俞 翔，魯 江，董云龍，張慶武，甘宗躍，王楊正

適用于特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法

俞 翔1，魯 江1，董云龍1，張慶武1，甘宗躍2，王楊正1

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510663)

特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定直流電壓站的控制目標(biāo)是維持首端整流站的端口電壓為設(shè)定值。當(dāng)首端整流站不是定直流電壓站時(shí)，則需考慮線(xiàn)路壓降帶來(lái)的影響，而此時(shí)傳統(tǒng)的電壓偏差控制和下垂控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和功率的無(wú)差控制。因此基于主從控制思想，提出了一種適用于特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法?；诋?dāng)前直流系統(tǒng)的接線(xiàn)方式、線(xiàn)路電阻和電流，計(jì)算出定直流電壓站和首端整流站之間的壓降。然后對(duì)定直流電壓站的電壓參考值進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)首端整流站電壓的精確控制。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)線(xiàn)路電阻變化或者未知的情況，又提出了一種自適應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法。最后利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)搭建了三端直流系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。

特高壓直流；多端混合直流輸電系統(tǒng)；穩(wěn)態(tài)電壓控制；主從控制；線(xiàn)路壓降；自適應(yīng)

0 引言

隨著基于全控型電壓源換流器(Voltage Source Converter, VSC)的柔性直流輸電技術(shù)及相應(yīng)電力電子器件的不斷成熟，VSC和基于電網(wǎng)換相換流器(Line Commutated Converter, LCC)的常規(guī)直流在特高壓等級(jí)下的互聯(lián)成為可能[1]。在送端采用LCC，若干個(gè)受端采用VSC的特高壓多端混合直流輸電在我國(guó)大容量、遠(yuǎn)距離輸電領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。通過(guò)結(jié)合LCC和VSC的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，特高壓多端混合直流輸電技術(shù)可以有效避免換相失敗問(wèn)題，緩解多直流饋入電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，同時(shí)可以靈活匹配不同外送和消納能力的送端和受端，節(jié)省輸電線(xiàn)路走廊以及減少投資[2-10]。

對(duì)于多端直流輸電系統(tǒng)，直流電壓的穩(wěn)定決定了直流系統(tǒng)潮流的穩(wěn)定，因此直流電壓的協(xié)調(diào)控制一直是多端直流輸電技術(shù)的核心之一。目前已提出的直流電壓控制方法主要有三種：主從控制方法、直流電壓裕度控制方法以及直流電壓下垂控制方法[11-17]。主從控制方法依賴(lài)站間通信，控制策略簡(jiǎn)單清晰，電壓站切換過(guò)程平滑過(guò)渡。相較于主從控制方法，直流電壓裕度控制方法以及直流電壓下垂控制方法的優(yōu)勢(shì)是不依賴(lài)站間通信，但是直流電壓裕度控制方法有切換過(guò)程中沖擊較大且電壓裕度隨端數(shù)增多后難以選取等缺點(diǎn)，而直流電壓下垂控制方法也有無(wú)法實(shí)現(xiàn)有功和電壓的精準(zhǔn)控制等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[18-20]提出結(jié)合直流電壓裕度控制和直流電壓下垂控制的混合控制方法，在控制器合理的配置下可以彌補(bǔ)上述方法各自的缺點(diǎn)。

特高壓多端混合直流輸電在應(yīng)用于大容量、遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，一般不選取送端LCC站作為定直流電壓站，因?yàn)樵跁簯B(tài)過(guò)程中作為定直流電壓站的LCC站難以跟上VSC站的調(diào)節(jié)速度，可能導(dǎo)致直流電壓和功率較大波動(dòng)，因此一般定直流電壓站在受端站中選取。而定直流電壓站的控制目標(biāo)是維持首端整流站的直流電壓恒定，這時(shí)線(xiàn)路壓降將會(huì)給直流電壓的精準(zhǔn)控制產(chǎn)生影響，這是傳統(tǒng)的電壓控制方法往往會(huì)忽略的重要因素。文獻(xiàn)[21]提出了一種適用于多端高壓直流系統(tǒng)的精準(zhǔn)電壓裕度方法，在設(shè)置電壓裕度時(shí)考慮了線(xiàn)路壓降的影響。文獻(xiàn)[22]提出了一種考慮線(xiàn)路壓降的電壓下垂控制方法。但是以上方法并不能滿(mǎn)足特高壓多端混合直流對(duì)電壓和功率的精準(zhǔn)控制要求。

基于此，本文基于主從控制方法思想，提出了一種適用于特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法：基于當(dāng)前直流的接線(xiàn)方式、線(xiàn)路電阻和電流，計(jì)算出定直流電壓站和首端整流站之間的壓降，然后對(duì)定直流電壓站的電壓參考值進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)首端整流站電壓的精確控制，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)線(xiàn)路電阻未知或者變化的情況，又提出了一種自適應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法。最后以烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)烏東德工程)為參照對(duì)象，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(Real Time Digital Simulator, RTDS)搭建了工程仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了該策略在工程中的應(yīng)用價(jià)值，目前該策略也已實(shí)際應(yīng)用于烏東德工程中。

1 特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)直流電壓控制特點(diǎn)

1.1 特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多端直流輸電系統(tǒng)按接線(xiàn)方式劃分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型，其中并聯(lián)型因其在調(diào)節(jié)范圍、絕緣配合、運(yùn)行方式和擴(kuò)建靈活度上的優(yōu)勢(shì)，成為工程實(shí)踐中最為常見(jiàn)的多端直流輸電接線(xiàn)方式。以圖1所示的并聯(lián)型三端烏東德工程的主接線(xiàn)圖分析，每個(gè)換流站均采用常規(guī)特高壓直流的接線(xiàn)方式，即雙極對(duì)稱(chēng)的接線(xiàn)方式，每個(gè)極由高壓換流器和低壓換流器串聯(lián)形成，其中首端整流站換流器采用基于晶閘管技術(shù)的雙十二脈動(dòng)換流器，而兩個(gè)逆變站的換流器采用的是全橋與半橋混合的模塊化多電平換流器，三個(gè)換流站通過(guò)直流架空線(xiàn)和匯流母線(xiàn)形成并聯(lián)[1,23]。

圖1 特高壓混合三端直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 直流電壓控制特點(diǎn)

與傳統(tǒng)多端直流輸電的電壓控制原則相同，特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的電壓控制也是為了維持直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，從而維持直流系統(tǒng)潮流的穩(wěn)定。但由于特高壓多端混合直流輸電自身的一些特點(diǎn)，也使得其穩(wěn)態(tài)電壓控制方法與傳統(tǒng)方法有一定區(qū)別，具體為：

1) 控制目標(biāo)的差別。在特高壓多端混合直流正常運(yùn)行時(shí)，由上文可知，由于控制性能的原因，定直流電壓站往往選擇容量較大的柔直逆變站。為了保證整流站送出的直流功率穩(wěn)定且嚴(yán)格運(yùn)行在設(shè)計(jì)要求的合理范圍內(nèi)，定直流電壓站的控制目標(biāo)不是將自身的端口電壓控制為設(shè)定值，而是將整流站的端口電壓控制為設(shè)定值。由于線(xiàn)路電阻的影響無(wú)法忽略，因此定直流電壓站需要根據(jù)線(xiàn)路壓降對(duì)電壓參考值進(jìn)行修正。

2) 充分利用站間通信。與常規(guī)特高壓兩端直流相同，特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)也配備有非常完善的站間通信通道，在此基礎(chǔ)上，還可以形成站間通信環(huán)網(wǎng)，當(dāng)某兩站的站間通信失去時(shí)，可以通過(guò)其他換流站形成迂回通道，從而繼續(xù)保持通信。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，特高壓直流工程極少出現(xiàn)站間通信中斷的情況，因此在正常運(yùn)行時(shí)直流電壓控制可以充分利用站間通信，結(jié)合各傳統(tǒng)直流電壓控制方法的特點(diǎn)可見(jiàn)，主從控制方法適合作為特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的常規(guī)電壓控制方法，而不依賴(lài)站間通信的直流電壓裕度控制和直流電壓下垂控制并不適合作為直流電壓調(diào)節(jié)的常規(guī)手段，僅適合作為異常工況或暫態(tài)過(guò)程中的后備調(diào)節(jié)手段。

3) 接線(xiàn)方式的影響。特高壓直流正常運(yùn)行時(shí)有兩種接線(xiàn)方式：大地回線(xiàn)和金屬回線(xiàn)，對(duì)于特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)，兩兩相鄰的換流站直接可通過(guò)大地回線(xiàn)連接，也可以通過(guò)金屬回線(xiàn)連接，線(xiàn)路壓降會(huì)隨著接線(xiàn)方式的改變而改變，從而對(duì)直流電壓的控制產(chǎn)生影響。

2 特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓控制方法

2.1 穩(wěn)態(tài)電壓控制基本思想

圖2 首端整流站和定直流電壓站的連接示意圖(單極)

由圖2可知，我們通過(guò)計(jì)算兩兩相鄰換流站之間的壓降，再求和，就可得到首端整流站和定直流電壓站之間的總壓降，即

2.2 換流站間壓降的計(jì)算方法

圖3 大地回線(xiàn)與金屬回線(xiàn)方式

對(duì)于大地回線(xiàn)，兩站之間壓降的計(jì)算方式為

對(duì)于金屬回線(xiàn)，兩站之間壓降的計(jì)算方式為

按以上方法求出相鄰兩站之間的壓降，再結(jié)合式(1)和式(2)，即可得到定直流電壓站的電壓參考值。

2.3 換流站間壓降的計(jì)算方法

在首端整流站和定直流電壓站均處于大地回線(xiàn)接線(xiàn)方式的情況下，如圖4所示，還可以對(duì)2.2小節(jié)所述的一般方法進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖4 首端整流站和定直流電壓站均處于大地回線(xiàn)

由圖4可以看出，定直流電壓站和首端整流站之間的壓降為-1條直流線(xiàn)路上的壓降以及兩站自身接地極壓降之和，因此可以對(duì)壓降計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，如式(6)所示。

簡(jiǎn)化后的壓降計(jì)算無(wú)需關(guān)注中間換流站的接地極壓降或金屬回線(xiàn)壓降，從而減少了需要用站間通信傳遞的信號(hào)，降低了對(duì)站間通信通道的壓力。

2.4 自適應(yīng)直流電阻變化的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法

前文所述的壓降計(jì)算方法中，用到的直流線(xiàn)路以及接地極的直流電阻值可選用系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)給出的常溫下的設(shè)計(jì)值，是一個(gè)固定值。然而受直流電流的增大或者外部環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)線(xiàn)的電阻值也隨著導(dǎo)線(xiàn)溫度發(fā)生一定程度的變化，從而導(dǎo)致壓降計(jì)算出現(xiàn)一定的誤差。另外，在某些情況下，可能并不知道導(dǎo)線(xiàn)具體的電阻值，僅僅知道一個(gè)大概的范圍。為了保證穩(wěn)態(tài)電壓控制的精度，需要對(duì)直流電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，從而使電壓控制可以適應(yīng)直流電阻的變化。

對(duì)于直流線(xiàn)路電阻，計(jì)算方法為

對(duì)于接地極總電阻(包含接地極線(xiàn)路和接地極)，計(jì)算方法為

將式(7)和式(8)計(jì)算出的電阻值代入前文所述的壓降計(jì)算方法，綜合即可得到可以自適應(yīng)直流電阻變化的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法?？梢钥吹?，該方法可以實(shí)時(shí)計(jì)算線(xiàn)路電阻，由此得到的線(xiàn)路壓降也更為精確，但計(jì)算量更大，且對(duì)測(cè)點(diǎn)信息的要求也更高，因此該方法可與采取固定電阻值的方法進(jìn)行結(jié)合。例如，當(dāng)直流電流較小或者常溫時(shí)，實(shí)際電阻偏差較小，可采用固定電阻法，當(dāng)直流電流較大或環(huán)境溫度較高時(shí)，采用自適應(yīng)電阻法。

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)分析

為了驗(yàn)證上述控制策略的可行性和有效性，基于烏東德工程，在RTDS仿真平臺(tái)上搭建了如圖1所示特高壓并聯(lián)型三端混合直流輸電系統(tǒng)，首端整流站LCC采用定電流控制，中間換流站VSC1采用定有功功率和定無(wú)功功率控制，末端換流站VSC2采用定直流電壓和定無(wú)功功率控制，直流線(xiàn)路采用相域頻變模型，線(xiàn)路1總長(zhǎng)度為904 km，常溫下直流電阻為3.738 2 Ω，線(xiàn)路2總長(zhǎng)度為547 km，常溫下直流電阻為3.745 5 Ω，其他關(guān)于三端仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

1) 工況1：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及功率提升

為驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)工工況下的電壓控制的精確程度，分別在單極大地回線(xiàn)和金屬回線(xiàn)方式下，使用固定電阻法和自適應(yīng)電阻法，在直流運(yùn)行在0.1 p.u.、0.5 p.u.和1.0 p.u.功率水平下，測(cè)得首端整流站(LCC站)的直流電壓，如表2和表3所示。

表1 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

表2 單極大地回線(xiàn)首端整流站直流電壓

表3 金屬回線(xiàn)首端整流站直流電壓

由表2和表3可以看出，固定電阻法在小功率下控制直流電壓精度較高，但是由于預(yù)設(shè)的電阻值與實(shí)際線(xiàn)路電阻一定有所偏差，從而導(dǎo)致計(jì)算的線(xiàn)路壓降會(huì)有偏差，隨著直流功率/電流變大，這種偏差也會(huì)被逐漸放大，所以大功率水平下固定電阻法的控制誤差會(huì)略大。而自適應(yīng)電阻法在不同功率水平下，均可精確地控制直流電壓，誤差很小。

進(jìn)一步地，模擬三站同步升功率操作，驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)電壓控制方法的精度，具體操作為，在單極大地回線(xiàn)方式下，LCC站控制直流功率按40 MW/min的速率從400 MW升至600 MW，同時(shí)另一定功率站VSC1站控制直流功率按15 MW/min的速率從150 MW升至225 MW(需要說(shuō)明的是，本文所述直流功率均為折算到整流側(cè)發(fā)出的直流功率)，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 穩(wěn)態(tài)升功率仿真波形

由圖5可知，隨著三站功率逐步增大，線(xiàn)路壓降也逐漸增大，定直流電壓站VSC2按計(jì)算得到的電壓參考值控制自身的端口電壓， VSC2和定功率站VSC1直流電壓逐漸下降，保證首端整流站LCC直流電壓一直精確地維持在800 kV。

2) 工況2：定直流電壓站緊急停運(yùn)(退站)

三站均運(yùn)行在單極大地回線(xiàn)，且均處于滿(mǎn)功率狀態(tài)，LCC直流功率為4 000 MW，VSC1直流功率為1 500 MW，VSC2直流功率為2 500 MW，模擬定直流電壓站VSC2緊急停運(yùn)，電壓控制方法采用在大功率水平下更為精確的自適應(yīng)電阻法，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 定直流電壓站閉鎖波形

由圖6可以看出，在0.2 s時(shí)VSC2發(fā)生緊急停運(yùn)，閉鎖換流器，直流功率變?yōu)?，執(zhí)行故障退站操作，剩余兩站通過(guò)移相、臨時(shí)閉鎖等操作協(xié)同將直流電流和直流電壓降至0，從而使VSC2可以順利拉開(kāi)與匯流母線(xiàn)相連的快速開(kāi)關(guān)，同時(shí)VSC1通過(guò)站間通信檢測(cè)到VSC2閉鎖后自動(dòng)切換為定直流電壓站。需要注意的是，在此過(guò)程中穩(wěn)態(tài)電壓控制不起作用。待VSC2與匯流母線(xiàn)斷開(kāi)連接后，剩余兩站再恢復(fù)直流功率和直流電壓，受VSC1最大功率限制，故障后直流功率變?yōu)? 500 MW。另外，新的定直流電壓站VSC1也按本文所述方法恢復(fù)直流電壓，可以看到，故障前和故障后LCC的穩(wěn)態(tài)直流電壓均可精確維持在800 kV。

4 結(jié)論

在特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)中，由于定直流電壓站的控制目標(biāo)是首端整流站，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)直流電壓的精確控制，需要考慮長(zhǎng)距離線(xiàn)路壓降帶來(lái)的影響。本文首先分析了目前最常見(jiàn)特高壓多端混合直流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，充分利用特高壓直流站間通信可靠性高的特點(diǎn)，基于主從控制思想，提出了一種適用于特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓控制方法，即通過(guò)直流系統(tǒng)的接線(xiàn)方式、線(xiàn)路電阻和電流，實(shí)時(shí)計(jì)算定直流電壓站和首端整流站之間的壓降，并定直流電壓站的電壓參考值進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)首端整流站電壓的精確控制。進(jìn)一步地，考慮到線(xiàn)路電阻存在偏差或者原始數(shù)據(jù)難以獲取等問(wèn)題，提出了一種可以實(shí)時(shí)計(jì)算線(xiàn)路電阻的自適應(yīng)方法。仿真結(jié)果表明，本文所提方法可以有效實(shí)現(xiàn)整流站電壓的精確控制。本文所述方法也已應(yīng)用于烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程中，在未來(lái)可為后續(xù)的多端混合直流工程提供有益的參考。

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A steady-state voltage control method for a multi-terminal hybrid UHVDC transmission system

YU Xiang1, LU Jiang1, DONG Yunlong1, ZHANG Qingwu1, GAN Zongyue2, WANG Yangzheng1

(1. NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. EHV Power Transmission Company,China Southern Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

In multi-terminal hybrid UHVDC transmission system, one task of the DC voltage station is to maintain the DC voltage of the head-end rectifier station at its set value. Line drop must be taken into account if the head-end rectifier station is not the DC voltage station and in such a case the traditional voltage margin control method and droop control method fail to achieve static error free control of the power and voltage. Based on the idea of a master-slave control method, this paper proposes a steady-state voltage control method for a multi-terminal hybrid UHVDC transmission system. First, the voltage drop between the DC voltage station and the head rectifier station is calculated based on system topology, line resistance and current. Then the control reference of the DC voltage station is modified to achieve precise voltage control of the head-end rectifier station. In addition, an adaptive method is proposed for the case where the line resistance is changing or totally unknown. Finally, a simulation model of three-terminal DC system using the real time digital simulator (RTDS) is built and simulation results demonstrate the correctness and validity of the proposed method.

UHVDC; multi-terminal hybrid DC transmission system; steady-state voltage control; master-slave control; line drop; adaptive

10.19783/j.cnki.pspc.210206

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2016YFB0900602)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900602).

2021-02-28；

2021-10-07

俞 翔(1989—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂叭嵝越恢绷鬏旊娂夹g(shù)；E-mail: yuxiang@ nrec.com

魯 江(1979—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂叭嵝越恢绷鬏旊娂夹g(shù)；

董云龍(1977—)，男，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂叭嵝越恢绷鬏旊娂夹g(shù)。

(編輯 葛艷娜)