基于功率解耦控制的電流注入式HVDC換流器運行特性的研究

趙建陽，張福民，劉福貴，劉永和

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基于功率解耦控制的電流注入式HVDC換流器運行特性的研究

趙建陽1，張福民1，劉福貴1，劉永和2,3

(1.河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；3.坎特伯雷大學(xué)電氣與計算機系，新西蘭 克利斯切奇8140)

研究基于MLCR-CSC的HVDC換流器在電網(wǎng)不同工況下的功率控制特性。從實際工程角度出發(fā)，設(shè)計了兩組MLCR-CSC(DMLCR-CSC)協(xié)調(diào)工作的方案，提出了雙組多電平電流重注入換流器(DMLCR-CSC)作為HVDC換流器。分析了DMLCR-CSC在功率解耦控制的可行性，提出了有功功率和無功功率解耦控制思想。采用的9電平DMLCR-CSC主電路晶閘管器件具備零電流關(guān)斷(ZCS)特點。在輸電網(wǎng)正常工況下，網(wǎng)側(cè)單相接地故障、兩相短路故障和直流側(cè)短路故障時，換流器可以在1/6個周期內(nèi)把電流降到零，并且THD含量與觸發(fā)角度無關(guān)。仿真驗證了DMLCR-CSC構(gòu)成的HVDC換流器是高壓大功率電能傳輸?shù)囊环N可靠的選擇。

DMLCR-CSC；功率解耦控制；ZCS；THD；運行特性；故障響應(yīng)

0 引言

高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)具有傳送效率高、建設(shè)成本低和運行穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)成為現(xiàn)代電能傳輸領(lǐng)域的重要選擇方式[1-2]。HVDC換流器主要包括電壓型換流器(VSC)、電網(wǎng)換相換流器(LCC)和LCC-VSC混合直流輸電換流器。

VSC具有功角和直流電壓兩個控制自由度，功率控制靈活，同時兼顧電網(wǎng)電能質(zhì)量，但是對換流器控制與保護和電網(wǎng)故障響應(yīng)要求更高[3-5]。LCC的特點是傳送功率大，損耗低和全性能高以及故障響應(yīng)時間短，但是容易出現(xiàn)換相失敗，產(chǎn)生諧波，消耗大量無功功率[6-8]。有學(xué)者提出VSC-LCC混合HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)點是只需少量或者不需無功功率補償，可以作為獨立電源向電網(wǎng)提供穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)支撐，對電網(wǎng)故障響應(yīng)迅速[9-11]，但控制器設(shè)計較為復(fù)雜。

電流注入式換流器借助于直流紋波注入技術(shù)，在傳統(tǒng)12脈波換流器增加了電流重注入回路，構(gòu)成多電平電流重注入換流器(MLCR-CSC)。MLCR-CSC控制方式與LCC相同，并且重注入電路時序與主電路觸發(fā)角度同步，可以實現(xiàn)晶閘管電流過零關(guān)斷、諧波消除和單位功率因數(shù)運行，因此MLCR-CSC作為HVDC換流器有一定的優(yōu)勢。然而，單組MLCR-CSC的唯一控制變量只有功率角，有功功率和無功功率獨立控制受到限制[12-13]。

為了研究基于MLCR-CSC的HVDC換流器在電網(wǎng)不同工況下的功率控制特性，從實際工程角度出發(fā)，設(shè)計了兩組MLCR-CSC(DMLCR-CSC)協(xié)調(diào)工作的方案，在一個相對較寬的范圍內(nèi)，對發(fā)送端的有功功率和無功功率進行解耦線性化，設(shè)計精度較高、響應(yīng)迅速的經(jīng)典PI控制器，實現(xiàn)功率靈活控制的同時完成功率倍增[14-16]。仿真驗證主要包括換流器設(shè)備運行特性，電網(wǎng)正常工況、網(wǎng)側(cè)單相故障、兩相相間短路故障和直流側(cè)故障時的電壓電流功率特性。

1 結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c變開關(guān)角控制

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是新型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交流側(cè)采用兩組MLCR-CSC串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它可以實現(xiàn)改變相角來控制電流幅值；DMLCR-CSC可以適應(yīng)更高的電壓等級。DMLCR-CSC協(xié)調(diào)控制，在基波頻率下可以實現(xiàn)交流側(cè)電流相位、幅值及其電能質(zhì)量的控制，擺脫了換流器對濾波器和固定電容組無功補償設(shè)備，簡化了換流器并網(wǎng)設(shè)計。

圖1 DMLCR-CSC構(gòu)成HVDC換流器

1.2 變開關(guān)角控制

圖2為DMLCR-CSC系統(tǒng)相角分析圖。網(wǎng)側(cè)交流電壓S，網(wǎng)側(cè)交流電流1可以分解為A1和A2，矢量關(guān)系為1A1+A2。A1和A2的幅值基本一致，相位不同；A1和A2的幅值大小由直流側(cè)電流決定。1和2為兩個換流器觸發(fā)角。

換流器交流側(cè)電流1的幅值和相位如式(1)、式(2)。

(2)

從式(1)、式(2)可以看出，換流器交流側(cè)電流1的幅值由cos[(12)/2]決定，1的相位由(12)/2決定。因此，DMLCR-CSC網(wǎng)側(cè)電流的幅值通過改變PWM調(diào)制系數(shù)達到參考值，相角通過控制兩組換流器電流導(dǎo)通時刻實現(xiàn)控制目標(biāo)。

1.3功率獨立控制

從MLCR-CSC功率控制特性分析，設(shè)計了經(jīng)典PI控制策略，如圖3。它主要包括功率運行的四個狀態(tài)，高有功功率、高無功功率控制方式，低有功功率、高無功功率控制方式，高有功功率、低無功功率控制方式，高有功功率、零無功功率控制方式。圖3表明在一個較寬的范圍內(nèi)，通過改變兩個換流器開關(guān)角1和2，可以控制換流器網(wǎng)側(cè)有功功率和無功功率，實現(xiàn)功率解耦控制[17-20]。

圖3 DMLCR-CSC功率開關(guān)角控制策略

2 功率解耦控制器設(shè)計

HVDC換流器發(fā)送端控制有功功率和無功功率，接收端控制直流側(cè)電壓恒定和無功功率。為了便于分析換流器穩(wěn)態(tài)特性，接收端采用通常的開關(guān)角控制兩組換流器，即兩組換流器的控制一致；發(fā)送端采用變開關(guān)角控制，接下來主要討論發(fā)送端功率控制模型。傳統(tǒng)控制器設(shè)計只是滿足了在較小的范圍內(nèi)實現(xiàn)線性調(diào)節(jié)，并不能滿足變開關(guān)角控制方法，因此，控制器設(shè)計需要構(gòu)建有功功率和無功功率到DMLCR-CSC主電路觸發(fā)信號1和2的精確傳遞函數(shù)[21-28]。

發(fā)送端有功功率1、無功功率1表示為

對有功功率為1、無功功率為1求導(dǎo)得：

(4)

發(fā)送端換流器網(wǎng)側(cè)功率變化率為Δ和Δ，與之相對應(yīng)的換流器觸發(fā)角度的變化率Δ1和Δ2滿足下式：

如果矩陣是非奇異的，那么它的逆矩陣使換流器具有線性化控制特性，-1為

(6)

設(shè)計了DMLCR-CSC邏輯控制框圖，如圖4。主要分為信號采集部分和信號處理部分。信號采集部分包括網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)電壓電流信號的采樣，計算得到實時功率。信號處理方式包括有功功率和無功功率兩個控制方式相同的通道，以及二級功率調(diào)整回路。ref和ref為有功功率和無功功率指令，meas和meas為電網(wǎng)實時的有功功率和無功功率， G(s)是PID傳遞函數(shù)。輸電系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)過采樣和設(shè)定值比較，得到誤差增量Δ和Δ。同時，直流電流反饋信號來實時監(jiān)測控制器的精度，其中1mean為監(jiān)測實時信號，1ref為參考信號，經(jīng)過PID傳遞函數(shù)，得到直流電流誤差Δ1，與有功功率和無功功率轉(zhuǎn)化觸發(fā)角作用得到Δ和Δ。Δ和Δ經(jīng)過PID控制器得到對應(yīng)有功功率增量的每組換流器觸發(fā)角度分量Δ1p和Δ2p，對應(yīng)無功功率增量觸發(fā)角度分量Δ1q和Δ2q；經(jīng)過解耦計算得到Δ1和Δ2。經(jīng)過積分過程，得到觸發(fā)角度1和觸發(fā)時序脈沖2，實現(xiàn)了非線性換流器線性化控制的功能。故障或者非正常狀態(tài)下，智能故障檢測裝置得到故障信號，自動調(diào)整重注入電路觸發(fā)脈沖序列的寬度，使得換流器在每個基波周期內(nèi)有6個電流過零點，從而使主電路晶閘管器件在3.3 ms左右控制網(wǎng)側(cè)電流，迅速保持在安全運行狀態(tài)。

圖4 DMLCR-CSC輸電系統(tǒng)控制圖

3 系統(tǒng)仿真

仿真驗證主要對DMLCR-CSC功能及其HVDC換流器運行特性進行驗證，重注入電流的電平數(shù)為9。

3.1 DMLCR-CSC過零關(guān)斷與諧波消除

圖5中，在0.05 s，j1幅值到達最大，換流器B△的幅值為零，為Δ橋換相提供了零電流關(guān)斷(ZCS)條件；在0.055 s時，j2幅值最大，上部換流器BY的幅值為零，為Y橋換相提供了零電流關(guān)斷(ZCS)條件。重注入電流的頻率為電網(wǎng)基波頻率的6倍，在每個基波周期提供6個電流過零點。

9電平電流重注入換流器的主變壓器Y接換流器的直流電流BY輸出呈現(xiàn)9電平，主變壓器Δ接換流器的直流電流B△輸出呈現(xiàn)9電平。主變壓器二次側(cè)Y接換流器A相交流輸出電流aY導(dǎo)通120o，二次側(cè)Δ接換流器A相交流輸出電流aΔ導(dǎo)通120o。二次側(cè)Y接和Δ接經(jīng)過主變壓器耦合，得到變壓器一次側(cè)A相近似于正弦波交流電流。

圖5 NLCR-CSC網(wǎng)側(cè)直流側(cè)電流波形

3.2 不同零電流脈寬對網(wǎng)側(cè)電流的影響

重注入電流波形采用一個線性上升和下降的三角波進行調(diào)制，重注入電路門極可控器件的開關(guān)脈沖寬度以均分為基準(zhǔn)。脈沖寬度定義為每個周期20 ms，有6個電流過零點，所以零脈沖寬度基準(zhǔn)為20/12，其中為重注入電路電平數(shù)。在不同觸發(fā)角度，9電平分別設(shè)置了零電流脈沖寬度為基準(zhǔn)值的0.85~1.225倍，等間距0.25，得到了諧波含量、電流幅值與零電流脈寬基準(zhǔn)倍數(shù)和主電路觸發(fā)角度的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

3.3 HVDC正常情況運行特性

圖7是正常運行狀況下，發(fā)送端和接收端換流器電壓電流和功率波形圖。從0 s開始，參考電流以特定的斜率線性增大到0.1 p.u.；直到直流側(cè)電壓上升到1 p.u.，0.4 s時，直流側(cè)母線電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)。電流建立的過程與電壓建立過程一致，在0.6 s達到正常穩(wěn)定運行狀態(tài)。穩(wěn)定運行過程中，發(fā)送端發(fā)送的有功功率約為0.99 GW，無功功率為0.3 Gvar；發(fā)送端吸收的有功功率約為0.99 GW，無功功率為0.78 Gvar。在1.4 s，輸電系統(tǒng)停止運行，與正常啟動的過程中變量變化相反。

3.4 HVDC直流側(cè)短路故障

圖8是輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障時，HVDC換流器電壓電流功率的波形。設(shè)置0.8 ~1.0 s直流側(cè)短路故障。0.8 s時，直流側(cè)參考電流迅速減小到為0，實際的直流電流也立刻減小。由于DMLCR-CSC有過零關(guān)斷的功能，在3.3 ms內(nèi)檢測到直流側(cè)故障并且無延時地實現(xiàn)換流器電流為0，發(fā)送端交流側(cè)電流也迅速為0。直流側(cè)短路電壓最大1.5 p.u.，發(fā)送端交流側(cè)電流在短路時最大為2.5 p.u.，完全在安全裕度范圍內(nèi)。發(fā)送端換流器在故障之后，迅速停機，防止短路故障影響其連接的電網(wǎng)。發(fā)送端輸送的功率在故障之后，也變?yōu)?。1.0 s，故障切除，整個輸電系統(tǒng)進行開機檢測。

圖6 不同觸發(fā)時刻，網(wǎng)側(cè)電流幅值THD與零脈寬關(guān)系

圖7正常工況，HVDC換流器電壓電流功率波形

圖8 直流側(cè)短路故障，HVDC換流器仿真波形

3.5 HVDC送端單相短路故障

圖9是送端電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地短路故障時，輸電系統(tǒng)電壓電流功率的仿真波形。設(shè)置0.8~1.0 s接收端單相接地短路故障。短路故障出現(xiàn)，A相電壓為0，交流側(cè)電流迅速減小到0.3 p.u.。直流側(cè)電壓下降，直流側(cè)電流穩(wěn)定在0.85 p.u.。接收端交流側(cè)電流受到發(fā)送端電壓故障，電流有短暫下降過程，但電壓和電流很快進入一個的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 送端單相短路故障，HVDC換流器交流側(cè)仿真波形

故障期間，發(fā)送端的有功功率和無功功率均下降到原來的一半；接收端的有功功率維持在原來的一半，無功功率增大到原來的一倍，來維持接收端電壓和電流的正常運行。1.0 s，故障解除，發(fā)送端交流側(cè)電壓電流功率均恢復(fù)正常，直流側(cè)電壓恢復(fù)到1.0 p.u.，直流側(cè)電流恢復(fù)到0.9 p.u.；接收端交流側(cè)電壓電流均恢復(fù)正常，有功功率恢復(fù)到故障前的狀態(tài)，無功功率下降一半。

3.6 HVDC送端兩相短路故障

圖10是送端電網(wǎng)出現(xiàn)兩相短路故障時，輸電系統(tǒng)電壓電流功率的仿真波形。設(shè)置0.8~1.0 s接收端發(fā)生AB相相間短路故障。發(fā)送端短路故障出現(xiàn)，A相電壓為0，B相電壓為0.5 p.u.，交流側(cè)電流出現(xiàn)迅速下降到0.2 p.u.后，直流側(cè)電壓下降，直流側(cè)電流穩(wěn)定在0.6 p.u.。接收端交流側(cè)電流受到發(fā)送端電壓故障影響，電流有個短暫下降過程，但電壓和電流很快進入一個的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10送端兩相短路故障，HVDC換流器仿真波形

故障期間，發(fā)送端的有功功率和無功功率均下降到原來的40%；接收端的有功功率維持在原來的一半，無功功率增大，來維持接收端電壓保持恒定。1.0 s故障解除，發(fā)送端交流側(cè)電壓電流功率均恢復(fù)正常，直流側(cè)電壓和電流恢復(fù)到1.0 p.u.；接收端交流側(cè)電壓電流均恢復(fù)正常，有功功率和無功功率恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。

4 結(jié)論與展望

從仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1) DMLCR-CSC電路在每個基波周期內(nèi)提供6個電流過零點，實現(xiàn)了晶閘管電流過零關(guān)斷； 9電平DMLCR-CSC，主電路晶閘管導(dǎo)通頻率50 Hz，重注入電路IGBT導(dǎo)通頻率600 Hz。

(2) DMLCR-CSC通過注入多電平電流，能夠有效降低輸出波形諧波含量，不同觸發(fā)時刻均低于4%，并且在諧波含量與觸發(fā)角沒有關(guān)系；實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行；9電平MLCR-CSC最優(yōu)零電流脈沖寬度為基準(zhǔn)的1.125倍，=2.11%。

(3) DMLCR-CSC在網(wǎng)側(cè)單相接地故障、兩相短路故障和直流側(cè)短路故障時，換流器在3.3ms內(nèi)出現(xiàn)主電路晶閘管電流為零，安全快速實現(xiàn)觸發(fā)脈沖封鎖，把電流控制在安全的范圍內(nèi)；整個故障過程，換流器沒有受到短路帶來破壞性的危害，提高了設(shè)備安全穩(wěn)定性能。

因此，DMLCR-CSC構(gòu)成的HVDC換流器是高壓大功率電能傳輸?shù)囊环N可靠的選擇。

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(編輯 葛艷娜)

Research on operating characteristics of current reinjection HVDC converter based on power decoupling controls

ZHAO Jianyang1, ZHANG Fumin1, LIU Fugui1, LIU Yonghe2, 3

(1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Faculty of Electric Power, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080, China; 3. Department of Electrical and Computer Engineering, University of Canterbury, Christchurch 8140, New Zealand)

This paper researches the power control features of HVDC converter under different working conditions of power grid, and HVDC converter based on MLCR-CSC. From the perspective of practical engineering, it designs a coordination operating scheme with two groups of MLCR-CSC (DMLCR-CSC), and makes the double set of multilevel current reinjection converter (DMLCR-CSC) as an HVDC converter. It analyzes the feasibility of DMLCR-CSC power decoupling contrel, and proposes the active power and reactive power decoupling control method. Thyristors of nine-level DMLCR-CSC main circuit enable zero current turn off ZCS characteristics. Under normal working condition, single-phase ground fault on AC-side, two phase short circuit fault on AC-side and short-circuit faults on DC-side can shut down current to zero within 1/6 of a cycle. THD content is not relevant with trigger angle. Simulations verify that HVDC converter based on DMLCR-CSC is a reliable choice for high-voltage and high-power power transmission.

DMLCR-CSC; power decoupling control; ZCS; THD; operating characteristics; fault response

10.7667/PSPC151123

2015-07-01；

2015-09-02

趙建陽(1985-)，男，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；E-mail：jianyangzhaohebut@126.com

張福民(1965-)，男，博士，副教授，研究方向為電力電子與電氣傳動、柔性交流輸電和高壓直流輸電。