LCC-VSC兩端混合直流輸電系統(tǒng)基本控制策略的仿真研究

曹力潭 賈軒濤 高仕龍 于 海 謝斯晗

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LCC-VSC兩端混合直流輸電系統(tǒng)基本控制策略的仿真研究

曹力潭1賈軒濤1高仕龍2于 海2謝斯晗1

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310018；2. 許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000）

本文基于LCC（line commutated converter）-VSC（voltage source converter）混合直流輸電系統(tǒng)還未工程化應(yīng)用的現(xiàn)狀，為研究LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略，通過RTDS建立由LCC和VSC組成的兩端混合直流輸電系統(tǒng)仿真模型，并與實(shí)際的控制主機(jī)進(jìn)行接口。在LCC-VSC功率輸送模式下，對(duì)提出的混合直流輸電系統(tǒng)起動(dòng)、停運(yùn)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果為以后的工程化應(yīng)用提供了參考和借鑒價(jià)值。

混合直流輸電；電網(wǎng)換相換流器；電壓源換流器；起動(dòng)策略；閉鎖策略；在線轉(zhuǎn)換；仿真

對(duì)于傳統(tǒng)特高壓直流輸電系統(tǒng)，逆變側(cè)在交流電壓出現(xiàn)異常的情況下容易發(fā)生換相失敗，換相失敗的發(fā)生將嚴(yán)重影響交流系統(tǒng)穩(wěn)定性，甚至可能導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的大面積斷電事故。而以全控型器件為基礎(chǔ)的柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC），因不存在換相失敗、不需要無功功率補(bǔ)償裝置及可自行關(guān)斷不需要外加換相電壓等特點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代后得到了迅速發(fā)展，目前已有多個(gè)柔性直流輸電工程投入運(yùn)行[1-6]。

結(jié)合傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電的優(yōu)勢(shì)，一種新的LCC-VSC混合直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。目前LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)還未有工程化實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)有關(guān)于混合直流輸電系統(tǒng)控制策略仿真的文獻(xiàn)[11-12,14]等均采用仿真軟件模擬控制保護(hù)硬件平臺(tái)。為了最大程度上模擬工程應(yīng)用環(huán)境，基于RTDS搭建了LCC- VSC兩端混合直流輸電系統(tǒng)模型，并與實(shí)際的控制保護(hù)硬件平臺(tái)進(jìn)行接口，對(duì)混合直流輸電系統(tǒng)的控制策略、功率傳輸效率等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究仿真分析[7-12]。

1 LCC-VSC兩端混合直流輸電系統(tǒng)仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)由端1和端2兩個(gè)換流站組成，設(shè)備組成及測(cè)點(diǎn)配置如圖1所示。仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1）端1為常規(guī)直流LCC換流站，端2為柔性直流VSC換流站。

2）混合直流輸電系統(tǒng)采用完整雙極設(shè)計(jì)，極1、極2可單獨(dú)完成功率輸送。

3）端1 LCC僅作為整流站輸出直流功率，端2VSC可工作在整流模式、逆變模式或STATCOM模式。

圖1 LCC-VSC兩端混合直流輸電系統(tǒng)主接線圖

2 RTDS仿真模型

RTDS混合直流仿真系統(tǒng)為了配合后期1∶1動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，從設(shè)備成本、占地面積、接線施工等方面進(jìn)行綜合考慮，LCC換流站每個(gè)極采用一個(gè)6脈動(dòng)的晶閘管換流閥，每個(gè)單閥包括一個(gè)晶閘管；VSC換流站每個(gè)極為一個(gè)6橋臂柔直換流閥，每個(gè)橋臂包括6個(gè)半橋型柔直子模塊。主要系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如下：直流額定電壓為±1kV，直流額定電流為30A，雙極輸送直流額定功率均為60kW[13-16]。

根據(jù)系統(tǒng)主接線在RTDS混合直流輸電系統(tǒng)模型主要包括：6脈動(dòng)晶閘管換流閥、VSC柔直換流閥、VSC軟起電阻、直流濾波器、LCC換流變壓器、VSC換流變壓器、開關(guān)設(shè)備、交流等值系統(tǒng)等。

仿真模型中交流系統(tǒng)采用無窮大系統(tǒng)，交流電壓380V，LCC換流變壓器模型為三相變壓器，端1極1采用Yd-11接線方式變壓器一臺(tái)，極2采用Yy0接線方式變壓器一臺(tái)，參數(shù)見表1。

表1 LCC換流變壓器參數(shù)

LCC換流閥模型為單極6脈動(dòng)晶閘管換流閥，具體參數(shù)見表2。

表2 LCC換流閥參數(shù)

VSC換流變壓器模型為三相變壓器，極1、極2各配置三相變壓器一臺(tái)，VSC換流變壓器參數(shù)見表3。

表3 VSC換流變壓器參數(shù)

VSC柔直換流閥采用半橋型結(jié)構(gòu)，極1、極2配置相同，每個(gè)橋臂為子模塊數(shù)量為6個(gè)，具體參數(shù)見表4。

表4 VSC換流閥參數(shù)

LCC換流站極1、極2直流線路側(cè)均配置了相同的平波電抗器，平波電抗器參數(shù)為35mH。

VSC換流站極1、極2配置相同的軟起回路，軟啟電阻為50W。

3 LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)控制策略及仿真驗(yàn)證

在LCC-VSC混合直流輸電運(yùn)行方式下，端1LCC做為整流站運(yùn)行，端2VSC做為逆變站運(yùn)行；結(jié)合已經(jīng)投入運(yùn)行的舟山柔直工程，VSC換流站解鎖過程中不依賴整流站提供換相電壓，因此混合直流輸電系統(tǒng)的兩個(gè)換流站采取獨(dú)立控制方式，兩個(gè)站分別下發(fā)解鎖、閉鎖命令[17-18]。

LCC與VSC換流站之間設(shè)計(jì)了站間通信，主要用于起停控制的聯(lián)鎖和定電壓控制的切換；兩站之間傳輸?shù)男盘?hào)有：解鎖信號(hào)、閉鎖信號(hào)、控制模式、電流指令、電流限制值等。

3.1 起動(dòng)控制策略

VSC首先在定直流電壓模式下解鎖，直流電壓穩(wěn)定后LCC在定電流模式下后解鎖；LCC解鎖允許條件為VSC已解鎖，同時(shí)系統(tǒng)直流電壓已經(jīng)穩(wěn)定建立[19-22]。

VSC解鎖過程如圖2所示。

圖2 VSC解鎖時(shí)LCC、VSC波形

在圖2中系統(tǒng)直流電壓由VSC解鎖輸出，在VSC解鎖后420ms直流電壓穩(wěn)定到額定值；在該工況下LCC具備解鎖條件，LCC解鎖邏輯設(shè)計(jì)為：收到解鎖命令后立即解除移相，點(diǎn)火角開始由90°逐漸減小，當(dāng)LCC直流電壓大于VSC側(cè)直流電壓時(shí)，開始建立直流電流。

LCC換流站發(fā)出解鎖命令后解鎖過程如圖3所示。

圖3 LCC解鎖時(shí)LCC波形

3.2 VSC控制模式切換

LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)解鎖后LCC控制直流電流，VSC控制直流電壓；根據(jù)運(yùn)行方式的需要，在VSC側(cè)由手動(dòng)下發(fā)控制模式切換指令，可將VSC切換為定功率控制模式，在此過程中VSC將以切換前的功率實(shí)測(cè)值做為新的功率參考值；LCC通過站間通信檢測(cè)到VSC控制模式發(fā)生變化，則自動(dòng)接管直流電壓控制；反之，當(dāng)VSC切換為定電壓控制時(shí)，LCC自動(dòng)切換為定電流控制。

VSC切換為有功控制模式過程中直流電壓、直流電流、直流功率、LCC電流電壓控制器切換等如圖4所示。

圖4 VSC切換為有功控制LCC、VSC波形

VSC切換為直流電壓控制模式過程中直流電壓、直流電流、直流功率、LCC電流電壓控制器切換等如圖4所示。

圖5 VSC切換為直流電壓控制LCC、VSC波形

3.3 LCC-VSC混合運(yùn)行方式閉鎖停運(yùn)策略

在LCC-VSC兩端混合運(yùn)行方式下，正常的閉鎖順序?yàn)長(zhǎng)CC定電流控制模式下降直流功率，直流電流低于0.12p.u.后移相閉鎖，LCC移相過程為：以3.5°/ms的速率將點(diǎn)火角移到120°，檢測(cè)到直流電流為0時(shí)繼續(xù)將點(diǎn)火角移到160°后閉鎖。

VSC只有在檢測(cè)到LCC閉鎖后，允許進(jìn)行相應(yīng)的閉鎖操作。

LCC、VSC閉鎖操作如圖6、圖7所示。

圖6 LCC閉鎖時(shí)LCC、VSC波形

4 結(jié)論

通過RTDS建模并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)LCC-VSC兩端混合直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，并得出以下試驗(yàn)結(jié)論：

圖7 VSC閉鎖時(shí)LCC、VSC波形

1）兩端混合運(yùn)行方式下的起停策略經(jīng)過仿真驗(yàn)證是可行的，起動(dòng)策略為VSC定電壓首先解鎖，LCC定電流后解鎖；閉鎖策略為L(zhǎng)CC定電流降功率先閉鎖，VSC后閉鎖。

2）在兩端混合運(yùn)行模式下，VSC控制模式（有功功率/直流電壓）進(jìn)行手動(dòng)切換，LCC能夠自動(dòng)接管直流電壓控制，切換過程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

基于RTDS仿真結(jié)果，所提出的基本控制策略是可行的，在混合系統(tǒng)的起停和電壓切換控制過程中直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)結(jié)合了兩種換流器的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成一種具有廣泛應(yīng)用前景的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鑒于LCC-VSC新型混合直流輸電系統(tǒng)還未有工程化應(yīng)用，RTDS仿真與實(shí)際工程工況存在一定的差異，因此在實(shí)際工程中閉環(huán)控制器的參數(shù)需根據(jù)工程系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，仿真研究的結(jié)果為以后的工程化應(yīng)用提供了參考和借鑒價(jià)值。

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Research and Simulation for the Basic Control Strategy of LCC-VSC Two-terminal Hybrid HVDC System

Cao Litan1Jia Xuantao1Gao Shilong2Yu Hai2Xie Sihan1

(1. Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310018; 2. XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

In order to research the basic control strategy of LCC-VSC hybrid HVDC system, based on the simulation of real-time digital simulator (RTDS), a simulation model of two-terminal hybrid HVDC is established and interfced with a real control hardware system, the simulation model consists of one LCC terminal and one VSC terminal. The start control logic, stop control logic and switch-over of voltage controller’s terminal are studied and analyzed. The research results provide reference value for the real project application.

hybrid HVDC; LCC; VSC; start-up strategy; block strategy; online-switching; simulation

曹力潭（1985-），男，本科，研究方向?yàn)樘馗邏簱Q流站設(shè)備運(yùn)維 檢修。