葉林

摘? 要：基于組合方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)在特高壓直流輸電、孤島供電、直流配電網(wǎng)、分布式能源接入等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛地研究與應(yīng)用。穩(wěn)定的直流電壓控制和負(fù)載功率合理匹配是多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制的核心，研究基于組合方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法具有重要意義。該文分析了基于組合方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，為多端柔性直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：多端直流;柔性直流輸電系統(tǒng);控制方法;直流電壓控制

中圖分類號(hào)：TM72? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

步入21世紀(jì)以來(lái)，隨著工業(yè)化和電氣化的不斷提高，電力能源逐漸成為世界各國(guó)秉力發(fā)展的重要?jiǎng)恿υ慈?。在我?guó)，電力能源承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的重?fù)?dān)，其重要地位不言而喻。然而，由于對(duì)電力能源需求不斷擴(kuò)大以及我國(guó)東西部不平衡的發(fā)展?fàn)顩r，使我國(guó)電力能源分布不均，必須依賴跨區(qū)域的輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全國(guó)電力能源的均衡。傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)和兩端直流輸電系統(tǒng)正在發(fā)揮著不可替代的作用。然而，隨著新能源分布式發(fā)電接入、孤島供電、城市供電和配電網(wǎng)設(shè)置等應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的兩端直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)難以適應(yīng)，多端直流輸電系統(tǒng)（Multi-Terminal Direct Current，MTDC）逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)因可控性強(qiáng)、電壓等級(jí)高等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但是常規(guī)直流輸電系統(tǒng)基本采用電流源型換流器（Line Commutated Converter，LCC），實(shí)際運(yùn)行中存在吸收無(wú)功、需改變直流電壓極性才可改變功率輸送方向，因此不適用于多端直流輸電系統(tǒng)。相比LCC，電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）具有較小的電力損耗和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)葍?yōu)勢(shì)，使多端柔性直流輸電系統(tǒng)（Voltage Source Converter Based Multi-Terminal Direct Current ，VSC-MTDC）實(shí)際應(yīng)用成為可能。VSC-MTDC相比兩端直流輸電系統(tǒng)具有更加靈活的結(jié)構(gòu)，但是也給VSC-MTDC的控制設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。該文將分析針對(duì)VSC-MTDC的控制方法，通過(guò)梳理VSC-MTDC控制方法和策略，為VSC-MTDC的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論借鑒。

1 多端柔性直流輸電系統(tǒng)介紹

多端柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC-MTDC）是指擁有3個(gè)或以上的換流器，通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)而組成的直流輸電系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的兩端直流輸電系統(tǒng)，VSC-MTDC系統(tǒng)具有更加靈活的控制方式、更低的輸電成本，支持多電源供電、多落點(diǎn)受電、高安全性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。

目前VSC-MTDC系統(tǒng)常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及混聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將所有的變換器以串聯(lián)的形式級(jí)聯(lián)在一起，串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)，變換器承受的電流是相同的，通過(guò)調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)負(fù)載端功率分配。串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)容易受到線路故障、變換器故障等造成全系統(tǒng)供電故障，可靠性較低。并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)VSC-MTDC系統(tǒng)采取的是并聯(lián)端口直流母線電壓相同，通過(guò)調(diào)節(jié)輸送直流電流實(shí)現(xiàn)功率匹配。并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)具有方便清除故障、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。混聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)是既有串聯(lián)結(jié)構(gòu)也有并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效結(jié)合了串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，既能極大提高系統(tǒng)靈活性，也能減少直流輸電系統(tǒng)的能耗損失。

2 VSC-MTDC系統(tǒng)控制方法與策略

隨著VSC-MTDC系統(tǒng)在電力能源輸送保障中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，VSC-MTDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，因此不斷增加VSC-MTDC系統(tǒng)的控制難度。針對(duì)不同的VSC-MTDC系統(tǒng)，選擇合適的控制方式與控制策略，對(duì)提高VSC-MTDC系統(tǒng)的輸電效率具有重要意義。目前，VSC-MTDC系統(tǒng)應(yīng)用的控制方法與策略主要有以下3種：下垂控制、主從控制及電壓裕度控制。下面將分別介紹3種主要的VSC-MTDC系統(tǒng)控制方法。

2.1 VSC-MTDC系統(tǒng)電壓型下垂控制

VSC-MTDC系統(tǒng)電壓型下垂控制是將VSC-MTDC系統(tǒng)中各個(gè)端口的直流側(cè)輸出電壓控制為定值，并配合有功功率實(shí)現(xiàn)對(duì)VSC-MTDC系統(tǒng)的控制。由于VSC-MTDC系統(tǒng)中不存在無(wú)功功率，而有功功率與直流電壓之間存在線性約束，因此電壓型下垂控制實(shí)際屬于一種存在靜態(tài)偏差的控制策略。

傳統(tǒng)的電壓型下垂控制策略，通過(guò)調(diào)整下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)VSC-MTDC系統(tǒng)中直流電壓和有功功率的分配。而下垂系數(shù)的取值，則是影響VSC-MTDC系統(tǒng)直流電壓質(zhì)量的重要影響因素。象下垂系數(shù)取值過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致VSC-MTDC系統(tǒng)輸出直流電壓低于實(shí)際;下垂系數(shù)取值過(guò)小，則會(huì)使VSC-MTDC系統(tǒng)功率分配性能差。因此，如何選取下垂系數(shù)是傳統(tǒng)電壓型下垂控制策略的關(guān)鍵之一。

電壓型下垂控制的優(yōu)勢(shì)在于，在多個(gè)變換站之間形成協(xié)同控制時(shí)，無(wú)須過(guò)度依賴VSC-MTDC系統(tǒng)的上層控制，而且對(duì)各個(gè)變換站之間的信號(hào)傳輸速度和精度要求不高，比較適應(yīng)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的VSC-MTDC系統(tǒng)。但是，采用電壓型下垂控制的VSC-MTDC系統(tǒng)，一旦發(fā)生大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的功率波動(dòng)，則VSC-MTDC系統(tǒng)無(wú)法保證自身穩(wěn)定性。因此，基于電壓型的下垂控制策略只是能用于功率穩(wěn)定、波動(dòng)較小的VSC-MTDC系統(tǒng)。

2.2 VSC-MTDC系統(tǒng)主從控制

主從控制就是將VSC-MTDC系統(tǒng)進(jìn)行主變換站、從變換站“角色”設(shè)置，并分別對(duì)主變換站和從變換站實(shí)施進(jìn)行不同的控制策略。對(duì)于某一個(gè)VSC-MTDC系統(tǒng)，假設(shè)由3個(gè)變換站組成，其中A為主變換站，其具有足夠大的容量，可對(duì)變換站的直流側(cè)實(shí)施輸出電壓控制，從而確保A變換站輸出的電壓是恒定的。另有B和C兩個(gè)變換站，B變換站通過(guò)控制有功功率，C變換站通過(guò)控制交流電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸電線路的控制。在3個(gè)變換站主從控制過(guò)程中，要求A變換站線路損耗視為零損耗，B變換站有功功率恒定，C變換站交流電壓恒定。3個(gè)變換站的協(xié)同控制就形成主從控制策略。

雖然主從控制比較容易實(shí)現(xiàn)，但需要保證3個(gè)變換站間信號(hào)傳輸速度和精度較高，且對(duì)VSC-MTDC系統(tǒng)的頂層控制具有較高的依賴性，因此常用于兩端直流輸電系統(tǒng)中。

2.3 VSC-MTDC系統(tǒng)電壓裕度控制

由于主從控制對(duì)VSC-MTDC系統(tǒng)的頂層控制依賴性較高，且對(duì)變換站之間的通信速度和精度要求高等特點(diǎn)，使其無(wú)法適應(yīng)于長(zhǎng)距離的特高壓直流柔性輸電系統(tǒng)。為此，對(duì)于長(zhǎng)距離柔性直流輸電系統(tǒng)而言，常采用電壓裕度控制策略。

電壓裕度控制就是在主從控制的基礎(chǔ)上，主變換站不僅要控制恒定的輸出電壓，而且還應(yīng)具有功率控制余量，因此當(dāng)VSC-MTDC系統(tǒng)受到輸電電流干擾時(shí)，可通過(guò)主變換站的電壓裕度控制實(shí)現(xiàn)功率控制與調(diào)節(jié)。與之對(duì)應(yīng)，從變換站也在原有功率或交流電壓控制基礎(chǔ)上，增加了輸電系統(tǒng)電壓裕度控制余量。當(dāng)VSC-MTDC系統(tǒng)存在干擾并造成功率超限時(shí)，從變換站可通過(guò)電壓裕度控制實(shí)現(xiàn)功率和電壓的交替控制調(diào)節(jié)，確保VSC-MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

電壓裕度控制策略常采用模擬控制法，將VSC-MTDC系統(tǒng)直流電壓控制和有功功率控制切換過(guò)程進(jìn)行模擬控制。在電壓裕度控制下的直流電壓和有功功率切換時(shí)，若電壓值超過(guò)控制策略中設(shè)定的電壓裕度，可采用PI控制器對(duì)直流電壓控制和有功功率控制進(jìn)行切換。此外，在切換過(guò)程中，單獨(dú)的直流電壓控制與有功功率控制相互排斥。目前，通過(guò)改進(jìn)電壓裕度控制算法，已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)直流電壓控制與有功功率控制之間的快速切換，在切換過(guò)程中能更好地調(diào)整和控制VSC-MTDC系統(tǒng)直流母線電壓。

3 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)“西電東送”、節(jié)能減排、分布式能源發(fā)展等電力能源應(yīng)用的背景下，VSC-MTDC系統(tǒng)這種新穎的輸電技術(shù)逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。隨著VSC-MTDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)控制策略的要求也越來(lái)越高。通過(guò)該文對(duì)VSC-MTDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和控制方式的分析，在VSC-MTDC系統(tǒng)研究和構(gòu)建過(guò)程中，必須結(jié)合VSC-MTDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)性的設(shè)計(jì)控制方式和控制策略，從而確保VSC-MTDC系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

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