自適應(yīng)下垂控制策略研究摘要：多端柔性直流（VoltageSourceConverterMulti-TerminalDC，VSC-MTDC）輸電系統(tǒng)具有多個(gè)送端和受端，潮流控制靈活，在聯(lián)結(jié)風(fēng)電場、無源工業(yè)負(fù)荷方面有很大優(yōu)勢。其控制的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于保障直流電壓的穩(wěn)定以及實(shí)現(xiàn)多個(gè)換流站之間的協(xié)調(diào)配合。通過分析VSC-MTDC輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行特性，提出一種下垂控制策略，其下垂系數(shù)能夠跟隨系統(tǒng)運(yùn)行工況變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)，不僅實(shí)現(xiàn)了各個(gè)換流站功率的協(xié)調(diào)分配，避免了過載現(xiàn)象的出現(xiàn)；同時(shí)，也加快了換流站對功率擾動(dòng)的響應(yīng)速度，改善了系統(tǒng)直流電壓質(zhì)量。關(guān)鍵詞：多端柔性直流輸電"自適應(yīng)"直流電壓質(zhì)量"功率裕度"協(xié)調(diào)配合ResearchonVSC-MTDCAdaptiveDroopControlStrategyZHAOQiaoling1JIATingting1ZHANGJianming2LIUKaidi11.LanzhouResourcesandEnvironmentVoc-TechUniversity，Lanzhou，GansuProvince，730021China;2LanzhouYinengElectricPowerDesignConsultingCo.，Ltd.，Lanzhou，GansuProvince，730050ChinaAbstract：TheVoltageSourceConverterMulti-TerminalDC（VSC-MTDC）transmissionsystemhasmultiplesendingandreceivingends，anditsflowcontrolisflexible，whichhasgreatadvantagesinconnectingwindfarmsandpassiveindustrialloads.Thekeyanddifficultyinitscontrolliesinensuringthestabilityofthedirectcurrentvoltageandachievingcoordinatedcooperationamongmultipleconverterstations.Byanalyzingthesteady-stateandtransientoperatingcharacteristicsoftheVSC-MTDCsystem，thisarticleproposesanadaptivedroopcontrolstrategy，whosedroopcoefficientcanbeadaptivelyadjustedaccordingtotheneedsoftheoperatingconditions，whichnotonlyrealizesthecoordinatedallocationofpoweramongvariousconverterstationsandavoidingoverloading;butalsoacceleratestheconverterstation'sresponsespeedtopowerdisturbancesandimprovesthequalityofthesystem'sdirectcurrentvoltageatthesametime.KeyWords：VSC-MTDCtransmission;Adaptive;DCvoltagequality;Powermargin;Coordinationandcooperation我國“三北”地區(qū)有豐富的風(fēng)電能源，但當(dāng)?shù)氐碾娔芟{能力有限，造成了很多地方出現(xiàn)“棄風(fēng)”現(xiàn)象，既造成了能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)對風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展很不利。多端柔性直流（VoltageSourceConverterMulti-TerminalDC，VSC-MTDC）輸電系統(tǒng)"是解決風(fēng)電“棄風(fēng)”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電能源大規(guī)模遠(yuǎn)距離向外輸送的有效技術(shù)之一[1-2]。同時(shí)，VSC-MTDC能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制、向無源負(fù)荷供電等，具有很好的發(fā)展前景[3]。VSC-MTDC具有多個(gè)送端和受端，其控制策略也更為復(fù)雜。其中，直流電壓的控制與多個(gè)換流站之間的協(xié)調(diào)配合是關(guān)鍵。本文在分析研究VSC-MTDC輸電系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，提出一種自適應(yīng)下垂控制策略，以改善直流電壓質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)換流站功率的協(xié)調(diào)分配。1"VSC-MTDC輸電系統(tǒng)的控制原理1.1"VSC-MTDC輸電系統(tǒng)模型本文建立了四端VSC-MTDC輸電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。、表示換流站i注入直流網(wǎng)絡(luò)的有功功率和無功功率。1.2換流站的模型單個(gè)換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。圖2中，PCC，是指公共耦合點(diǎn)（PointofCommonCoupling，PCC）。PCC點(diǎn)的電壓為，聯(lián)接PCC點(diǎn)和換流站間的等效電阻和電感分別用和來表示，直流側(cè)等效電容用C來表示。為換流站交流側(cè)電壓；為系統(tǒng)直流電壓。換流站在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型"""""（1）式（1）中，、為PCC點(diǎn)電壓的d、q軸分量，其他物理量依此類推。1.3換流站的控制圖1所示的四端VSC-MTDC輸電系統(tǒng)中，4個(gè)換流站外環(huán)無功均采用定無功功率控制，但外環(huán)有功卻各不相同。其中，換流站VSC1、VSC3與VSC4聯(lián)接交流電網(wǎng)，控制策略如圖3（b），外環(huán)有功采用下垂控制；換流站VSC2聯(lián)結(jié)的是風(fēng)電場，其外環(huán)采用定有功功率，如圖3（a）所示，按照風(fēng)電場最大功率跟蹤曲線（MaximumPowerPointTracking，MPPT）實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場輸出功率的精確跟蹤[5]。圖3中，、、分別為有功功率給定值、無功功率給定值、直流電壓給定值。2"VSC-MTDC輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析2.1"VSC-MTDC輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性為方便分析，對系統(tǒng)中的n個(gè)換流站進(jìn)行編號(hào)，其中：前m個(gè)換流站聯(lián)接交流電網(wǎng)，換流站雙閉環(huán)控制策略依據(jù)圖3（b）；后（n-m）個(gè)換流站聯(lián)結(jié)大型風(fēng)電場，換流站雙閉環(huán)控制策略依據(jù)圖3（a）。系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行過程中，應(yīng)滿足如下功率平衡關(guān)系：式（2）中，為VSC-MTDC系統(tǒng)功率損耗等效值。編號(hào)為1～m的換流站采用下垂控制策略，其控制特性可表示為：編號(hào)為1～m的換流站輸出功率之和可表示為：將（4）式代入（2）式后，可得到：直流電壓偏差。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在任一工作點(diǎn)a時(shí)，其直流電壓偏差應(yīng)為零，可將（5）式化簡為：2.2"VSC-MTDC輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析如果VSC-MTDC系統(tǒng)中某一換流站因故障退出運(yùn)行，或換流站聯(lián)結(jié)的風(fēng)電場出現(xiàn)大幅功率波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)直流電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，偏離穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，直流電壓偏差將不再為零，換流站輸出功率也會(huì)發(fā)生改變。下面從兩種情況出發(fā)，分析影響直流電壓偏差的大小、換流站輸出功率的變化的因素。編號(hào)為1～m的換流站因故障退出運(yùn)行。編號(hào)為1～m中的任一換流站f因故障退出運(yùn)行，VSC-MTDC輸電系統(tǒng)在其他換流站的控制下，經(jīng)過一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)后運(yùn)行在新的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)b，此時(shí)系統(tǒng)的功率平衡方程式為：換流站f退出運(yùn)行前后系統(tǒng)功率損耗等效值不變，即滿足。同時(shí)，因?yàn)榫幪?hào)為（m+1）～n換流站采用定有功功率控制，在換流站f退出運(yùn)行前后這些換流站的功率滿足。式（7）減去式（6），并將其化簡，可以得到換流站f退出運(yùn)行前后系統(tǒng)直流電壓偏差，可以表示為：將式（8）代入式（3），可以得到編號(hào)為h（）的任一換流站輸出功率變化量為編號(hào)為的換流站（m+1）～n退出運(yùn)行（或其所聯(lián)結(jié)的風(fēng)電場輸出功率出現(xiàn)大幅波動(dòng)）。當(dāng)編號(hào)為（m+1）～n中的某一換流站退出運(yùn)行，或其所聯(lián)結(jié)的風(fēng)電場輸出功率出現(xiàn)大幅波動(dòng)時(shí)，分析方法和情況一類似，可以得到直流電壓偏差，可以表示為：按照同樣的分析方法得到編號(hào)為1～m中的任一換流站h輸出功率變化量為：3"VSC-MTDC輸電系統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制策略VSC-MTDC輸電系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，有功功率會(huì)不平衡，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)直流電壓發(fā)生波動(dòng)，偏離控制設(shè)定值，這時(shí)外環(huán)采用下垂控制的換流站將調(diào)整其輸出功率的大小，使系統(tǒng)有功功率盡快恢復(fù)到平衡，從而保證了直流電壓的質(zhì)量[6]。但由于在下垂控制過程中，下垂系數(shù)K是固定不變的，就會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問題。（1）直流電壓和精確的功率跟蹤之間相互制約。由式（3）可知，功率跟蹤和直流電壓之間是相互制約的關(guān)系：下垂系數(shù)設(shè)置較小時(shí)，直流電壓質(zhì)量好，K=0時(shí)，下垂控制變?yōu)槎ㄖ绷麟妷嚎刂疲幌麓瓜禂?shù)增大時(shí)，功率跟蹤性好，K=∞時(shí)，下垂控制變?yōu)槎ㄓ泄β士刂?。因此，?dāng)下垂系數(shù)固定時(shí)，很難隨著系統(tǒng)運(yùn)行工況的需求來克服二者之間的制約關(guān)系。（2）當(dāng)有多個(gè)換流站采用下垂控制時(shí)，一旦系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)，多個(gè)換流站之間無法根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況合理分配功率，導(dǎo)致有些換流站輕載運(yùn)行而有些換流站嚴(yán)重過載。由式（9）和式（11）可知，換流站輸出功率變化量與下垂系數(shù)成反比。采用下垂控制的換流站之間功率的分配：下垂系數(shù)越小的換流站承擔(dān)的功率分配任務(wù)越重。當(dāng)下垂系數(shù)固定時(shí)，換流站之間功率分配任務(wù)也是固定的，不能根據(jù)運(yùn)行工況的需求靈活調(diào)整，很容易出現(xiàn)換流站過載現(xiàn)象。為解決上述問題，本文提出一種自適應(yīng)下垂控制策略。該策略在控制控制過程中引入直流電壓偏差，其大小和方向可反映出系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行工況的變化[6]。當(dāng)檢測到較?。矗r(shí)，下垂系數(shù)k保持初始值K0不變；當(dāng)檢測到較大（即或）時(shí)，下垂系數(shù)k根據(jù)運(yùn)行況的需求自行調(diào)節(jié)大小，具體計(jì)算方法如下。式（12）中：表示編號(hào)為i的換流站的實(shí)時(shí)功率值；表示編號(hào)為i的換流站最大輸出功率值；滿足、，取為直流電壓設(shè)定值的0.01倍。4"仿真分析在Matlab/Simulink建立圖1所示四端VSC-MTDC輸電系統(tǒng)，其中VSC1、VSC3、VSC4外環(huán)控制采用P-V下垂控制，下垂控制過程中的公共直流電壓取VSC1側(cè)的直流電壓；VSC2聯(lián)接風(fēng)電場，外環(huán)控制采用定有功功率控制。系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1，為了更清楚地對比不同控制策略下系統(tǒng)仿真結(jié)果，本文采用標(biāo)幺值表示。4.1換流站VSC2退出運(yùn)行分析初始時(shí)刻系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，VSC1和VSC2注入直流輸電網(wǎng)絡(luò)的有功功率分別為1.5pu和1pu，VSC3和VSC4從直流輸電網(wǎng)絡(luò)汲取的有功功率分別為1pu和1.5pu。系統(tǒng)運(yùn)行至1.5s時(shí)刻，采用定有功功率控制的VSC2退出運(yùn)行。剩余換流站分別采用定下垂系數(shù)控制和本文所提自適應(yīng)下垂控制，仿真結(jié)果如圖4所示。4個(gè)換流站有功功率仿真結(jié)果如圖4（a）所示，對比采用兩種控制方法時(shí)VSC1有功功率P1的波形：當(dāng)下垂系數(shù)固定時(shí)，換流站VSC1立即過載；當(dāng)下垂系數(shù)按照本文所提策略自適應(yīng)變化時(shí)，換流站VSC1沒有過載。圖4（b）是系統(tǒng)直流電壓仿真結(jié)果。對比采用兩種控制方法時(shí)直流電壓波形，當(dāng)下垂系數(shù)按照本文所提方法自適應(yīng)變化時(shí)，直流電壓恢復(fù)速度明顯加快，波動(dòng)幅度較小。圖4（c）表示的是采用自適應(yīng)下垂控制方法時(shí)，剩余換流站VSC1、VSC3、VSC4的下垂系數(shù)變化曲線。當(dāng)直流電壓波動(dòng)幅度超過0.01pu時(shí)，控制器根據(jù)系統(tǒng)直流電壓的變化情形與各換流站實(shí)時(shí)功率裕度進(jìn)行下垂系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；當(dāng)直流電壓波動(dòng)幅度小于0.01pu時(shí)，下垂系數(shù)保持原值不再變化。由圖4（a）和圖4（c）可以看出，在下垂系數(shù)的自適應(yīng)變化過程中，VSC4的實(shí)時(shí)功率裕度最大，其下垂系數(shù)最小，承擔(dān)不平衡功率分配量最多；VSC1的實(shí)時(shí)功率裕度最小，其下垂系數(shù)最大，承擔(dān)不平衡功率分配量最少。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)下垂系數(shù)按照本文所提出的方法自適應(yīng)變化時(shí)，換流站能夠充分利用自身實(shí)時(shí)功率裕度，快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡。4.2換流站VSC4退出運(yùn)行分析初始時(shí)刻，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行至1.5s時(shí)刻，采用下垂控制的VSC4退出運(yùn)行。保持換流站VSC2控制方式不變，當(dāng)換流站VSC1和VSC3分別采用定下垂系數(shù)控制和本文所提自適應(yīng)下垂控制，仿真結(jié)果如圖5所示。4個(gè)換流站有功功率仿真結(jié)果如圖5（a）所示，對比采用兩種控制方法時(shí)VSC3有功功率P3的波形：當(dāng)下垂系數(shù)固定時(shí)，換流站VSC3立即過載；當(dāng)下垂系數(shù)按照本文所提策略自適應(yīng)變化時(shí)，換流站VSC3沒有過載。圖5（b）是系統(tǒng)直流電壓仿真結(jié)果。對比采用兩種控制方法時(shí)直流電壓波形，當(dāng)下垂系數(shù)按照本文所提方法自適應(yīng)變化時(shí)，直流電壓恢復(fù)速度明顯加快，波動(dòng)幅度較小。圖5（c）表示的是采用自適應(yīng)下垂控制方法時(shí)，剩余換流站VSC1、VSC3的下垂系數(shù)變化曲線。綜合圖5（a）和圖5（c）發(fā)現(xiàn)，換流站VSC4退出運(yùn)行后，換流站VSC1具有最大實(shí)時(shí)功率裕度，采用本文所提自適應(yīng)下垂控制策略時(shí)，VSC1的下垂系數(shù)最小，使得VSC1分配最多的不平衡功率；換流站VSC3具有最小實(shí)時(shí)功率裕度，采用本文所提自適應(yīng)下垂控制策略時(shí)，VSC3的下垂系數(shù)最大，使得VSC3分配最少的不平衡功率。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)下垂系數(shù)按照本文所提方法自適應(yīng)變化時(shí)，換流站能夠充