含有弱交流电网的电压源换流站直流电网分级控制策略研究
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国网天津市电力公司蓟州分公司、南京理工大学能源与动力工程学院的研究人员于永生、冯延晖、邱颖宁、贾建华、肖建超，在2019年第3期《电气技术》杂志上撰文，对含多个VSC的直流输电系统进行了讨论，对于VSC直流电网中含弱交流系统的复杂控制情况，本文提出了一种VSC直流电网协同分级控制策略。该控制策略根据交流强电网与换流站中间所隔输变电系统的数量将换流站的控制策略分级，所提控制策略在不同层级的控制中控制不同的变量。
本文对不同层级间的控制变量与系统动态响应的关系进行了讨论；然后对该控制策略的设计进行了比较优化，并对连接弱电网的不同VSC换流站承担电压和功率的控制进行了比较分析；最后在该控制策略中增加了直流侧稳压控制电路，该稳压电路能够提高整个直流系统和中间弱交流系统的稳定。
随着电力电子元器件应用技术的提高，直流输电以及直流电网已成为交流电网的重要补充。直流输电已在中国成功运行了多年，将中西部多余的电能输送到东部沿海地区。同时特高压直流输电正与特高压交流输电一起，将西部和北部的风电以及太阳能发电，源源不断的输送到东部的负荷中心，为国家的节能减排做出重要贡献。
在城市配电网中，由于空间有限，大部分的输电都采用电缆作为媒介。在较长距离的交流电缆输电中，采用直流输电的经济性更好一些，且直流输电比交流输电占用的空间小。电压源换流站（voltage source converter, VSC）的直流电网在整合风能与太阳能方面有较大优势，可以使风能太阳能平滑接入，独立控制有功和无功。鉴于此，基于VSC的直流电网能够作为城市能源互联网的重要组成部分。
随着直流电网的发展，直流电网与交流电网的联接和控制逐渐成为研究热点。唐欣等人分析了在VSC连接到弱电网的情况下，基于小信号稳定分析了影响无源网络传输容量的因素，并引入前馈控制增大线路电阻，提高了系统传输容量。
文献[4]提出采用虚拟母线的方式来提高VSC连接到弱电网的动态稳定性和响应能力，在电网与公共连接点（PCC）设置一条虚拟母线，该母线将弱电网和PCC之间的阻抗分为两个部分，使得VSC向一个类似于强电网的虚拟小阻抗的网络供电。Middlebrook稳定性判据也应用于分析了柔性直流输电直流侧稳定性和交直流互联时的稳定性，并用于设计了控制参数。
郭玥等人采用PSCAD/EMTDC对柔性直流输电在城市配电网中的应用进行了仿真分析。文献[7]建立了含有多端柔性直流输电的交直流混合输电模型。文献[8]研究了VSC-HVDC（high-voltage direct current, HVDC）系统参与交流电网的黑起动能力。
文献[9]考虑了控制变量的调整，建立了一个VSC-HVDC向弱电网供电的线性模型，文献[10]基于文献[9]，建立了VSC-HVDC两端均连接弱电网的模型。文献[9]和文献[10]建立了VSC和弱电网连接的同步联接算法模型，但该模型中仅考虑一条VSC-HVDC直流输电系统，没有考虑到弱电网连接多条VSC-HVDC系统的情况。
文献[11]所述的卸荷电路不仅可以在系统故障时消耗多余的功率，防止电力系统发生过电流和过电压，同时也可以用于直流系统起动时系统的超调量及过电压控制。目前的柔性直流输电大都采用前馈解耦控制，特别是在与弱交流电网连接中，前馈解耦控制中q轴电流和d轴电流与系统的稳定性紧密相关，文献[12]研究了当VSC连接弱电网时有功功率和无功功率与q轴电流和d轴电流的关系。
目前的关于柔性直流输电和弱电网相连接的文献大都针对单条柔性直流输电向弱电网供电的情况，弱电网向柔性支流输电的情况少有研究。当柔性直流输电向弱电网供电，并且该弱电网又同时向柔性直流输电供电的情况下，即两条柔性直流输电中间有一个交流弱电网，涉及该种情况的相关文献相对较少。
对于弱交流系统与多换流站的连接情况少有研究。本文讨论了VSC直流电网中两个换流站与弱电网进行能量交换的情况。以无源网络连接两条VSC-HVDC输电系统的模型为例，考虑了直流电网中弱交流电网的动态特性，对直流电网中多换流站运行特性进行了仿真分析，提出了一种分级控制策略。
1 含多个VSC的直流输电系统运行特性对VSC直流电网可以采用两种方式构成
1）第一种为所有换流站之间均由直流联络线连接，即VSC-HVDC中直流输电线通过扩展（并联和串连）组成。该种连接方式中，整个电力网络系统中均为直流输电。因交流输电与直流输电采用的输电线路参数型号不同，所以该种网络系统需要重新建设系统网络，该种输电系统适用于新城区的规划建设。
2）另外一种是基于现有的交流系统，在已有的交流系统中，接入若干直流输电线路，该种方式适用于当前技术的改造升级，不需要拆除原有交流输电线路，仅当现有交流输电系统输电容量不满足使用需求的情况下，增加若干条直流输电线路馈入交流输电系统，这种情况在目前的技术应用中较容易实现，尤其是在城市能源互联网配电系统中可以较容易实现。
随着负荷的增大，直流输电系统会逐渐增多，若整个系统中直流输电占较大部分，则可以称该网络为直流输电网络。随着系统的逐渐复杂，系统中会出现VSC换流站通过交流系统连接的情况：①若用于联结换流站的交流系统为强电网时，则可将整个直流电网看成由多个两端VSC-HVDC输电系统组成的直流输电网；②若用于连接VSC换流站的中间交流系统为弱电网，如图1和图2所示情景，则VSC换流站的控制方法有别于两端VSC-HVDC输电系统中的控制，需要重新进行设计。
在目前城市能源互联网的情况下，采用风能、光能以及其他形式的能源供电时，在系统中由于天气情况变化，旋转机组无法出力，就会出现图1和图2所示场景。在该种网络供电情景中，中间交流系统为交流弱电网，该电网电源均由VSC换流站提供。同时，基于电网的N1准则，该交流弱电网会由两条VSC-HVDC来进行供电，该弱交流电网联接换流站数量大于1。
鉴于VSC-HVDC是允许能量双向流通的，该系统也存在这样一种情况，弱交流电网向某个VSC换流站供电的情况，即连接换流站的两个换流站中一个受电一个供电。在含有交流弱电网中间联络点的VSC直流电网，每个VSC之间互相影响，不能用单独考虑一条VSC-HVDC的运行情况来设计控制方法和控制策略。
在能源互联网中，通过VSC-HVDC吸收风能、太阳能等可再生能源并网，具有较高的研究意义。因此，研究图1和图2所示场景对于国家电网大力推进城市能源互联网，具有较高的实践应用价值。基于该情景本文提出了一种分层控制策略，用于控制含有交流弱电网中间联络点的VSC直流电网，并在无源网络连接两条VSC-HVDC输电系统的情况下对该控制策略进行了仿真。
图1 VSC直流电网分级控制示意图
图2 含有两级控制的VSC直流电网控制
2 含有交流弱电网的VSC直流电网的协同控制策略
随着VSC直流电网的拓扑结构中节点数目的增加，VSC直流电网的控制会变得复杂。当VSC直流电网中含有交流弱电网时，更加需要对控制策略进行调整。为了简化VSC直流电网的控制，本文根据VSC直流电网中换流站与交流强电网的联结顺序，设计了一种分级控制策略。
在直流电网中，选择换流站连接到强电网的最短的一条路径，根据某个换流站与交流强电网之间所隔换流站数量n，定义该换流站的控制级别为n+1级控制。
根据该定义，与强电网直接连接的换流站n=0，①第一级控制是VSC直流电网中最外侧的换流站所采用的控制，即与强电网进行功率交换的换流站采用的控制方式；
②第二级控制是与第一级换流站通过高压直流线路连接的换流站（n=1），该级控制中的换流站交流侧连接的是弱交流电网；
③第三级的换流站通过弱交流电网与第二级控制换流站联结（n=2），如图1所示。在分级控制策略中，把第一级换流站（与强交流系统相连的换流站）设为直流电压控制站，这样能够保证直流电压的稳定，从而使得直流系统传输功率的稳定。同时，第二级换流站（与弱交流系统相连的馈功率站和受功率站）可以分别控制有功功率和弱交流系统的电压。
若在VSC直流电网中，直流输电线两侧联结的都是第一级控制的VSC换流站，则对于这两个换流站可以采用文献[14]所叙述的控制策略。第二级换流站的设计好坏是该VSC直流电网能否稳定正确传输功率的重要环节。第二级换流站可以采用定相角控制、定频率控制、定有功控制、定无功控制。若第二级控制中换流站数量较多，则各个不同换流站的配合问题会影响中间弱交流系统的功率传输稳定性及其容量。
以图2为例，本文将上述控制模型实例化。在图2所示仿真结构中，换流站VSC1和换流站VSC4是直接与交流强电网相连的，因此VSC1和VSC4属于第一级控制，VSC2通过直流电缆与VSC1相连，VSC2另一侧连接的是交流弱电网，因此VSC2与交流强电网的连接的最短路径为通过VSC1与强电网连接，即VSC2的控制层级为第二级。同样，VSC3的控制层级也为第二级。
为了保持整个系统能够稳定传输功率，第二级换流站控制的设计原则是VSC2和VSC3的控制配合，能够使得功率传输达到最佳状态。本文考虑功率由VSC1流向VSC2，再由VSC3流向VSC4，VSC2和VSC3之间的弱电网负荷消耗小部分交流功率，同时交流弱电网向VSC3输入功率。
如图3所示，若VSC2控制有功功率，即采用定有功控制，VSC3作为平衡换流站，则相当于直流Ⅰ线向弱电网节点A注入有功功率。若VSC3控制有功功率，采用定有功控制，VSC2作为平衡换流站，则相当于直流Ⅱ线从弱电网中抽取一定的有功功率。此时相当于直流Ⅱ线是从弱电网中抽取电能，弱电网中负荷的变化将对抽取电能的容量和效果产生影响。
第一级控制采用定直流电压控制，用以控制第一级控制与第二级控制中间的直流电压，稳定的直流电压用以保证第一级和第二级之间的功率稳定传输。第二级控制用于稳定中间交流弱电网的电网稳定，控制有功功率和交流电压。
在考虑向第二级弱电网供电的情况下，本文把向弱交流系统输送电能的换流站称为“馈功率站”；把从弱交流系统吸收电能的换流站称为“受功率站”。本文讨论的分级控制重点在于弱电网与换流站的功率交换问题。连接弱交流电网的VSC换流站可以作为“受功率站”，也可以作为“馈功率站”。“受功率站”与“馈功率站”的控制方式对交流电网和换流站以及整个系统的功率传输有着较大影响。按照上述假设做出受功率站和馈功率站的模型，可以得出直流电网中功率流向，如图3所示。
图3 VSC直流电网中功率流向
与弱交流电网联接的换流站中，受功率站和馈功率站控制的变量对于交流系统的稳定运行和动态响应有一定的影响。本文采用算例对“馈功率站控制交流电压，受功率站控制有功功率”和“馈功率站控制有功功率，受功率站控制交流电压”两种控制策略进行比较分析。
图4所示为采用“馈功率站控制有功功率，受功率站控制交流电压”或“馈功率站控制交流电压，受功率站控制有功功率”控制策略的分级控制图。为了使系统有较好的稳定性，在VSC2和VSC3的控制中设置一个定相角控制，并采用定触发频率，使得中间弱交流系统有一个稳定的相角和频率参考。
图4 VSC直流电网分级控制原理图
第二级控制中，由于定功率VSC向弱交流电网输送有功功率，向弱电网供电会使得第二级控制中的锁相环（PLL）发生不稳定，造成锁相环所得到的频率及相位的不稳定，从而反过来影响功率的传输，功率传输的不稳定反过来会加重电压的不平衡。因此，本文在第二级控制中采用了定相角控制，选择一个换流站，给定触发脉冲的相角，如图4所示。定相角控制VSC不参与有功控制，属于系统中的平衡换流站。
第一级控制中，在直流电压的稳定控制中，为了抑制系统起动过程中的直流电压超调量，本文在第一级控制中的每个换流站的直流线路侧中加入了一个直流过电压控制模块。采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）串联组成阵列，该阵列与直流侧电容器并联，系统起动过程中若直流电压超过1.1倍额定电压，该模块自动导通，通过与其串联的消耗电阻降低直流侧过电压，防止电容被击穿，并保持直流侧电压稳定。
3 仿真优化结果
本文对图4所示的控制方案采用电磁暂态仿真软件PSCAD进行了仿真，系统传输额定功率为75MW，交流侧额定电压为10kV，直流侧额定电压为130kV，交流侧与换流站之间设有升压变压器（13.8kV/ 62.5kV），交流线路的等效电阻和等效电感分别为0.0038088 和0.002425H。控制参数及测量参数采用标幺值，PI控制器参数分别见表1和表2。
根据图5的控制方案，第一级控制用来控制直流电压，第二级控制中，交流电压控制站采用定相角控制，给定系统初始相角，除交流电压控制站外，其他换流站均采用定有功功率控制，VSC换流站底层控制采用改进的前馈解耦控制。
图5 直流过电压控制
表1 第一种方案控制系统PI参数
表2 第二种方案控制系统PI参数
在本文所做的案例仿真分析中，将“馈功率站控制交流电压，受功率站控制有功功率”控制策略简称为第一种方案，将“馈功率站控制有功功率，受功率站控制交流电压”控制策略简称为第二种方案。
由图6和图7可以看出，本文提出的基于VSC的直流电网分级控制策略能够稳定运行，功率传输较好。
图6 第一种方案系统的起动响应
图7 第二种方案系统的起动响应
比较图6和图7弱电网交流电压一项指标，第二种控制策略中交流电压的稳定需要0.5s，则第一种控制策略中交流电压的稳定需要0.9s。馈功率站采用有功功率控制，较之于馈功率站采用定交流电压控制，能够较快达到交流系统的电压稳定。
在该种分级控制策略中，受功率站采用弱电网交流电压控制，弱交流系统的交流电压起动动态特性较好。同时，采用第二种方案的控制策略的控制系统，在有功功率传输该项指标中，有功功率的超调量和振荡次数也明显优于第一种方案。
比较图8和图9，在起动过程中，直流Ⅰ线直流电压超调量由1.55减小到1.10，直流Ⅱ线直流电压超调量由1.81减小到1.10，由此可见，过电压控制模块能够消除直流侧电容在充电过程中的波动，能够消纳电容器在过充电后反向放电释放的能量。
比较图7和图10，在采用过电压控制后，换流站1起动过程中，有功功率反向超调量消失；换流站4起动过程中，有功功率反向超调量由5.00减小到1.50；中间弱交流联络电网的交流电压超调量由1.56减小到1.10。过电压控制模块能够减小电容充放电对系统的功率波动的影响，减小系统的超调量。
图8 采用过电压控制前系统的直流电压
图9 采用过电压控制后系统的直流电压
图10 采用过电压控制后系统的有功功率和交流电压
通过采用该过电压控制，在第一级的控制中，使得直流侧过电压消失，两侧强电网侧起动时功率的振荡减少；同时，在第二级控制中，弱电网中交流侧的电压超调量也大幅减小，说明交流系统的过电压和直流系统的过电压存在一定的相关性。因此，该直流过电压控制有利于基于VSC的直流电网中分级控制的系统功率及电压稳定。
图11显示为当5.0s时，交流弱电网功率增加为馈功率站（VSC1）给定功率的2倍，之后，受端功率站（VSC4）功率反向，两条VSC-HVDC向中间弱交流系统供电，系统响应良好，动态响应迅速，系统稳定运行。
图11 中间交流弱电网功率增加系统响应
仿真分析表明，基于VSC的直流电网中，若存在弱交流系统，则采用VSC换流站分级控制，能够使系统有较好的动态响应与可靠的向中间交流系统供电的能力。
本文根据VSC直流电网中弱交流系统功率传输稳定性问题，设计了一种应用于VSC直流电网的分级控制方法。该控制策略不依赖于直流电网的拓扑结构，仅考虑VSC换流站与交流强电网通过几条直流和交流线路连接。通过调整VSC换流站的控制算法，设计直流电网中VSC所属的层级控制，增加了VSC直流电网中弱交流连接系统的功率传输能力和稳定性。
1）该控制策略能够使VSC直流电网中的弱交流系统稳定运行。应用该控制策略的弱交流系统，能够同时稳定联结直流系统中的馈功率站和受功率站，且该交流系统能带一定量的交流负荷。该分级控制策略为直流电网的多换流站控制提供了一个解决方案。
2）该控制策略能够使得馈功率站连接的弱交流系统交流电压有较快的稳定速度，减少了系统的稳定平衡时间，使得整个直流输电网络有较好的动态稳定性。处于直流电网中的交流弱电网，根据馈功率站和受功率站的区分来设置与弱电网联结的换流站的控制模式和控制方案，能够增加系统的稳定性，验证了所提出的分级控制策略的有效性和可行性。
3）当直流电网中弱交流系统功率增加时，弱交流电网电压控制站功率能够可靠反向，使得直流电网能够向弱交流系统提供更多的有功功率。直流电网能够保证中间弱交流系统在功率变化时可靠运行，平衡站能够准确及时地满足中间弱交流系统的功率变化和稳定需求。