适用于特高压多端混合直流输电系统的稳态电压控制方法

俞 翔，鲁 江，董云龙，张庆武，甘宗跃，王杨正

适用于特高压多端混合直流输电系统的稳态电压控制方法

俞 翔1，鲁 江1，董云龙1，张庆武1，甘宗跃2，王杨正1

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州 510663)

特高压多端混合直流输电系统稳态运行时，定直流电压站的控制目标是维持首端整流站的端口电压为设定值。当首端整流站不是定直流电压站时，则需考虑线路压降带来的影响，而此时传统的电压偏差控制和下垂控制无法实现对电压和功率的无差控制。因此基于主从控制思想，提出了一种适用于特高压多端混合直流输电系统的稳态电压控制方法。基于当前直流系统的接线方式、线路电阻和电流，计算出定直流电压站和首端整流站之间的压降。然后对定直流电压站的电压参考值进行修正，从而实现对首端整流站电压的精确控制。在此基础上，针对线路电阻变化或者未知的情况，又提出了一种自适应的稳态电压控制方法。最后利用实时数字仿真仪(RTDS)搭建了三端直流系统仿真模型，仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

特高压直流；多端混合直流输电系统；稳态电压控制；主从控制；线路压降；自适应

0 引言

随着基于全控型电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)的柔性直流输电技术及相应电力电子器件的不断成熟，VSC和基于电网换相换流器(Line Commutated Converter, LCC)的常规直流在特高压等级下的互联成为可能[1]。在送端采用LCC，若干个受端采用VSC的特高压多端混合直流输电在我国大容量、远距离输电领域具有很好的应用前景。通过结合LCC和VSC的技术优点，特高压多端混合直流输电技术可以有效避免换相失败问题，缓解多直流馈入电网的稳定性问题，同时可以灵活匹配不同外送和消纳能力的送端和受端，节省输电线路走廊以及减少投资[2-10]。

对于多端直流输电系统，直流电压的稳定决定了直流系统潮流的稳定，因此直流电压的协调控制一直是多端直流输电技术的核心之一。目前已提出的直流电压控制方法主要有三种：主从控制方法、直流电压裕度控制方法以及直流电压下垂控制方法[11-17]。主从控制方法依赖站间通信，控制策略简单清晰，电压站切换过程平滑过渡。相较于主从控制方法，直流电压裕度控制方法以及直流电压下垂控制方法的优势是不依赖站间通信，但是直流电压裕度控制方法有切换过程中冲击较大且电压裕度随端数增多后难以选取等缺点，而直流电压下垂控制方法也有无法实现有功和电压的精准控制等缺点。文献[18-20]提出结合直流电压裕度控制和直流电压下垂控制的混合控制方法，在控制器合理的配置下可以弥补上述方法各自的缺点。

特高压多端混合直流输电在应用于大容量、远距离输电时，一般不选取送端LCC站作为定直流电压站，因为在暂态过程中作为定直流电压站的LCC站难以跟上VSC站的调节速度，可能导致直流电压和功率较大波动，因此一般定直流电压站在受端站中选取。而定直流电压站的控制目标是维持首端整流站的直流电压恒定，这时线路压降将会给直流电压的精准控制产生影响，这是传统的电压控制方法往往会忽略的重要因素。文献[21]提出了一种适用于多端高压直流系统的精准电压裕度方法，在设置电压裕度时考虑了线路压降的影响。文献[22]提出了一种考虑线路压降的电压下垂控制方法。但是以上方法并不能满足特高压多端混合直流对电压和功率的精准控制要求。

基于此，本文基于主从控制方法思想，提出了一种适用于特高压多端混合直流输电系统的稳态电压控制方法：基于当前直流的接线方式、线路电阻和电流，计算出定直流电压站和首端整流站之间的压降，然后对定直流电压站的电压参考值进行修正，从而实现对首端整流站电压的精确控制，在此基础上，针对线路电阻未知或者变化的情况，又提出了一种自适应的稳态电压控制方法。最后以乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程(以下简称乌东德工程)为参照对象，通过实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator, RTDS)搭建了工程仿真系统，验证了该策略在工程中的应用价值，目前该策略也已实际应用于乌东德工程中。

1 特高压多端混合直流输电系统直流电压控制特点

1.1 特高压多端混合直流输电系统结构

多端直流输电系统按接线方式划分为并联型、串联型和混合型，其中并联型因其在调节范围、绝缘配合、运行方式和扩建灵活度上的优势，成为工程实践中最为常见的多端直流输电接线方式。以图1所示的并联型三端乌东德工程的主接线图分析，每个换流站均采用常规特高压直流的接线方式，即双极对称的接线方式，每个极由高压换流器和低压换流器串联形成，其中首端整流站换流器采用基于晶闸管技术的双十二脉动换流器，而两个逆变站的换流器采用的是全桥与半桥混合的模块化多电平换流器，三个换流站通过直流架空线和汇流母线形成并联[1,23]。

图1 特高压混合三端直流输电系统结构示意图

1.2 直流电压控制特点

与传统多端直流输电的电压控制原则相同，特高压多端混合直流输电系统的电压控制也是为了维持直流系统的电压稳定，从而维持直流系统潮流的稳定。但由于特高压多端混合直流输电自身的一些特点，也使得其稳态电压控制方法与传统方法有一定区别，具体为：

1) 控制目标的差别。在特高压多端混合直流正常运行时，由上文可知，由于控制性能的原因，定直流电压站往往选择容量较大的柔直逆变站。为了保证整流站送出的直流功率稳定且严格运行在设计要求的合理范围内，定直流电压站的控制目标不是将自身的端口电压控制为设定值，而是将整流站的端口电压控制为设定值。由于线路电阻的影响无法忽略，因此定直流电压站需要根据线路压降对电压参考值进行修正。

2) 充分利用站间通信。与常规特高压两端直流相同，特高压多端混合直流输电系统也配备有非常完善的站间通信通道，在此基础上，还可以形成站间通信环网，当某两站的站间通信失去时，可以通过其他换流站形成迂回通道，从而继续保持通信。根据以往工程经验，特高压直流工程极少出现站间通信中断的情况，因此在正常运行时直流电压控制可以充分利用站间通信，结合各传统直流电压控制方法的特点可见，主从控制方法适合作为特高压多端混合直流输电系统的常规电压控制方法，而不依赖站间通信的直流电压裕度控制和直流电压下垂控制并不适合作为直流电压调节的常规手段，仅适合作为异常工况或暂态过程中的后备调节手段。

3) 接线方式的影响。特高压直流正常运行时有两种接线方式：大地回线和金属回线，对于特高压多端混合直流输电系统，两两相邻的换流站直接可通过大地回线连接，也可以通过金属回线连接，线路压降会随着接线方式的改变而改变，从而对直流电压的控制产生影响。

2 特高压多端混合直流输电系统稳态电压控制方法

2.1 稳态电压控制基本思想

图2 首端整流站和定直流电压站的连接示意图(单极)

由图2可知，我们通过计算两两相邻换流站之间的压降，再求和，就可得到首端整流站和定直流电压站之间的总压降，即

2.2 换流站间压降的计算方法

图3 大地回线与金属回线方式

对于大地回线，两站之间压降的计算方式为

对于金属回线，两站之间压降的计算方式为

按以上方法求出相邻两站之间的压降，再结合式(1)和式(2)，即可得到定直流电压站的电压参考值。

2.3 换流站间压降的计算方法

在首端整流站和定直流电压站均处于大地回线接线方式的情况下，如图4所示，还可以对2.2小节所述的一般方法进行简化。

图4 首端整流站和定直流电压站均处于大地回线

由图4可以看出，定直流电压站和首端整流站之间的压降为-1条直流线路上的压降以及两站自身接地极压降之和，因此可以对压降计算进行简化，如式(6)所示。

简化后的压降计算无需关注中间换流站的接地极压降或金属回线压降，从而减少了需要用站间通信传递的信号，降低了对站间通信通道的压力。

2.4 自适应直流电阻变化的稳态电压控制方法

前文所述的压降计算方法中，用到的直流线路以及接地极的直流电阻值可选用系统成套设计给出的常温下的设计值，是一个固定值。然而受直流电流的增大或者外部环境温度的影响，导线的电阻值也随着导线温度发生一定程度的变化，从而导致压降计算出现一定的误差。另外，在某些情况下，可能并不知道导线具体的电阻值，仅仅知道一个大概的范围。为了保证稳态电压控制的精度，需要对直流电阻进行实时计算，从而使电压控制可以适应直流电阻的变化。

对于直流线路电阻，计算方法为

对于接地极总电阻(包含接地极线路和接地极)，计算方法为

将式(7)和式(8)计算出的电阻值代入前文所述的压降计算方法，综合即可得到可以自适应直流电阻变化的稳态电压控制方法。可以看到，该方法可以实时计算线路电阻，由此得到的线路压降也更为精确，但计算量更大，且对测点信息的要求也更高，因此该方法可与采取固定电阻值的方法进行结合。例如，当直流电流较小或者常温时，实际电阻偏差较小，可采用固定电阻法，当直流电流较大或环境温度较高时，采用自适应电阻法。

3 仿真分析

3.1 仿真系统分析

为了验证上述控制策略的可行性和有效性，基于乌东德工程，在RTDS仿真平台上搭建了如图1所示特高压并联型三端混合直流输电系统，首端整流站LCC采用定电流控制，中间换流站VSC1采用定有功功率和定无功功率控制，末端换流站VSC2采用定直流电压和定无功功率控制，直流线路采用相域频变模型，线路1总长度为904 km，常温下直流电阻为3.738 2 Ω，线路2总长度为547 km，常温下直流电阻为3.745 5 Ω，其他关于三端仿真系统的主要参数见表1所示。

3.2 仿真结果分析

1) 工况1：稳态运行及功率提升

为验证稳态工工况下的电压控制的精确程度，分别在单极大地回线和金属回线方式下，使用固定电阻法和自适应电阻法，在直流运行在0.1 p.u.、0.5 p.u.和1.0 p.u.功率水平下，测得首端整流站(LCC站)的直流电压，如表2和表3所示。

表1 仿真系统主要参数

表2 单极大地回线首端整流站直流电压

表3 金属回线首端整流站直流电压

由表2和表3可以看出，固定电阻法在小功率下控制直流电压精度较高，但是由于预设的电阻值与实际线路电阻一定有所偏差，从而导致计算的线路压降会有偏差，随着直流功率/电流变大，这种偏差也会被逐渐放大，所以大功率水平下固定电阻法的控制误差会略大。而自适应电阻法在不同功率水平下，均可精确地控制直流电压，误差很小。

进一步地，模拟三站同步升功率操作，验证稳态电压控制方法的精度，具体操作为，在单极大地回线方式下，LCC站控制直流功率按40 MW/min的速率从400 MW升至600 MW，同时另一定功率站VSC1站控制直流功率按15 MW/min的速率从150 MW升至225 MW(需要说明的是，本文所述直流功率均为折算到整流侧发出的直流功率)，仿真结果如图5所示。

图5 稳态升功率仿真波形

由图5可知，随着三站功率逐步增大，线路压降也逐渐增大，定直流电压站VSC2按计算得到的电压参考值控制自身的端口电压， VSC2和定功率站VSC1直流电压逐渐下降，保证首端整流站LCC直流电压一直精确地维持在800 kV。

2) 工况2：定直流电压站紧急停运(退站)

三站均运行在单极大地回线，且均处于满功率状态，LCC直流功率为4 000 MW，VSC1直流功率为1 500 MW，VSC2直流功率为2 500 MW，模拟定直流电压站VSC2紧急停运，电压控制方法采用在大功率水平下更为精确的自适应电阻法，仿真结果如图6所示。

图6 定直流电压站闭锁波形

由图6可以看出，在0.2 s时VSC2发生紧急停运，闭锁换流器，直流功率变为0，执行故障退站操作，剩余两站通过移相、临时闭锁等操作协同将直流电流和直流电压降至0，从而使VSC2可以顺利拉开与汇流母线相连的快速开关，同时VSC1通过站间通信检测到VSC2闭锁后自动切换为定直流电压站。需要注意的是，在此过程中稳态电压控制不起作用。待VSC2与汇流母线断开连接后，剩余两站再恢复直流功率和直流电压，受VSC1最大功率限制，故障后直流功率变为1 500 MW。另外，新的定直流电压站VSC1也按本文所述方法恢复直流电压，可以看到，故障前和故障后LCC的稳态直流电压均可精确维持在800 kV。

4 结论

在特高压多端混合直流输电系统中，由于定直流电压站的控制目标是首端整流站，为实现稳态时对直流电压的精确控制，需要考虑长距离线路压降带来的影响。本文首先分析了目前最常见特高压多端混合直流的系统结构，充分利用特高压直流站间通信可靠性高的特点，基于主从控制思想，提出了一种适用于特高压多端混合直流输电系统的稳态电压控制方法，即通过直流系统的接线方式、线路电阻和电流，实时计算定直流电压站和首端整流站之间的压降，并定直流电压站的电压参考值进行修正，从而实现对首端整流站电压的精确控制。进一步地，考虑到线路电阻存在偏差或者原始数据难以获取等问题，提出了一种可以实时计算线路电阻的自适应方法。仿真结果表明，本文所提方法可以有效实现整流站电压的精确控制。本文所述方法也已应用于乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程中，在未来可为后续的多端混合直流工程提供有益的参考。

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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

国家重点研发计划项目资助(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，硕士，工程师，主要研究方向为特高压直流输电及柔性交直流输电技术；E-mail: yuxiang@ nrec.com

鲁 江(1979—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为特高压直流输电及柔性交直流输电技术；

董云龙(1977—)，男，硕士，研究员级高级工程师，主要研究方向为特高压直流输电及柔性交直流输电技术。

(编辑 葛艳娜)