含有弱交流電網(wǎng)的電壓源換流站直流電網(wǎng)分級控制策略
國網(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，對含多個VSC的直流輸電系統(tǒng)進行了討論，對于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)同分級控制策略。該控制策略根據(jù)交流強電網(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，所提控制策略在不同層級的控制中控制不同的變量。
本文對不同層級間的控制變量與系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系進行了討論；然后對該控制策略的設(shè)計進行了比較優(yōu)化，并對連接弱電網(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)的重要補充。直流輸電已在中國成功運行了多年，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)電以及太陽能發(fā)電，源源不斷的輸送到東部的負(fù)荷中心，為國家的節(jié)能減排做出重要貢獻。
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。在較長距離的交流電纜輸電中，采用直流輸電的經(jīng)濟性更好一些，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)能與太陽能方面有較大優(yōu)勢，可以使風(fēng)能太陽能平滑接入，獨立控制有功和無功。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。唐欣等人分析了在VSC連接到弱電網(wǎng)的情況下，基于小信號穩(wěn)定分析了影響無源網(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[4]提出采用虛擬母線的方式來提高VSC連接到弱電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力，在電網(wǎng)與公共連接點（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部分，使得VSC向一個類似于強電網(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)時的穩(wěn)定性，并用于設(shè)計了控制參數(shù)。
郭玥等人采用PSCAD/EMTDC對柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用進行了仿真分析。文獻[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[8]研究了VSC-HVDC（high-voltage direct current, HVDC）系統(tǒng)參與交流電網(wǎng)的黑起動能力。
文獻[9]考慮了控制變量的調(diào)整，建立了一個VSC-HVDC向弱電網(wǎng)供電的線性模型，文獻[10]基于文獻[9]，建立了VSC-HVDC兩端均連接弱電網(wǎng)的模型。文獻[9]和文獻[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)，沒有考慮到弱電網(wǎng)連接多條VSC-HVDC系統(tǒng)的情況。
文獻[11]所述的卸荷電路不僅可以在系統(tǒng)故障時消耗多余的功率，防止電力系統(tǒng)發(fā)生過電流和過電壓，同時也可以用于直流系統(tǒng)起動時系統(tǒng)的超調(diào)量及過電壓控制。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[12]研究了當(dāng)VSC連接弱電網(wǎng)時有功功率和無功功率與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)相連接的文獻大都針對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交流弱電網(wǎng)，涉及該種情況的相關(guān)文獻相對較少。
對于弱交流系統(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)中兩個換流站與弱電網(wǎng)進行能量交換的情況。以無源網(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)的動態(tài)特性，對直流電網(wǎng)中多換流站運行特性進行了仿真分析，提出了一種分級控制策略。
1 含多個VSC的直流輸電系統(tǒng)運行特性對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中直流輸電線通過擴展（并聯(lián)和串連）組成。該種連接方式中，整個電力網(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，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)中可以較容易實現(xiàn)。
隨著負(fù)荷的增大，直流輸電系統(tǒng)會逐漸增多，若整個系統(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)中會出現(xiàn)VSC換流站通過交流系統(tǒng)連接的情況：①若用于聯(lián)結(jié)換流站的交流系統(tǒng)為強電網(wǎng)時，則可將整個直流電網(wǎng)看成由多個兩端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，需要重新進行設(shè)計。
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，在系統(tǒng)中由于天氣情況變化，旋轉(zhuǎn)機組無法出力，就會出現(xiàn)圖1和圖2所示場景。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，基于電網(wǎng)的N?1準(zhǔn)則，該交流弱電網(wǎng)會由兩條VSC-HVDC來進行供電，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VSC換流站供電的情況，即連接換流站的兩個換流站中一個受電一個供電。在含有交流弱電網(wǎng)中間聯(lián)絡(luò)點的VSC直流電網(wǎng)，每個VSC之間互相影響，不能用單獨考慮一條VSC-HVDC的運行情況來設(shè)計控制方法和控制策略。
本文對不同層級間的控制變量與系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系進行了討論；然后對該控制策略的設(shè)計進行了比較優(yōu)化，并對連接弱電網(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)的重要補充。直流輸電已在中國成功運行了多年，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)電以及太陽能發(fā)電，源源不斷的輸送到東部的負(fù)荷中心，為國家的節(jié)能減排做出重要貢獻。
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。在較長距離的交流電纜輸電中，采用直流輸電的經(jīng)濟性更好一些，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)能與太陽能方面有較大優(yōu)勢，可以使風(fēng)能太陽能平滑接入，獨立控制有功和無功。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。唐欣等人分析了在VSC連接到弱電網(wǎng)的情況下，基于小信號穩(wěn)定分析了影響無源網(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[4]提出采用虛擬母線的方式來提高VSC連接到弱電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力，在電網(wǎng)與公共連接點（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部分，使得VSC向一個類似于強電網(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)時的穩(wěn)定性，并用于設(shè)計了控制參數(shù)。
郭玥等人采用PSCAD/EMTDC對柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用進行了仿真分析。文獻[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[8]研究了VSC-HVDC（high-voltage direct current, HVDC）系統(tǒng)參與交流電網(wǎng)的黑起動能力。
文獻[9]考慮了控制變量的調(diào)整，建立了一個VSC-HVDC向弱電網(wǎng)供電的線性模型，文獻[10]基于文獻[9]，建立了VSC-HVDC兩端均連接弱電網(wǎng)的模型。文獻[9]和文獻[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)，沒有考慮到弱電網(wǎng)連接多條VSC-HVDC系統(tǒng)的情況。
文獻[11]所述的卸荷電路不僅可以在系統(tǒng)故障時消耗多余的功率，防止電力系統(tǒng)發(fā)生過電流和過電壓，同時也可以用于直流系統(tǒng)起動時系統(tǒng)的超調(diào)量及過電壓控制。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[12]研究了當(dāng)VSC連接弱電網(wǎng)時有功功率和無功功率與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)相連接的文獻大都針對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交流弱電網(wǎng)，涉及該種情況的相關(guān)文獻相對較少。
對于弱交流系統(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)中兩個換流站與弱電網(wǎng)進行能量交換的情況。以無源網(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)的動態(tài)特性，對直流電網(wǎng)中多換流站運行特性進行了仿真分析，提出了一種分級控制策略。
1 含多個VSC的直流輸電系統(tǒng)運行特性對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中直流輸電線通過擴展（并聯(lián)和串連）組成。該種連接方式中，整個電力網(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，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)中可以較容易實現(xiàn)。
隨著負(fù)荷的增大，直流輸電系統(tǒng)會逐漸增多，若整個系統(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)中會出現(xiàn)VSC換流站通過交流系統(tǒng)連接的情況：①若用于聯(lián)結(jié)換流站的交流系統(tǒng)為強電網(wǎng)時，則可將整個直流電網(wǎng)看成由多個兩端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，需要重新進行設(shè)計。
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，在系統(tǒng)中由于天氣情況變化，旋轉(zhuǎn)機組無法出力，就會出現(xiàn)圖1和圖2所示場景。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，基于電網(wǎng)的N?1準(zhǔn)則，該交流弱電網(wǎng)會由兩條VSC-HVDC來進行供電，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VSC換流站供電的情況，即連接換流站的兩個換流站中一個受電一個供電。在含有交流弱電網(wǎng)中間聯(lián)絡(luò)點的VSC直流電網(wǎng)，每個VSC之間互相影響，不能用單獨考慮一條VSC-HVDC的運行情況來設(shè)計控制方法和控制策略。
