MMC-STATCOM對傳統(tǒng)多饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)的影響

邱海峰， 楊思遠(yuǎn)， 劉中原

(1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

隨著我國高壓直流輸電容量及距離的逐步增大，其輸電損耗也隨之提高，造成電網(wǎng)末端電壓偏低，極大消弱了電力系統(tǒng)供電可靠性。加之，波動性、隨機(jī)性風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量和發(fā)電量的不斷增大，導(dǎo)致其并網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動和閃變，并且其換流器工作時產(chǎn)生大量諧波。為了保證電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，必須對系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，以確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，避免新能源發(fā)電并網(wǎng)失敗及因系統(tǒng)末端電壓偏低造成切負(fù)荷甚至停電等事故的發(fā)生[1-5]。目前，電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置主要采用以電壓源型變流器為主要電路的靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)，然而， STATCOM 內(nèi)部的主要電路通常由兩電平或者三電平的橋式整流電路構(gòu)成，其工作時功率器件的開關(guān)損耗大，并且交流側(cè)輸出的電壓畸變率高。隨著全控型電力電子器件的快速發(fā)展，模塊化多電平變流器(MMC)憑借開關(guān)損耗小、輸出電壓諧波含量低、易擴(kuò)展到不同電壓和功率等級等優(yōu)點迅速成為工程應(yīng)用研究的重點，同時MMC采用模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地避免了傳統(tǒng)兩電平或者三電平電壓源型變流器內(nèi)部橋臂功率器件均壓問題，使之更有利于在高壓、大功率場合中應(yīng)用。因此，綜合MMC和普通STATCOM兩者優(yōu)勢的MMC-STATCOM應(yīng)運而生，并得到快速發(fā)展[6-7]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償?shù)难芯恳炎銐蛏钊?，并取得豐碩的成果。文獻(xiàn)[8]研究了STATCOM對單饋入和雙饋入輸電系統(tǒng)的影響，驗證了在傳統(tǒng)高壓直流輸電饋入弱交流系統(tǒng)時，STATCOM的接入提高了系統(tǒng)穩(wěn)定運行特性。文獻(xiàn)[9]針對MMC-STATCOM不同運行狀態(tài)下的特性要求，提出了NLM和SPWM協(xié)同控制策略，實現(xiàn)了子模塊電容電壓平穩(wěn)上升，改善了輸出波形的質(zhì)量。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]研究了不平衡負(fù)載下，MMC-STATCOM對系統(tǒng)無功、負(fù)序的同時補(bǔ)償控制策略，也取得了較好的補(bǔ)償效果。文獻(xiàn)[12]通過對各個子模塊分別采用不同的取整修正量，有效地降低了各個橋臂輸電波形的畸變率，并且一定程度上改善了子模塊間的均壓特性。綜合國內(nèi)外相關(guān)研究，鮮有文獻(xiàn)專門談?wù)摵琈MC-STATCOM的多饋入高壓直流輸電系統(tǒng)的運行特性。隨著發(fā)達(dá)地區(qū)用電需求的不斷增大，多饋入高壓直流輸電規(guī)模也隨之壯大，因此，對MMC-STATCOM應(yīng)用在多饋入高壓直流輸電中的研究具有一定的工程實際意義。

文章針對以上研究不足，以傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)為例，建立了含MMC-STATCOM的雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)，研究了受端交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，MMC-STATCOM的接入對傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)的影響。研究結(jié)果表明，MMC-STATCOM的接入起到了良好的補(bǔ)償作用，改善了子系統(tǒng)的暫態(tài)運行特性，并且也得出，MMC-STATCOM與多饋入子系統(tǒng)的位置越近，對其運行特性的改善效果越明顯，反之，對其運行特性的改善效果越弱。文章的研究結(jié)果可以為多饋入直流輸電工程的建設(shè)及無功補(bǔ)償裝置落點的選擇提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)的描述

1.1 含MMC-STATCOM的雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)

圖1 含MMC-STATCOM的雙饋入HVDC輸電子系統(tǒng)

文章中提及的傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)是由兩條傳統(tǒng)高壓直流輸電(LCC-HVDC)線路組成，為改善雙饋入系統(tǒng)的運行特性，在受端交流母線上并聯(lián)接入MMC-STATCOM，含MMC-STATCOM的雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)如圖1所示，其中HVDC1和HVDC2同時饋入受端交流母線B上形成傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)，QS為MMC-STATCOM向系統(tǒng)提供的無功補(bǔ)償，系統(tǒng)運行時，功率交換滿足式(1)，其中PHVDC1、QHVDC1、PHVDC2、QHVDC2分別為HVDC1和HVDC2的傳送的有功功率、無功功率，PAC、QAC為受端交流系統(tǒng)的有功功率、無功功率。

(1)

1.2 MMC-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

MMC-STATCOM是以模塊化多電平換流器(MMC)為主要電路的無功補(bǔ)償裝置，由于MMC采用模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地避免了傳統(tǒng)兩電平或者三電平VSC內(nèi)部橋臂功率器件均壓問題，輸出波形質(zhì)量優(yōu)，開關(guān)損耗小，其應(yīng)用于STATCOM中具有穩(wěn)定直流電壓和接入端交流母線電壓、降低輸出電壓畸變率等優(yōu)勢，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。MMC有相互對稱的3個上橋臂和三個下橋臂，每個橋臂都一個電抗器和n個結(jié)構(gòu)相同的子模塊(SM)組成，每個子模塊(SM)都由兩個IGBT和一個直流電容組成；ij1、ij2分別為上、下橋臂上流過的電流(j=a,b,c)，ua、ub、uc為電力系統(tǒng)的三相電壓，o為直流側(cè)假想中性點，Ud為直流電壓。

圖2 MMC-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 MMC-STATCOM的A相等效電路圖

MMC-STATCOM正常工作時，為維持系統(tǒng)電壓恒定，避免橋臂間出現(xiàn)環(huán)流，以造成系統(tǒng)功率損耗，必須保證任意時刻各相單元上下兩個橋臂投入的子模塊的個數(shù)固定為n，由MMC-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，各相單元的上下兩個橋臂相互對稱，各相單元間互不影響且運行方式相同，文章以A相為例，闡述MMC-STATCOM的工作原理，其A相等效電路圖如圖3所示。穩(wěn)定運行時，忽略各相單元間環(huán)流，根據(jù)潮流分布和功率傳輸方向可得A相上下兩個橋臂所在網(wǎng)絡(luò)滿足的關(guān)系表達(dá)式如式(2)、式(3)所示。其中，Ua1、Ua2分別為A相上下兩個橋臂所有子模塊輸出電壓之和，ia1、ia2分別為流過A相上下兩個橋臂的電流，Ua0為A相的輸出電壓。

(2)

(3)

聯(lián)立式(2)、式(3)得A相輸出電壓ua0為式(4)，其中L=La1=La2，ia1=ia2=ia/2。

(4)

2 系統(tǒng)的控制策略

2.1 傳統(tǒng)高壓直流輸電的控制策略

文章中傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)中的兩條傳統(tǒng)高壓直流輸電的控制策略均采用CIGRE HVDC國際標(biāo)準(zhǔn)測試模型的控制方式，整流側(cè)采用最小觸發(fā)角控制和定直流電流控制方式，逆變側(cè)采用定熄弧角控制和定直流電壓控制方式，目前，該控制策略在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用，有效地改善了變流器過載、過電流特性[13-14]。其研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，這里不再贅述，只給出具體控制框圖。

2.2 MMC-STATCOM的控制策略

目前針對MMC-STATCOM的控制策略應(yīng)用最廣泛的主要為最近電平逼近調(diào)制(NLM)策略和消諧效果優(yōu)的載波移相PWM(CSPWM)的分級控制策略。然而最近電平逼近調(diào)制依賴于子模塊電容均壓控制，容易造成某些子模塊長時間充放電，以降低開關(guān)器件壽命甚至因過熱而燒壞器件，并且工作在電平數(shù)少的場合時，其輸出波形畸變率高。相比最近電平調(diào)制，載波移相PWM控制工作范圍廣，其輸出電壓、功率和開關(guān)頻率不受調(diào)制比的影響，調(diào)制波不發(fā)生變化時，通過將三角載波移動不同的相位，就能改變輸出的電平數(shù)，控制簡單，消諧效果好，更適合高電壓、大功率場合中的應(yīng)用[15]。

MMC-STATCOM的控制策略采用直流電壓控制和載波移相PWM分級控制，電壓外環(huán)采用直流電壓控制和無功功率控制，通過內(nèi)環(huán)電流解耦控制策略，實現(xiàn)對無功功率及有功功率的獨立、快速控制，電源電壓經(jīng)過PARK反變換得到脈寬調(diào)制信號。然后采用載波移相PWM分級控制，實現(xiàn)相單元均壓控制、各相單元上下橋臂均壓衡控制和子模塊電容均壓控制，確保各相單元之間、上下橋臂之間和各子模塊之間平衡運行[16]。其控制框圖如圖4所示。

圖4 MMC-STATCOM的控制框圖

3 系統(tǒng)的仿真分析

基于CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試模型搭建了含MMC-STATCOM的雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，HVDC1和HVDC2為兩條傳統(tǒng)高壓直流輸電線路，并且HVDC1與MMC-STATCOM的電氣距離較近，兩條傳統(tǒng)高壓直流輸電線路的參數(shù)均參考CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試模型的參數(shù)，額定容量均為1 000 MW，額定直流電壓均為500 kV；MMC-STATCOM的容量為5 Mvar，每個橋臂含有10個串聯(lián)子模塊，子模塊的電容電壓為2 kV，其余參數(shù)參考文獻(xiàn)[17]。設(shè)定系統(tǒng)在2 s時，發(fā)生接地故障，研究MMC-STATCOM的接入對傳統(tǒng)高壓直流輸電運行特性的影響，進(jìn)一步研究了兩者之間的電氣距離對MMC-STATCOM改善直流輸電系統(tǒng)運行特性的影響。

3.1 無MMC-STATCOM時子系統(tǒng)的運行特性

設(shè)置系統(tǒng)2 s時在受端交流母線處發(fā)生接地故障，故障持續(xù)時間為0.1 s ，運行系統(tǒng)，研究雙饋入直流輸電子系統(tǒng)的運行特性，仿真結(jié)果如圖5所示。由于HVDC1和HVDC2同為傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，其運行特性基本一致，考慮篇幅問題，這里只做HVDC1的運行分析，HVDC2的運行情況不再贅述。

圖5 無MMC-STATCOM時HVDC1的運行特性

從圖5可以看出，2 s時，系統(tǒng)發(fā)生接地故障，直流電壓和有功功率迅速下降，并且過零，出現(xiàn)功率中斷現(xiàn)象，直流電流波動較大，沖擊電流的幅值達(dá)到2.5 pu，受端交流母線上的電壓也迅速下降至0的附近，熄弧角γ從15°快速下降為0，系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的換相失敗現(xiàn)象，并且故障恢復(fù)時間較長。

3.2 含MMC-STATCOM的雙饋入HVDC子系統(tǒng)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)置系統(tǒng)2 s時在受端交流母線處發(fā)生接地故障，故障持續(xù)時間為0.1 s ，運行系統(tǒng)，研究HVDC1和HVDC2的運行特性，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示，其中圖6中為HVDC1的運行特性，圖7為HVDC2的運行特性。

圖6 含MMC-STATCOM時HVDC1的運行特性

圖7 含MMC-STATCOM時HVDC2的運行特性

從圖6和圖7可以看出，MMC-STATCOM的接入對HVDC1和HVDC2的運行特性均起到了改善作用，2 s時系統(tǒng)發(fā)生接地故障，由于MMC-STATCOM對系統(tǒng)進(jìn)行了無功補(bǔ)償，HVDC1和HVDC2的直流電流、直流電壓波動較小，直流輸送功率沒有出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，熄弧角γ均在5°以上，系統(tǒng)沒有發(fā)生換相失敗，MMC-STATCOM的接入起到了良好的補(bǔ)償作用，故障恢復(fù)特性也有一些改善。

從圖6和圖7相比較可得，MMC-STATCOM的接入對HVDC1運行特性的改善效果更加顯著，由此可見，MMC-STATCOM對傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)運行特性的改善與兩者之間的電氣距離有關(guān)，直流輸電系統(tǒng)離MMC-STATCOM越近，其改善效果越明顯，反之，改善效果越弱。

4 結(jié)束語

以傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)為例，詳細(xì)分析了MMC-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，基于PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了含MMC-STATCOM的傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)，通過在受端交流母線處設(shè)置接地故障，研究了MMC-STATCOM的接入對傳統(tǒng)雙饋入高壓直流輸電子系統(tǒng)運行特性的影響。研究結(jié)果表明，MMC-STATCOM起到了良好的補(bǔ)償作用，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)運行特性；并進(jìn)一步得出，MMC-STATCOM對傳統(tǒng)高壓直流輸電子系統(tǒng)運行特性的改善與兩者之間的電氣距離有關(guān)，直流輸電系統(tǒng)距MMC-STATCOM越近，其改善效果越明顯，反之，改善效果越弱。文章的研究結(jié)果可以為多饋入直流輸電工程的建設(shè)及無功補(bǔ)償裝置落點的選擇提供一定的理論基礎(chǔ)。