基于组合方式的多端柔性直流输电系统控制

叶林

摘  要：基于组合方式的多端柔性直流输电系统在特高压直流输电、孤岛供电、直流配电网、分布式能源接入等领域具有显著优势，因此得到广泛研究与应用。稳定的直流电压控制和负载功率合理匹配是多端柔性直流输电系统控制的核心，因此研究基于组合方式的多端柔性直流输电系统控制方法具有重要意义。该文分析了基于组合方式的多端柔性直流输电系统控制方法，为多端柔性直流输电系统的设计与应用提供理论借鉴。

关键词：多端直流;柔性直流输电系统;控制方法;直流电压控制

中图分类号：TM722        文献标志码：A

0 引言

步入21世纪以来，随着工业化和电气化的不断提高，电力能源逐渐成为世界各国秉力发展的重要来源之一。在我国，电力能源承担着实现国民经济大发展的重任，其重要地位不言而喻。然而，对电力能源需求不断扩大以及我国东西部不平衡的发展状况，导致我国电力能源分布不均必须依赖跨区域的输电系统实现全国电力能源的均衡。传统的交流输电系统和两端直流输电系统正在发挥着不可替代的作用。然而，随着新能源分布式发电接入、孤岛供电、城市供电、配电网设置等应用领域的扩大，传统的两端直流输电系统已经难以适应时代的发展，多端直流输电系统（Multi Terminal Direct Current ，MTDC）逐渐成为研究和应用的热点。

传统直流输电系统因可控性强、电压等级高等特点得到广泛应用。但是常规直流输电系统基本采用电流源型换流器（Line Commutated Converter，LCC），实际运行中存在吸收无功、需改变直流电压极性才可改变功率输送方向，因此不适用于多端直流输电系统。相比LCC，电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）具有较小的电力损耗和动态无功补偿等优势，使多端柔性直流输电系统（Voltage Source Converter Based-Multi-Terminal Direct Current ，VSC-MTDC）实际应用成为可能。VSC-MTDC相比两端直流输电系统具有更加灵活的结构，但是也给VSC-MTDC的控制设计带来挑战。该文将分析针对VSC-MTDC的控制方法，通过梳理VSC-MTDC控制方法和策略，为VSC-MTDC的设计与应用提供理论借鉴。

1 多端柔性直流输电系统介绍

多端柔性直流输电系统（VSC-MTDC）是指拥有3个或以上的换流器，通过并联或串联而组成的直流输电系统。相比传统的两端直流输电系统，VSC-MTDC系统具有更加灵活的控制方式、更低的输电成本，支持多电源供电、多落点受电、高安全性、高稳定性等优点，因此得到广泛应用。

目前VSC-MTDC系统常用的网络拓扑结构包括串联拓扑结构、并联拓扑结构及混联拓扑结构，如图1所示。串联拓扑结构是将所有的变换器以串联的形式级联在一起，串联拓扑结构的VSC-MTDC系统，变换器承受的电流是相同的，通过调节直流侧电压实现负载端功率分配。串联拓扑结构的VSC-MTDC系统容易受到线路故障、变换器故障等问题造成全系统供电故障，可靠性较低。并联拓扑结构VSC-MTDC系统采取的是并联端口直流母线电压相同，通过调节输送直流电流实现功率匹配。并联拓扑结构的VSC-MTDC系统具有方便清除故障、系统动态稳定性高等优势。混聯拓扑结构的VSC-MTDC系统是既有串联结构也有并联结构的输电系统结构，这种输电系统拓扑结构有效结合了串联拓扑结构和并联拓扑结构的优势，既能极大地提高系统灵活性，也能减少直流输电系统的能耗损失。

2 VSC-MTDC系统控制方法与策略

随着VSC-MTDC系统在电力能源输送保证中应用越来越广泛，VSC-MTDC系统的网络拓扑结构越来越复杂，因此不断增加VSC-MTDC系统的控制难度。针对不同的VSC-MTDC系统，选择合适的控制方式与控制策略，对提高VSC-MTDC系统的输电效率具有重要意义。目前，VSC-MTDC系统应用的控制方法与策略主要有以下3种：下垂控制、主从控制及电压裕度控制。下面将分别介绍3种主要的VSC-MTDC系统控制方法。

2.1 VSC-MTDC系统电压型下垂控制

VSC-MTDC系统电压型下垂控制是将VSC-MTDC系统中各个端口的直流侧输出电压控制为定值，并配合有功功率实现对VSC-MTDC系统的控制。由于VSC-MTDC系统中不存在无功功率，而有功功率与直流电压之间存在线性约束，因此电压型下垂控制实际属于一种存在静态偏差的控制策略。

传统的电压型下垂控制策略，通过调整下垂系数实现VSC-MTDC系统中直流电压和有功功率的分配。而下垂系数的取值，则是影响VSC-MTDC系统直流电压质量的重要影响因素。下垂系数取值过大，会导致VSC-MTDC系统输出直流电压低于实际电压;下垂系数取值过小，则会导致VSC-MTDC系统功率分配性能差。因此，如何选取下垂系数是传统电压型下垂控制策略的关键之一。

电压型下垂控制的优势在于，在多个变换站之间形成协同控制时，无须过度依赖VSC-MTDC系统的上层控制，而且对各个变换站之间的信号传输速度和精度要求不高，比较适应于结构简单的VSC-MTDC系统。但是，采用电压型下垂控制的VSC-MTDC系统，一旦发生大范围、长时间的功率波动，则VSC-MTDC系统无法保证自身稳定性。因此，基于电压型的下垂控制策略只是能用于功率稳定、波动较小的VSC-MTDC系统。

2.2 VSC-MTDC系统主从控制

主从控制就是对VSC-MTDC系统进行主变换站、从变换站“角色”设置，并分别对主变换站和从变换站采取不同的控制策略。对于某一个VSC-MTDC系统，假设其由3个变换站组成，其中A为主变换站，其具有足够大的容量，可对变换站的直流侧实施输出电压控制，从而确保A变换站输出的电压是恒定的。另外有B和C两个变换站，B变换站通过控制有功功率，C变换站通过控制交流电压，实现对直流输电线路的控制。在3个变换站主从控制过程中，要求A变换站线路损耗视为零损耗，B变换站有功功率恒定，C变换站交流电压恒定。3个变换站的协同控制就形成主从控制策略。

雖然主从控制比较容易实现，但需要保证3个变换站间的信号传输速度和精度较高，且对VSC-MTDC系统的顶层控制具有较高的依赖性，因此常用于两端直流输电系统中。

2.3 VSC-MTDC系统电压裕度控制

由于主从控制对VSC-MTDC系统的顶层控制依赖性较高，且对变换站之间的通信速度和精度要求高等特点，使其无法适应于长距离的特高压直流柔性输电系统。为此，对于长距离柔性直流输电系统而言，常采用电压裕度控制策略。

电压裕度控制就是在主从控制的基础上，主变换站不仅要控制恒定的输出电压，而且还应具有功率控制余量，因此当VSC-MTDC系统受到输电电流干扰时，可通过主变换站的电压裕度控制实现功率控制与调节。与之对应，从变换站也在原有功率或交流电压控制基础上，增加了输电系统电压裕度控制余量。当VSC-MTDC系统存在干扰并造成功率超限时，从变换站可通过电压裕度控制实现功率和电压的交替控制调节，确保VSC-MTDC系统的稳定运行。

电压裕度控制策略常采用模拟控制法，将VSC-MTDC系统直流电压控制和有功功率控制切换过程进行模拟控制。在电压裕度控制下进行直流电压和有功功率切换时，如果电压值超过控制策略中设定的电压裕度，可采用PI控制器对直流电压控制和有功功率控制进行切换。此外，在切换过程中，单独的直流电压控制与有功功率控制相互排斥。目前，通过改进电压裕度控制算法，已经可以实现直流电压控制与有功功率控制之间的快速切换，在切换过程中能更好地调整和控制VSC-MTDC系统直流母线电压。

3 结语

在我国“西电东送”、节能减排、分布式能源发展等电力能源应用的背景下，VSC-MTDC系统这种新颖的输电技术逐渐成为研究和应用的热点。随着VSC-MTDC系统的网络结构越来越复杂，对控制策略的要求也越来越高。该文通过对VSC-MTDC系统的结构形式和控制方式的分析，在VSC-MTDC系统研究和构建过程中，必须结合VSC-MTDC系统的结构特点，有针对性地设计控制方式和控制策略，从而确保VSC-MTDC系统能够稳定、可靠地运行。

参考文献

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