū)域調(diào)節(jié)。在風電極端波動的情形下，也可以有效控制整個系統(tǒng)頻率。

與僅通過本地發(fā)電機組和負荷進行傳統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)相比，本文提出的附加控制方法利用柔性直流輸電技術快速靈活的控制特性，能夠?qū)⒛骋粎^(qū)域風電波動引起的不平衡功率在整個網(wǎng)絡中進行更為合理的分配，避免單個區(qū)域電網(wǎng)承擔過大的調(diào)頻壓力。此外，與交流聯(lián)網(wǎng)相比，直流互聯(lián)網(wǎng)絡可以快速精確地控制換流站的傳輸功率并有效維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，還能在平抑風電波動的過程中，限制波動及其他故障的影響范圍。

本文所提出的跨區(qū)平抑風電波動的協(xié)調(diào)控制策略，對于我國風電的未來開發(fā)和利用具有一定的參考價值。仿真算例中的風電波動數(shù)據(jù)及趨勢均以我國東北和西北風電實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，符合實際情況。仿真模型中的X區(qū)域與我國“三北”地區(qū)電網(wǎng)相似，Y區(qū)域的特點符合西南以及華中等水電資源豐富、調(diào)節(jié)能力較強的電網(wǎng)，Z區(qū)域類似于華東電網(wǎng)。

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