向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC送端交流故障穿越策略

肖　亮　徐　政　劉　昇　安　婷　孔　明

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院　杭州　310007 2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院　北京　102211)

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向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC送端交流故障穿越策略

肖亮1徐政1劉昇1安婷2孔明2

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院杭州310007 2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院北京102211)

向無源網(wǎng)絡(luò)供電的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)的送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，功率傳輸?shù)牟黄胶鈺?huì)使MMC-HVDC直流電壓嚴(yán)重跌落直至系統(tǒng)崩潰。首先分析了送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)MMC電容放電的機(jī)理，然后設(shè)計(jì)了一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC送端交流故障穿越策略，該策略的核心思想是在送端故障期間降低無源網(wǎng)絡(luò)吸收的功率從而使MMC-HVDC直流側(cè)功率盡量平衡。最后在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上搭建了向由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和靜態(tài)特性負(fù)荷組成的無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)，驗(yàn)證了送端系統(tǒng)故障時(shí)MMC電容放電機(jī)理。仿真結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的故障穿越策略的作用下，MMC-HVDC在送端交流系統(tǒng)故障期間能夠遏制直流電壓跌落而保持穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的故障穿越能力。

無源網(wǎng)絡(luò)模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)送端交流系統(tǒng)故障電容放電 故障穿越

0　引言

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)及向城市中心、海上平臺(tái)等無源網(wǎng)絡(luò)供電是模塊化多電平換流器型高壓直流輸電(Modular Multilevel Converter-High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)的重要應(yīng)用領(lǐng)域[1-5]。從2010年第一個(gè)MMC-HVDC工程(Trans Bay Cable，±200 kV、400 MW)運(yùn)行以來，已經(jīng)有超過10個(gè)MMC-HVDC工程投運(yùn)和正在建設(shè)中，尤其以歐洲北海靠近德國海岸的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛[1]。于2014年投運(yùn)的連接法國Baixas和西班牙Santa Llogaia的INELFE工程的額定直流電壓為±320 kV，額定傳輸容量為2×1 000 MW，是世界上傳輸容量最大的MMC-HVDC工程[6]。

無論是聯(lián)于有源網(wǎng)絡(luò)還是向無源網(wǎng)絡(luò)供電，為了維持有功功率的平衡以及保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，柔性直流輸電(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)系統(tǒng)的一端換流站必須采用定直流電壓控制[7-13]。以兩端VSC-HVDC系統(tǒng)為例，當(dāng)定直流電壓換流站的交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，由于功率的不平衡及電流限幅環(huán)節(jié)的作用，定直流電壓站將會(huì)失去對(duì)直流電壓的控制，從而使整個(gè)直流系統(tǒng)崩潰。為了提高VSC-HVDC在交流系統(tǒng)故障下運(yùn)行的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[9]提出了一種具有直流電壓控制功能的新型有功功率控制器，其基本原理是當(dāng)定直流電壓控制換流站不能有效控制直流電壓時(shí)，自動(dòng)由另一端換流站的有功功率控制器來承擔(dān)直流電壓控制。文獻(xiàn)[10，11]設(shè)計(jì)了一種基于滯環(huán)和本地直流電壓信號(hào)的模式切換控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)故障時(shí)直流電壓控制。提高VSC-HVDC故障穿越能力的關(guān)鍵是在故障期間維持系統(tǒng)的功率平衡，基于此原則，文獻(xiàn)[12，13]提出了改進(jìn)有功功率控制策略，當(dāng)定直流電壓側(cè)交流系統(tǒng)故障時(shí)，通過引入直流電壓信號(hào)來直接或間接改變另一端換流站的有功電流指令值從而確保直流電壓在合理的范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[14，15]設(shè)計(jì)了一種同時(shí)將兩側(cè)交流系統(tǒng)的交流電壓信號(hào)引入定有功功率換流站的外環(huán)功率指令的直流電壓控制策略。以上4類VSC-HVDC交流系統(tǒng)故障穿越策略具有一定的局限性，只適用于VSC-HVDC聯(lián)于兩端均為有源系統(tǒng)的情況，而當(dāng)VSC-HVDC向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)，其無源網(wǎng)絡(luò)側(cè)必須采用定交流電壓控制，因此當(dāng)送端交流系統(tǒng)故障時(shí)必須重新考慮其故障穿越策略。

向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC控制策略主要包括幅相控制[16]、直接電壓控制[17-20]、功率同步控制[21]和電流矢量控制[22-24]等方式。其中向無源網(wǎng)絡(luò)供電的幅相控制器存在交流側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、交流電壓容易受負(fù)荷波動(dòng)影響等缺點(diǎn)，并且不具備交流故障穿越能力；直接電壓控制是基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下?lián)Q流器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的，在交流故障等暫態(tài)擾動(dòng)下，不能有效地控制故障電流。功率同步控制的核心思想是通過有功功率控制環(huán)來取代鎖相環(huán)，進(jìn)而跟蹤系統(tǒng)的交流電壓，當(dāng)應(yīng)用在無源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還要配合具有Pf下垂特性的頻率控制器。向無源網(wǎng)絡(luò)供電的電流矢量控制器，具有電流響應(yīng)速度快且能控制交流故障電流等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于實(shí)際工程中。針對(duì)向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障這一現(xiàn)象，現(xiàn)有的研究并不多。文獻(xiàn)[24]設(shè)計(jì)了具有下垂特性的頻率控制器，當(dāng)送端交流系統(tǒng)故障時(shí)，通過改變無源側(cè)系統(tǒng)的交流頻率，使VSC-HVDC具有較好的故障穿越能力。文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了基于直接電壓控制的正負(fù)序無源控制器，在交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障時(shí)能有效地抑制負(fù)序電流，并提出了當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將無源側(cè)負(fù)荷減小的控制保護(hù)策略。

本文首先分析了送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)MMC電容放電的機(jī)理，然后設(shè)計(jì)了一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC送端交流故障穿越策略，最后在PSCAD仿真平臺(tái)上搭建了向由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和靜態(tài)特性負(fù)荷組成的無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)，驗(yàn)證了送端系統(tǒng)故障時(shí)MMC電容放電機(jī)理及所提故障穿越策略的有效性。

1　向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)

向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。文獻(xiàn)[26]指出，對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定性等問題的研究，負(fù)荷母線上應(yīng)盡可能接入不同特性的負(fù)荷模型。因此，本文的受端無源網(wǎng)絡(luò)采用恒阻抗的靜態(tài)特性負(fù)荷模型和由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(Induction Motors，IM)表征的動(dòng)態(tài)特性負(fù)荷模型來模擬，而送端有源系統(tǒng)則用無窮大電源來表示。送端有源系統(tǒng)和受端無源系統(tǒng)的母線電壓分別為US和UL，MMC1整流站和MMC2逆變站輸出的電壓分別為UV1和UV2。MMC-HVDC的雙極直流電壓為Udc，直流電流為Idc，系統(tǒng)的功率傳輸正方向如圖1箭頭所示。

圖1　向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC結(jié)構(gòu)圖Fig.1　System structure of MMC-HVDC supplying to passive network

換流站MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)換流站由6個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包含了n個(gè)子模塊(不考慮冗余)，子模塊的電容為Csm，電容電壓平均值為Usm。通過一定的調(diào)制方式控制上下橋臂子模塊的投入或切除，即可輸出期望的交流電壓UVj(j=a，b，c)。此外，為了維持直流電壓的恒定，要求每相單元在任意時(shí)刻投入的子模塊個(gè)數(shù)恒定為n，即有式(1)成立。

(1)

圖2　MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2　Topology of MMC

目前實(shí)際工程應(yīng)用最廣泛的控制策略是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量控制，由內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)功率控制構(gòu)成。結(jié)合無源網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，如圖1所示的整流站必須保證Udc恒定，而逆變站為了給無源網(wǎng)絡(luò)輸出高質(zhì)量的交流電壓，必須保證UL不受負(fù)荷波動(dòng)的影響。因此向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)，一般采取的控制策略為整流站定直流電壓控制，逆變站為定交流電壓控制，下文稱之為常規(guī)控制策略。

2　向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC送端交流故障特性

2.1MMC-HVDC送端交流系統(tǒng)的故障特性

以圖1所示的系統(tǒng)為研究對(duì)象，為了便于分析故障特性，做出基于MMC簡(jiǎn)化模型的系統(tǒng)單線圖，如圖3所示，其中MMC換流站的等效電容用Ceq表示。

(2)

圖3　基于簡(jiǎn)化模型的MMC-HVDC系統(tǒng)單線圖Fig.3　Single line diagram of the MMC-HVDC based on simplified equivalent model

利用式(2)并結(jié)合式(1)即可求出Ceq的值如式(3)所示，其依據(jù)是等效前后每個(gè)時(shí)刻6個(gè)橋臂的電容儲(chǔ)能之和保持不變。

(3)

由此可得Ceq對(duì)應(yīng)的等效電容時(shí)間常數(shù)τc如式(4)所示，其物理意義是，以恒電流IdcN對(duì)直流電容充電，直流電壓從0上升到UdcN所需要的時(shí)間[14]。

(4)

式中，UdcN為額定雙極直流電壓，kV；SN為換流站的額定容量，MV·A。

當(dāng)送端交流系統(tǒng)在母線US處發(fā)生接地故障時(shí)，在常規(guī)控制策略下，一方面，送端有源系統(tǒng)輸入MMC-HVDC的功率大大降低，而無源網(wǎng)絡(luò)在故障期間不斷汲取功率，這將導(dǎo)致兩站MMC的電容向無源網(wǎng)絡(luò)放電，以試圖維持無源網(wǎng)絡(luò)的功率平衡，電容放電的結(jié)果是導(dǎo)致直流電壓下降；另一方面，故障接地點(diǎn)的引入給MMC換流站的電容提供了放電通道，加劇了直流電壓的下降速率，電容放電的示意圖如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的限流控制，通常在外環(huán)控制器上設(shè)置限幅環(huán)節(jié)，直流電壓的持續(xù)下降及送端交流系統(tǒng)故障電流的急劇上升致使外環(huán)直流電壓控制器很快進(jìn)入限流控制狀態(tài)，其結(jié)果是導(dǎo)致MMC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓失去控制，電容電壓將持續(xù)下降，導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生崩潰。送端交流系統(tǒng)故障時(shí)MMC電容放電的機(jī)理總結(jié)如圖4所示。

圖4　送端交流系統(tǒng)故障時(shí)MMC電容放電機(jī)理Fig.4　Discharging mechanism of capacitors in MMC during ground fault in AC grid

若送端交流系統(tǒng)發(fā)生三相金屬性接地故障，當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間大于等效電容時(shí)間常數(shù)τc時(shí)，直流電壓Udc將持續(xù)下降為零。若將子模塊電容Csm的計(jì)算公式[9]代入式(4)，則進(jìn)一步可以求得τc的典型值為65.4 ms[27]。

若送端交流系統(tǒng)發(fā)生三相非金屬性接地故障使交流母線從額定相電壓USN跌至USdrop，d軸電流分量從額定值ivdN上升至ivdlim，根據(jù)瞬時(shí)功率理論[2]，故障前后送端交流系統(tǒng)注入MMC的有功功率分別為PdcN=3USNivdN/2、Pdcdrop=3USdropivdlim/2，故障期間注入MMC的功率缺額為ΔP=PdcN-Pdcdrop。本文規(guī)定MMC-HVDC系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最低允許直流電壓為Udclim，送端故障導(dǎo)致直流電壓下降到Udclim所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為τlim，以MMC-HVDC直流側(cè)等效電路為研究對(duì)象，忽略換流器和直流線路的損耗，若故障期間負(fù)荷吸收的功率保持不變，則理論上

(5)

式(5)給出了MMC-HVDC在送端交流系統(tǒng)故障下安全運(yùn)行的臨界持續(xù)時(shí)間，其意義表明，系統(tǒng)需要在τlim時(shí)間內(nèi)做出相應(yīng)控制使直流電壓保持在安全穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)。

此外，當(dāng)送端系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，也會(huì)使送端傳輸?shù)墓β式档?，從而?dǎo)致MMC電容放電，使直流電壓下降。不對(duì)稱故障的另一個(gè)問題是產(chǎn)生的負(fù)序電壓會(huì)引起MMC換流站交流側(cè)較大的負(fù)序電流，嚴(yán)重威脅設(shè)備的可靠運(yùn)行。文獻(xiàn)[28]對(duì)MMC-HVDC的單相接地故障特性做了大量細(xì)致的研究，從理論上推導(dǎo)了在單相接地故障下MMC相單元的瞬時(shí)功率，解析了單相接地故障期間直流電壓產(chǎn)生的二倍頻分量，并提出了一種新型的控制器以抑制該二倍頻分量。

2.2MMC-HVDC送端交流系統(tǒng)的故障穿越策略

結(jié)合上述分析，當(dāng)送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，為了提高M(jìn)MC-HVDC的故障穿越能力，其控制策略必須滿足以下兩個(gè)要求：①在故障期間盡可能維持直流電壓的穩(wěn)定，防止直流電壓嚴(yán)重跌落造成系統(tǒng)崩潰；②能夠限制故障電流，抑制不對(duì)稱故障產(chǎn)生的負(fù)序分量，防止設(shè)備過流[10]。

因此，本文中MMC整流站采用的是常規(guī)的電流矢量控制策略，逆變站則采用向無源網(wǎng)絡(luò)供電的電流矢量控制器，兩站的控制器均引入了負(fù)序分量抑制環(huán)節(jié)。在逆變站設(shè)計(jì)了一種根據(jù)本地直流電壓信號(hào)來改變外環(huán)交流電壓指令值的故障穿越的控制策略，其核心思想是在送端交流系統(tǒng)故障期間降低無源網(wǎng)絡(luò)吸收的功率，從而使得MMC-HVDC直流側(cè)功率盡量平衡，保證了故障期間直流電壓不會(huì)嚴(yán)重跌落。

3　向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC送端交流故障穿越策略的實(shí)現(xiàn)

交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，同步相位和瞬時(shí)對(duì)稱分量的實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)VSC-HVDC的控制保護(hù)系統(tǒng)尤為重要，為此文獻(xiàn)[2，10，28，29]進(jìn)行了大量深入細(xì)致的研究，建立了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC正負(fù)序分量的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的控制器。換流器負(fù)序分量的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的負(fù)序控制器與正序系統(tǒng)的區(qū)別是其dq坐標(biāo)變換的θ取負(fù)值。為了抑制不對(duì)稱故障產(chǎn)生的負(fù)序電流，本文采用文獻(xiàn)[10]所設(shè)計(jì)的負(fù)序電流控制器，將負(fù)序電流的參考值設(shè)為零。另外，MMC聯(lián)于有源網(wǎng)絡(luò)時(shí)的控制系統(tǒng)在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中已經(jīng)詳述，為節(jié)省篇幅，本節(jié)的重點(diǎn)在于MMC聯(lián)于無源網(wǎng)絡(luò)時(shí)控制器的設(shè)計(jì)，并給出故障穿越策略的實(shí)現(xiàn)方法。

圖5　具有故障穿越能力的MMC無源供電控制器Fig.5　MMC cascade controller with fault ride-through capacity for passive network supplying

圖6　聯(lián)于無源網(wǎng)絡(luò)的MMC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Control system structure of MMC connected to passive networks

MMC-HVDC向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)，MMC建模和控制均在dq坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)，由于在無源網(wǎng)絡(luò)下無法通過PLL獲取同步相位，因此我們將參考相位設(shè)定為θ=2πf0t，f0=50 Hz，保證了供電電壓頻率的穩(wěn)定性。

在穩(wěn)態(tài)下，設(shè)負(fù)荷母線的三相交流相電壓為

(6)

取等量變換矩陣P(θ)為

(7)

由于給定的θ=2πf0t始終與負(fù)荷母線a相電壓ULa(t)同相位，因此對(duì)式(6)進(jìn)行式(7)的變換可得

(8)

為了實(shí)現(xiàn)dq軸電流的解耦控制，結(jié)合MMC的數(shù)學(xué)模型及負(fù)荷側(cè)dq軸電壓的特性，設(shè)計(jì)了如圖5所示的MMC無源供電控制器。其中故障穿越外環(huán)交流電壓控制器的q軸電壓指令值ULqref設(shè)定為0，通過改變d軸電壓指令值ULdref即可控制負(fù)荷母線相電壓幅值ULm。

外環(huán)控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)說明如下：ULdrefN為穩(wěn)態(tài)下無源外環(huán)控制器d軸電壓的指令值，設(shè)置為1.00 (pu)；Udc2為本地測(cè)量的直流電壓，Udcmin為直流電壓的下限值，其值必須比穩(wěn)態(tài)下Udc2的值小，本文設(shè)置為0.96 (pu)；Udc2和Udcmin的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后輸入比較器MIN，與ULdrefN進(jìn)行比較，將較小值輸出作為無源外環(huán)控制器d軸電壓的最終指令值ULdref；ULdmax為PI限幅環(huán)節(jié)的上限值，其取值必須比ULdrefN大，本文設(shè)置為1.20 (pu)；ULdmin為PI限幅環(huán)節(jié)的下限值，為了使在故障下直流電壓盡快恢復(fù)，其值應(yīng)盡可能小，本文設(shè)置為0。

該控制器的工作原理說明如下：

1)穩(wěn)態(tài)下，送端直流電壓被控制為1.00 (pu)，在線路壓降影響下，受端直流電壓Udc2會(huì)比1.00 (pu)略小，但必須大于Udcmin，Udc2和Udcmin的誤差始終大于零，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后輸出為ULdmax，該值比ULdrefN大，因此穩(wěn)態(tài)下ULdref=ULdrefN=1.00 (pu)，負(fù)荷母線電壓穩(wěn)定在額定值。

2)當(dāng)送端交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，若故障持續(xù)時(shí)間較長，則MMC電容持續(xù)放電導(dǎo)致直流電壓Udc2下降，當(dāng)降到Udc2

因此在故障暫態(tài)下該控制策略減緩了電容放電的速率，有利于直流電壓的穩(wěn)定，提高了MMC-HVDC的故障穿越能力。當(dāng)故障清除后，Udc2恢復(fù)到正常水平時(shí)，ULdref自動(dòng)調(diào)整回穩(wěn)態(tài)時(shí)的指令值，MMC-HVDC恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

值得注意的是，送端故障時(shí)可采取閉鎖換流器的策略來保證設(shè)備的安全，但是其缺點(diǎn)是故障期間MMC-HVDC功率傳輸為零，負(fù)荷需要全部切除退出運(yùn)行，并且換流站的閉鎖和重啟動(dòng)是有時(shí)間代價(jià)的。早期的研究表明[30]，當(dāng)直流電壓跌落至0.9 (pu)時(shí)，需要切除一定負(fù)荷保證系統(tǒng)運(yùn)行，而切負(fù)荷并不是一種優(yōu)選的做法，因此研究人員提出了多種負(fù)荷故障穿越策略，如將感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小、安裝儲(chǔ)能轉(zhuǎn)置提供有功緊急支援來保證故障期間能夠續(xù)傳功率且故障清除后負(fù)荷能夠及時(shí)恢復(fù)工作，這些策略的區(qū)別在于設(shè)備的投資及故障期間功率續(xù)傳的多少。

對(duì)于感應(yīng)電機(jī)等電壓敏感負(fù)荷，文獻(xiàn)[31]推導(dǎo)了電壓跌落時(shí)不同類型感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，并指出當(dāng)電壓嚴(yán)重跌落至零時(shí)，以感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低10%為限制，感應(yīng)電機(jī)可穩(wěn)定運(yùn)行0.5～1 s?？紤]到感應(yīng)電機(jī)等負(fù)荷具有低壓保護(hù)裝置，且具有一定的低壓運(yùn)行能力[31，32]，而大多數(shù)送端系統(tǒng)故障并不會(huì)使交流電壓嚴(yán)重跌落為零，因此本文所提的控制策略雖然在故障期間降低了受端交流電壓，但是故障期間換流器無需閉鎖，負(fù)荷無需切除，在有限的故障時(shí)間內(nèi)不會(huì)引起受端網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重的停電事故，且故障清除后負(fù)荷能夠迅速恢復(fù)工作。

4　仿真分析與驗(yàn)證

4.1仿真模型參數(shù)

為了驗(yàn)證向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC在送端交流系統(tǒng)故障時(shí)的電容放電機(jī)理以及本文所提的故障穿越策略的有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中搭建了如圖1所示的MMC-HVDC系統(tǒng)，其中無源網(wǎng)絡(luò)由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(用一臺(tái)IM模擬某個(gè)區(qū)域的所有感應(yīng)電動(dòng)機(jī))和恒阻抗的靜態(tài)特性負(fù)荷(用SZ表示)組成。系統(tǒng)和負(fù)荷參數(shù)分別見表1和表2。

表1　MMC-HVDC系統(tǒng)參數(shù)Tab.1　Parameters of MMC-HVDC

表2　負(fù)荷參數(shù)Tab.2　Parameters of loads

4.2常規(guī)控制下的送端交流系統(tǒng)故障仿真

從理論上來說，向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC在送端交流系統(tǒng)發(fā)生三相金屬性接地故障時(shí)，MMC的電容放電造成直流電壓下降，經(jīng)過τc時(shí)間單位后，直流電壓將降為零，系統(tǒng)崩潰。將表1的MMC參數(shù)(Csm=5 000 μF，UdcN=400 kV，SN=400 MV·A，n=160)，代入式(4)可算出時(shí)間常數(shù)τc=75 ms。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，在常規(guī)控制策略下，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至2.0 s時(shí)，送端交流系統(tǒng)發(fā)生三相金屬性接地故障，故障持續(xù)200 ms后清除，仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可以看出，故障發(fā)生后兩側(cè)MMC子模塊電容放電，如圖7b、圖7c所示，直流電壓持續(xù)下降(圖7d)，約經(jīng)過77 ms降為零，MMC-HVDC系統(tǒng)崩潰，故障清除后也無法恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。為了排除偶然性，在一定范圍內(nèi)改變電容的大小，理論計(jì)算和仿真的結(jié)果見表3，結(jié)果顯示誤差在合理的范圍內(nèi)。

表3　時(shí)間常數(shù)τc計(jì)算與仿真結(jié)果Tab.3　Calculation and simulation results of time constant τc

圖7　常規(guī)控制下送端系統(tǒng)三相金屬性接地故障響應(yīng)Fig.7　System response under AC three-phase ground fault with common control strategy

故障期間直流電流的響應(yīng)如圖7e所示，直流電流先是下降為零，然后出現(xiàn)很大的反向過沖電流。這是因?yàn)檎鱾?cè)MMC離故障點(diǎn)近，兩端的電容放電速率不可能完全一致，當(dāng)整流側(cè)MMC電容完全放電時(shí)，逆變側(cè)MMC殘余電容還會(huì)往故障點(diǎn)注入電流，導(dǎo)致直流線路電流反向增大。

4.3改進(jìn)策略下送端交流系統(tǒng)接地故障仿真

1)送端交流系統(tǒng)三相接地故障仿真

為了驗(yàn)證第3節(jié)所提的送端交流系統(tǒng)故障穿越策略的有效性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至2.0 s時(shí)，送端交流系統(tǒng)發(fā)生三相金屬性接地故障，故障持續(xù)200 ms后清除，仿真結(jié)果如圖8所示。由結(jié)果可以看出，在改進(jìn)控制策略下，故障期間兩側(cè)MMC子模塊電容放電速率變慢，直流電壓下降程度明顯減小，故障約一個(gè)周波后直流電壓基本穩(wěn)定在約0.90 (pu)，如圖8g所示。仿真結(jié)果表明，在改進(jìn)控制策略下，MMC-HVDC在送端交流系統(tǒng)三相接地故障期間能夠遏制直流電壓下降而保持穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的故障穿越能力。MMC子模塊電容電壓和直流線路電流的響應(yīng)特性良好，分別如圖8e、圖8i所示，兩側(cè)MMC換流站的三相電流響應(yīng)分別如圖8k、圖8m所示。

圖8　故障穿越策略下送端系統(tǒng)接地故障響應(yīng)Fig.8　System response under AC ground fault with fault ride-through strategy

2)送端交流系統(tǒng)單相接地故障仿真

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至2.0 s時(shí)，送端交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)200 ms后清除，仿真結(jié)果如圖8所示。由結(jié)果可以看出，在改進(jìn)控制策略下，故障期間直流電壓下降程度明顯更小，故障期間直流電壓基本穩(wěn)定在0.96 (pu)，如圖8h所示。仿真結(jié)果表明，在改進(jìn)控制策略下，MMC-HVDC在送端交流系統(tǒng)單相接地故障期間能夠遏制直流電壓下降而保持穩(wěn)定運(yùn)行。MMC子模塊電容電壓和直流線路電流的響應(yīng)特性良好，分別如圖8f和圖8j所示，在負(fù)序電流抑制環(huán)節(jié)的作用下，兩側(cè)MMC換流站的三相電流基本保持三相平衡，分別如圖8l、圖8n所示。

3)故障期間送受端之間的功率平衡分析

本文設(shè)計(jì)的故障穿越控制策略，是通過調(diào)節(jié)受端VSC輸出的交流電壓幅值，從而影響受端負(fù)荷的功率，進(jìn)而自動(dòng)尋找直流側(cè)功率平衡的工作點(diǎn)。只要直流電壓在故障期間能夠保持穩(wěn)定，就說明功率是兩端平衡的。以送端單相故障的仿真算例為例進(jìn)行分析：故障期間直流電壓UdcF約穩(wěn)定在400×0.96=384 kV(圖8h)，直流電流IdcF平均值約為0.8 kA(圖8j)，直流功率PdcF=UdcFIdcF=307.2 MW；受端負(fù)荷吸收有功功率約為300 MW(圖8p)，考慮輸電線路等損耗，可以認(rèn)為故障期間功率是平衡的。

5　結(jié)論

本文以向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種在送端交流系統(tǒng)故障下能夠提高M(jìn)MC-HVDC故障穿越能力的控制策略，得出了以下結(jié)論：

1)送端交流系統(tǒng)三相金屬性接地故障時(shí)，MMC的電容放電會(huì)導(dǎo)致直流電壓持續(xù)下降，經(jīng)過等效電容常數(shù)τc時(shí)間單位后，電容放電完畢，直流電壓下降為零，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

2)所設(shè)計(jì)的無源供電矢量控制器能夠?qū)崿F(xiàn)dq軸解耦控制，并且具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在不對(duì)稱故障下能夠有效抑制負(fù)序電流。

3)所提出的送端交流系統(tǒng)故障穿越策略在故障期間能夠明顯遏制直流電壓下降而使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的故障穿越能力。

4)本文所提策略具有簡(jiǎn)單可行、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，但具有一定的局限性：不能保證故障期間滿功率續(xù)傳，并且不適用于故障持續(xù)時(shí)間較長(如大于500 ms)的嚴(yán)重三相故障。因此可以考慮與儲(chǔ)能裝置一起投入使用，但是需要考慮設(shè)備投資及協(xié)調(diào)控制等問題，以期獲得最佳的故障穿越效果。

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AC Fault Ride-Through Strategy of MMC-HVDC Connected to Passive Networks

Xiao Liang1Xu Zheng1Liu Sheng1An Ting2Kong Ming2

(1.College of Electrical EngineeringZhejiang UniversityHangzhou310027China 2.State Grid Smart Grid Research InstituteBeijing102211China)

When there is a severe ground fault in AC grid，the modular multilevel converter high voltage direct current (MMC-HVDC) system connected to passive networks will collapse due to the continuous decline of the DC voltage caused by the imbalanced power transfer.Firstly，the discharging mechanism of the capacitors in the MMC is analyzed.Then an AC fault ride-through strategy of the MMC-HVDC system connected to passive networks is proposed，the key of which is to make a balance between the DC power flowing into and out of the MMC-HVDC system through reducing the power absorbed by the passive networks during the fault.Finally，an MMC-HVDC system connected to passive networks，including induction motors and static load models，is established in the PSCAD/EMTDC software，based on which the discharging mechanism of capacitors in the MMC under the condition of ground fault in AC grid is verified.The simulation results demonstrate that，with the help of the proposed fault ride-through strategy，the drop of the DC voltage is mitigated and the MMC-HVDC system operates steadily during the ground fault in the AC system.

Passive networks，modular multilevel converter high voltage direct current，ground fault in AC grid，discharging of capacitor，fault ride-through strategy

2015-05-25改稿日期2015-09-14

肖亮男，1991年生，碩士，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)。

E-mail：xlxiaoliang@zju.edu.cn(通信作者)

徐政男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)。

E-mail：xuzheng007@zju.edu.cn

國網(wǎng)科技項(xiàng)目資助。