外部不對稱故障下的柔性直流輸電負序電流抑制方法

張興橋，魏承志，文安

(1.華南理工大學，廣州 510640；2.南方電網科學研究院，廣州 510080)

外部不對稱故障下的柔性直流輸電負序電流抑制方法

張興橋1，魏承志2，文安2

(1.華南理工大學，廣州 510640；2.南方電網科學研究院，廣州 510080)

對MMC拓撲以及負序電流的產生進行分析，以基于正弦分解的瞬時對稱分量法對交流故障電壓分離出正序負序分量，并改進雙閉環(huán)控制策略，對正序負序電量分別控制并疊加于控制參考電壓。仿真表明控制方法有效抑制負序電流，并使柔性直流輸電系統(tǒng)不平衡情況下保持閥側電流對稱運行，不發(fā)生換流器閉鎖，保證輸電系統(tǒng)在故障切除前持續(xù)運行。

柔性直流輸電系統(tǒng)；模塊化多電平換流器 (MMC)；不對稱運行；負序電流抑制；雙閉環(huán)控制

0 前言

基于模塊化多電平換流器 (modular multilevel converter，MMC)的柔性直流輸電系統(tǒng)得到越來越多的工程應用，是近年來的研究熱點。首先提出MMC為一種采用多個子模塊級聯(lián)而成的多電平電壓源換流器的拓撲結構，適用于高度模塊化、高電壓、大功率等場合。MMC拓撲由文獻 [1-5]詳細闡述了MMC的基本原理和運行方式，文獻 [6-11]對MMC對稱情況下的控制策略進行了研究。MMC容易實現(xiàn)模塊化冗余結構設計，不僅有效提高了換流器的應用電壓和功率等級，同時避免了功率開關器件由于高頻開合而產生的功率損耗，從而降低IGBT的損壞幾率。

對于不平衡狀態(tài)下的柔性直流系統(tǒng)如何進行負序電流抑制，研究的文獻較少。文獻 [12]在交流系統(tǒng)不對稱的情況下，三相模塊化多電平換流

器內部會出現(xiàn)零序性質的2次諧波環(huán)流，并對該環(huán)流提出控制方法。文獻 [13]針對有無換流變壓器時，柔性直流輸電系統(tǒng)不對稱運行下把系統(tǒng)分解成正序、負序和零序網絡，提出了負序電流的控制策略。文獻 [14]針對故障系統(tǒng)中存在零序電流通路的特點，提出了故障時的系統(tǒng)正負零序控制器。

本文采用基于正弦分解的瞬時對稱分量法，快速有效地將采集的電源側瞬時電壓分離出正序負序分量，并運用成熟的雙閉環(huán)換流器控制策略，分別對正負序電壓進行處理，最后疊加于控制電壓上進行不平衡電壓補償，實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)在外部交流不對稱故障情況下快速抑制故障電流，使系統(tǒng)在不發(fā)生換流器閉鎖的情況下持續(xù)運行。

1 負序電流產生分析

基于模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)正常運行時，送端系統(tǒng)AC1通過柔性直流輸電線路以及N條并列運行的交流線路向受端系統(tǒng)AC2送電，即系統(tǒng)處于交直流并列運行方式；當其中一條交流線路發(fā)生瞬時或者永久不對稱故障時(假設是交流線路2)，在傳統(tǒng)工頻保護下，故障線路檢測故障并跳開故障線路需要的必要保護時間，而這時間內，不對稱的故障電流可能引起柔性直流系統(tǒng)發(fā)生閉鎖，使柔直輸電系統(tǒng)退出運行；若重合閘投入，還需考慮重合閘重合于永久故障線路時候對輸電系統(tǒng)的沖擊，故障電流將會對柔性直流輸電系統(tǒng)產生更大的危害?；谀K化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 柔性直流系統(tǒng)結構示意圖

假設柔性直流輸電系統(tǒng)兩端均采用MMC結構，逆變站MMC1系統(tǒng)級控制方式為有功功率P和無功功率Q控制，整流站MMC2系統(tǒng)級控制方式為直流電壓Udc和交流電壓Uac控制，功率潮流從AC1系統(tǒng)流向AC2系統(tǒng)。當柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生外部，假設交流線路2，發(fā)生不對稱故障時，柔直系統(tǒng)閥側電壓將不再對稱。此時，PLL鎖相環(huán)等回路無法正常工作。若此時需要保持柔性直流系統(tǒng)持續(xù)運行，則不能閉鎖換流器，需要設計抑制故障電流的控制策略，為系統(tǒng)切除外部故障提供有效時間。

MMC由三相6橋臂組成，每上下兩橋臂構成一相單元，其拓撲圖如圖2(a)所示[15]。每相單元由相同數量的子模塊串聯(lián)而成，串接于各橋臂之間的電抗器L0可單獨控制有功與無功功率傳遞，并能一定程度地抑制故障情況下通過橋臂的交流電流，為IGBT關斷提供充足的時間。子模塊SM1～SMn結構相同，分別由兩個并聯(lián)的IGBT并聯(lián)而成，以及兩個與IGBT反向并聯(lián)的二極管D1、D2和并聯(lián)電容器組成，其中電容器與T1串聯(lián)后再與T2并聯(lián)，構成半H橋結構，SM的結構圖如圖2(b)所示。

圖2 MMC模塊結構圖

當柔性直流系統(tǒng)換流器不對稱運行時，根據疊加原理，換流器的電壓電流可以分解為正序負序系統(tǒng)分別研究；由于換流變壓器一般為星角接線，阻隔了零序電流在柔直系統(tǒng)與外部交流系統(tǒng)的聯(lián)系，因此可以不考慮零序系統(tǒng)的影響。由MMC模塊結構圖及基爾霍夫電壓定律得到abc坐標系下MMC的三相電壓、電流的正負序動態(tài)表達式：

其中L為變壓器電感Lm和二分之一橋臂電感L0之和，R為二分之一橋臂電阻。

在電網正常運行時，換流器只含式 (1)正序分量。在電網出現(xiàn)不對稱故障時，換流器還將包括式 (2)負序分量。

2 負序電流控制策略

當柔性直流輸電系統(tǒng)交流側發(fā)生故障時，柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換流器閉鎖是毫秒數量級，為了使區(qū)外不對稱故障時保持系統(tǒng)持續(xù)運行不發(fā)生換流器閉鎖，需要更快速有效的算法分離正序負序分量，實時對負序電流加以抑制。

2.1 負序電流控制策略

故障發(fā)生時，根據電力網絡的疊加原理，把故障下的換流器系統(tǒng)分解為正序網絡和負序網絡，分別求出這兩系統(tǒng)下的三相換流器調制參考電壓。

正序系統(tǒng)下，采集系統(tǒng)電壓 usa(t)、usb(t)、usc(t) 瞬時值，根據瞬時對稱分量法[16]，采集上一步長和本步長的電壓瞬時值計算中實部、虛部，組成三相電壓旋轉相量，求出正序電壓瞬時值，以相同方法求出正序故障電流。

當忽略橋臂的電阻值R影響時，對式 (1)作dq變換得到式 (3)，其中為正序故障電流經過dq變換后的值。由圖1的系統(tǒng)結構圖中系統(tǒng)級控制器得出參考有功功率值P?和無功功率Q?，由外環(huán)控制系統(tǒng)經過PI控制環(huán)節(jié)得到電流參考值以此正序電流為基礎，運用換流器內環(huán)控制系統(tǒng)，使用PI控制以及電壓前饋解耦得到正序參考電壓，進行dq反變換后得到正序系統(tǒng)的調制電壓參考量

dq變換和反變換分別為公式 (4) (5)，其中θ為三相正序電壓分量通過鎖相環(huán)得到的相位角。

負序系統(tǒng)下，同樣采集系統(tǒng)電壓usa(t)、usb(t)、usc(t) 瞬時值，根據瞬時對稱分量法[16]，求出負序電壓瞬時值。分析式(2)，為了抑制換流器的負序電流，則使，進而。由此可見，對于負序電壓，不必進行dq變換，直接相加于雙閉環(huán)控制的閥電壓上，實時補償由于交流系統(tǒng)不對稱而引起的換流器負序電流。

最后，由上述正負序兩控制系統(tǒng)得到的三相正序調制電壓參考值，和負序電壓參考值分別相加，便得到換流器調制電壓實際參考量，通過調制環(huán)節(jié)產生觸發(fā)脈沖信號，控制各子模塊的開通與關斷，達到抑制負序電流的效果。

圖3 負序電流控制策略

負序電流控制環(huán)節(jié)具體如圖4所示。換流站正負序系統(tǒng)分別控制抑制負序電流，正序方式下以正序故障電流為基礎，經過模塊化多電平換流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出三相換流器正序參考電壓；負序方式下直接由分解出來的負序電壓作為參考量。正負序方式下得到的參考電壓三相分別相加后得到換流器調制電壓實際參考量，有效抑制負序電流。

2.2 基于正弦分解的瞬時對稱分量法

圖4中的瞬時對稱分量法模塊是文獻 [16]所述的算法。由于傳統(tǒng)的對稱分量法采用相量計算的形式，需要獲取電氣量的幅值和相位，不能進行實時變換。而柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換流器閉鎖是毫秒數量級，為了使區(qū)外不對稱故障時保持系統(tǒng)持續(xù)運行不發(fā)生換流器閉鎖，需要更快速有效的算法分離正序負序分量，及時地對負序電流加以抑制。

該算法實現(xiàn)邏輯如圖4所示，柔性直流輸電系統(tǒng)變壓器開口電壓 usa(t)、usb(t)、usc(t)通過式 (6)正弦分解求出旋轉相量的虛部，該開口電壓作為旋轉相量的實部，組成瞬時的旋轉相量；最后通過式(8)(9)對稱分量的變換并取其實部得出瞬時對稱三相正序電壓和負序電壓。

基于正弦分解的瞬時對稱分量法的正弦分解如下式所示，計算時取采樣電壓的該時刻步長和上一時刻步長。

圖4 基于正弦分解的瞬時對稱分量法

式 (7)為旋轉相量的表達式，其中Usjm(j =a，b，c三相)為三相電壓幅值。

式(8)(9)分別為正負序對稱分量的變換式，式中Re表示對復數取實部，a為旋轉因子，a

可見，該算法只需要一個采樣步長的時間，就可實現(xiàn)三相電量的對稱分量實時變換，因此能應用于柔性直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)分析，適用于柔性直流輸電系統(tǒng)不對稱情況下對稱分量的提取，實時分離出故障分量的正負序分量，應用于工程實踐。

3 仿真驗證

以兩端均為有源網絡的MMC-HVDC系統(tǒng)進行RTDS仿真驗證，兩端換流站參數一致，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)的額定容量為400 MVA，直流電壓為 ±200 kV，橋臂電感40 mH，模塊電容為3 mF，每橋臂子模塊200個。

輸電系統(tǒng)交流輸電線路2在0.2 s時發(fā)生a相接地故障f(1)和ab相接地故障f(1，1)，故障相電壓跌落至0.7 pu，整流站在0.4 s時投入本文的負序電流控制策略模塊。從仿真波形可以看出，在交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障下，故障電流仍然保持三相對稱，并有效抑制故障電流的上升，使直流系統(tǒng)在不對稱情況下不發(fā)生換流器閉鎖，并持續(xù)運行。仿真波形如圖5所示。

圖5中 圖 (a)為交流系統(tǒng)電壓波形，系統(tǒng)在0.2 s時刻發(fā)生單相接地故障，a相電壓降落到0.7 pu；圖 (b)為閥側三相故障電流 I1A、I1B、I1C的波形，0.2 s故障發(fā)生時電流不對稱，且電流幅值增大，在0.4 s投入本文負序電流控制模塊后，雖然故障電流有所增加，但保持三相對稱；圖 (c)為閥側電流的負序分量的幅值波形，雖然在剛發(fā)生故障的情況下有所增加，但投入控制模塊后幅值回落。

圖5 a相接地故障仿真波形

圖6是輸電系統(tǒng)交流線路2發(fā)生ab相接地故障f(1，1)時候的仿真圖形，可以看出發(fā)生兩相不對稱接地故障時仍然與單相接地故障情況類似，表明該負序電流抑制策略有效抑制閥側故障電流，保證柔性直流輸電系統(tǒng)持續(xù)運行。

圖6 ab相接地故障仿真波形

4 結束語

根據MMC不平衡情況下的運行特點，采集交流系統(tǒng)不對稱電壓量，運用基于正弦分解的瞬時對稱分量法，提出了一種適合于柔性直流輸電系統(tǒng)不對稱條件下的負序電流控制策略。該控制方法在傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中增加瞬時對稱分量法的計算環(huán)節(jié)，方法簡單高效，不需要另外增加PI控制環(huán)節(jié)，使該控制策略在交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障情況下快速抑制換流器負序電流，保持閥側電流對稱，使換流器不發(fā)生閉鎖情況下保持系統(tǒng)持續(xù)運行。

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Negative Sequence Current suppression Strategy of HVDC Flexible System under External Asymmetrical Fault

ZHANG Xingqiao1，WEI Chengzhi2，WEN An2
(1.South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Electric Power Research Institute，China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China)

A modified instantaneous symmetrical components method was used to isolated positive and negative sequence components from the AC breakdown voltage.With improved dual-loop control system，the positive and negative sequence voltages were controlled and superimposed on the voltage reference.Simulation results show that this strategy is effective to suppress the negative sequence current，and to keep the valve-side current symmetric.It is ensured the flexible HVDC system continued operation in imbalance condition without lockout the inverters.

HVDC flexible；modular multilevel converter(MMC)；unbalanced?operation；negative sequence current suppression；double closed-loop control

TM74

B

1006-7345(2015)05-0097-05

2015-06-03

張興橋 (1986)，男，碩士研究生，助理工程師，華南理工大學，主要研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制 (e-mail)546965389＠qq.com。

魏承志 (1984)，男，碩士，工程師，南方電網科學研究院，主要從事直流輸電技術、電能質量分析與控制等方面的研究工作。

文安 (1965)，男，博士，高級技術專家，南方電網科學研究院，主要從事電網控制保護和柔性直流輸電等方面的研究工作。

廣東省第三批領軍人才專項資金資助項目