多端柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)及環(huán)流抑制

萬家建，高 強(qiáng)，馬偉東，欒伊斌（.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司平湖供電公司，浙江 嘉興 3400；.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心，浙江 杭州 30007）

多端柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)及環(huán)流抑制

萬家建1，高 強(qiáng)2，馬偉東1，欒伊斌1
（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司平湖供電公司，浙江 嘉興 314200；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心，浙江 杭州 310007）

介紹了浙江舟山多端柔性直流輸電工程的概況和主要設(shè)備組成，分析總結(jié)了其控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要功能，重點(diǎn)研究了舟山多端柔性輸電系統(tǒng)的環(huán)流抑制控制策略，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略對(duì)環(huán)流的抑制效果，為舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支持和理論保障。

多端柔性直流輸電；模塊化多電平換流器；控制保護(hù)系統(tǒng)；環(huán)流抑制

0 引言

多端柔性直流輸電（VSC-MTDC）系統(tǒng)由3個(gè)或以上換流站及連接換流站的高壓直流輸電線路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，相比于兩端柔性直流輸電系統(tǒng)，運(yùn)行方式更為靈活，能更好地發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。目前，已于2014-07-04投運(yùn)的浙江舟山柔性直流輸電工程，為世界上首個(gè)建成的五端柔性直流輸電工程。

1 舟山柔性直流輸電工程概況

舟山柔性直流輸電工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋等5個(gè)直流換流站和多段直流電纜構(gòu)成，直流電壓等級(jí)為±200 kV。各換流站容量分別為400 MW，300 MW，100 MW，100 MW，100 MW，最大輸送容量為400 MW。舟定和周岱換流站通過220 kV單線分別接入220 kV云頂變和蓬萊變，舟衢、舟洋和舟泗換流站通過110 kV單線分別接入110 kV大衢變、沈家灣變和嵊泗變。其系統(tǒng)接線方式如圖1所示。

舟山柔性直流換流站一次設(shè)備主要包括交流線路、直流線路、直流母線、聯(lián)結(jié)變、換流閥組（由啟動(dòng)電阻、換流電抗器、平波電抗器和子模塊SM組成）等，各換流站采用模塊化多電平電壓源換流器。其一次接線如圖2所示。該工程投入運(yùn)行后，舟山電網(wǎng)將發(fā)展為一個(gè)同時(shí)包含多端柔性直流、傳統(tǒng)交流和風(fēng)電場(chǎng)的復(fù)雜交直流混聯(lián)電網(wǎng)，電能可同時(shí)通過交流通道和直流通道到達(dá)各島，運(yùn)行方式復(fù)雜多變。

圖1 舟山五端柔性直流輸電工程系統(tǒng)接線

2 柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)

柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)是柔性直流輸電系統(tǒng)的“大腦”，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及所有設(shè)備的控制、監(jiān)視和保護(hù)，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的性能、安全、效益，是柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖2 換流站一次接線

多端柔性直流輸電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，為了提高其運(yùn)行的可靠性，限制任一控制環(huán)節(jié)故障造成的影響，其控制保護(hù)系統(tǒng)采用模塊化、分層分布式結(jié)構(gòu)。舟山柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)策略分4個(gè)層次：系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層、換流器級(jí)控制保護(hù)層、閥級(jí)控制保護(hù)層、子模塊級(jí)控制保護(hù)層，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層是MMC-HVDC（MMC，modular multilevel converter，即模塊化多電平換流器）控制保護(hù)系統(tǒng)中級(jí)別最高的層次，主要功能有：運(yùn)行方式控制、控制模式控制、系統(tǒng)啟?？刂?、系統(tǒng)穩(wěn)定控制、快速功率變化控制、潮流反轉(zhuǎn)控制、聯(lián)接變壓器保護(hù)、交流場(chǎng)保護(hù)等。

換流器級(jí)控制保護(hù)層是聯(lián)系上層系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層和下層閥級(jí)控制保護(hù)層的中間環(huán)節(jié)，也是MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)中的核心層。主要功能有：直流電壓控制、直流功率控制、換流器閉鎖解鎖控制、負(fù)序電流抑制控制、橋臂環(huán)流控制、運(yùn)行信息采集與處理、換流器限流控制、換流器監(jiān)視與保護(hù)等。

閥級(jí)控制保護(hù)層是聯(lián)系上層控制系統(tǒng)與底層開關(guān)器件控制的中間樞紐。接收換流器級(jí)控制保護(hù)層輸出的控制信號(hào)，并通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式產(chǎn)生相應(yīng)的閥觸發(fā)脈沖以控制閥組的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器閥的觸發(fā)控制；同時(shí)接收各子模塊開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的回報(bào)信號(hào)及狀態(tài)信息并上報(bào)至換流器級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控單元。閥級(jí)控制保護(hù)層是實(shí)現(xiàn)各種指令的具體執(zhí)行操作層，與系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層、換流器級(jí)控制保護(hù)層相比，其響應(yīng)速度更快。其主要功能有：開關(guān)調(diào)制、閥組導(dǎo)通/關(guān)斷控制、換流閥監(jiān)測(cè)與保護(hù)、子模塊電容電壓平衡調(diào)制、橋臂故障檢測(cè)與保護(hù)等。

子模塊級(jí)控制保護(hù)層是直接對(duì)MMC中的每個(gè)子模塊進(jìn)行觸發(fā)控制的設(shè)備，其主要功能有：子模塊觸發(fā)控制、旁路控制、過壓控制、子模塊電容電壓及狀態(tài)信息檢測(cè)。

柔性直流輸電保護(hù)系統(tǒng)均采用雙重化設(shè)計(jì)，主要保護(hù)配置如下。

（1） 聯(lián)接變壓器保護(hù)：變壓器差動(dòng)保護(hù)、變壓器過流保護(hù)、非電量保護(hù)。

（2） 交流場(chǎng)保護(hù)：交流連接母線差動(dòng)保護(hù)、交流連接母線過流保護(hù)、交流過壓保護(hù)、交流欠壓保護(hù)、交流頻率保護(hù)。

（3） 換流器保護(hù)：交流過流保護(hù)、橋臂過流保護(hù)、橋臂電抗差動(dòng)保護(hù)、閥側(cè)零序分量保護(hù)、閥差動(dòng)保護(hù)、橋臂環(huán)流保護(hù)。

（4） 直流場(chǎng)保護(hù)：直流電壓不平衡保護(hù)、直流欠壓過流保護(hù)、直流低電壓保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、直流線路縱差保護(hù)。

圖3 舟山柔性直流輸電工程控制保護(hù)策略

3 環(huán)流抑制控制策略及試驗(yàn)驗(yàn)證

模塊化多電平換流器由大量的子模塊構(gòu)成，每個(gè)子模塊中都有一個(gè)儲(chǔ)能電容；各個(gè)子模塊電容的分布式布置及其能量不均衡，將導(dǎo)致MMC換流器橋臂之間產(chǎn)生呈負(fù)序分布的二倍頻環(huán)流。環(huán)流的存在一方面會(huì)使換流器輸出的電流發(fā)生畸變，降低了輸出波形的質(zhì)量，并且增加了電力電子器件的容量等級(jí)要求；另一方面增加了損耗，并使功率開關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒毀，影響裝置使用壽命。盡管橋臂電抗器對(duì)環(huán)流具有一定的抑制作用，但作用有限。因此，必須設(shè)計(jì)一種環(huán)流抑制控制器。

3.1 環(huán)流抑制控制策略

舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)采取的是環(huán)流諧波解耦控制策略，在MMC內(nèi)部數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將換流器內(nèi)部的三相二倍頻環(huán)流分解為2個(gè)直流分量，由此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的環(huán)流抑制控制器。

MMC的數(shù)學(xué)模型可以由式（1）來表示：

式中，Ux表示換流器三相電壓（x=a，b，c），Ux1表示下橋臂電壓，Ux2表示上橋臂電壓，R0表示橋臂電阻，L0表示橋臂電感，Ix表示換流器三相電流，Iz表示二倍頻環(huán)流分量。

由式（1）可知，上下橋臂之間的電壓差和交流側(cè)相電流會(huì)對(duì)逆變器交流側(cè)電壓產(chǎn)生影響，而上下橋臂電壓之和與直流電壓不相等是內(nèi)部環(huán)流產(chǎn)生的根本原因。為了消除各相上下橋臂電壓之和的不一致性，在上下橋臂電壓上同時(shí)減去一個(gè)大小相等的電壓修正量Ufix，以抵消2個(gè)串聯(lián)電抗器兩端的電壓，間接控制換流器內(nèi)部環(huán)流。由于是在上下橋臂同時(shí)減去一個(gè)電壓分量，因此不會(huì)對(duì)逆變器交流側(cè)電壓產(chǎn)生影響。

根據(jù)文獻(xiàn)資料可知，MMC內(nèi)部三相環(huán)流為二倍頻負(fù)序分量，設(shè)其幅值為Izf，初始相位為φ，那么換流器三相中的環(huán)流可以表示為：

令二倍頻環(huán)流電壓為：

則式（1）可變?yōu)椋?/p>

將acb負(fù)序分量調(diào)整為acb正序分量，可引入二倍頻正序變換矩陣式（5）。

利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將換流器內(nèi)部三相二倍頻負(fù)序環(huán)流分解為2個(gè)直流量，具體計(jì)算過程為將式（2）代入式（4），然后兩邊同時(shí)左乘acb/dq變換矩陣式（5），得到：

式（6）即為MMC內(nèi)部環(huán)流數(shù)學(xué)模型，在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上即可設(shè)計(jì)相應(yīng)的環(huán)流抑制控制器，如圖4所示。

圖4 MMC環(huán)流抑制器控制圖

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以舟定站為例，通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證舟山五端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)的環(huán)流抑制功能。該換流器由6個(gè)橋臂構(gòu)成，在額定運(yùn)行方式下，環(huán)流抑制器投入前后橋臂電流的二倍頻分量占基波分量的比例如表1所示。由表1可以看出，當(dāng)投入環(huán)流抑制器后，橋臂二倍頻環(huán)流分量得到了有效抑制，占基波分量的比例均小于1 %，大大降低了橋臂電流的畸變程度，提高了換流器運(yùn)行的可靠性。

表1 投入環(huán)流抑制器前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

舟山五端柔性直流輸電工程的建成，為柔性直流輸電的大規(guī)模推廣起到良好示范作用。以上通過試驗(yàn)研究分析舟山VSC-MTDC系統(tǒng)的環(huán)流抑制效果，試驗(yàn)結(jié)果表明橋臂內(nèi)部環(huán)流得到了有效抑制。

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2015-08-12。

萬家建（1988-），男，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)變電運(yùn)行工作，email：gaoqiang242@163.com。

高 強(qiáng)（1985-），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行工作。

馬偉東（1970-），男，大專，主要從事電力系統(tǒng)變電運(yùn)行工作。

欒伊斌（1978-），男，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)變電檢修工作。