一种VSC-HVDC在联网与孤岛运行方式间的切换控制方法

摘要

本发明公开了一种VSC-HVDC在联网与孤岛运行方式间的切换控制方法，该方法通过检测VSC的本地电气量及控制信号来判断VSC当前的控制模式和所处的运行方式，当发现VSC当前控制模式与VSC所处的运行方式不匹配时，对VSC的控制模式进行快速切换。故本发明方法使得VSC在联网运行方式时能够精准控制VSC网侧有功功率和无功功率，同时，使VSC在孤岛运行方式时能够为无源孤岛提供稳定且高品质的电压波形，因此，VSC-HVDC在联网运行方式及孤岛运行方式间相互转换的方法能够保证VSC-HVDC在两种运行方式间稳定地切换。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种VSC-HVDC在联网与孤岛运 行方式间的切换控制方法。

背景技术

VSC-HVDC（voltage source converter based high voltage direct current，电压 源换流器型直流输电系统）采用可关断电力电子器件，无需借助外部电源便可 实现换相，因此具备向无源网络供电的能力。此外，VSC-HVDC技术与传统直 流输电技术相比，还具有不需要无功补偿、无换相失败问题、谐波水平低、适 合构成多端直流输电系统、占地面积小等技术优势，因此VSC-HVDC具有广阔 的工程应用前景。

电网运行中，为增强重要负荷的供电可靠性，可采用VSC-HVDC和交流线 路为重要负荷双路供电，正常情况下双路供电，特殊情况下由VSC-HVDC或交 流线路单路供电。以我国正在建设的舟山多端柔性直流输电工程为例，该工程 在正常运行时，五个VSC（voltage source converter，电压源换流器）与交流电 网均有交流线路联系（该运行方式称为联网运行方式），但在故障或检修情况下， 舟山电网中将出现无源孤岛，因此需要某个或某几个VSC向无源孤岛供电（该 运行方式称为孤岛运行方式），但VSC孤岛方式只是临时运行方式，当交流联 络线故障清除或检修完成后，为增强系统供电可靠性，无源孤岛仍需通过交流 线路重合闸与交流电网的恢复连接，VSC随之转入联网运行方式。在上述情境 下，VSC需要具备在联网运行方式和孤岛运行方式间稳定转换的能力。

VSC-HVDC连接有源系统的控制策略主要有定直流电压控制、定有功功率 控制、定交流电压控制、定无功功率控制、定频率控制等方式。VSC-HVDC向 无源网络供电的控制策略主要包括幅相控制、直接电压控制、直接电流控制和 非线性控制等方式。Zhang L、Harnefors L、Nee H P在标题为Modeling and control  of VSC-HVDC links connected to island systems（IEEE Transactions on Power  Systems，2011，26(2)：783-793）的文献中指出VSC采用定功率控制方式与弱 交流系统连接时存在控制系统稳定性和动态性能较差的问题，并为此提出了一 种VSC-HVDC功率同步控制器，该控制器既可用于VSC与强交流系统相连也 适用于VSC与弱交流系统相连的情景。王珂、骆健、杨胜春等在标题为向无源 网络供电的VSC-HVDC启动控制研究（中国电机工程学报，2011，第31卷， 277-281）的文献中设计了向无源网络供电的级联型dq解耦比例积分控制器，该 控制器的电流响应速度快且能控制交流故障电流；目前实际工程中的VSC控制 系统均采用级联型dq解耦比例积分控制器结构。

但是，上述研究主要集中于VSC-HVDC处于联网或向无源孤岛供电某单一 运行方式下的控制器设计，采用这些控制方法的VSC-HVDC无法在联网运行方 式和无源孤岛运行方式间稳定地相互转换。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明基于实际工程中采用的级联 型dq解耦比例积分控制器结构，提供了一种VSC-HVDC在联网与孤岛运行方 式间的切换控制方法，可以保证VSC-HVDC在联网运行方式和孤岛运行方式间 稳定地转换。

一种VSC-HVDC在联网与孤岛运行方式间的切换控制方法，包括如下步骤：

（1）对于VSC-HVDC中的受端VSC，检测其控制模式：若其处于联网控 制模式，则执行步骤（2）；若其处于孤岛控制模式，则执行步骤（4）；

（2）检测受端VSC是否处于孤岛运行方式：若是，则执行步骤（3）；若 否，则返回步骤（1）执行下一时刻的检测；

（3）将受端VSC的控制模式由联网控制模式切换为孤岛控制模式；

（4）检测受端VSC是否处于联网运行方式：若是，则执行步骤（5）；若 否，则返回步骤（1）执行下一时刻的检测；

（5）将受端VSC的控制模式由孤岛控制模式切换为联网控制模式。

所述的步骤（1）中检测受端VSC控制模式的标准如下：

处于联网控制模式的受端VSC的特征为：受端VSC控制系统中的d轴控制 环采用定交流有功功率为控制目标，q轴控制环采用定交流无功功率或定网侧交 流电压有效值为控制目标，abc坐标系/dq坐标系以及dq坐标系/abc坐标系的坐 标变换矩阵的参考相位采用受端VSC网侧交流电压的相位；

处于孤岛控制模式的受端VSC的特征为：受端VSC控制系统中的d轴控制 环采用定网侧交流电压d轴分量为控制目标，q轴控制环采用定交流无功功率或 定网侧交流电压q轴分量为控制目标。

所述的步骤（2）中检测受端VSC是否处于孤岛运行方式的标准如下：检 测受端VSC网侧交流电压的频率是否高于上限频率f_max持续T_hold1秒以上或低于 下限频率f_min持续T_hold2秒以上：若是，则判定受端VSC处于孤岛运行方式；若 否，则判定受端VSC非处于孤岛运行方式；T_hold1和T_hold2均为预设的持续时间。

所述的步骤（3）中将受端VSC的控制模式由联网控制模式切换为孤岛控 制模式的具体实现方法如下：

A1.将受端VSC控制系统中的d轴控制环的控制目标由定交流有功功率改 为定网侧交流电压d轴分量，即将控制系统中外环控制器的输入由交流有功功 率偏差值(偏差值为参考值减去实际测量值)改为网侧交流电压d轴分量偏差值；

A2.将受端VSC控制系统中的q轴控制环的控制目标由定交流无功功率或 定网侧交流电压有效值改为定网侧交流电压q轴分量，即将控制系统中外环控 制器的输入由交流无功功率偏差值或网侧交流电压有效值的偏差值改为网侧交 流电压q轴分量偏差值；

A3.将受端VSC控制系统中abc坐标系/dq坐标系以及dq坐标系/abc坐标 系的坐标变换矩阵的参考相位设定为θ，θ=2πf₀t+θ_add，f₀为不同于送端电网额定 频率的参考频率，θ_add为模式切换时刻受端VSC网侧交流电压的相位，t为时间 且从模式切换时刻开始计时。

所述的步骤（4）中检测受端VSC是否处于联网运行方式的标准如下：检 测受端VSC网侧交流电流与网侧交流电压的频率差是否超过频率阈值f_s持续 T_hold3秒以上：若是，则判定受端VSC处于联网运行方式；若否，则判定受端 VSC非处于联网运行方式；T_hold3为预设的持续时间。

所述的步骤（5）中将受端VSC的控制模式由孤岛控制模式切换为联网控 制模式的具体实现方法如下：

B1.将受端VSC控制系统中的d轴控制环的控制目标由定网侧交流电压d 轴分量改为定交流有功功率，即将控制系统中外环控制器的输入由网侧交流电 压d轴分量偏差值改为交流有功功率偏差值；

B2.将受端VSC控制系统中的q轴控制环的控制目标由定网侧交流电压q 轴分量改为定交流无功功率或定网侧交流电压有效值，即将控制系统中外环控 制器的输入由网侧交流电压q轴分量偏差值改为交流无功功率偏差值或网侧交 流电压有效值的偏差值；

B3.将受端VSC控制系统中abc坐标系/dq坐标系以及dq坐标系/abc坐标 系的坐标变换矩阵的参考相位设定为受端VSC网侧交流电压的相位。

VSC的控制模式必须与其运行方式相匹配。当VSC处于联网运行方式时， 若VSC仍保持孤岛控制模式，由于电网中所有同步发电机的调速系统为有差调 频特性，而VSC孤岛控制模式为恒定频率特性，因此VSC将承担几乎所有的负 荷有功功率变化，如果电网负荷的有功变化超过VSC的有功限制，VSC将失去 稳态运行点。反之，当VSC处于孤岛运行方式时，若VSC仍保持联网控制模式， VSC所处的无源孤岛电网将出现频率失稳问题。因此，VSC的运行方式发生变 化后，其控制模式需尽快进行相应的切换。

本发明的方法能够快速检测VSC的控制模式与其所处运行方式是否匹配， 若发现不匹配，将令VSC迅速切换至适合的控制模式。该方法使得VSC在联网 运行方式时能够精准控制VSC网侧有功功率和无功功率，同时，使VSC在孤岛 运行方式时能够为无源孤岛提供稳定且高品质的电压波形，因此，VSC-HVDC 在联网运行方式及孤岛运行方式间相互转换的方法能够保证VSC-HVDC在两种 运行方式间稳定地切换。

附图说明

图1为VSC及其控制系统的结构示意图。

图2为本发明切换控制方法的流程示意图。

图3为VSC-HVDC和交流线路为无源孤岛双路供电的单线图。

图4(a)为交流线路AC12跳开后系统的交流电压波形图。

图4(b)为交流线路AC12跳开后系统的频率波形图。

图4(c)为交流线路AC12跳开后系统的有功功率波形图。

图4(d)为交流线路AC12跳开后系统的无功功率波形图。

图4(e)为交流线路AC12跳开后VSC2的桥臂电流波形图。

图4(f)为交流线路AC12跳开后VSC2的部分子模块电容电压波形图。

图5(a)为交流线路AC12重合闸后系统的交流电压波形图。

图5(b)为交流线路AC12重合闸后系统的频率波形图。

图5(c)为交流线路AC12重合闸后系统的有功功率波形图。

图5(d)为交流线路AC12重合闸后系统的无功功率波形图。

图5(e)为交流线路AC12重合闸后VSC2的桥臂电流波形图。

图5(f)为交流线路AC12重合闸后VSC2的部分子模块电容电压波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技 术方案进行详细说明。

图1为VSC及其控制系统基本结构示意图，其中，U_s为VSC网侧母线交 流电压有效值，u_sj分别为VSC网侧母线三相交流电压，下标j=a,b,c，分别表示 a、b、c三相，u_sd和u_sq分别为VSC网侧母线三相交流电压的d轴分量和q轴分 量，i_sj分别为VSC网侧出口处三相交流电流，i_sd和i_sq分别为VSC网侧出口处 三相交流电流的d轴分量和q轴分量，R和L分别为VSC交流侧等效电阻和电 感，V为VSC阀侧交流电压有效值，v_jref分别为VSC阀侧输出三相电压参考值， v_dref和v_qref分别为VSC阀侧输出三相交流电压参考值的d轴分量和q轴分量。 i_sdref、i_sqref和为按图2所示的方法和过程生成的控制信号，其中是VSC控制 系统所用到的坐标变换矩阵T_abc/dq和T_dq/abc的参考相位。

abc/dq变换模块表达式如下：

$T_{\mathrm{abc}/\mathrm{dq}}=\frac{2}{3}·\left(\begin{array}{ccc}\cos \hat{\theta }& \cos (\hat{\theta }-\frac{2\pi }{3})& \cos (\hat{\theta }+\frac{2\pi }{3})\\ -\sin \hat{\theta }& -\sin (\hat{\theta }-\frac{2\pi }{3})& -\sin (\hat{\theta }+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)$

dq/abc变换模块表达式如下：

$T_{\mathrm{dq}/\mathrm{abc}}=\left(\begin{array}{cc}\cos \hat{\theta }& -\sin \hat{\theta }\\ \cos (\hat{\theta }-\frac{2\pi }{3})& -\sin (\hat{\theta }-\frac{2\pi }{3})\\ \cos (\hat{\theta }+\frac{2\pi }{3})& -\sin (\hat{\theta }+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)$

如图1～2所示的VSC-HVDC在联网运行方式及孤岛运行方式间相互转换方 法，具体步骤如下：

（1）检测受端VSC的控制模式，若受端VSC处于联网控制模式，则进入 步骤（2）；若受端VSC处于孤岛控制模式，则进入步骤（4）。

VSC控制模式可分为两类：联网控制模式和孤岛控制模式。

VSC-HVDC的受端VSC处于联网运行方式时需采用联网控制模式，VSC 联网控制模式为：VSC控制系统的d轴控制环采用定VSC网侧交流有功功率为 控制目标，q轴控制环可采用定VSC网侧交流无功功率或定VSC网侧母线三相 交流电压有效值为控制目标，控制器结构可采用现有技术，如级联型比例积分 式dq解耦双环控制器。VSC控制系统所用到的坐标变换矩阵T_abc/dq和T_dq/abc的 参考相位可采用现有技术提供，如锁相环技术。

VSC-HVDC的受端VSC处于孤岛运行方式时需采用孤岛控制模式，VSC 联网控制模式为：VSC控制系统的d轴控制环采用定VSC网侧母线三相交流电 压d轴分量为控制目标，q轴控制环可采用定VSC网侧母线三相交流电压q轴 分量为控制目标，控制器结构可采用现有技术，如级联型比例积分式dq解耦双 闭环控制器。VSC控制系统所用到的坐标变换矩阵T_abc/dq和T_dq/abc的参考相位由 人为预先设定，设定方法如下：

θ_passive=2πf₀t+θ_add             （1）

式1中：θ_passive为人为给定的VSC控制器参考相位，f₀为VSC网侧母线三相交 流电压波形的参考频率，θ_add为人为设定的附加相位。

（2）检测受端VSC是否为无源孤岛状态，若是，则进入步骤（3）；若否， 则重新进入步骤（1）。

检测受端VSC是否为孤岛运行方式的判断方法如下：检测受端VSC网侧母 线三相交流电压的频率是否高于上限频率f_max持续T_hold1秒以上或低于下限频率 f_min持续T_hold2秒以上：若是，则判定受端VSC处于孤岛运行方式；若否，则判 定受端VSC非处于孤岛运行方式；T_hold1和T_hold2为预设的持续时间。

（3）受端VSC将控制模式由联网控制模式切换为孤岛控制模式。

受端VSC将控制模式切换为孤岛控制模式的操作方法如下：将VSC控制 系统d轴控制环的控制目标由定VSC网侧交流有功功率改为定VSC网侧母线三 相交流电压d轴分量，即将外环控制器的输入由VSC网侧交流有功功率偏差值 改为VSC网侧母线三相交流电压d轴分量偏差值；将VSC控制系统q轴控制环 的控制目标由定VSC网侧交流无功功率或定VSC网侧母线三相交流电压有效值 改为定VSC网侧三相交流电压q轴分量，即将外环控制器的输入由VSC网侧交 流无功功率的偏差值或VSC网侧母线三相交流电压有效值的偏差值改为VSC 网侧母线三相交流电压q轴分量的偏差值；VSC控制系统所用到的变换矩阵 T_abc/dq和T_dq/abc的参考相位由锁相环生成的相位改为θ_passive。f₀设为与送端电网额 定频率50.0Hz不同的值(应在49.5～50.5区间内取值，如49.8Hz)，式1的t从零 开始计时，且θ_add等于该时刻锁相环生成的相位值并保持不变，这样可以保VSC 证控制模式切换瞬间坐标变换矩阵的参考相位不会突变。

（4）检测受端VSC是否为联网运行方式，若是，则进入步骤（5）；若否， 则重新进入步骤（1）。

检测受端VSC是否为联网状态的判断方法如下：检测受端VSC网侧出口处 三相交流电流与网侧母线三相交流电压的频率差是否超过频率阈值f_s持续T_hold3秒以上：若是，则判定受端VSC处于联网运行方式；若否，则判定受端VSC 非处于联网运行方式；T_hold3为预设的持续时间。

（5）受端VSC将控制模式由孤岛控制模式切换为联网控制模式。

受端VSC将控制模式切换为孤岛控制模式的操作方法如下：将VSC控制 系统d轴控制环的控制目标由定VSC网侧三相交流电压d轴分量改为定VSC 网侧交流有功功率，即将外环控制器的输入由VSC网侧三相交流电压d轴分量 偏差值改为VSC网侧交流有功功率偏差值；将VSC控制系统q轴控制环的控制 目标由定VSC网侧三相交流电压q轴分量改为定VSC网侧交流无功功率或定 VSC网侧三相交流电压有效值，即将外环控制器的输入由VSC网侧三相交流电 压q轴分量的偏差值改为VSC网侧交流无功功率的偏差值或VSC网侧三相交流 电压有效值的偏差值；VSC控制系统所用到的变换矩阵T_abc/dq和T_dq/abc的参考相 位由θ_passive改为锁相环生成的相位。

图3是VSC-HVDC和交流线路为无源孤岛双路供电的单线图，送端VSC1 和受端VSC2均为模块化多电平换流器，子模块数量均为160个，额定直流电 压为±200kV，两端换流器采用基于子模块电容电压排序的电压均衡策略，调制 策略为最近电平逼近方法，均采用环流抑制策略。送端VSC1采用定直流电压 和定无功功率控制，受端VSC2采用本实施方式的联网运行方式及孤岛运行方 式间相互转换方法，VSC2联网控制模式参数：P_sref=200MW，Q_sref=50Mvar。 VSC2孤岛控制模式参数：f₀=49.8Hz，u_sdref=1.00pu。孤岛检测判据：f_max=50.5Hz， f_min=49.5Hz，T_hold1=0.2s，T_hold2=0.2s。联网检测判据：f_s=0.2Hz，T_hold3=0.2s。图1 中交流系统AC0和AC1均用阻抗后电势表示，两者线电压有效值均为112kV， 基准频率为50.0Hz，阻抗为0.2+j1.0Ω。交流线路AC12的阻抗为2.0+j6.0Ω。直 流线路DC12的电阻为5Ω。受端孤岛电网用负荷表示，负荷的有功功率和无功 功率分别为300MW和120Mvar，负荷为恒阻抗特性。B2为VSC网侧母线。

图4为采用本实施方式转换方法后，交流线路AC12跳开后的系统暂态过程。 图3所示的电力系统初始状态时，交流线路AC12处于连接状态，系统稳定运行 至1.0s，交流线路AC12跳开，2.0s时交流母线B2三相金属性接地，故障持续 0.2s后清除。受端VSC2联网稳态运行时，母线B2线电压有效值为106kV，受 端电网频率为50.0Hz，VSC2网侧有功功率和无功功率分别为200MW和 50Mvar。1.0s时AC12跳开后，约1.205s时VSC2网侧母线B2三相交流电压频 率超过50.5Hz持续0.2s，VSC2立刻转入孤岛控制模式，此后交流母线B2的三 相交流电压有效值很快恢复至110kV，受端电网频率稳定在49.8Hz，受端电网 很快达到稳定的状态；系统运行至2.0s时，母线B2发生三相金属性接地故障， 2.2s故障清除后，系统能够顺利恢复。上述交流线路AC12跳开、VSC2切换至 孤岛控制模式和交流故障的三个过程中，VSC2的桥臂电流和子模块电容电压均 保持在合理范围。

图5为采用本实施方式转换方法后，交流线路AC12重合闸后的系统暂态过 程。图4所示的电力系统初始状态时，交流线路AC12处于断开状态，系统稳定 运行至1.0s时，交流线路AC12检同期重合闸成功，合闸时断路器BRK2两侧 线路电压相位差为5°。1.0s交流线路AC12重合闸后，VSC2网侧母线B2交流 电压频率基本保持在49.8Hz，送端交流系统AC1频率为50.0Hz，由于两者频率 不同步，VSC2网侧出口处交流电流频率将偏离VSC2网侧母线B2交流电压频 率，VSC2网侧有功功率不断减小且网侧无功功率不断增大，约1.205s时VSC2 网侧交流电流频率和VSC2网侧交流电压频率之差超过0.2Hz持续0.2s，VSC2 立刻转入联网控制模式，此后VSC2网侧有功功率很快调整至200MW，网侧无 功功率调整至50Mvar，受端电网频率恢复至50.0Hz，系统很快调整至稳定的联 网状态。上述交流线路重合闸和VSC2切换至联网控制模式的两个过程中，VSC2 的桥臂电流和子模块电容电压均保持在合理范围。

故本发明的VSC-HVDC在联网运行方式及孤岛运行方式间相互转换方法能 够保证VSC-HVDC在联网和孤岛两种运行方式间稳定地切换。