基于电压滞环的柔性直流改进低电压穿越控制策略研究

张野，周保荣，张东辉，涂亮，熊卿

(南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080)



基于电压滞环的柔性直流改进低电压穿越控制策略研究

张野，周保荣，张东辉，涂亮，熊卿

(南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080)

柔性直流在受端弱交流系统故障期间可保持并网运行，还可以输出一定的无功功率支撑系统电压；但在系统电压恢复瞬间，所输出的无功功率并不能立刻恢复，导致交流系统暂态过电压。针对此问题，首先介绍了柔性直流dq旋转坐标系下的有功功率、无功功率解耦控制策略；其次，分析了柔性直流接入的弱交流系统故障期间的低电压穿越控制策略，并提出基于电压滞环的改进低电压穿越控制策略，该策略不仅可以在故障期间输出一定的无功功率支撑系统电压，还可以在故障恢复瞬间使无功功率恢复到零，减小对交流系统的冲击；最后在PSCAD/EMTDC中搭建了柔性直流的仿真模型，验证所提控制策略的有效性。

柔性直流；低电压穿越；电压滞环控制；无功功率控制；电压恢复

相比于常规直流输电，柔性直流具有占地面积小、无无功补偿问题、无换相失败问题、可向无源网络供电、谐波水平低、可独立控制有功功率与无功功率等优点[1]，因此，近年来其在实际工程上的应用越来越多，国内已建成的柔性直流工程有南澳多端柔性直流工程、舟山多端柔性直流工程等。未来随着南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程的投产，电压等级为±350 kV、容量1 000 MW的柔性直流装置将首次出现在南方电网的主网架上[2-3]。

控制保护系统对柔性直流输电系统功能的实现起着至关重要的作用。文献[4]推导出了背靠背柔性直流的连续时间状态空间模型，并根据解耦控制方法，实现了有功功率与无功功率的独立控制；文献[5-6]为了提高不对称故障条件下柔性直流的低电压穿越能力，采用了抑制负序电流的暂态控制策略；文献[7]应用图解法分析了交流电网强度对柔性直流输电系统稳态特性的影响，同时分析了接入强、弱交流电网的直流系统在不同控制方式下的暂态特性；文献[8]分析了通过柔性直流并网的风电机组在交流系统故障切除后出现机端电压过高的问题，并提出通过加入电压调节器输出重置环节将风机输出的无功功率迅速地调整到合理范围的控制方法。

本文结合柔性直流传统的dq坐标解耦控制方法与风机的低电压穿越控制策略，提出了一种适用于柔性直流的改进低电压穿越控制策略，该策略融合了电压滞环控制的概念，不仅可以在故障期间输出无功功率以支撑系统电压，还可以通过在故障恢复瞬间加入无功电流调节器重置环节，迅速地将柔性直流输出的无功功率调整到合理的范围内，减小其对交流系统电压的冲击。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了柔性直流的仿真模型，验证了本文所提控制策略的有效性。

1　柔性直流输电系统的稳态控制策略

柔性直流的控制保护系统对其功能的实现起着至关重要的作用。本文将以模块化多电平结构的柔性直流输电系统为例，介绍其控制策略。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电系统整流侧结构如图1所示[9-10]。

Rs、Ls分别为交流系统等效电阻和电感；P1、Q1分别为柔性直流传输的有功功率和无功功率；Uac—交流系统电压；ua、ia分别为柔性直流阀侧电压和电流的瞬时值；R、L分别为桥臂的电阻和电感；upa、una分别为上下桥臂等效电压；ipa、ina分别为上、下桥臂电流；Udc—直流电压；SM—MMC子模块，sub-module的缩写；N—子模块数。图1　柔性直流结构

张野，等：基于电压滞环的柔性直流改进低电压穿越控制策略研究以U相为例，由基尔霍夫电压定律可得

(1)

(2)

式中uU为柔性直流输出U相电压。

将abc静止坐标系下的变量转换到dq旋转坐标系下，将式(1)dq解耦可得

(3)

式中：Ud、Uq分别为交流电压d轴和q轴分量；Udc,d、Udc,q分别为柔性直流输出电压d轴和q轴分量；Id、Iq分别为交流电流d轴和q轴分量；kd,p、kq,p分别为d轴和q轴比例环节系数；kd,i、kq,i分别为d轴和q轴积分环节系数；Id,ref、Iq,ref分别为Id、Iq的参考值；ω为交流系统角频率。

由此可得柔性直流系统的控制结构，如图2所示。

Udc,ref、P1,ref、Q1,ref、Uac,ref分别为直流电压参考值、有功功率参考值、无功功率参考值和交流电压参考值；Sm—无功功率控制目标选择信号；PI—比例积分控制器，proportion integral的缩写；PWM—脉冲宽度调制发生器，pulse width modulation的缩写；①—选择器。图2　柔性直流控制结构

柔性直流采用基于dq坐标解耦的双环控制结构，其优点在于：首先，基于dq坐标的解耦控制可以实现柔性直流输出有功功率与无功功率的独立控制；其次，外环功率控制可以实现不同的控制目标，有功类控制目标包括有功功率与直流电压，无功类控制目标包括无功功率与交流电压；而内环电流控制又可以实现电流的快速响应并对电流幅值进行限制。

2　改进的低电压穿越控制策略

当柔性直流接入的弱交流系统发生接地故障时，受端系统电压将大幅跌落。为支撑故障期间的系统电压，柔性直流需要输出大量的无功功率；然而，当故障清除后系统电压恢复时，柔性直流输出的无功功率将反过来造成系统暂态过电压。因此，需要合理地设计柔性直流的低电压穿越控制策略，既要满足故障期间支撑系统电压的要求，又不能造成故障清除瞬间的系统暂态过电压。

本文结合电压滞环控制与无功电流调节器重置，提出了改进的低电压穿越控制策略，如图3所示[11]。

ULV1、ULV2分别为低电压穿越控制启动值和故障恢复判断值；URMS—交流电压有效值；Qac—输出到交流系统的无功功率。图中数值均为标么值。图3　基于电压滞环的改进低电压穿越控制策略

低电压穿越控制策略以交流电压正序有效值为判据，并满足1>ULV2>ULV1>0。本文取ULV1标幺值为0.85，延时为5 ms；ULV2标幺值为0.95，延时为15 ms。

在正常工况下，柔性直流的整流侧控制直流母线电压和无功功率，逆变侧控制有功功率与无功功率。本文主要研究逆变侧的控制策略，当逆变侧URMS大于ULV1并持续一定时间时，故障开始信号SFS置0，无功功率控制目标选择信号Sm置0，柔性直流逆变侧采用定无功功率控制，无功功率参考值通常为0，如图4所示。

SLV、SLVR分别为低电压穿越信号和恢复信号;Iq,ref0—q轴电流分量初值;SFS、SFE分别为故障开始和恢复信号;②—上升/下降沿触发。图4　基于电压滞环的改进低电压穿越控制结构

当交流系统发生故障时，URMS小于ULV1并持续一定时间，SFS置1，故障结束信号SFE置0，Sm置1，柔性直流转为故障期间的定交流电压控制。此时，柔性直流为提升系统电压，将尽最大可能发出无功功率，故障期间无功电流将很容易达到限幅，本文取无功电流限幅Iq,max标幺值为0.9，对应的有功电流限幅

(4)

故障期间暂态交流电压的控制采用闭环控制，无功电流参考值取交流电压闭环输出值，而有功电流的控制采用开环控制，有功电流参考值取有功电流限幅值Id,max，如图5所示。该策略可以使柔性直流在故障期间，优先输出无功功率支撑系统电压，有利于系统稳定。

图5　改进后故障期间柔性直流的控制策略

当故障清除后，系统电压恢复。URMS大于ULV2，SFE置1，Sm置0，柔性直流恢复稳态时的定无功功率控制。但是，柔性直流控制由定交流电压控制切换到定无功功率控制时，无功电流参考值依然为最大值，需要由无功电流内环的PI控制缓慢地调整为稳定值，因此故障清除后交流系统会出现暂态过电压。为减小控制结构切换对系统暂态过电压的影响，本文取电压恢复信号SLVR作为无功电流调节器重置的判断信号，当系统电压恢复时，柔性直流控制结构由定交流电压控制切换到定无功功率控制，同时无功电流参考值也随之置0，该策略可以有效地减少柔性直流故障后输出的无功功率，从而减小对交流系统暂态电压的冲击。

3　PSCAD/EMTDC仿真验证

本文以南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程的柔性直流模型为基础，在PSCAD/EMTDC中搭建两端电源等值系统模型，其中柔性直流额定容量为1 000 MVA，额定直流电压为±350 kV，额定交流电压为525 kV，变压器变比为375 kV/525 kV，变压器漏抗标幺值为0.14。

两端弱系统容量取“N-2”系统的容量，云南侧系统容量取2016年“夏大极限”方式下罗平到鲁西换流站“N-2”时的系统短路容量9 152 MVA，广西侧系统容量取2016年“夏小”方式下鲁西到马窝、鲁西到百色“N-1-1”时的系统容量4 793 MVA，由此可知广西侧为弱交流系统，其暂态过电压情况更为严重。

设定柔性直流输送功率为1 000 MW，仿真时间2 s时，广西侧弱交流系统发生三相短路接地故障，电压瞬间跌落，如图6所示。

图6　交流系统电压波形

当柔性直流不采用低电压穿越和无功电流调节器重置功能时，故障期间系统电压跌落最深，而且故障清除后广西侧暂态过电压达到了550 kV；当柔性直流采用低电压穿越控制，而不采用无功电流调节器重置功能时，故障期间，广西侧交流电压明显提高，但是故障清除后广西侧暂态过电压更为严重达到了608 kV；当柔性直流同时采用低电压穿越和无功电流调节器重置功能时，故障期间广西侧电压得到了有效支撑，而且故障清除后广西侧暂态过电压只有547 kV，如图7所示。

A—采用低电压穿越、未采用无功电流调节器重置的方式，B—采用改进低电压穿越和无功电流调节器重置的方式，C—未采用低电压穿越和无功电流调节器重置的方式。图7　广西侧交流电压波形

图8为有、无采用无功电流调节器重置功能的无功功率输出结果，对比可知：采用本文所提控制策略后，故障期间，柔性直流采用交流电压闭环控制，可以输出大量无功功率对交流系统电压进行有效支撑；故障清除瞬间，又可以通过无功电流调节器重置功能实现无功功率的快速抑制，有效地减小其对交流系统暂态过电压的影响。同时，柔性直流输出的有功功率并没有受影响，如图9所示。

图8　柔性直流无功功率波形

图9　柔性直流有功功率波形

由此可见，采用本文所提出的基于电压滞环的改进低电压穿越控制策略后，柔性直流可以在故障期间对交流系统电压进行支撑，同时还可以有效地减小故障清除后的交流系统暂态过电压。

4　结束语

本文在详细分析柔性直流内外环控制策略与低电压穿越控制策略的基础上，提出了基于电压滞环的柔性直流改进低电压穿越控制策略。该策略首先通过故障期间的交流电压闭环控制与有功电流的开环控制实现了对故障期间交流电压的有效支撑；其次，该策略通过无功电流调节器的重置功能实现了故障清除瞬间无功功率的快速抑制，有效地减小了柔性直流对交流系统暂态过电压的影响；最后利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件进行了验证，仿真结果表明，本文所提控制策略可以有效地提高故障期间柔性直流对系统电压的支撑作用，同时还可以有效地减小其对交流系统暂态过电压的影响。

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(编辑霍鹏)

Research on Control Strategy for Improved Low Voltage Ride-through of VSC-HVDC Based on Voltage Hysteresis

ZHANG Ye, ZHOU Baorong, ZHANG Donghui, TU Liang, XIONG Qing

(Electric Power Research Institute of CSG, Guangzhou, Guangdong 510080, China)

VSC-HVDC can keep grid-connection operation during the period of fault of receiving-end weak AC system as well as ensure output reactive power to support system voltage. But at the moment of system voltage recovery, the output reactive power can not be recovered immediately, which will cause transient over-voltage of the AC system. In allusion to the above problem, this paper firstly introduces decoupling control strategies for active power and reactive power under VSC-HVDCdqrotational coordinate. Then it analyzes control strategy for low voltage ride-through during the period of fault of weak AC system with VSC-HVDC and proposes improved low voltage ride-through control strategy which can not only output reactive power to support the system voltage but also recover reactive power to zero at the moment of fault recovery and reduce impact on AC system. It finally establish a simulation model for VSC-HVDC in PSCAD/EMTDC and verifies validity of the control strategy.

VSC-HVDC; low voltage ride-through; voltage hysteresis control; reactive power control; voltage recovery

2016-04-13

2016-06-24

南方电网科学研究院有限责任公司青年创新基金

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.017

TM721.1

A

1007-290X(2016)09-0084-05

张野(1986)，男，辽宁锦州人。工程师，工学博士，主要从事电力系统稳定分析与控制、柔性直流输电技术方面的研究工作。

周保荣(1974)，男，宁夏石嘴山人。教授级高级工程师，工学博士，从事电力系统稳定分析与控制、规划设计方面的研究工作。

张东辉(1984)，男，安徽合肥人。高级工程师，工学硕士，从事电力系统稳定分析与控制、规划设计方面的研究工作。