含有弱交流電網(wǎng)的電壓源換流站直流電網(wǎng)分級(jí)控制策略
國(guó)網(wǎng)天津市電力公司薊州分公司、南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院的研究人員于永生、馮延暉、邱穎寧、賈建華、肖建超，在2019年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，對(duì)含多個(gè)VSC的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了討論，對(duì)于VSC直流電網(wǎng)中含弱交流系統(tǒng)的復(fù)雜控制情況，本文提出了一種VSC直流電網(wǎng)協(xié)同分級(jí)控制策略。該控制策略根據(jù)交流強(qiáng)電網(wǎng)與換流站中間所隔輸變電系統(tǒng)的數(shù)量將換流站的控制策略分級(jí)，所提控制策略在不同層級(jí)的控制中控制不同的變量。
本文對(duì)不同層級(jí)間的控制變量與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了討論；然后對(duì)該控制策略的設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較優(yōu)化，并對(duì)連接弱電網(wǎng)的不同VSC換流站承擔(dān)電壓和功率的控制進(jìn)行了比較分析；最后在該控制策略中增加了直流側(cè)穩(wěn)壓控制電路，該穩(wěn)壓電路能夠提高整個(gè)直流系統(tǒng)和中間弱交流系統(tǒng)的穩(wěn)定。
隨著電力電子元器件應(yīng)用技術(shù)的提高，直流輸電以及直流電網(wǎng)已成為交流電網(wǎng)的重要補(bǔ)充。直流輸電已在中國(guó)成功運(yùn)行了多年，將中西部多余的電能輸送到東部沿海地區(qū)。同時(shí)特高壓直流輸電正與特高壓交流輸電一起，將西部和北部的風(fēng)電以及太陽(yáng)能發(fā)電，源源不斷的輸送到東部的負(fù)荷中心，為國(guó)家的節(jié)能減排做出重要貢獻(xiàn)。
在城市配電網(wǎng)中，由于空間有限，大部分的輸電都采用電纜作為媒介。在較長(zhǎng)距離的交流電纜輸電中，采用直流輸電的經(jīng)濟(jì)性更好一些，且直流輸電比交流輸電占用的空間小。電壓源換流站（voltage source converter, VSC）的直流電網(wǎng)在整合風(fēng)能與太陽(yáng)能方面有較大優(yōu)勢(shì)，可以使風(fēng)能太陽(yáng)能平滑接入，獨(dú)立控制有功和無(wú)功。鑒于此，基于VSC的直流電網(wǎng)能夠作為城市能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。
隨著直流電網(wǎng)的發(fā)展，直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)的聯(lián)接和控制逐漸成為研究熱點(diǎn)。唐欣等人分析了在VSC連接到弱電網(wǎng)的情況下，基于小信號(hào)穩(wěn)定分析了影響無(wú)源網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的因素，并引入前饋控制增大線路電阻，提高了系統(tǒng)傳輸容量。
文獻(xiàn)[4]提出采用虛擬母線的方式來(lái)提高VSC連接到弱電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力，在電網(wǎng)與公共連接點(diǎn)（PCC）設(shè)置一條虛擬母線，該母線將弱電網(wǎng)和PCC之間的阻抗分為兩個(gè)部分，使得VSC向一個(gè)類似于強(qiáng)電網(wǎng)的虛擬小阻抗的網(wǎng)絡(luò)供電。Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)也應(yīng)用于分析了柔性直流輸電直流側(cè)穩(wěn)定性和交直流互聯(lián)時(shí)的穩(wěn)定性，并用于設(shè)計(jì)了控制參數(shù)。
郭玥等人采用PSCAD/EMTDC對(duì)柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[7]建立了含有多端柔性直流輸電的交直流混合輸電模型。文獻(xiàn)[8]研究了VSC-HVDC（high-voltage direct current, HVDC）系統(tǒng)參與交流電網(wǎng)的黑起動(dòng)能力。
文獻(xiàn)[9]考慮了控制變量的調(diào)整，建立了一個(gè)VSC-HVDC向弱電網(wǎng)供電的線性模型，文獻(xiàn)[10]基于文獻(xiàn)[9]，建立了VSC-HVDC兩端均連接弱電網(wǎng)的模型。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]建立了VSC和弱電網(wǎng)連接的同步聯(lián)接算法模型，但該模型中僅考慮一條VSC-HVDC直流輸電系統(tǒng)，沒(méi)有考慮到弱電網(wǎng)連接多條VSC-HVDC系統(tǒng)的情況。
文獻(xiàn)[11]所述的卸荷電路不僅可以在系統(tǒng)故障時(shí)消耗多余的功率，防止電力系統(tǒng)發(fā)生過(guò)電流和過(guò)電壓，同時(shí)也可以用于直流系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量及過(guò)電壓控制。目前的柔性直流輸電大都采用前饋解耦控制，特別是在與弱交流電網(wǎng)連接中，前饋解耦控制中q軸電流和d軸電流與系統(tǒng)的穩(wěn)定性緊密相關(guān)，文獻(xiàn)[12]研究了當(dāng)VSC連接弱電網(wǎng)時(shí)有功功率和無(wú)功功率與q軸電流和d軸電流的關(guān)系。
目前的關(guān)于柔性直流輸電和弱電網(wǎng)相連接的文獻(xiàn)大都針對(duì)單條柔性直流輸電向弱電網(wǎng)供電的情況，弱電網(wǎng)向柔性支流輸電的情況少有研究。當(dāng)柔性直流輸電向弱電網(wǎng)供電，并且該弱電網(wǎng)又同時(shí)向柔性直流輸電供電的情況下，即兩條柔性直流輸電中間有一個(gè)交流弱電網(wǎng)，涉及該種情況的相關(guān)文獻(xiàn)相對(duì)較少。
對(duì)于弱交流系統(tǒng)與多換流站的連接情況少有研究。本文討論了VSC直流電網(wǎng)中兩個(gè)換流站與弱電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的情況。以無(wú)源網(wǎng)絡(luò)連接兩條VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的模型為例，考慮了直流電網(wǎng)中弱交流電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)直流電網(wǎng)中多換流站運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真分析，提出了一種分級(jí)控制策略。
1 含多個(gè)VSC的直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)VSC直流電網(wǎng)可以采用兩種方式構(gòu)成
1）第一種為所有換流站之間均由直流聯(lián)絡(luò)線連接，即VSC-HVDC中直流輸電線通過(guò)擴(kuò)展（并聯(lián)和串連）組成。該種連接方式中，整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中均為直流輸電。因交流輸電與直流輸電采用的輸電線路參數(shù)型號(hào)不同，所以該種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要重新建設(shè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，該種輸電系統(tǒng)適用于新城區(qū)的規(guī)劃建設(shè)。
2）另外一種是基于現(xiàn)有的交流系統(tǒng)，在已有的交流系統(tǒng)中，接入若干直流輸電線路，該種方式適用于當(dāng)前技術(shù)的改造升級(jí)，不需要拆除原有交流輸電線路，僅當(dāng)現(xiàn)有交流輸電系統(tǒng)輸電容量不滿足使用需求的情況下，增加若干條直流輸電線路饋入交流輸電系統(tǒng)，這種情況在目前的技術(shù)應(yīng)用中較容易實(shí)現(xiàn)，尤其是在城市能源互聯(lián)網(wǎng)配電系統(tǒng)中可以較容易實(shí)現(xiàn)。
隨著負(fù)荷的增大，直流輸電系統(tǒng)會(huì)逐漸增多，若整個(gè)系統(tǒng)中直流輸電占較大部分，則可以稱該網(wǎng)絡(luò)為直流輸電網(wǎng)絡(luò)。隨著系統(tǒng)的逐漸復(fù)雜，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)VSC換流站通過(guò)交流系統(tǒng)連接的情況：①若用于聯(lián)結(jié)換流站的交流系統(tǒng)為強(qiáng)電網(wǎng)時(shí)，則可將整個(gè)直流電網(wǎng)看成由多個(gè)兩端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)組成的直流輸電網(wǎng)；②若用于連接VSC換流站的中間交流系統(tǒng)為弱電網(wǎng)，如圖1和圖2所示情景，則VSC換流站的控制方法有別于兩端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)中的控制，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在目前城市能源互聯(lián)網(wǎng)的情況下，采用風(fēng)能、光能以及其他形式的能源供電時(shí)，在系統(tǒng)中由于天氣情況變化，旋轉(zhuǎn)機(jī)組無(wú)法出力，就會(huì)出現(xiàn)圖1和圖2所示場(chǎng)景。在該種網(wǎng)絡(luò)供電情景中，中間交流系統(tǒng)為交流弱電網(wǎng)，該電網(wǎng)電源均由VSC換流站提供。同時(shí)，基于電網(wǎng)的N?1準(zhǔn)則，該交流弱電網(wǎng)會(huì)由兩條VSC-HVDC來(lái)進(jìn)行供電，該弱交流電網(wǎng)聯(lián)接換流站數(shù)量大于1。
鑒于VSC-HVDC是允許能量雙向流通的，該系統(tǒng)也存在這樣一種情況，弱交流電網(wǎng)向某個(gè)VSC換流站供電的情況，即連接換流站的兩個(gè)換流站中一個(gè)受電一個(gè)供電。在含有交流弱電網(wǎng)中間聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的VSC直流電網(wǎng)，每個(gè)VSC之間互相影響，不能用單獨(dú)考慮一條VSC-HVDC的運(yùn)行情況來(lái)設(shè)計(jì)控制方法和控制策略。
本文對(duì)不同層級(jí)間的控制變量與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了討論；然后對(duì)該控制策略的設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較優(yōu)化，并對(duì)連接弱電網(wǎng)的不同VSC換流站承擔(dān)電壓和功率的控制進(jìn)行了比較分析；最后在該控制策略中增加了直流側(cè)穩(wěn)壓控制電路，該穩(wěn)壓電路能夠提高整個(gè)直流系統(tǒng)和中間弱交流系統(tǒng)的穩(wěn)定。
隨著電力電子元器件應(yīng)用技術(shù)的提高，直流輸電以及直流電網(wǎng)已成為交流電網(wǎng)的重要補(bǔ)充。直流輸電已在中國(guó)成功運(yùn)行了多年，將中西部多余的電能輸送到東部沿海地區(qū)。同時(shí)特高壓直流輸電正與特高壓交流輸電一起，將西部和北部的風(fēng)電以及太陽(yáng)能發(fā)電，源源不斷的輸送到東部的負(fù)荷中心，為國(guó)家的節(jié)能減排做出重要貢獻(xiàn)。
在城市配電網(wǎng)中，由于空間有限，大部分的輸電都采用電纜作為媒介。在較長(zhǎng)距離的交流電纜輸電中，采用直流輸電的經(jīng)濟(jì)性更好一些，且直流輸電比交流輸電占用的空間小。電壓源換流站（voltage source converter, VSC）的直流電網(wǎng)在整合風(fēng)能與太陽(yáng)能方面有較大優(yōu)勢(shì)，可以使風(fēng)能太陽(yáng)能平滑接入，獨(dú)立控制有功和無(wú)功。鑒于此，基于VSC的直流電網(wǎng)能夠作為城市能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。
隨著直流電網(wǎng)的發(fā)展，直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)的聯(lián)接和控制逐漸成為研究熱點(diǎn)。唐欣等人分析了在VSC連接到弱電網(wǎng)的情況下，基于小信號(hào)穩(wěn)定分析了影響無(wú)源網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的因素，并引入前饋控制增大線路電阻，提高了系統(tǒng)傳輸容量。
文獻(xiàn)[4]提出采用虛擬母線的方式來(lái)提高VSC連接到弱電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力，在電網(wǎng)與公共連接點(diǎn)（PCC）設(shè)置一條虛擬母線，該母線將弱電網(wǎng)和PCC之間的阻抗分為兩個(gè)部分，使得VSC向一個(gè)類似于強(qiáng)電網(wǎng)的虛擬小阻抗的網(wǎng)絡(luò)供電。Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)也應(yīng)用于分析了柔性直流輸電直流側(cè)穩(wěn)定性和交直流互聯(lián)時(shí)的穩(wěn)定性，并用于設(shè)計(jì)了控制參數(shù)。
郭玥等人采用PSCAD/EMTDC對(duì)柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[7]建立了含有多端柔性直流輸電的交直流混合輸電模型。文獻(xiàn)[8]研究了VSC-HVDC（high-voltage direct current, HVDC）系統(tǒng)參與交流電網(wǎng)的黑起動(dòng)能力。
文獻(xiàn)[9]考慮了控制變量的調(diào)整，建立了一個(gè)VSC-HVDC向弱電網(wǎng)供電的線性模型，文獻(xiàn)[10]基于文獻(xiàn)[9]，建立了VSC-HVDC兩端均連接弱電網(wǎng)的模型。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]建立了VSC和弱電網(wǎng)連接的同步聯(lián)接算法模型，但該模型中僅考慮一條VSC-HVDC直流輸電系統(tǒng)，沒(méi)有考慮到弱電網(wǎng)連接多條VSC-HVDC系統(tǒng)的情況。
文獻(xiàn)[11]所述的卸荷電路不僅可以在系統(tǒng)故障時(shí)消耗多余的功率，防止電力系統(tǒng)發(fā)生過(guò)電流和過(guò)電壓，同時(shí)也可以用于直流系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量及過(guò)電壓控制。目前的柔性直流輸電大都采用前饋解耦控制，特別是在與弱交流電網(wǎng)連接中，前饋解耦控制中q軸電流和d軸電流與系統(tǒng)的穩(wěn)定性緊密相關(guān)，文獻(xiàn)[12]研究了當(dāng)VSC連接弱電網(wǎng)時(shí)有功功率和無(wú)功功率與q軸電流和d軸電流的關(guān)系。
目前的關(guān)于柔性直流輸電和弱電網(wǎng)相連接的文獻(xiàn)大都針對(duì)單條柔性直流輸電向弱電網(wǎng)供電的情況，弱電網(wǎng)向柔性支流輸電的情況少有研究。當(dāng)柔性直流輸電向弱電網(wǎng)供電，并且該弱電網(wǎng)又同時(shí)向柔性直流輸電供電的情況下，即兩條柔性直流輸電中間有一個(gè)交流弱電網(wǎng)，涉及該種情況的相關(guān)文獻(xiàn)相對(duì)較少。
對(duì)于弱交流系統(tǒng)與多換流站的連接情況少有研究。本文討論了VSC直流電網(wǎng)中兩個(gè)換流站與弱電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的情況。以無(wú)源網(wǎng)絡(luò)連接兩條VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的模型為例，考慮了直流電網(wǎng)中弱交流電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)直流電網(wǎng)中多換流站運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真分析，提出了一種分級(jí)控制策略。
1 含多個(gè)VSC的直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)VSC直流電網(wǎng)可以采用兩種方式構(gòu)成
1）第一種為所有換流站之間均由直流聯(lián)絡(luò)線連接，即VSC-HVDC中直流輸電線通過(guò)擴(kuò)展（并聯(lián)和串連）組成。該種連接方式中，整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中均為直流輸電。因交流輸電與直流輸電采用的輸電線路參數(shù)型號(hào)不同，所以該種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要重新建設(shè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，該種輸電系統(tǒng)適用于新城區(qū)的規(guī)劃建設(shè)。
2）另外一種是基于現(xiàn)有的交流系統(tǒng)，在已有的交流系統(tǒng)中，接入若干直流輸電線路，該種方式適用于當(dāng)前技術(shù)的改造升級(jí)，不需要拆除原有交流輸電線路，僅當(dāng)現(xiàn)有交流輸電系統(tǒng)輸電容量不滿足使用需求的情況下，增加若干條直流輸電線路饋入交流輸電系統(tǒng)，這種情況在目前的技術(shù)應(yīng)用中較容易實(shí)現(xiàn)，尤其是在城市能源互聯(lián)網(wǎng)配電系統(tǒng)中可以較容易實(shí)現(xiàn)。
隨著負(fù)荷的增大，直流輸電系統(tǒng)會(huì)逐漸增多，若整個(gè)系統(tǒng)中直流輸電占較大部分，則可以稱該網(wǎng)絡(luò)為直流輸電網(wǎng)絡(luò)。隨著系統(tǒng)的逐漸復(fù)雜，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)VSC換流站通過(guò)交流系統(tǒng)連接的情況：①若用于聯(lián)結(jié)換流站的交流系統(tǒng)為強(qiáng)電網(wǎng)時(shí)，則可將整個(gè)直流電網(wǎng)看成由多個(gè)兩端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)組成的直流輸電網(wǎng)；②若用于連接VSC換流站的中間交流系統(tǒng)為弱電網(wǎng)，如圖1和圖2所示情景，則VSC換流站的控制方法有別于兩端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)中的控制，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在目前城市能源互聯(lián)網(wǎng)的情況下，采用風(fēng)能、光能以及其他形式的能源供電時(shí)，在系統(tǒng)中由于天氣情況變化，旋轉(zhuǎn)機(jī)組無(wú)法出力，就會(huì)出現(xiàn)圖1和圖2所示場(chǎng)景。在該種網(wǎng)絡(luò)供電情景中，中間交流系統(tǒng)為交流弱電網(wǎng)，該電網(wǎng)電源均由VSC換流站提供。同時(shí)，基于電網(wǎng)的N?1準(zhǔn)則，該交流弱電網(wǎng)會(huì)由兩條VSC-HVDC來(lái)進(jìn)行供電，該弱交流電網(wǎng)聯(lián)接換流站數(shù)量大于1。
鑒于VSC-HVDC是允許能量雙向流通的，該系統(tǒng)也存在這樣一種情況，弱交流電網(wǎng)向某個(gè)VSC換流站供電的情況，即連接換流站的兩個(gè)換流站中一個(gè)受電一個(gè)供電。在含有交流弱電網(wǎng)中間聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的VSC直流電網(wǎng)，每個(gè)VSC之間互相影響，不能用單獨(dú)考慮一條VSC-HVDC的運(yùn)行情況來(lái)設(shè)計(jì)控制方法和控制策略。
