含有弱交流電網的電壓源換流站直流電網分級控制策略
國網天津市電力公司薊州分公司、南京理工大學能源與動力工程學院的研究人員于永生、馮延暉、邱穎寧、賈建華、肖建超，在2019年第3期《電氣技術》雜志上撰文，對含多個VSC的直流輸電系統進行了討論，對于VSC直流電網中含弱交流系統的復雜控制情況，本文提出了一種VSC直流電網協同分級控制策略。該控制策略根據交流強電網與換流站中間所隔輸變電系統的數量將換流站的控制策略分級，所提控制策略在不同層級的控制中控制不同的變量。
本文對不同層級間的控制變量與系統動態響應的關系進行了討論；然后對該控制策略的設計進行了比較優化，并對連接弱電網的不同VSC換流站承擔電壓和功率的控制進行了比較分析；最后在該控制策略中增加了直流側穩壓控制電路，該穩壓電路能夠提高整個直流系統和中間弱交流系統的穩定。
隨著電力電子元器件應用技術的提高，直流輸電以及直流電網已成為交流電網的重要補充。直流輸電已在中國成功運行了多年，將中西部多余的電能輸送到東部沿海地區。同時特高壓直流輸電正與特高壓交流輸電一起，將西部和北部的風電以及太陽能發電，源源不斷的輸送到東部的負荷中心，為國家的節能減排做出重要貢獻。
在城市配電網中，由于空間有限，大部分的輸電都采用電纜作為媒介。在較長距離的交流電纜輸電中，采用直流輸電的經濟性更好一些，且直流輸電比交流輸電占用的空間小。電壓源換流站（voltage source converter, VSC）的直流電網在整合風能與太陽能方面有較大優勢，可以使風能太陽能平滑接入，獨立控制有功和無功。鑒于此，基于VSC的直流電網能夠作為城市能源互聯網的重要組成部分。
隨著直流電網的發展，直流電網與交流電網的聯接和控制逐漸成為研究熱點。唐欣等人分析了在VSC連接到弱電網的情況下，基于小信號穩定分析了影響無源網絡傳輸容量的因素，并引入前饋控制增大線路電阻，提高了系統傳輸容量。
文獻[4]提出采用虛擬母線的方式來提高VSC連接到弱電網的動態穩定性和響應能力，在電網與公共連接點（PCC）設置一條虛擬母線，該母線將弱電網和PCC之間的阻抗分為兩個部分，使得VSC向一個類似于強電網的虛擬小阻抗的網絡供電。Middlebrook穩定性判據也應用于分析了柔性直流輸電直流側穩定性和交直流互聯時的穩定性，并用于設計了控制參數。
郭玥等人采用PSCAD/EMTDC對柔性直流輸電在城市配電網中的應用進行了仿真分析。文獻[7]建立了含有多端柔性直流輸電的交直流混合輸電模型。文獻[8]研究了VSC-HVDC（high-voltage direct current, HVDC）系統參與交流電網的黑起動能力。
文獻[9]考慮了控制變量的調整，建立了一個VSC-HVDC向弱電網供電的線性模型，文獻[10]基于文獻[9]，建立了VSC-HVDC兩端均連接弱電網的模型。文獻[9]和文獻[10]建立了VSC和弱電網連接的同步聯接算法模型，但該模型中僅考慮一條VSC-HVDC直流輸電系統，沒有考慮到弱電網連接多條VSC-HVDC系統的情況。
文獻[11]所述的卸荷電路不僅可以在系統故障時消耗多余的功率，防止電力系統發生過電流和過電壓，同時也可以用于直流系統起動時系統的超調量及過電壓控制。目前的柔性直流輸電大都采用前饋解耦控制，特別是在與弱交流電網連接中，前饋解耦控制中q軸電流和d軸電流與系統的穩定性緊密相關，文獻[12]研究了當VSC連接弱電網時有功功率和無功功率與q軸電流和d軸電流的關系。
目前的關于柔性直流輸電和弱電網相連接的文獻大都針對單條柔性直流輸電向弱電網供電的情況，弱電網向柔性支流輸電的情況少有研究。當柔性直流輸電向弱電網供電，并且該弱電網又同時向柔性直流輸電供電的情況下，即兩條柔性直流輸電中間有一個交流弱電網，涉及該種情況的相關文獻相對較少。
對于弱交流系統與多換流站的連接情況少有研究。本文討論了VSC直流電網中兩個換流站與弱電網進行能量交換的情況。以無源網絡連接兩條VSC-HVDC輸電系統的模型為例，考慮了直流電網中弱交流電網的動態特性，對直流電網中多換流站運行特性進行了仿真分析，提出了一種分級控制策略。
1 含多個VSC的直流輸電系統運行特性對VSC直流電網可以采用兩種方式構成
1）第一種為所有換流站之間均由直流聯絡線連接，即VSC-HVDC中直流輸電線通過擴展（并聯和串連）組成。該種連接方式中，整個電力網絡系統中均為直流輸電。因交流輸電與直流輸電采用的輸電線路參數型號不同，所以該種網絡系統需要重新建設系統網絡，該種輸電系統適用于新城區的規劃建設。
2）另外一種是基于現有的交流系統，在已有的交流系統中，接入若干直流輸電線路，該種方式適用于當前技術的改造升級，不需要拆除原有交流輸電線路，僅當現有交流輸電系統輸電容量不滿足使用需求的情況下，增加若干條直流輸電線路饋入交流輸電系統，這種情況在目前的技術應用中較容易實現，尤其是在城市能源互聯網配電系統中可以較容易實現。
隨著負荷的增大，直流輸電系統會逐漸增多，若整個系統中直流輸電占較大部分，則可以稱該網絡為直流輸電網絡。隨著系統的逐漸復雜，系統中會出現VSC換流站通過交流系統連接的情況：①若用于聯結換流站的交流系統為強電網時，則可將整個直流電網看成由多個兩端VSC-HVDC輸電系統組成的直流輸電網；②若用于連接VSC換流站的中間交流系統為弱電網，如圖1和圖2所示情景，則VSC換流站的控制方法有別于兩端VSC-HVDC輸電系統中的控制，需要重新進行設計。
在目前城市能源互聯網的情況下，采用風能、光能以及其他形式的能源供電時，在系統中由于天氣情況變化，旋轉機組無法出力，就會出現圖1和圖2所示場景。在該種網絡供電情景中，中間交流系統為交流弱電網，該電網電源均由VSC換流站提供。同時，基于電網的N?1準則，該交流弱電網會由兩條VSC-HVDC來進行供電，該弱交流電網聯接換流站數量大于1。
鑒于VSC-HVDC是允許能量雙向流通的，該系統也存在這樣一種情況，弱交流電網向某個VSC換流站供電的情況，即連接換流站的兩個換流站中一個受電一個供電。在含有交流弱電網中間聯絡點的VSC直流電網，每個VSC之間互相影響，不能用單獨考慮一條VSC-HVDC的運行情況來設計控制方法和控制策略。
本文對不同層級間的控制變量與系統動態響應的關系進行了討論；然后對該控制策略的設計進行了比較優化，并對連接弱電網的不同VSC換流站承擔電壓和功率的控制進行了比較分析；最后在該控制策略中增加了直流側穩壓控制電路，該穩壓電路能夠提高整個直流系統和中間弱交流系統的穩定。
隨著電力電子元器件應用技術的提高，直流輸電以及直流電網已成為交流電網的重要補充。直流輸電已在中國成功運行了多年，將中西部多余的電能輸送到東部沿海地區。同時特高壓直流輸電正與特高壓交流輸電一起，將西部和北部的風電以及太陽能發電，源源不斷的輸送到東部的負荷中心，為國家的節能減排做出重要貢獻。
在城市配電網中，由于空間有限，大部分的輸電都采用電纜作為媒介。在較長距離的交流電纜輸電中，采用直流輸電的經濟性更好一些，且直流輸電比交流輸電占用的空間小。電壓源換流站（voltage source converter, VSC）的直流電網在整合風能與太陽能方面有較大優勢，可以使風能太陽能平滑接入，獨立控制有功和無功。鑒于此，基于VSC的直流電網能夠作為城市能源互聯網的重要組成部分。
隨著直流電網的發展，直流電網與交流電網的聯接和控制逐漸成為研究熱點。唐欣等人分析了在VSC連接到弱電網的情況下，基于小信號穩定分析了影響無源網絡傳輸容量的因素，并引入前饋控制增大線路電阻，提高了系統傳輸容量。
文獻[4]提出采用虛擬母線的方式來提高VSC連接到弱電網的動態穩定性和響應能力，在電網與公共連接點（PCC）設置一條虛擬母線，該母線將弱電網和PCC之間的阻抗分為兩個部分，使得VSC向一個類似于強電網的虛擬小阻抗的網絡供電。Middlebrook穩定性判據也應用于分析了柔性直流輸電直流側穩定性和交直流互聯時的穩定性，并用于設計了控制參數。
郭玥等人采用PSCAD/EMTDC對柔性直流輸電在城市配電網中的應用進行了仿真分析。文獻[7]建立了含有多端柔性直流輸電的交直流混合輸電模型。文獻[8]研究了VSC-HVDC（high-voltage direct current, HVDC）系統參與交流電網的黑起動能力。
文獻[9]考慮了控制變量的調整，建立了一個VSC-HVDC向弱電網供電的線性模型，文獻[10]基于文獻[9]，建立了VSC-HVDC兩端均連接弱電網的模型。文獻[9]和文獻[10]建立了VSC和弱電網連接的同步聯接算法模型，但該模型中僅考慮一條VSC-HVDC直流輸電系統，沒有考慮到弱電網連接多條VSC-HVDC系統的情況。
文獻[11]所述的卸荷電路不僅可以在系統故障時消耗多余的功率，防止電力系統發生過電流和過電壓，同時也可以用于直流系統起動時系統的超調量及過電壓控制。目前的柔性直流輸電大都采用前饋解耦控制，特別是在與弱交流電網連接中，前饋解耦控制中q軸電流和d軸電流與系統的穩定性緊密相關，文獻[12]研究了當VSC連接弱電網時有功功率和無功功率與q軸電流和d軸電流的關系。
目前的關于柔性直流輸電和弱電網相連接的文獻大都針對單條柔性直流輸電向弱電網供電的情況，弱電網向柔性支流輸電的情況少有研究。當柔性直流輸電向弱電網供電，并且該弱電網又同時向柔性直流輸電供電的情況下，即兩條柔性直流輸電中間有一個交流弱電網，涉及該種情況的相關文獻相對較少。
對于弱交流系統與多換流站的連接情況少有研究。本文討論了VSC直流電網中兩個換流站與弱電網進行能量交換的情況。以無源網絡連接兩條VSC-HVDC輸電系統的模型為例，考慮了直流電網中弱交流電網的動態特性，對直流電網中多換流站運行特性進行了仿真分析，提出了一種分級控制策略。
1 含多個VSC的直流輸電系統運行特性對VSC直流電網可以采用兩種方式構成
1）第一種為所有換流站之間均由直流聯絡線連接，即VSC-HVDC中直流輸電線通過擴展（并聯和串連）組成。該種連接方式中，整個電力網絡系統中均為直流輸電。因交流輸電與直流輸電采用的輸電線路參數型號不同，所以該種網絡系統需要重新建設系統網絡，該種輸電系統適用于新城區的規劃建設。
2）另外一種是基于現有的交流系統，在已有的交流系統中，接入若干直流輸電線路，該種方式適用于當前技術的改造升級，不需要拆除原有交流輸電線路，僅當現有交流輸電系統輸電容量不滿足使用需求的情況下，增加若干條直流輸電線路饋入交流輸電系統，這種情況在目前的技術應用中較容易實現，尤其是在城市能源互聯網配電系統中可以較容易實現。
隨著負荷的增大，直流輸電系統會逐漸增多，若整個系統中直流輸電占較大部分，則可以稱該網絡為直流輸電網絡。隨著系統的逐漸復雜，系統中會出現VSC換流站通過交流系統連接的情況：①若用于聯結換流站的交流系統為強電網時，則可將整個直流電網看成由多個兩端VSC-HVDC輸電系統組成的直流輸電網；②若用于連接VSC換流站的中間交流系統為弱電網，如圖1和圖2所示情景，則VSC換流站的控制方法有別于兩端VSC-HVDC輸電系統中的控制，需要重新進行設計。
在目前城市能源互聯網的情況下，采用風能、光能以及其他形式的能源供電時，在系統中由于天氣情況變化，旋轉機組無法出力，就會出現圖1和圖2所示場景。在該種網絡供電情景中，中間交流系統為交流弱電網，該電網電源均由VSC換流站提供。同時，基于電網的N?1準則，該交流弱電網會由兩條VSC-HVDC來進行供電，該弱交流電網聯接換流站數量大于1。
鑒于VSC-HVDC是允許能量雙向流通的，該系統也存在這樣一種情況，弱交流電網向某個VSC換流站供電的情況，即連接換流站的兩個換流站中一個受電一個供電。在含有交流弱電網中間聯絡點的VSC直流電網，每個VSC之間互相影響，不能用單獨考慮一條VSC-HVDC的運行情況來設計控制方法和控制策略。
