vsc-mtdc系统下垂控制优化策略

米根锁1，谌

杰1，高

磊1，邓

英2，赵

妍1

（1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州730070；2.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力

大学），北京102206）

摘要：直流电压稳定和系统功率平衡是直流输电系统稳定运行的关键条件。下垂控制不依赖于站间高速通信，为远距离输电提供了有效的技术支持，但其存在直流电压控制刚性较差，下垂系数设置不当易造成系统控制不稳定和换流站过载运行等一系列问题。为解决这类问题，先求解出三端柔性直流输电直流网络的V-I特性关系，分析下垂系数的作用原理，随后求取V-I特性曲线边界条件，最后提出一种下垂控制优化策略，对下垂系数设置影响因子，使系统根据需要动态改变下垂系数，从而运行在适宜的工况。使用PSCAD/EMTDC平台搭建了三端柔性直流输电仿真系统，经过稳态分析和暂态分析证明了所提出优化策略的正确性和有效性。关键词：多端柔性直流输电；下垂控制；电压偏差；功率分配；影响因子中图分类号：TM721

文献标志码：A

文章编号：1003-8930（2020）01-0101-07

DOI：10.19635/j.cnki.csu-epsa.000220

OptimizedDroopControlStrategyforVoltageSourcedConverter

BasedMulti-terminalHVDC

MIGensuo1，CHENJie1，GAOLei1，DENGYing2，ZHAOYan1

（1.SchoolofAutomationandElectricalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070，China；

2.StateKeyLaboratoryofAlternateElectricalPowerSystemwithRenewableEnergySources，

NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206，China）

Abstract:ThebalancebetweenDCvoltagestabilityandsystempowerisaprerequisiteforthestableoperationofHVDCsystem.Sincedropcontroldoesnotdependonthehigh-speedcommunicationbetweenstations，itprovideseffec⁃andtheimpropersettingofdroopcoefficientwilleasilyleadstoproblemssuchastheinstabilityofsystemcontrolandtheoverloadoperationoftheconverterstation.Tosolvethiskindofeproblems，therelationbetweenvoltageandcurrentposed，inwhichaninfluencingfactorissetonthedroopcoefficient，sothatthesystemcandynamicallychangethedrooptivenessoftheproposedoptimizedstrategyareverifiedbysteady-stateandtransientanalyses.tion；influencingfactor

tivetechnicalsupportforlong-distancepowertransmission.However，itsDCvoltagecontrolrigidityisrelativelypoorer，ofathree-terminalflexibleHVDCnetworkissolvedatfirst.Then，theactionprincipleofdroopcoefficientisanalyzed，andtheboundaryconditionoftheV-Icharacteristiccurveisobtained.Finally，anoptimizeddroopcontrolstrategyispro⁃coefficientaccordingtoneeds.Inthisway，thesystemcanalwaysruninsuitableworkingconditions.Athree-terminalflexibleHVDCtransmissionsimulationsystemisbuiltonthePSCAD/EMTDCplatform，andthecorrectnessandeffec⁃Keywords:voltagesourcedconverterbasedmulti-terminalHVDC；droopcontrol；voltagedeviation；powerdistribu⁃

agesourcedconverter）的高压直流HVDC（highvolt⁃

柔性直流输电是基于电压源换流器VSC（volt⁃

电网提供了技术支撑[2]。

sourcedconverterbasedmulti-terminalHVDC）与两端柔性直流输电系统相比，含有两个以上的VSC换流站，能完成多电源同时向输电系统送电和多落点获取系统输送的电能，提高了输电的经济性与运行的高效性，但也增加了控制策略的复杂性[3]。

多端柔性直流输电系统VSC-MTDC（voltage

agedirectcurrent）输电技术，可应用于大、小容量的输电系统，也可应用于交流电网的异步联网[1]。相对于传统晶闸管换相器输电方式，其主要优点在于不存在换相失败问题，可独立调节有功和无功功率，谐波水平较低。为风力发电等可再生能源接入

收稿日期：2019-01-19；修回日期：2019-04-01基金项目：重大国际合作专项资助项目（2018ZD09）

网络出版时间：2019-04-1717：34

·102·

电力系统及其自动化学报第1期

直流电压的稳定决定了直流输电系统的运行稳定性，为了实现输电系统多换流站协调控制，参考文献[3]主要用了主从控制、直流电压偏差控制和下垂控制。主从控制需要换流站之间的高速通信，设置一个主换流站，负责保持系统的直流电压稳定，从站则保持功率的稳定，其优点主要是结构简单、原理清晰、易于实现；直流电压偏差控制实际上是一种具有备用主站的主从控制，当主换流站因故障等原因退出系统时，从换流站会自动转换成为新的主换流站。以上两种控制方式虽然结构简单，易于实现但其需要换流站间的高速通讯，限制了输电距离。而下垂控制则是由若干个换流站共同调节电压，分配功率，控制器直接作用于换

流站，不需要通讯设备。当输电系统出现扰动时，如送电端功率突变，换流站停运等，系统会调节直流电压和有功功率，让系统维持运行状态，可靠性更高。换流站的V-P和V-I特性曲线直观地反映了该换流站对功率分配和电压调节的能力。

传统下垂控制对于直流电压控制和功率分配能力受限于固定的下垂系数，系统总是以恒定的比例去平衡直流电压和有功功率，难以适应例如系统输送端功率突变、某换流站退出运行的各种复杂工况。

文献[4]研究了多种VSC-HVDC的拓扑结构。文献[5]定义的广义直流电压控制器，能够抑制故障时直流电压的波动。文献[6]将风电场视为无源网络，搭建了输电环网模型，证明多端柔性直流输电

可以向偏僻地区供电。文献[7]提出了适用于微电网的自适应调频策略。

本文针对传统下垂控制的不足之处，提出一种下垂控制的优化策略，能够有效地降低系统的直流电压偏差，保证系统稳定运行。

1多端柔性直流系统结构

多端柔性直流输电技术适用于大规模海上风

电并网[12]。本文以典型的三端海上风电并网工程为例进行研究。其结构如图1所示。

风机侧换流站一般设置在离岸不远的岛屿，经海底电缆与岸上的换流站相连接，海上风电场将

采集到的风能转化成电能传输到风机侧的换流站，风机侧换流站将该电能变换为符合输电条件的直流电经海底电缆传输到岸上换流站，岸上换流站将直流电变换成符合并网条件的电能，最终输送到电网中。

交流电网

GSC1

WFC1

海上风电场

海底电缆

交流电网

图1

三端柔性直流输电系统结构

GSC2

Fig.1

Structureofvoltagesourcedconverterbasedthree-terminalHVDC

2自适应下垂控制策略

2.1传统下垂控制策略根据前面所述，影响输电系统稳定运行的一个关键因素是直流电压。同时，系统必须满足功率平衡才能正常运行，所以对直流电压和功率的控制尤为重要。下垂控制是一种多点控制，通过测量各个控制节点的电压与有功功率对整个系统进行协调控制。对网侧换流站一般采用电压外环与电流内环控制[9]。下垂控制利用V-I或V-P控制曲线生成

内环电流参考值iref。系统的直流电流与直流电压

下垂特性为I-Iref

式中：

=kdroop

(U-Uref)（1）

kdroop为系统的下垂系数；Uref与Iref分别为直流电压参考值和直流电流参考值；

U与I分别为下垂控制换流站的电压与电流。

直流电压与有功功率下垂关系为P-Pref=kdroopU2+Iref-kdroopUrefU

2）

式中：

Pref与P分别为下垂控制换流站的有功功率()（及有功功率参考值。

从式（1）、（2）中可以看出，下垂系数的变化会改变系统的直流电压和有功功率。所以，确定适宜的下垂系数能让系统工作在稳定的工况。下垂控制可以实现多个换流站同时对系统进行协调控制，避免了主从控制因主换流站退出运行，功率失去平衡而引起的系统崩溃等问题。在直流电压下垂控

制中稳定电压的工作被分配到多个换流站，

下垂系数通常由这些换流站的容量关系来确定，因此容量不同的换流站对应不同的下垂系数，从而可以将系统功率变化造成的影响分摊到各换流站，控制的灵活度较高。直流电压和有功功率是一对矛盾的因素，直流电压稳定性好，功率分配能力就相对较

第32卷

米根锁等：VSC-MTDC系统下垂控制优化策略

·103·

差。相反，功率分配能力强，直流电压稳定性就较差。为了解决这一矛盾，本文提出一种改进的控制方法，使电压稳定性和功率分配能力根据工况的变化而变化，从而满足不同工况的需要。2.2

三端柔性直流输电系统模型

对图1所示的三端柔性直流输电系统结构建立模型，利用文献[10]所述建模方法推导其简化模型如图2所示。

Ra

输出节点a

R输入节点c

c

Rb

输出节点b

图2三端柔性直流输电系统直流网络模型

Fig.2

DCnetworkmodelofvoltagesourcedconverterbasedthree-terminalHVDC

风机侧换流站向直流网络注入功率，视为输入节点，网侧换流站接收功率并注入电网，视为输出节点。对上述模型求解其V-I特性关系，结果为

ìïïucí

=Rcic+æçèRa+k1ö

a÷øia+uref,aï（3）ïî

uc=Rcic

+æçèRb+k1öb÷øib+uref,b式中：ia、ib、ic分别为3个节点对应的直流电流；ka、kb为两个输出节点的下垂系数；uref,a、uref,b为节

点a和b的参考电压。由式（3）可知，流入各下垂控制节点的电压与电流呈线性关系，其比例为该支路电阻与下垂系数的倒数之和。2.3

下垂系数自适应修正

由文献[11]的结论可知，下垂控制特性曲线在边界范围内是单调递增的连续函数。其边界是由输电系统元器件或者直流电缆额定电流和直流电压波动范围所确定。通常，允许的直流电压偏差在±10%以内，用标幺制表示时，直流电流限制在-1到1之间，如图3其边界条件体现为两组相互垂直的直线。因此，可以根据系统参数实时调整V-I特性曲线的运行轨迹。

传统的下垂控制模型中，下垂系数为事先设定好的常数，系统只能按照预先设定的曲线运行，系统控制电压和分配功率的能力固定，如果在功率波动较大或者某个换流站退出运行的工况下，可能会

使换流站过载运行甚至瘫痪。为了解决此类问题，现提出一种下垂控制优化策略。换流站的V-I特性曲线如图4所示。.u.p/U传统下垂控制曲线下垂运行区间1.11.00.9自适应下垂控制曲线-101I/p.u.图3自适应下垂控制曲线Fig.3Adaptivedroopcontrolcurve

UdcUrefIdc图4换流站V-I特性曲线

Fig.4V-Icharacteristiccurveofconverterstation

图4对应的换流站下垂特性关系为u=k1(i-iref)k1droop

+uref（4）

式中，droop

为V-I特性曲线的斜率，

利用电压偏差在原下垂斜率中设置影响因子α。α=

Δ|Δuu|max（5）

由于允许的直流电压偏差在±10%以内，所以

最大电压偏差关系为

ΔΔuumax=u=-0.1uuref（6）

则优化后的ref

（7）V-I特性方程变为u′=kαdroop(i-iref)+uref

（8）

将式（4）代入式（7）可得直流电压偏差为

Δu=kdroop1(i-iref)（9）

而改进下垂控制后的电压偏差为Δu′=kαdroop

(i-iref)（10）

在正常的电压波动范围内，0≤α≤1，在同等

运行电流下Δu′≤Δu，所以优化下垂控制后的系统直流电压偏差更小。由式（5）可见，当Δu=0时，

α=0，

此时u=uref，系统运行在额定状态。当系统发生功率波动引起电压电流变化时，此时电压偏离

参考运行电压，

α不再为零。α迅速作用于控制环节，使下垂系数得到修正。

·104·

电力系统及其自动化学报第1期

由图3可见使用自适应下垂控制比使用传统下垂控制的直流电压偏差更小。当系统电压偏差开始增大时，α跟随电压偏差变大，即V-I特性曲线的斜率逐渐增大。

由式（4）可得：p=k1droopi2+æ

çiöè

uref-krefdroop÷øi（11）将系统电压定为额定电压uref，电流i=0时的运行状态规定为系统参考运行点，即ikdroop

1refu=0，则有：p=i2+refi（12）由式（12）可知，当电流i增大时，系统有功功率也不断增大，ddp将式（12）求导可得：i=kdroop

2i+uref（13）

根据式（13）可知，功率的变化率是跟随电流的

增大而增大的，再结合式（12）可知，功率的变化率跟随着功率的增大而增大，即说明功率的分配能力逐步增大。

所以，在系统功率较小时，此时的V-I特性曲线斜率小，电压刚性好，系统侧重于工作在稳定直流电压的状态，系统运行直流电压更加接近参考运行电压。当功率出现较大波动时，直流电压偏离参考运行电压较大，系统功率更接近额定功率，特性曲线快速修正使得斜率变大，系统控制侧重于分配功

率，能够有效避免换流站因功率超出限制而造成的过载或者崩溃。因此，本文提出的自适应下垂控制，能够根据系统功率变化调节稳压能力和功率分配能力，能使系统运行在合适的工况，减少了线路直流电压偏差。根据分析结果可以得出图5所示的控制器。idcudcPWMMdMq自适应下垂控制idrefu′=α+kdroop(i-iref)+urefi+d-PIdq

ianciqqrefabcQQ+iref-+PI++-PI图5系统闭环控制

Fig.5Closed-loopcontrolofsystem

系统检测直流电压与直流电流并输入自适应下

垂控制器，通过影响因子实时调节下垂系数，修正V-I特性曲线的运行轨迹。经过自适应控制器后产生有功类参考量i值Qdref，无功功率Q和无功参考

ref经过PI控制器后产生无功类参考量iqref。

dq轴电流参考值进入内环电流控制器后产生调制信号输出到PWM，最终通过PWM得到开关触发

脉冲。由式（8）能够得到自适应下垂控制器，其控制

框图如图6所示。udcidcudcref-++|X|NN/Dαk1droop

DΔumax

udcref+++u-′+dc

+PI

idref图6

自适应下垂控制器

Fig.6Adaptivedroopcontroller

系统通过测量直流电压u制器中，随后快速计算影响因子，dc输入自适应下垂控

融入原下垂系数，

最后得到d轴电流参考值。

3

仿真与结果分析

3.1

参数设置

为了验证本文提出的自适应下垂控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC电力系统仿真平台搭建了如图WFC1提出的自适应下垂控制。

使用有功功率控制，1所示的三端柔性直流输电系统。其中GSC1和GSC2使用本文额定直流电压设置为400kV。设置仿真主要参

数，线路等值电阻为7Ω，等值电感为0.6H，单个换流站额定有功功率为600MW，MMC子模块电容为13mF，桥臂电感为120mH，三个换流站的参数设置相同。

3.2稳态仿真分析

对传统下垂控制进行稳态仿真，将WFC1的功

率设置为400MW，在稳定工作状态下进行仿真，结

果如图7所示。同样，对优化下垂控制后的系统进行仿真，得到图8所示的波形。由图7和图8可见，在使用了本文提出的控制策略之后，运行实际值能稳定跟踪设定好的参考

值。由于GSC1和GSC2的参数设置相同，所以流入两换流站的功率相同。对利用传统下垂控制的系第32卷

米根锁等：VSC-MTDC系统下垂控制优化策略

·105·

430

425Vk420/c415dU400405400395

0.50.60.70.80.9t1.0/s

1.11.21.31.41.5（a）直流线路电压

500

W400

M300

200WFC1GSC1/率功-100100-2000GSC2-300-400-500

0.50.60.70.80.9t1.0/s

1.11.21.31.41.5（b）各换流站有功功率

图7

传统下垂控制策略仿真结果

Fig.7

Simulationresultsunderthetraditionaldroopcontrolstrategy

430V420k/410cdU400390380370

0.50.60.70.80.9t1.0/s

1.11.21.31.41.5（a）直流线路电压

500W400

M300

200WFC1/率功-100100-2000GSC1GSC2-300-400-500

0.50.60.70.80.9t1.0/s

1.11.21.31.41.5（b）各换流站有功功率

图8

自适应下垂控制策略仿真结果

Fig.8

Simulationresultsunderadaptivedroopcontrol

strategy

统仿真得到直流电压约为414kV，而对自适应下垂控制的系统仿真得到的直流电压约为406kV。

对不同传输功率下的系统，分别采用传统控制方法和优化控制方法进行仿真，比较两种控制方式下的直流电压，得到的结果图9所示。

420传统下垂控制自适应下垂控制

Vk415/cdU410405400

100200输入有功功率300400/MW

500600图9直流电压对比

Fig.9

ComparisonofDCvoltage

从图9中可以看出，在传输功率介于100MW与600MW之间时，采用自适应下垂控制时输电线路的直流电压明显低于传统下垂控制，直流电压偏差更小。使用自适应下垂控制，在有功功率接近系统额定功率时，功率分配能力逐渐增强以满足系统功率平衡。

相对于使用传统下垂控制，优化后控制策略能使线路直流电压偏差显著减少。可见在稳态时，所提出的控制优化策略能够有效地降低电压偏差，提高了VSC-MTDC系统稳态运行时的稳定性和可靠性。3.3

3.3.1暂态仿真分析

为了验证优化下垂控制策略的动态特性，换流站功率波动

例如

海上风电因风速变化等原因导致输送功率的变化，现将VSC-MTDC送电端的有功功率突然改变，分析所得结果。MWWFC1注入系统的起始功率设置为400结果如图，在0.610s所示。

时WFC1的功率突变为600MW。仿真450

440Vk430/420cdU410400390380370

0.50.60.70.80.9t1.0/s

1.11.21.31.41.5（a）直流线路电压

700W600500M400300200WFC1/率GSC1功-100100GSC2

-2000-300-400

0.50.60.70.80.9t1.0/s

1.11.21.31.41.5（b）各换流站有功功率

图10功率突变仿真结果

Fig.10SimulationresultsunderPowerpowermutation

由图10可见，由于WFC1的有功功率突然变化导致整个输电系统输入的功率大于输出的功率。此时，下垂控制器快速作用于GSC1和GSC2，使得输出功率短时间内迅速变大以维持功率平衡，致使直流电压也逐渐抬升。当600MWMW时，GSC2和GSC3的输出功率提升至WFC1输入功率上升至300上升至约，同时，直流电压在自适应下垂作用下由406kVMTDC416kV。根据仿真结果可以看出，VSC-作用于系统，系统出现功率波动时，实时调整系统运行工况，自适应下垂控制快速让系统运行在新的平衡下。

·106·

电力系统及其自动化学报第1期

3.3.2多端输电系统换流站退出运行

N-1法则是指某一换流站因故

退出运行，系统剩余部分能自动调节，使功率处于新的平衡状态并继续运行。为了验证系统能否在N-1模式下运行，在系统稳定运行的前提下，某一时刻让换流站退出运行。在0.6s时，让GSC1主动退出运行，其仿真运行结果如图11所示。

460

450Vk440/430cdU420410400390380

0.50.60.70.80.9t1.0/s

1.11.21.31.41.5（a）直流线路电压

500

W400M300200WFC1/GSC1率-100100-2000GSC2

功-300-400-500

0.50.60.7t/s

0.80.91.0（b）各换流站有功功率

图11换流站退出运行仿真结果

Fig.11

Simulationresultswhentheconverterstationexitsoperation

由图11可见，0.6s时因GSC1退出多端运行，直流网络输出功率突然减少，此时自适应下垂控制作用后，使得直流电流增大，以提高功率输出，这时由GSC2来承担更多的有功功率功率，直流电压由406kV上升到约429kV，整个系统过渡到新的稳态。由此可见，该控制策略能满足系统的N-1运行模式，在某换流站退出多端运行时，自适应地改变下垂系数，并且能够让剩余换流站根据工况自行调节功率分配以满足系统的功率平衡，不需要站间通信。

4结语

下垂控制不需要站间通信，但其对直流电压和有功功率的控制能力固定，难以适应各种复杂的工况。因此，本文提出了一种下垂控制优化策略，在下垂系数中设置影响因子，根据系统实际运行电压偏差大小来调整运行状态，让系统在复杂的工况下也能稳定运行。

利用PSCAD/EMTDC建立了一个三端柔性直流输电模型。对比利用传统下垂控制和优化下垂

控制的仿真结果，结果证明采用优化下垂控制时，直流电压偏差更小，更有利于降低直流输电线路的绝缘成本。仿真结果证明在系统出现功率波动时，自适应下垂控制能迅速作出反映，提升功率分配能力，维持系统功率平衡，让系统进入新的稳态运行点。依据多端输电系统安全运行的N-1规定验证了系统能够在N-1模式下稳定运行，证明了该优化策略运用于系统的可靠性。

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IEEEinmeshedTransonAC/DCPowergridsSystemswith，2013VSC，-辉，蒋超（DongJing，LiuZhaohui，Jiang

（NovelMMC-HVDCcontrolstrategy）[J].电力系统及其自动化学报（ProceedingsoftheCSU-EPSA），2017，29（2）：129-134.————————作者简介：

米根锁（1966—），男，硕士，教授，主要研究方向为计算机测控技术及应用。Email：1240065077@qq.com谌杰（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为多端柔性直流输电。Email：1418914876@qq.com高

磊（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为含新能源电力系统。Email：1013298469@qq.com