景世良, 王　毅, 许士锦, 黑　阳, 张紫光

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北保定071003)



基于VSC的直流配电网的电压调整控制策略

景世良, 王毅, 许士锦, 黑阳, 张紫光

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北保定071003)

摘要：对基于VSC的直流配电网的功率控制策略进行了分析研究，提出了一种新型电压调整控制策略。该控制策略将直流电压下垂控制与直流电压偏差补偿控制相结合，通过偏差补偿控制实时的调整各端换流站电压控制器的直流电压参考值，实现了系统内潮流变化时有功功率的精确控制，消除和减少了采用传统电压下垂控制时引起的电压偏差，防止了直流配电网发生较大功率波动时过电压的发生。最后，在Matlab/Simulink上搭建了两端直流配电网和三端环状直流配电网仿真模型，对所提控制策略进行了仿真分析，验证了所提控制策略的有效性。

关键词：直流配电网；直流电压调整；直流电压下垂控制；偏差补偿控制

0引言

近年来，随着分布式发电、多端直流输电技术的不断发展以及新型直流设备的技术突破，直流配电网的研究得到了国内外学者的广泛关注[1-4]。直流配电网是以直流输电为基础，由直流换流站、交直流负荷、直流微网、分布式发电单元等组成的能量管理系统。与传统的交流配电网相比，直流配电网的优点有：减少电力电子换流器的使用，降低换流站建设和运行成本[5]；降低电网的复杂性，减少输电损耗[6]；不存在频率和功角稳定性、无功环流等问题。

作为未来电网的重要组成部分，直流配电网的功率控制是首要问题，而直流电压的稳定可以间接反映系统内有功功率的平衡，因此直流配电网稳定运行的关键在于直流电压的控制。目前，适用于直流配电网的电压控制方法主要有三种：主从控制、电压裕度控制、电压下垂控制。主从控制[7]通过设定一个主换流站承担全网功率平衡，控制直流电压稳定，而其余换流站采用定功率控制。主从控制控制原理简单，但依赖换流站之间的通信性能，通信故障后系统难以控制[8]，且主换流站一但故障或者达到功率限值就可能导致系统失控。电压裕度控制[9]是主从控制的一种扩展，当主换流站故障或者功率超过限额时，功率裕度较大的换流站切换至电压控制模式，该控制方法无需站间通讯，但主换流站切换时容易引起系统震荡，同时后备换流站的优先级确定困难[10,11]。直流电压下垂控制[12,13]利用直流电压与功率或电流的斜率特性，实时的响应系统内的功率波动。系统内的多端换流站可以同时采用直流电压下垂控制，共同承担功率平衡和系统控制[14,15]，具有很强的调节能力，且不需要站间通信，是未来直流配电网电压控制的发展方向。

对于直流配电网的控制，当采用传统的直流电压下垂控制时会产生电压偏差，尤其当系统内发生较大负荷波动时，电压偏差可能超出额定范围，对系统稳定运行造成严重影响。因此本文针对基于VSC的直流配电网的功率控制，提出了一种基于附加直流电压偏差补偿控制的改进直流电压下垂控制策略。首先介绍了直流配电网的系统结构和换流站的数学模型，其次分析了基于U-I特性曲线的直流电压下垂控制的优缺点，然后提出了基于附加直流电压偏差补偿控制的改进直流电压下垂控制策略。最后，在仿真软件Matlab/Simulink中搭建了两端直流配电网和三端环状直流配电网仿真模型，验证了所提电压调整控制策略的有效性。

1直流配电网的系统结构及建模

1.1系统拓扑结构

直流配电网的拓扑结构主要有放射状、环状和两端供电3种，分别如图1-3所示。

图1　放射状直流配电网拓扑结构

图2　环状直流配电网拓扑结构

图3　两端直流配电网拓扑结构

一般情况下，放射状直流配电网的供电可靠性比较低，环状网络和两端供电网络的供电可靠性较高。直流配电网可以根据供电可靠性、负荷对电压的要求及安装建设投资等情况，综合选择直流配电网的电压等级和拓扑结构。

1.2换流器建模

本文研究的基于VSC的直流配电网系统中各个换流器VSC的拓扑结构相同，如图4所示。

图4　VSC拓扑结构图

在建立数学模型时，假设交流侧三相参数对称，忽略变压器及交流滤波器的影响，将变压器的漏抗和损耗统一等效到电抗器上。则VSC在同步旋转dq坐标系下的数学模型为[16]：

(1)

式中：usid和usiq分别为换流站i交流侧母线电压的dq轴分量；uid和uiq分别为换流站i交流侧出口电压基波的dq轴分量；iid和iiq分别为换流站i流过电抗器电流的dq轴分量；Rsi和Lsi分别为联结变压器加相电抗器的等效电阻和电感；ω为同步旋转角频率。

当控制器采用直接电流控制时，通过引入电压耦合补偿项ωLsiiid、ωLsiiiq和电压前馈补偿项usid、usiq，可得到内环电流控制器的脉宽调制的输出电压信号：

(2)

式中：iidref和iiqref分别为换流站i外环控制生成的dq轴分量参考值；kiP和kiI分别为换流站i电流的PI控制器参数。

采用电网电压定向的矢量控制策略时，VSCi的交、直流侧传输的有功功率可表示为：

(3)

式中：uidc和iidc分别为换流站i直流侧电压和电流。

忽略换流站及连接电抗器的损耗，由功率守恒可得：

(4)

由式(4)可知，通过控制电流iid可以实现对换流站i的有功功率传输的控制及维持换流站i的直流电压在一定范围之内。

2直流配电网的电压调整控制策略

直流配电网的控制可大致分为系统级、换流站级和换流器级等，本文提出的控制策略主要涉及系统级控制和换流站级控制。

根据不同的工况，直流配电网的直流电压可以设置为正常运行区间、安全运行区间、极限运行区间[6,17]。在正常运行区间，系统内的换流器传输功率和负荷功率保持平衡，直流电压保持在额定电压的正常偏差范围内。当换流器故障或者容量受限时，直流电压达到安全运行区间，此时换流器可以继续运行。当换流器传输功率和负荷功率严重失衡时，直流电压超出极限运行区间，则采取切负荷、系统中发电单元降功率运行等措施。本文针对直流配电网的电压控制，提出了一种基于电压偏差补偿的改进直流电压下垂控制策略。

2.1直流电压下垂控制策略

在直流电压的正常运行区间内，直流配电网中的各端换流站均采用直流电压下垂控制，利用各自的有功功率或电流与直流电压的斜率特性，实时快速的响应功率波动，从而实现直流电压稳定和功率平衡。直流电压下垂控制有两种方式：基于U-P特性曲线的直流电压下垂控制；基于U-I特性曲线的直流电压下垂控制。本文采用基于U-I特性曲线的直流电压下垂控制，其控制特性如图5所示。

图5　换流站i的下垂控制特性

本文设定直流电压的正常运行区间为0.95UN～1.05UN，则图5所示的换流站i的U-I特性曲线可以表示为：

(5)

换流站i的下垂系数的表达式为：

(6)

式中：Iimax、Iimax分别为换流站i直流侧电流的最大值和最小值，其表达式为：

(7)

式中：Pimax、Pimin分别为换流站i允许发送和吸收功率的最大值。

当采用电网电压定向的矢量控制策略时，由式(4)可得换流站i有功电流分量的给定标幺值为：

(8)

换流站i的直流电压下垂控制如图6所示，采用双闭环矢量控制方式，内环为电流控制环，外环采用直流电压下垂控制。本文采用单位功率因数控制，故无功电流参考值为0。

图6　换流站i控制结构

2.2直流电压的附加偏差补偿控制

当换流站采用直流电压下垂控制时，虽然能实时快速的响应系统内的潮流变化，但是基于U-I特性控制曲线的斜率导致存在静态电压偏差，直流配电网内负荷剧烈波动时，电压偏差容易超出正常运行区间，影响系统的直流电压质量。

为了补偿由直流电压下垂控制引起的静态直流电压偏差，本文在各端换流站采用直流电压下垂控制的基础上，引入直流电压的附加偏差补偿控制。通过将直流电压的参考值和实际值的差值uidc经过积分调节器后附加到电压参考值上，得到更新后的参考值dc，从而减小或消除直流电压偏差。其表达式为：

(9)

式中：KiI为换流站i的偏差补偿控制的积分系数。

基于本地换流站信息的直流电压附加偏差补偿控制能够很好的实现直流电压的无差调节，但是却不能实现各换流站传输功率的精确控制。由于直流配电网内传输线路阻抗的存在，因此系统内的各端换流站直流侧电压并不能同时达到额定电压。因此为了实现各端换流站既能根据本地信息精确的控制各自的传输功率，根据各自的容量响应系统内的潮流变化，又能减少由于直流电压下垂控制引起的电压偏差，本文将维持某一个换流站(主站)直流侧电压为额定值，采集主站电压偏差，将其补偿到系统内的各端换流站。当主站由于故障退出运行后，其余各端换流站直接采用电压下垂控制策略。

综上，直流电压的偏差补偿结构如图7所示。当主站故障退出运行时，S=1，偏差补偿控制不参与调节；当主站正常运行时，S=2，偏差补偿控制参与电压参考值的调整。其目的是在考虑直流线路压降影响的基础上，减少由于直流电压下垂控制引起的电压偏差，从而维持各端换流站直流电压在额定电压附近，避免系统发生较大功率波动时出现过电压。

图7　直流电压的附加偏差补偿控制

综上所述，当直流电压在正常运行区间时，系统内各端换流器采用基于偏差补偿控制的直流电压下垂控制策略，当换流器的容量受限时，切换至恒功率控制模式。当直流电压超过极限运行区间的上限时，直流配电网内的分布式发电单元降功率运行，当直流电压超过极限运行区间的下限时，直流配电网需要切除部分次要负荷。当主站故障退出运行时，VSCi的整体控制策略如图8所示。

图8　换流站i电压调整控制策略示意图

3仿真验证

3.1两端直流配电网仿真分析

为了验证本文所提出的直流配电网电压调整控制策略的有效性，在仿真平台Matlab/Simulink中搭建了图9所示的两端中压直流配电网系统。

图9　两端直流配电网的仿真系统结构

模型主要参数设置如下：VSC1的额定容量为10 MW，VSC2的额定容量为5 MW，永磁直驱风电机组侧换流站的额定容量为20 MW；直流母线额定电压为20 kV，交流系统电压为10 kV；直流线路的单位长度电阻r0=0.0139 Ω/km，单位长度电感l0=0.159 mH/km；直流线路l1=10 km，l2=5 km，l3=10 km，l4=10 km，l5=10 km；VSC1的下垂系数k1=0.045 5，VSC2的下垂系数k2=0.045 5；VSC1的偏差补偿控制的积分系数K1I=10，VSC2的偏差补偿控制的积分系数K2I=10。仿真时选定VSC1为主站。

仿真中，规定换流站的传输功率以流向直流配电网系统为正方向。下面分别对稳定运行状态和暂态故障情况进行仿真分析。

3.1.1稳态运行仿真分析

仿真开始时，等效直流负荷L1消耗的功率PL1为10 MW，等效直流负荷L2消耗的功率PL2为4 MW，风电机组发出的功率Pw为4 MW。2 s时L1消耗功率减少6 MW，3 s时L2消耗功率增加3 MW，4 s时风电机组增发功率12 MW，5 s时风电机组功率减少12 MW。图10对比了仿真系统分别采用本文所提电压调整控制策略和传统电压下垂控制策略时系统的动态响应。

由图10可知，当直流配电网系统内负荷功率发生波动、换流站的工作状态发生改变等稳态情况，在本文所提控制策略下，功率自动的在VSC1和VSC2中进行分配，且容量较大的VSC1承担了较多的功率差额，并且消除和减少了由于传统电压下垂控制响应功率变化时存在的电压偏差。

图10　两端直流配电网稳态运行特性对比图

3.1.2暂态运行仿真分析

仿真开始时，等效直流负荷L1消耗的功率PL1为10 MW，等效直流负荷L2消耗的功率PL2为4 MW，风电机组发出的功率Pw为4 MW。2 s时线路l2断开，3 s时L1消耗功率减少5 MW，4 s时线路l2恢复正常运行，VSC1侧交流电网在5 s时电压跌落80%，持续时间0.625 s，7 s时VSC2由于故障退出运行。

图11对比了仿真系统分别采用本文所提电压调整控制策略和传统电压下垂控制策略时系统的动态响应。

图11　两端直流配电网暂态运行特性对比图

由图11可知，当2 s线路l2断开后，两端直流配电网系统由双端供电变为双端隔离供电，各端换流站负责各侧有功功率的平衡，4 s线路l2恢复正常运行后，两侧换流站重新获得协调控制系统负荷波动的能力。当VSC2由于故障退出运行后，VSC1能自动的响应系统的功率平衡。与传统电压下垂控制策略相比，采用本文所提控制策略时系统内的电压稳定性更好。因此，本文所提控制策略能够有效的响应系统内发生断线及某端换流站退出运行等暂态过程。

3.2环状直流配电网仿真分析

为了验证本文所提控制策略对环状直流配电网的适用性，在仿真平台上搭建了图12所示的三端环网系统。

模型主要参数设置如下：VSC1的额定容量为5 MW，VSC2的额定容量为10 MW，VSC3的额定容量为10 MW；直流线路l1、l2长度为10 km，其余为5 km；各端换流站的下垂系数均为0.045 5，偏差补偿控制的积分系数均为10；其余参数同3.1两端直流配电网仿真分析。仿真时选定VSC2为主站。

图12　三端环状直流配电网的仿真系统结构

仿真开始时，等效直流负荷L1消耗的功率PL1为8 MW，等效直流负荷L2消耗的功率PL2为10 MW。2 s时L1消耗功率增加4 MW，3 s时L2消耗功率减少6 MW，VSC1侧交流母线在4 s时电压跌落80%，持续时间0.625 s，6 s时VSC2由于故障退出运行。系统内换流站的动态响应如图13所示。

由图13可知，采用本文提出的电压控制策略时，当环状直流配电网系统内负荷功率发生波动后，系统内的功率差额能够在各端换流站自行按照各自的容量进行分配，且维持各端直流电压在额定值附近。当6 s主站退出运行后，其余换流站采用电压下垂控制，维持系统的稳定运行。

图13　三端环状直流配电网运行特性

综上所述，仿真结果验证了本文所提电压调整控制策略的有效性，该控制策略适用于直流配电网的不同拓扑结构，且各端换流站同时参与功率调节，负荷功率扰动及换流站故障退出运行后不易出现电压越限的情况，实现了系统功率的精确控制，消除和减少了直流配电网采用传统电压下垂控制时引起的电压偏差。

4结论

本文首先介绍了直流配电网的拓扑结构和换流站的数学模型，分析了直流电压下垂控制的优缺点，提出了一种新型电压调整控制策略，该控制策略将传统电压下垂控制与直流电压偏差补偿控制相结合，实现了系统内功率的精确控制，消除和减少了采用传统电压下垂控制时存在的静态直流电压偏差，提高了系统内的电压质量，避免了直流电网中发生较大功率变化时过电压的发生。

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Voltage Regulation Control Strategy of DC Distribution Network Based on VSC

JING Shiliang,WANG Yi,XU Shijin,HEI Yang,ZHANG Ziguang

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：The power control strategy of DC distribution network based on VSC is analyzed and a new voltage regulation control strategy is proposed.The control strategy combines the DC voltage droop control with DC voltage deviation compensation control and the reference value of the voltage controller of each converter station is adjusted in real-time by using bias compensation control,while the precise control of active power is implemented. When the power flow changes in the system,the voltage deviation caused by traditional voltage droop control is reduced and eliminated,and the occurrence of overvoltage when large power fluctuation occurs in DC distribution network is prevented.Finally,a two-terminal and three-terminal structure of DC distribution network simulation model is established in Matlab/Simulink.The simulation results verify the validity of the proposed control method.

Keywords：DC distribution network；DC voltage regulation；DC voltage droop control；deviation compensation control

收稿日期：2016-04-01。

基金项目：国家863高技术基金项目(2015AA050101)。

作者简介：景世良(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为直流电网的电压调整控制，Email：jing101116@163.com。

中图分类号:TM72

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.002