多端柔直电网主动功率平衡协调控制策略

VSC-MTDC系统的发展及控制新需求分析

基于电压源型换流器的多端柔性直流输电(voltage sourced converter based multi-terminal direct current transmission，VSC-MTDC)技术可被用于构建多电源供电、多落点受电的灵活电力系统，适用于大规模可再生能源的并网与消纳。当前VSC-MTDC系统对控制策略的要求日益提高。

1）大规模新能源通过VSC-MTDC系统并网时，一般对大规模新能源接入的换流站采用幅相控制，从而为交流系统提供稳定的交流母线电压。但在幅相控制方式下，换流站将失去对所传输有功功率的主动控制能力，只能被动地传输所连新能源电网的发电功率。在新能源电网出力波动、负荷端功率调整等正常运行工况，以及可能出现的负荷端交流接地故障、换流站闭锁等非正常运行工况下，若直流电网无法及时消纳并网新能源功率，新能源电网有功功率波动将直接引起直流电压的波动，影响直流电网稳定性。因此，新能源的接入提高了VSC-MTDC系统的直流电压控制难度。

2）对于辐射状VSC-MTDC系统的拓扑结构，该拓扑下辐射中心电压稳定时，直流网络中某一直流线路潮流的变化仅影响该线路末端换流站的直流电压，而并不会对其他换流站的直流电压产生影响，因此，相应的直流电压及功率控制方法简单。环状VSC-MTDC系统的拓扑结构中，若通过调节某一端换流站的直流电压来改变其传输的有功功率，必然会对系统中其他换流站的直流电压产生影响，进而影响其他换流站所传输的有功功率，难以独立改变单端换流站的直流电压及其传输的有功功率。因此，环状VSC-MTDC系统的电压控制难度较高。

综上所述，实现直流电压的稳定控制是新形势下VSC-MTDC系统稳定运行的关键问题之一。

02、现有多端协调控制策略特性分析

目前现有的VSC-MTDC多端协调控制策略有主从控制策略其改进的电压裕度控制策略，直流电压下垂及其改进控制策略。

1）主从控制策略及其改进的电压裕度控制策略均属于单点电压控制策略，任意时刻只有单个换流站参与功率调节，对直流系统传输功率的动态调节能力不足，直流系统的功率波动容易引起较大的直流电压波动，直流电压动态稳定性较差。

2）直流电压下垂及其改进的控制策略利用多个或者全部换流站承担功率平衡及电压稳定的功能，直流电压动态特性较好，但存在稳态传输功率精度不足和动态传输功率偏差较大的问题。

03、VSC-MTDC主动功率平衡协调控制策略

主动功率平衡协调控制总体框架如图1所示。选取具有较强有功功率调节能力的换流站作为主功率平衡站，采用电压下垂控制方式；选取对传输功率有一定调节能力的换流站为辅功率平衡站，采用电压下垂控制；对传输功率具有强迫要求的换流站，采取定有功功率控制，与无源网络或大规模新能源电网相连的换流站，采取幅相控制。

图1  主动功率平衡协调控制策略框架

当直流系统潮流发生变化，基于图1所示的主动功率平衡模块计算主平衡站控制中的功率参考值Pbalance，通过调节Pbalance，可在保证直流系统具有良好动态调节特性的同时，使稳态时电压下垂控制站的功率参考值与实际传输功率值的总偏差量为零，保证直流系统运行在标准电压，辅功率平衡站按照参考值精确传输功率。

04、仿真验证

在PSCAD环境下建立了如图1所示的含孤岛风场的并联环形四端VSC-MTDC仿真系统，通过仿真进一步分析各类协调控制策略在含孤岛新能源并网的环形VSC-MTDC系统中的控制特性。在主站发生故障退出场景下，初始时系统稳定运行，2 s时，VSC1因故障闭锁，仿真结果如图2所示。

图2  VSC1退出时的仿真结果

由图2可得，采用所提主动功率平衡协调控制策略时，动态过程中直流电压波动量极小，功率调节时间与主从控制策略相近，且换流站的动态功率偏差仅为直流电压下垂控制策略下的50%，稳态时换流站可精确控制传输的有功功率。

05、结语

基于对现有的多端协调控制策略下VSC-MTDC系统的动态/稳态运行特性分析，提出了一种多端柔直电网主动功率平衡协调控制策略，具有以下优势。

1）主动功率平衡技术可指定合适的主功率平衡站承担系统功率变化，并抑制其他换流站动态传输功率偏差，大幅提高系统动态过程中以及达到稳态后的传输有功功率精度。

2）主动功率平衡技术实现了在动态调节过程中主动消除系统的不平衡功率，进而保证了稳态下直流电网的直流电压控制精度。

3）文中所提控制策略为系统级的协调控制策略，适用于各种类型以及不同拓扑结构的VSC-MTDC系统。

原文发表在《电力系统自动化》2019年第43卷第17期，欢迎品读！