摘" 要：大规模风电并网对电网调频提出了严重挑战。VSC-MTDC（Voltage Source Converter Based Multi-Terminal Direct Current）是实现大规模风电并网的主要方式之一。VSC-MTDC可以通过采用频率下垂控制为交流电网提供辅助调频服务。然而传统频率下垂控制采用固定的控制参数，忽略直流系统运行状态和交流电网的调频能力差异，可能导致换流站过度调制。通过分析传统频率下垂控制的功率支援特性，提出一种VSC-MTDC模糊自适应频率控制，根据交流电网频率变化量、直流电压变化量、换流站功率裕度调节频率控制系数，在保证系统稳定的前提下增强交流电网频率稳定性。最后，仿真验证了所提控制策略的有效性。
关键词：风电；VSC-MTDC；频率下垂控制；模糊自适应控制
中图分类号：TP273+.4" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）24-0016-06
Fuzzy Adaptive Frequency Control of VSC-MTDC for Large-scale Integration of Wind Power
SHEN Peng， CAI Wu
（Guangzhou Panyu Polytechinic， Guangzhou" 511483， China）
Abstract： The large-scale integration of wind power poses a serious challenge to the power grid frequency modulation. VSC-MTDC （Voltage Source Converter Based Multi-Terminal Direct Current） is one of the main ways to realize the large-scale integration of wind power. VSC-MTDC can provide auxiliary frequency modulation services to the AC power grids by using frequency droop control. However， the traditional frequency droop control adopts a fixed control parameter， without considering the different operating conditions of DC power systems and the frequency modulation capacity of the AC power grids， which may lead to over-modulation of the converter stations. By analyzing the power support characteristics of traditional frequency drooping control， a fuzzy adaptive frequency control of VSC-HVDC is proposed， which regulates the frequency control coefficients according to the frequency deviation of AC power grids， the DC voltage deviation， and the power margin of converter stations. It can enhance the frequency stability of AC power grids in the condition of ensuring the stability of the system. Finally， the simulation verifies the effectiveness of the proposed control strategy.
Keywords： wind power; VSC-MTDC; frequency droop control; fuzzy adaptive control
0" 引" 言
作为技术最成熟的新能源发电技术，风电具有资源丰富、绿色无污染、适宜大规模集中开发等特点，其装机并网容量逐年递增。截至2024年，我国风电并网总容量已达4.67亿千瓦，成为继火电和水电后的第三大电源[1]。大规模风电并网势必会替换传统同步发电机组，导致电网惯性降低、调频资源减少，严重威胁电网的频率运行安全。VSC-MTDC是大规模风电并网的主要方式之一[2]。VSC-MTDC具有快速灵活的功率调节能力，可以通过在VSC-MTDC上附加频率控制实现对交流电网的功率支援，增强其频率稳定性。为了实现直流系统对交流电网的辅助调频服务，文献[3-4]在VSC-MTDC传统直流下垂控制引入频率下垂环节构建频率下垂控制，通过将受扰交流电网的频率偏差转化为直流电压变化，直流换流站在电压下垂控制的作用下自动调节其输出功率，实现对受扰交流电网的功率支援。文献[5-7]在传统频率下垂控制的基础上，考虑了换流站的实时运行状态差异、直流电压约束、风电场运行状态等因素，通过动态调节电压下垂系数，实现不平衡功率在直流系统内部的合理分配。然而，目前报道的频率下垂控制未考虑交流电网调频能力的差异，在实现对受扰电网功率支援的同时可能导致非受扰电网分担的不平衡功率过量，威胁其频率稳定性[8-9]。
针对上述问题，通过分析频率下垂控制的功率支援特性，设计面向大规模风电并网的VSC-MTDC模糊自适应频率控制，动态调节频率下垂系数和电压下垂系数，在保证交直流系统稳定的前提下最大限度地发挥直流的功率支援能力。最后在DigSilent/PowerFactory仿真平台上建立四端柔性直流系统模型对所提控制策略进行了仿真验证。
1" 频率下垂控制的功率支援特性
传统频率下垂控制是在传统电压下垂控制的基础上通过增加频率下垂控制环节而实现的，其结构如图1所示。图中P和Pset分别表示换流站的有功功率实际值和设定值；Udc和Udc，ref分别表示换流站直流电压的参考值和实际值；f和fref分别表示换流站所连交流电网的频率和参考值；Kf和KD分别表示频率下垂系数和电压下垂系数；Δf = f-fref和ΔUdc = Udc-Udc，ref分别表示频率偏差值和直流电压偏差值；ΔPf和ΔPdc分别表示频率下垂控制和电压下垂控制所产生的附加有功功率调节量；id，ref表示功率环PI控制器输出的d轴电流参考值。
传统频率下垂控制下的换流站会根据受扰电网的频率偏差调节其输出功率，将交流电网的不平衡功率吸收进直流系统，然后在电压下垂控制的作用下将换流站的功率波动转化为直流电压的变化，其他换流站根据直流电压变化按照电压下垂特性自动调节其输出功率，协调完成VSC-MTDC辅助调频任务。
传统下垂控制下换流站的功率支援特性可以由式（1）表示：
（1）
对于一个包含n个换流站VSC-MTDC的交直流混合系统，忽略直流系统传输损耗并近似认为各换流站的直流电压Udc相等。
对一个包含了m个用于连接风电场的送端换流站和n个连接交流电网的受端换流站的VSC-MTDC，其中送端换流站执行幅频控制，将风电场发出的电能及时送出[8]；受端换流站执行频率下垂控制，将风电馈入交流电网。稳态时，交直流系统运行于额定状态，即各交流电网频率等于参考值，直流系统电压等于额定值。此时，各换流站的附加有功功率调节量ΔPf = 0、ΔPdc = 0，各换流站的有功功率P都等于其设定值Pset。规定：受端换流站以流出直流系统的功率为正。由能量守恒定理可得：
（2）
式中下标j、i分别表示第j个送端换流站和第i个受端换流站；m和n分别表示送端换流站和受端换流站的数量。
受扰时，交流电网频率和直流电压都将偏离其参考值，相应的附加频率功率ΔPf和附加调压功率ΔPdc都不再为零。针对VSC-MTDC，暂态过程中其功率设定值Pset保持不变，应用能量守恒定理，考虑式（1）和式（2）可得：
（3）
定义如式（4）所示的ΔPunbalance，用以表示直流系统通过频率下垂控制从交流电网吸收的不平衡功率，其数值等于各换流站的附加调频功率ΔPf之和，取决于各换流站的频率下垂系数Kf和交流电网的频率偏差Δf的数值。其中，Δf的数值与电网调频能力和频率扰动程度有关。针对受扰电网，由于其自身调频能力是确定的，Δf主要反应的电网频率扰动程度；针对非受扰电网，由于其频率扰动的来源是直流系统换流站功率变化，扰动程度一般较小，Δf主要反应的调频能力。
（4）
根据式（4），可得：
（5）
由式（5）可知，直流系统吸收的不平衡功率会导致直流电压波动，且电压波动值ΔUdc与不平衡功率ΔPunbalance数值成正比例关系，符号相反。因此，直流电压的波动值ΔUdc可以反映直流系统从交流电网吸收不平衡功率的能力，其数值受直流系统运行状态和直流安全稳定运行条件的约束。
综合式（4）和式（5），可以看出频率下垂控制下VSC-MTDC对交流电网的频率支援能力受直流系统运行状态和直流电压安全运行范围约束，支援程度取决于调频系数Kf的数值大小。传统频率下垂控制使用固定的频率下垂系数Kf，未考虑直流系统运行状态的差异，难以充分发挥直流电网的调频潜力。
整理式（5）可得受端换流站i的附加调压功率ΔPdc，i：
（6）
由式（6）可知，对于直流系统而言，各换流站按照其电压下垂特性分担不平衡功率，即换流站分担的不平衡主要取决于其电压下垂系数KD的数值：KD越大，分担的不平衡功率越少；KD越小，分担的不平衡功率越多。传统频率下垂控制策略的电压下垂系数在暂态过程中保持不变，忽略了换流站运行状态差异以及其所连交流电网的调频能力差异，可能会导致换流站过度调节，威胁其所连交流电网的频率稳定性。
2" 模糊自适应频率控制策略
针对传统频率下垂系数采用固定的频率下垂系数和电压下垂系数所存在的问题，同时考虑各换流站实际运行时的功率限制，设计了由模糊自适应频率下垂控制和模糊自适应电压下垂控制构成的VSC-MTDC模糊自适应频率控制策略如图2所示。
2.1" 模糊自适应频率下垂控制
模糊自适应频率下垂控制根据交流电网的频率变化量和直流电压变化量自适应调节下垂控制系数Kf，控制直流系统对交流电网的附加频率功率数值，在保证直流系统稳定运行的前提下充分挖掘其调频潜力，为交流电网提供频率支撑。
根据电力系统频率稳定要求设置Δf的论域为[-1，1] Hz，根据直流系统电压运行约束设置ΔUdc的论域为[-0.1，0.1] PU。输出1/Kf的论域通过仿真确定，设置为[5，20]，相应的隶属度函数如图3所示。
Δf和ΔUdc的模糊集为{NB，NS，ZR，PS，PB}，Kd的模糊集为{VS（很小），RS（小），M（中），PB（大），VB（很多）}，模糊规则如表1所示，去模糊化采用加权平均法。
2.2" 模糊自适应电压下垂控制
模糊自适应电压下垂控制根据交流电网的频率变化量和换流站的功率调节裕度自适应调节电压下垂系数KV，通过将电网频率变化量小（调频能力强）、功率调节裕度大的换流站设置较大的电压下垂系数，使其承担更多的不平衡功率，实现不平衡功率的合理分配。定义如式（7）所示的换流站功率调节裕度为ΔPmarg，其数值主要与换流站输出有功功率实际值和功率极限值有关，取决于换流站的运行状态。
（7）
根据电力系统频率稳定要求设置Δf的论域为[-1，-0.033] Hz，考虑VSC换流站具备功率逆转能力，即输出功率的范围为[-1，1] PU（以换流站额定功率为基准值，不考虑换流站过载运行能力），设置功率裕度ΔPmarg的论域为[0，2] PU。输出1/KD的论域通过仿真确定，设置为[5，30]，相应的隶属度函数如图4所示。
Δf的模糊集为{NB，NS，ZR，PS，PB}，ΔP和Kd的模糊集为{VS，RS，M，PB，VB}，模糊规则如表2所示，去模糊化仍然采用加权平均法。
3" 仿真验证
在DigSilent/PowerFactory中搭建如图5所示的一个模拟海上风电场经VSC-MTDC向陆上多个电网输电的交直流混合电网，对所提控制策略进行仿真验证。其中交流电网4是一座由100台6 MW双馈风电机组构成的海上风电场，与其相连的换流站4是送端换流站，执行幅频控制用以将风电场发出的电能及时外送。换流站1、2、3是受端换流站，将风电功率馈入陆上电网。
陆上电网都采用一台等效同步发电机来模拟，发电机参数如表3所示，可以看出电网1的调频能力最强，电网3的调频能力最弱，电网2的调频能力介于电网1和电网3之间。对于大型风电场，可以忽略风电场功率分钟级的波动，认为在仿真时间段内风电场出力保持不变[10]。稳态时，换流站1、2、3额定容量都是400 MW，输出有功功率分别为200 MW、300 MW、100 MW，代表三种不同的运行状态。VSC-MTDC受端换流站考虑三中不种的控制条件：模糊自适应频率控制、传统频率下垂控制和无频率控制（记为无控制），设置扰动对系统进行仿真研究。
设置扰动：交流电网1内部10 s时发生负荷突增20%，不同控制条件下的交流电网频率和受端换流站功率如图6和图7所示。对受扰电网1，与无控制相比，模糊自适应频率控制和传统频率下垂控制都可以有效提高受扰系统的频率，提高暂态过程中的频率最低值和稳态频率。相对而言，模糊自适应频率控制下的交流电网的频率最低点高于传统频率下垂系数，表明所提模糊自适应频率控制可以充分挖掘直流系统的调频潜力，为交流电网提供功率支撑。对非扰电网2和3，传统频率下垂控制下，电网2和电网3分担的不平衡功率基本相同，但由于电网3的调频能力较弱，会导致电网3的频率下跌严重，暂态过程中最低频率为49.2 Hz，严重威胁其频率稳定。相对而言，模糊自适应频率控制则可以根据交流电网的调频能力差异实现不平衡功率的合理分配，表现为：调频能力较强的交流电网2分担了更多的不平衡功率，相应的电网稳态频率较传统频率下垂控制时有所降低，但仍在电网允许的范围之内；调频能力较弱的交流电网3分担了较少的直流不平衡功率，相应的电网暂态频率和稳态频率数值都有所提高。综合而言，模糊自适应频率控制可以实现不平衡功率的合理分配。
4" 结" 论
VSC-MTDC被广泛应用于大规模风电并网工程。本文通过分析传统频率下垂控制策略的功率支援特性，在此基础上设计了VSC-MTDC模糊自适应频率控制，该控制一方面可以在保证直流系统电压稳定的前提为交流电网提供更多功率支援，另一方面可以按照所连交流电网调频能力强、功率裕度大的换流站承担更多直流不平衡功率的原则，实现不平衡功率在换流站间的合理分配。所提控制对提高电网风电消纳能力，对构建绿色电网具有一定的参考意义。
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作者简介：沈鹏（1988—），男，汉族，河南周口人，讲师，博士，研究方向：柔性直流系统控制。
