周飛楊 王楚揚 張 犁 林金嬌 孔祥平 鄭俊超

(1. 河海大學能源電氣學院 南京 211100；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院 南京 211100)

1 引言

在“雙碳”和“雙高”的大背景下，分布式新能源在配電網(wǎng)中的滲透率不斷提高。但是，高比例新能源的接入也給配電網(wǎng)帶來了潮流倒送和電壓越限等問題[1-2]。為了解決這些問題，配電網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，改變線路中聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)，進行功率的合理分布。然而傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)靈活性較差、響應速度較慢，難以實現(xiàn)實時準確的潮流控制[3]。因此，英國帝國理工學院的研究學者用柔性多狀態(tài)開關(guān)(Soft open point，SOP)來取代傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)[4]。SOP具有潮流調(diào)節(jié)靈活和響應快速等優(yōu)點，可有效促進新能源的協(xié)同消納，提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量[5-6]。在各類SOP拓撲中，模塊化多電平換流器(Modular multilevel converter，MMC)具有輸出波形質(zhì)量高、可擴展性好、開關(guān)損耗低等優(yōu)點[7-9]，在中壓配電網(wǎng)中有較好的應用前景，因此本文以基于MMC的SOP為研究對象。

SOP中各換流器的功率協(xié)調(diào)控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。協(xié)調(diào)控制的主要目標有以下2點：① 直流電壓不能越限；② 受擾后功率快速平衡[10]。主從和下垂是兩種典型的協(xié)調(diào)控制[11-12]，主從控制可準確控制各換流器功率，直流電壓穩(wěn)定性好，但依賴于各換流器間的通信[13]。下垂控制不依賴通信，但直流電壓工作點不固定，無法精準調(diào)控各換流器功率[14]。因此，考慮到SOP中部分換流器需要定功率輸出，且各換流器間的線路較短，本文針對主從控制展開研究。

傳統(tǒng)的主從控制中主控換流器采用定直流電壓控制模式，其余從控換流器采用定功率控制模式；在系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動時，依賴主控換流器調(diào)控系統(tǒng)功率平衡，存在直流電壓越限和交流功率超調(diào)的隱患。文獻[15]利用模型預測控制替代傳統(tǒng)比例-積分(Proportional-integral，PI)控制，使SOP具有較好的抗干擾能力和動態(tài)恢復能力，但是該方法存在計算量大和諧波分布廣的問題。文獻[16]在文獻[15]的基礎(chǔ)上，提出了反饋線性化滑?？刂撇呗?，在保證SOP協(xié)調(diào)運行的同時減少計算量和諧波分布，但上述協(xié)調(diào)控制主要針對系統(tǒng)小功率波動。文獻[17]采用干擾觀測值前饋的方案抑制系統(tǒng)干擾對直流電壓的影響，但是其電壓外環(huán)的比例積分系數(shù)選取困難。文獻[18]利用穩(wěn)態(tài)逆模型生成的電流預估值修正內(nèi)環(huán)電流參考值，使SOP能在大功率波動時減少功率超調(diào)量，降低電壓過沖值。但該方法增加了計算量，且未考慮小功率波動時的穩(wěn)態(tài)性能。文獻[19]采用控制器狀態(tài)跟蹤控制方法，實現(xiàn)三端SOP并離網(wǎng)時的協(xié)調(diào)控制，但是其控制器結(jié)構(gòu)復雜且小功率波動時依舊存在主換流器功率超調(diào)問題。

本文針對這一問題，以三端SOP為例，提出了一種柔性多狀態(tài)開關(guān)的改進協(xié)調(diào)控制策略，兼顧大小功率波動和穩(wěn)定性。本文首先給出了SOP的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略；然后分析了功率波動時直流電壓與功率的內(nèi)在關(guān)系，在此基礎(chǔ)上得到了直流電壓跟隨系數(shù)，使控制器可以根據(jù)直流電壓的變化實時調(diào)整功率參考值，使多個換流器在功率波動時同時參與功率調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)功率協(xié)調(diào)控制的目標。最后，搭建了三端SOP仿真模型，在不同工況下對所提策略的正確性和有效性進行了驗證。

2 SOP的拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)學模型

2.1 SOP的拓撲結(jié)構(gòu)

SOP是由兩個及以上的MMC通過公共直流線路連接而成的。與兩端SOP相比，三端SOP減少了網(wǎng)絡(luò)能量損失，并使配電網(wǎng)絡(luò)能夠承載更多的分布式能源[20]。本文采用的三端SOP拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。SOP的各端換流器結(jié)構(gòu)一致，同時各換流器采用的三相MMC換流器的每相具有對稱結(jié)構(gòu)。單相MMC的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。MMC的每個相單元由上下橋臂組成，每個橋臂又由橋臂電抗器L和n個級聯(lián)子模塊組成。

圖1 三端SOP的拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 MMC第k相單元結(jié)構(gòu)圖

2.2 SOP的數(shù)學模型

假設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，根據(jù)圖2建立單相MMC的數(shù)學模型。其中usk和isk分別表示網(wǎng)側(cè)交流電壓和電流(相數(shù)k=a、b、c)；ik和uk分別表示MMC交流側(cè)的相電流和相電壓；Lg和Rg分別為交流側(cè)的連接電感和等效電阻；L為橋臂電感；upk和unk分別為上下橋臂電壓；ipk和ink分別為上下橋臂電流；Udc是直流電壓。

定義第k相上下橋臂的環(huán)流為izk，其與上下臂電流ipk和ink的關(guān)系可表示為

對MMC電路采用KVL方程描述，即

式中，ek是MMC內(nèi)部的虛擬電動勢。式(2)表明通過控制虛擬電動勢和交流電流可以間接控制MMC的交流電壓，通過控制環(huán)流可以間接控制MMC的直流電壓。因此設(shè)置交流電流參考值和環(huán)流的參考值作為內(nèi)環(huán)電流參考值。

2.3 三端SOP的基本控制策略

2.3.1 電流內(nèi)環(huán)控制

基于第2.2節(jié)的分析，單相MMC直接控制策略中存在兩個并行的電流環(huán)：交流電流環(huán)與環(huán)流環(huán)。兩個環(huán)路的輸入信號分別是交流側(cè)電流Is和環(huán)流Iz。其內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖3中，Up-ref和Un-ref分別為上下橋臂電壓的參考值；Isref為交流電流參考值，Izref為環(huán)流參考值，具體值由外環(huán)控制器生成。將環(huán)流參考設(shè)置為直流量，這樣環(huán)流環(huán)可以抑制環(huán)流中的交流分量，減少MMC裝置中的無功波動和功率損耗。

2.3.2 定功率控制

SOP可以實現(xiàn)端口間的潮流控制，功率控制外環(huán)根據(jù)換流器輸出有功功率參考值Pref和無功功率參考值Qref確定當前內(nèi)環(huán)交流電流和環(huán)流參考值?？刂瓶驁D如圖4所示。

圖4 定功率控制結(jié)構(gòu)圖

則定功率控制下交流電流及環(huán)流電流基準為

式中，Usref和Isref分別為網(wǎng)側(cè)交流電壓和交流電流參考值；θ0為交流電網(wǎng)電壓初相角；φ為功率因數(shù)角。

2.3.3 定交流電壓控制

當SOP端口的交流饋線發(fā)生三相短路故障時，端口換流器應切換成定交流電壓控制模式，繼續(xù)為非故障區(qū)的重要負載提供交流電壓支撐。其控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其中P為采樣得到的MMC的實際功率輸出。定交流電壓控制可以通過設(shè)置交流側(cè)電壓外環(huán)產(chǎn)生內(nèi)環(huán)電流參考值。外環(huán)調(diào)節(jié)器的表達式為

圖5 定交流電壓控制結(jié)構(gòu)圖

式中，Usvf是網(wǎng)側(cè)交流電壓幅值；Usref和Isref分別是網(wǎng)側(cè)交流電壓和交流電流的參考值。

3 SOP的改進協(xié)調(diào)控制策略

主從控制的SOP系統(tǒng)在出現(xiàn)不平衡功率時，需要由主換流器進行功率平衡，而其余從換流器保持定功率運行。當系統(tǒng)發(fā)出的有功功率大于吸收的有功功率時，直流電壓上升，主換流器減少輸出功率。當系統(tǒng)發(fā)出的有功功率小于吸收的有功功率時，直流電壓降低，主換流器增大功率輸出。如果輸入功率降低或增加太多時，主換流器在參與功率調(diào)整時會有功率超調(diào)的問題，同時直流電壓會有越限的可能。因此，選取一個從控換流器，將其定功率參考值改為跟隨直流電壓變化的變功率參考值，即可在直流電壓變化時參與功率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)直流穩(wěn)壓和功率平衡的目的。MMC直流側(cè)電壓跟隨系數(shù)可表示為

式中，ki為第i個換流器的直流電壓跟隨系數(shù)；Pi、Pimax分別為換流器的有功功率實際值和額定有功容量；Udcref、Udcmax分別為直流電壓的參考值與最大值(通常為1.05Udcref)。

此外，改進后的定功率參考值可以定義為

式中，Piref、P'iref分別為換流器有功功率參考值和新的參考值。

從式(7)可知，換流器的額定有功容量Pimax越大，ki越大即可調(diào)功率裕度越大，在直流電壓變化時參與功率調(diào)節(jié)的能力越強，從而更有效地減輕主換流器的功率調(diào)節(jié)負擔。

因此定義換流器的可調(diào)功率為額定有功容量與實際有功輸出之差，并選取可調(diào)功率較大的從換流器采用改進定功率控制，選擇條件如式(9)所示

式中，j為改進定功率控制的換流器編號。

同時，式(8)表明系統(tǒng)正常工作時，直流電壓穩(wěn)定，功率指令值不受影響，即改進后的控制結(jié)構(gòu)不會對系統(tǒng)造成影響，且控制結(jié)構(gòu)簡單。

本文選取最大可調(diào)容量的MMC作為主控端，可調(diào)容量較大的MMC采用改進定功率控制。對于從換流器全是定功率控制的系統(tǒng)，只有主換流器參與功率調(diào)節(jié)，直流電壓可能越限，主換流器功率可能過載。在本文提出的改進定功率控制下，有從換流器同時參與不平衡功率的調(diào)整，系統(tǒng)動態(tài)響應快，直流側(cè)電壓不會越限，主換流器功率不會過載。

綜上所述，改進定功率控制的總體控制框圖如圖6所示。

圖6 改進定功率控制結(jié)構(gòu)圖

4 仿真結(jié)果分析

為了驗證所提出改進協(xié)調(diào)控制策略的有效性，基于PLECS仿真軟件搭建如圖1所示的三端SOP仿真模型。其中MMC1作為主控換流器，采用定直流電壓控制；MMC2采用改進定功率控制；MMC3采用定功率控制。考慮本文研究的SOP主要應用于中壓配電網(wǎng)，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4.1 案例1

初始時刻，MMC2和MMC3的有功功率參考值分別設(shè)置為?4 MW和?2 MW，MMC1輸出的有功功率為6 MW。系統(tǒng)傳輸功率平衡，直流電壓穩(wěn)定。MMC3的有功功率指令值在0.15 s時變?yōu)?4 MW，MMC2的有功功率指令值在0.3 s時變?yōu)?2 MW。直流電壓的上限和下限分別為21 kV和19 kV。

在0.15 s時，MMC3的功率參考值由?2 MW變?yōu)?4 MW，系統(tǒng)送出的有功功率小于吸收的有功功率，直流電壓下降。從圖7a和7b可以看出，定功率控制的MMC2在0.15 s時的功率輸出沒有受到影響；MMC1參與功率調(diào)節(jié)時，最高輸出功率達到9 MW，存在功率越限的潛在威脅；直流電壓暫態(tài)波動值為18.875 kV，電壓低于下限，直流電壓暫態(tài)調(diào)整時間為0.02 s。從圖8可以看出，在改進定功率控制方法下，MMC1在功率突變的瞬態(tài)過程中無超調(diào)量；MMC2根據(jù)自身功率裕度參與功率調(diào)節(jié)，不發(fā)生過載；直流電壓波動值為19.551 kV，在允許波動范圍內(nèi)，直流側(cè)電壓瞬態(tài)調(diào)整時間為0.01 s，調(diào)整速度更快。

圖7 定功率控制(小功率波動)

在0.3 s時，MMC2的功率參考值由?4 MW變?yōu)?2 MW，系統(tǒng)送出的有功功率大于系統(tǒng)吸收的有功功率，直流電壓升高，直流系統(tǒng)有不平衡功率為2 MW，由MMC1進行功率調(diào)節(jié)。在圖7中，MMC1在平衡功率時有過沖現(xiàn)象；直流電壓暫態(tài)波動值為21.125 kV，直流電壓高于最大工作電壓，恢復時間為0.02 s。在圖8中，MMC1沒有發(fā)生功率超調(diào)；MMC2平滑切換并穩(wěn)定在新的功率指令值；直流電壓升至20.585 kV，在允許運行范圍內(nèi)，直流調(diào)壓時間0.012 s。

圖8 改進定功率控制(小功率波動)

在采用改進控制方法的系統(tǒng)中，當定功率控制換流器的功率參考值發(fā)生躍變，改進定功率控制的換流器和定直流電壓控制的換流器參與系統(tǒng)功率和直流電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，且系統(tǒng)的動態(tài)響應更快；當用于改進定功率控制的換流器功率參考值發(fā)生變化時，換流器自身平滑切換到新的指令值，以獲得良好的直流電壓質(zhì)量。

4.2 案例2

初始時刻，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，MMC2和MMC3的有功功率參考值均為?3 MW，MMC1的有功功率輸出為?6 MW，系統(tǒng)功率平衡，直流電壓穩(wěn)定。MMC3交流側(cè)的重要負載為1.5 MW。由于從站數(shù)量較多，故障概率較大。因此本文討論MMC3交流側(cè)0.2 s發(fā)生三相短路故障，0.205 s檢測到故障并切換到定交流電壓控制繼續(xù)為重要負載供電。

當MMC3交流側(cè)饋線在0.2 s發(fā)生三相短路故障時，交流側(cè)電壓降為0，導致交流側(cè)有功功率降為0。因為在MMC3內(nèi)部有大量的儲能電容，它可以繼續(xù)接收直流側(cè)送來的有功功率。因此，MMC1發(fā)出的有功功率不會突然下降。0.205 s時，MMC3切換到定交流電壓控制，繼續(xù)為重要負載供電。圖9中，從控端均采用定功率控制時，控制方式切換瞬間直流電壓躍升至21.522 kV，超過最大工作電壓，電壓暫態(tài)波動時間為0.012 s；MMC1有功率過沖現(xiàn)象。圖10中，MMC2采用改進定功率控制，控制模式切換時直流電壓為20.525 kV，電壓暫態(tài)波動時間為0.008 s，系統(tǒng)運行在合理的電壓波動范圍內(nèi)。

圖9 定功率控制(大功率波動)

圖10 改進定功率控制(大功率波動)

相比之下，采用改進定功率控制的SOP具有電壓沖擊小、瞬態(tài)過渡時間短、控制模式切換時功率平滑過渡等優(yōu)點?？梢钥闯?，本文提出的策略可以實現(xiàn)了大功率波動時SOP的快速功率平衡和直流電壓穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)主從控制在功率波動時僅主控端參與功率調(diào)節(jié)，導致的功率過沖和直流電壓越限問題，提出了一種控制結(jié)構(gòu)簡單的SOP改進協(xié)調(diào)控制策略。理論分析和仿真結(jié)果表明，本文所提策略能靈活應對以下工況。

(1) 為應對新能源接入帶來的功率波動問題，設(shè)置可調(diào)功率較大的換流器為改進定功率控制，與主控換流器一起進行功率調(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2) 當系統(tǒng)出現(xiàn)小功率波動時，該策略可減小穩(wěn)態(tài)直流電壓偏差，縮短系統(tǒng)的暫態(tài)響應時間。

(3) 在系統(tǒng)出現(xiàn)大功率波動，如交流饋線三相短路，SOP需要控制模式切換時，該策略可以保證控制模式的平滑切換，且切換過程直流電壓不越限。