混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真分析

段銳敏，閆 涵，文 俊，崔康生，李 蓉

(1．云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 昌平 102206)

混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真分析

段銳敏1，閆 涵2，文 俊2，崔康生2，李 蓉2

(1．云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 昌平 102206)

2016年南方電網(wǎng)建成投運(yùn)了世界首個并聯(lián)混合直流輸電工程——魯西背靠背直流工程，為了分析其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及故障恢復(fù)特性，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，搭建了包含常規(guī)直流單元和柔性直流單元的混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。依托魯西背靠背工程，分別建立常規(guī)直流單元和柔性直流單元的主回路和控制系統(tǒng)模型，并聯(lián)形成混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并對所搭建模型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真分析，研究了暫態(tài)情況下柔性直流單元對常規(guī)直流單元故障恢復(fù)的影響。研究結(jié)果表明：混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)額定工況下運(yùn)行波形穩(wěn)定，參數(shù)符合工程實(shí)際，穩(wěn)態(tài)性能符合要求；當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生交流系統(tǒng)故障時將引起常規(guī)直流單元逆變器出現(xiàn)換相失敗現(xiàn)象；柔性直流單元能夠起到動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，有助于常?guī)直流單元的故障恢復(fù)。

混合直流異步聯(lián)網(wǎng)；常規(guī)直流單元；柔性直流單元；背靠背；建模

0 引言

南方電網(wǎng)具有“交直流并列運(yùn)行、強(qiáng)直弱交、遠(yuǎn)距離大容量輸電、多回直流集中饋入”的特征，存在著復(fù)雜的安全穩(wěn)定問題[1]。因此，通過魯西背靠背直流工程實(shí)現(xiàn)云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)，不僅可優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，消除直流故障時功角失穩(wěn)風(fēng)險，還可將快速功角穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為送端的頻率穩(wěn)定和受端的電壓穩(wěn)定問題，降低南方電網(wǎng)大面積停電的危險[2]。然而，混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的受端廣西電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱，強(qiáng)度較低，導(dǎo)致了常規(guī)直流系統(tǒng)抵御故障的能力較弱，易發(fā)生換相失敗，電壓穩(wěn)定問題突出[3]。因此，研究混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)控制策略，分析其穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運(yùn)行特性對其穩(wěn)定運(yùn)行的影響具有十分重要的意義。

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，以魯西背靠背直流工程為背景，建立混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。該模型分為基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(以下簡稱“常規(guī)直流單元”)和基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(以下簡稱“柔性直流單元”)2個部分。其中常規(guī)直流單元換流器的控制系統(tǒng)模型為直流工程的控制系統(tǒng)，柔性直流單元換流器為模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)，其控制系統(tǒng)采用內(nèi)環(huán)定電流、外環(huán)定直流電壓/定有功結(jié)合定交流電壓/定無功的控制方式。最后，對所搭建的混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性及暫態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明本文所建仿真系統(tǒng)準(zhǔn)確有效，柔性直流單元對常規(guī)直流單元的故障恢復(fù)特性具有改善作用。

1 魯西背靠背直流工程簡介

魯西背靠背直流工程包含1 000 MW常規(guī)直流和1 000 MW柔性直流單元2部分。其中，常規(guī)直流單元云南側(cè)與廣西側(cè)均采用1個12脈動換流器，在廣西側(cè)12脈動換流器中點(diǎn)(2個6脈動換流器6p之間)接地；由于背靠背直流系統(tǒng)發(fā)生直流故障的概率極低，因此柔性直流單元采用不具備直流側(cè)故障自清除能力的半橋子模塊級聯(lián)組成的MMC。魯西背靠背直流工程結(jié)構(gòu)如圖1所示，其額定參數(shù)見表1。

比較項目技術(shù)參數(shù)額定值常規(guī)直流單元額定直流功率/MW1000額定直流電壓/kV±160額定直流電流/kA3．125換流變壓器額定變比/kV525/135．2/135．2平波電抗器/mH150柔性直流單元額定直流功率/MW1000額定直流電壓/kV±350額定直流電流/kA1．429聯(lián)接變壓器額定變比/kV525/375

2 常規(guī)直流單元建模

2.1 常規(guī)直流單元系統(tǒng)模型

常規(guī)直流單元包含12脈動換流器、換流變壓器T1、平波電抗器Ld和交流濾波器等設(shè)備[4]，模型中分別采用PSCAD/EMTDC提供的換流閥模型、三相三繞組變壓器元件、線性電抗器以及由電容器和電抗器組合成的交流濾波器模型予以等效[5]。

2.2 常規(guī)直流單元控制系統(tǒng)

常規(guī)直流單元控制系統(tǒng)一般采用分層結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)控制，極控制和閥組控制[5]。系統(tǒng)控制通過運(yùn)算直流輸電功率向極控制發(fā)送直流電流指令，極控制經(jīng)過控制和運(yùn)算發(fā)送觸發(fā)角指令給各個閥組控制單元，如圖2所示。

在極控制中，整流側(cè)配有帶最小觸發(fā)角αmin限制的定電流控制；逆變側(cè)配有定電壓控制、定電流控制和最大觸發(fā)角AMAX控制[6]。其中定電流控制器的電流整定值來自低壓限流VDCOL控制。

常規(guī)直流單元控制系統(tǒng)的基本控制特性如圖3所示，圖中粗線和細(xì)線分別表示整流側(cè)和逆變側(cè)的控制特性。αmin限定了整流器最小觸發(fā)角為5°；αmin限制的作用是防止逆變器進(jìn)入整流狀態(tài)[7]。整流站控制直流電流而逆變站控制直流電壓從而保證了高壓直流輸電系統(tǒng)的功率近似恒定。AMAX控制有利于高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 常規(guī)直流單元控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of LCC-HVDC control system

3 柔性直流單元建模

3.1 柔性直流單元系統(tǒng)模型

MMC每個橋臂上的子模塊數(shù)分別為155或219，如此巨大的子模塊數(shù)量，如果采用基于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)和RLC元件詳細(xì)的半橋電路，仿真規(guī)模將變得異常巨大，超出計算機(jī)的計算能力。因此，PSCAD/EMTDC提供了等效的MMC橋臂元件[8]。本模型采用MMC橋臂元件直接等效換流器中的每個橋臂。

3.2 柔性直流單元控制系統(tǒng)

圖3 常規(guī)直流單元基本控制特性Fig.3 Basic control performances of LCC-HVDC

MMC采用內(nèi)環(huán)定電流、外環(huán)定直流電壓/定有功結(jié)合定交流電壓/定無功的控制方式[9]。為了抑制環(huán)流，由電流內(nèi)環(huán)得到的電壓調(diào)制波還需疊加由環(huán)流控制輸出的補(bǔ)償波形。調(diào)制方式采用最近電平逼近調(diào)制。最近電平逼近調(diào)制的開關(guān)頻率低，動態(tài)性能好，且實(shí)現(xiàn)簡單，在高壓直流輸電這種電平數(shù)較多的場合具有明顯的優(yōu)勢[10]。以下詳細(xì)介紹柔性直流單元的內(nèi)環(huán)定電流控制及外環(huán)控制。

3.2.1 MMC內(nèi)環(huán)電流控制

MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。由MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合基爾霍夫電壓和電流定律推導(dǎo)MMC內(nèi)環(huán)電流控制的數(shù)學(xué)模型。

圖4 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Topology structure diagram of MMC-HVDC

根據(jù)圖4，對k(k=a，b，c)相相單元中的上、下橋臂分別應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，可以得到

(1)

式中：R0表示橋臂等效內(nèi)阻；ekp、ekn分別表示上下橋臂的等效電動勢。

k相上、下橋臂的電流分別為

(2)

(3)

式中ek為k相單元的交流電動勢。

式(3)即為MMC的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[11]，描述了相單元的可控電動勢ek與該相交流側(cè)電壓電流的關(guān)系。對式(3)施以派克變換和拉普拉斯變換，得

(4)

式中：id、iq為被控變量；ed、eq為控制變量；ud、uq為擾動變量。工頻下，以上變量均為非時變變量，可以通過比例-積分(PI)環(huán)節(jié)進(jìn)行無差跟蹤以實(shí)現(xiàn)MMC的電流內(nèi)環(huán)控制[12]。圖5是按照上述數(shù)學(xué)模型搭建的MMC內(nèi)環(huán)控制仿真模型。

圖5 MMC內(nèi)環(huán)控制仿真模型Fig.5 Internal loop controller simulation model of MMC-HVDC

3.2.2 MMC外環(huán)控制

內(nèi)環(huán)電流控制通過坐標(biāo)變換，將交流電源的頻率特性和電壓特性分解到dq軸下，并通過前饋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了控制律在dq軸上的解耦[13]。內(nèi)環(huán)電流控制向外環(huán)提供了id、iq這2個獨(dú)立的被控變量，可以分別用于有功功率/直流電壓和無功功率/交流電壓的控制[14]。模型中采用id控制MMC的有功功率和直流電壓，使用PI控制器實(shí)現(xiàn)整流側(cè)定有功功率控制，逆變側(cè)定直流電壓控制。iq則用于MMC的無功功率控制，同樣利用PI環(huán)節(jié)在兩側(cè)換流器分別實(shí)現(xiàn)定無功功率控制[15],圖6為外環(huán)控制的仿真模型。

圖6 MMC外環(huán)控制器仿真模型Fig.6 External loop controller simulation model of MMC-HVDC

圖中，mode信號為指令信號，用于指定功率輸送方向，由該信號可以確定MMC工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，從而決定對其采用定有功控制還是定直流電壓控制。

4 混合直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

4.1 穩(wěn)態(tài)特性分析

基于所建立的混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性分析。常規(guī)直流單元整流側(cè)及逆變側(cè)的直流電壓Udr、Udi，直流電流Idr、Idi和觸發(fā)角α或關(guān)斷角γ，穩(wěn)定運(yùn)行仿真波形如圖7所示；柔性直流單元兩側(cè)換流母線電壓有效值Uac_R、Uac_I，換流器直流功率Pac_R、Pac_I，吸收無功Qv_R、Qv_I，穩(wěn)定運(yùn)行仿真波形如圖8所示。表2為常規(guī)直流單元換流母線電壓Uac、直流功率Pd、直流電壓Ud、直流電流Id、觸發(fā)角α或γ和柔性直流單元直流功率Pd、直流電壓Ud、直流電流Id的仿真結(jié)果。

由圖7、8和表2可以看出：混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行一定時間后直流電壓電流、有功和無功、交流母線電壓等電氣量均達(dá)到額定值，波形穩(wěn)定，運(yùn)行參數(shù)符合預(yù)期，穩(wěn)態(tài)性能滿足要求，驗證了本文所搭建的仿真模型的正確性。

4.2 暫態(tài)特性分析

圖7 常規(guī)直流單元穩(wěn)態(tài)運(yùn)行曲線Fig.7 Steady-state operating curve of LCC-HVDC

常規(guī)直流單元換相失敗故障十分常見，因此本文僅對逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障時混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)特性進(jìn)行分析。首先，分別研究柔性直流單元停運(yùn)及投運(yùn)的情況下，逆變側(cè)單相接地故障時混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)特性；其次，研究柔性直流單元對常規(guī)直流單元故障恢復(fù)特性的影響。

圖8 柔性直流單元穩(wěn)態(tài)運(yùn)行曲線Fig.8 Steady-state operating curve of MMC-HVDC

比較項目運(yùn)行參數(shù)整流站逆變站常規(guī)直流單元換流母線電壓Uac/kV536．87527．59直流功率Pd/MW993．8直流電壓Ud/kV±161．03直流電流Id/kA3．112α或γ/(°)15．4517．21柔性直流單元直流功率Pd/MW992．3直流電壓Ud/kV±349．65直流電流Id/kA1．447

假設(shè)逆變側(cè)換流母線A相接地，混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至t=2.0 s故障發(fā)生，持續(xù)0.06 s后清除，該相電壓降為0.85 pu。圖9分別為柔性直流單元停運(yùn)及投運(yùn)時常規(guī)直流單元的直流電壓Ud和直流電流Id仿真波形。

圖9 逆變側(cè)單相接地故障對常規(guī)直流單元的影響Fig.9 Influence of single phase grounding fault on LCC-HVDC in inverter

由圖9可以看出：逆變側(cè)發(fā)生單相接地故障時，無論柔性直流單元停運(yùn)或投運(yùn)，常規(guī)直流單元直流電壓和電流分別出現(xiàn)驟降和驟增，逆變器均發(fā)生換相失敗。然而柔性直流單元停運(yùn)時，直流電壓及電流在t=2.2 s時恢復(fù)正常；柔性直流單元投運(yùn)時，恢復(fù)時間明顯縮短，t=2.1 s時即基本恢復(fù)至正常水平，說明柔性直流單元有助于直流電壓和電流的恢復(fù)。

為了更清晰地研究柔性直流單元對常規(guī)直流單元故障恢復(fù)特性的影響，需要對柔性直流單元停運(yùn)及投運(yùn)情況下的常規(guī)直流單元直流功率Pd的變化進(jìn)行研究，如圖10所示。

圖10 柔性直流單元對常規(guī)直流單元故障恢復(fù)特性的影響Fig.10 Influence of MMC-HVDC on fault recovery characteristics of LCC-HVDC

由圖10可見：柔性直流單元停運(yùn)時，直流功率有較大下降，常規(guī)直流單元恢復(fù)較慢，t=2.23 s時直流功率從0 pu恢復(fù)至0.9 pu；當(dāng)柔性直流單元投運(yùn)時，直流功率下跌水平較停運(yùn)時稍小，在t=2.20 s時直流功率恢復(fù)至相同的功率水平，由此可見柔性直流單元投運(yùn)情況下常規(guī)直流單元的恢復(fù)特性更優(yōu)。

綜合上述研究可知，由于柔性直流單元優(yōu)越的控制特性，在交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以起到靜止無功發(fā)生器的作用，提高換流母線的電壓支撐能力，向常規(guī)直流單元提供無功支援，有助于饋入弱交流系統(tǒng)的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的故障恢復(fù)，減少換相失敗對交流系統(tǒng)的沖擊，提高交直流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，依托魯西背靠背直流工程，分別建立了常規(guī)直流單元和柔性直流單元模型，將二者并聯(lián)構(gòu)成混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型，并對模型的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，得出以下主要結(jié)論：

(1) 對混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性分析可以看出，系統(tǒng)額定工況下運(yùn)行波形穩(wěn)定，參數(shù)符合工程實(shí)際，穩(wěn)態(tài)性能符合要求。證明了所搭建仿真模型的有效性。

(2) 根據(jù)暫態(tài)特性仿真結(jié)果，可以得出逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障將引起直流系統(tǒng)電壓及電流的突變，常規(guī)直流單元逆變器將出現(xiàn)換相失敗現(xiàn)象。

(3) 柔性直流單元可以起到動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，向常?guī)直流單元提供無功支援，對饋入弱交流系統(tǒng)的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)故障恢復(fù)特性具有改善作用，提高了交直流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

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ModelingandSimulationAnalysisofHybridDCAsynchronousInterconnectionSystem

DUAN Ruimin1, YAN Han2, WEN Jun2, CUI Kangsheng2, LI Rong2

(1. Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217,Yunnan Province, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Changing District, Beijing 102206, China)

In 2016, Southern Power Grid built the first hybrid HVDC project of the world—Luxi BTB (back-to-back) HVDC project. In order to analyze its steady state operation and fault recovery characteristics, this paper establishes a hybrid DC asynchronous interconnection system model including LCC-HVDC and VSC-HVDC in PSCAD/EMTDC simulation platform. Based on Luxi BTB HVDC project, we construct the main circuit and control system mode of LCC-HVDC and VSC-HVDC respectively, which form the hybrid DC asynchronous interconnection system in parallel to simulate and analyze the steady-state operation characteristics of the proposed model system. Then, we investigate the influence of MMC-HVDC on the fault recovery of LCC-HVDC under transient conditions. The results show that the operating waveform of the hybrid DC asynchronous interconnection system is stable under the rated conditions. The parameters and the steady-state performance meet the requirements of the project. When the AC system fault occurs on the inverter side, the commutation failure occurs in LCC-HVDC. MMC-HVDC can play the role on dynamic reactive compensation, which is helpful to restore the faults in LCC-HVDC.

hybrid DC asynchronous interconnection; LCC-HVDC; MMC-HVDC; back-to-back; modeling

TM 72

A

2096-2185(2017)06-0052-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.009

段銳敏

段銳敏(1987—)，女，碩士，主要從事電能質(zhì)量分析與控制方面的研究工作；

閆 涵(1994—)，女，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電技術(shù)的控制，運(yùn)行分析與規(guī)劃，532405146@qq.com；

文 俊(1963—)，女，碩士，研究方向為高壓直流輸電技術(shù)的控制，運(yùn)行分析與規(guī)劃；

李 蓉(1991—)，女，碩士研究生，主要從事高壓直流輸電運(yùn)行、控制及系統(tǒng)諧波；

崔康生(1992—)，男，碩士研究生，主要從事高壓直流輸電的運(yùn)行分析與仿真。

2017-09-08

(編輯 蔣毅恒)