MMC柔性直流輸電系統(tǒng)功率驟變附加控制

付 貴，王孜航，李 江，崔偉峰

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司 吉林供電公司，吉林 吉林 132021；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116001；3.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

模塊化多電平換流器(MMC)最早是由R.Marquardt和A.Lesnicer于2002年提出的新型電壓源換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，通過子模塊級聯(lián)的方式替代傳統(tǒng)開關(guān)器件直接串聯(lián)的方式，具有低諧波含量、可自關(guān)斷和電壓等級容易拓展等優(yōu)點[2].同時它可以對有功功率和無功功率單獨控制[3]；當(dāng)電壓源換流器功率反轉(zhuǎn)時直流側(cè)電壓極性不變；且不存在換相失敗問題.根據(jù)其技術(shù)特點，柔性直流輸電技術(shù)適用于風(fēng)場并網(wǎng)、交流系統(tǒng)異步互聯(lián)、孤島供電、分布式發(fā)電并網(wǎng)、多端直流輸電和城市配電網(wǎng)地下改造等領(lǐng)域[4～6].針對模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢和研究熱點[7].

文獻(xiàn)[8]講述了直接電流控制可以作為MMC站級基本控制策略.文獻(xiàn)[9]針對電壓不平衡情況，通過分析計算MMC內(nèi)部不平衡電流序分量，提出控制策略有效抑制了系統(tǒng)有功功率的波動.文獻(xiàn)[10]提出一種電網(wǎng)電壓不平衡時的無差拍直接功率控制策略，該策略省略了電流內(nèi)環(huán)，因而無需復(fù)雜的參考電流計算，避免了使用多個PI調(diào)節(jié)器和多個PI參數(shù)難以整定的困難，可實現(xiàn)對有功和無功的直接控制，響應(yīng)速度快.文獻(xiàn)[11]提出特高壓直流閉鎖后的省間緊急功率支援優(yōu)化調(diào)度策略，該策略通過網(wǎng)省兩級調(diào)度協(xié)調(diào)控制，可實現(xiàn)特高壓直流閉鎖后省間緊急功率支援的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，仿真驗證了所提控制策略的有效性.文獻(xiàn)[12]提出了能夠識別交流系統(tǒng)中受到電壓穩(wěn)定限制抵御直流功率轉(zhuǎn)移能力最弱母線的判定指標(biāo)，并在我國華中電網(wǎng)這一實際電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真驗證，結(jié)果與理論分析完全相符.

模塊化多電平換流器可以實現(xiàn)功率四象限運行，當(dāng)與直流系統(tǒng)互連的交流電網(wǎng)出現(xiàn)功率波動時，通過柔性直流輸電系統(tǒng)的快速功率調(diào)節(jié)作用，可以提高互聯(lián)的交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性.然而直流系統(tǒng)的緊急功率調(diào)節(jié)會受換流器母線電壓的影響[13]，如果換流站母線電壓惡化，會影響直流系統(tǒng)在緊急功率支援時的運行狀態(tài)，造成直流系統(tǒng)在非正常運行狀態(tài)下無法有效地提升輸送功率，非但不能對交流電網(wǎng)提供功率支援，還有可能惡化電網(wǎng)的穩(wěn)定性[14].

本文首先對MMC基本結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析，在總結(jié)MMC系統(tǒng)基本控制策略的基礎(chǔ)上，深入研究MMC系統(tǒng)對功率的控制，針對接入系統(tǒng)的交流電網(wǎng)功率出現(xiàn)缺額時的不平衡運行狀態(tài)，提出柔性直流輸電系統(tǒng)功率驟變附加控制環(huán)節(jié)，最后基于MATLAB搭建51電平MMC交直流混合系統(tǒng)仿真模型，通過數(shù)值仿真驗證所提出的柔性直流輸電功率驟變附加控制的有效性.

1 MMC基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 MMC簡化電路

MMC基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[15]，如圖1所示.它是由三相六個橋臂組成，每個橋臂由若干個子模塊(Sub-Module，SM)級聯(lián)而成，同相的上、下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元.

圖1 MMC簡化電路

1.2 MMC工作原理

由如圖1可知，與常規(guī)的兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，直流側(cè)的穩(wěn)壓電容被均勻的分布到三個相單元子模塊當(dāng)中，通過控制子模塊的開通與關(guān)斷，可以靈活調(diào)整子模塊的投入與切除，有效維持直流側(cè)電壓恒定，同時實現(xiàn)交流側(cè)輸出三相交流電壓[16].各子模塊的基本工作狀態(tài)，如表1所示.

表1 子模塊的基本工作狀態(tài)

以a相為例進(jìn)一步說明MMC的運行原理：ua1和ua2分別為a相的上、下橋臂電壓，O為換流器的參考點，直流側(cè)正負(fù)極直流電壓相對參考點分別為Udc/2和-Udc/2，uva為a相輸出的交流電壓，根據(jù)KVL[17]可得：

ua1+ua2=Udc.

通過對三個相單元上、下橋臂投入運行的子模塊個數(shù)進(jìn)行分配，從而實現(xiàn)對換流器輸出的交流電壓的調(diào)節(jié).

由于換流器中的相單元嚴(yán)格對稱，且直流電壓等于相單元中上、下橋壁電壓之和，為了維持直流電壓恒定，在每個控制周期每相要投入N個子模塊[18].

2 MMC系統(tǒng)基本控制

圖2 功率內(nèi)、外環(huán)解耦控制

柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制方式分為三個層次，按其功能由高到底依次分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制和換流器閥級控制[19～21].然而系統(tǒng)對有功功率和無功功率的控制，實質(zhì)上是對電壓源換流器輸出電壓的控制，具體采用直接電流控制策略，直接電流控制是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下構(gòu)建換流器數(shù)學(xué)模型，由有功功率、無功功率和直流電壓指令生成交流電流指令，以跟蹤換流器交流電壓的調(diào)節(jié)變化.

目前針對兩端柔性直流輸電常用控制方式是矢量控制，具體可分為內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)控制器，如圖2所示.內(nèi)環(huán)電流控制器通過調(diào)節(jié)換流器輸出電壓，使dq軸電流快速跟蹤參考值；外環(huán)控制器可根據(jù)有功和無功功率以及直流電壓參考值，計算出內(nèi)環(huán)電流控制器的dq軸參考值[22].

3 功率驟變附加控制

MMC工程上功率控制數(shù)學(xué)模型為

(1)

MMC中每相上、下橋臂瞬時功率表達(dá)式和為

Pi=upiipi+uniini=Pcap_i+Ploss，

(2)

其中：i為a、b、c三相；Pcap_i為每相子模塊電容儲存瞬時能量之和；Ploss為每相等效電阻損.MMC中上、下橋臂等效的電壓、電流分別為

(3)

(4)

其中：kp(t)、kn(t)為子模塊投入系數(shù)；N為子模塊個數(shù).

考慮到橋臂子模塊數(shù)量充足時，其投入系數(shù)可以表示為

(5)

MMC內(nèi)部電阻不可忽略，考慮到橋臂電阻時，上、下橋臂電流表示為

(6)

將公式(3)和公式(6)帶入公式(2)可得：

(7)

正常運行工況，MMC上、下橋臂子模塊電容電壓之和與直流電壓實時平衡，但由于MMC內(nèi)部具有二倍頻負(fù)序環(huán)流，所以子模塊電容含有二倍頻電壓波動，因此上、下橋臂電壓表達(dá)式為

(8)

將公式(8)帶入公式(7)可得：

(9)

考慮到MMC對子模塊有較強的均壓控制作用，可以很好的抑制子模塊中二倍頻電壓波動[23～24]，即Δui2f很小，其平方項(Δui2f)2可被省略.因此，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時MMC三相橋臂瞬時功率[25]之和為

(10)

圖3 功率驟變附加控制

在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，從MMC三相橋臂瞬時有功功率公式中可以看出，公式(10)中子模塊電容Csm，橋臂子模塊數(shù)N，還有Rloss均為常數(shù)，因此交直流混合系統(tǒng)中有功功率與直流電壓的平方存在比例微分關(guān)系，所以將實時測量得到的直流電壓，通過控制PD參數(shù)，可以參與到有功功率附加控制環(huán)節(jié)中.最后基于系統(tǒng)有功功率和直流電壓的平方成比例微分關(guān)系，提出功率驟變附加控制策略，控制策略如圖3所示.

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真模型

含模塊化多電平換流器的柔性直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)的簡化模型[26]，如圖4所示.圖4中MMC1與MMC2為模塊化多電平換流器，交流系統(tǒng)等效為無窮大交流電源，通過變壓器將交流電源和MMC相連.

圖4 MMC-HVDC仿真模型

名稱參數(shù)額定功率/PN150MW額定直流電壓/UdcN±100kV聯(lián)結(jié)變壓器變比/K220kV/110kV變壓器容量/SN280MVA橋臂電抗/L024mH橋臂等效電阻/R00.1Ω子模塊電容器/C01000uF子模塊額定電壓/U04kV單橋臂子模塊數(shù)/N50

為了驗證本文所提出的緊急功率支援控制策略的有效性，參考國內(nèi)外實際柔直工程的相關(guān)參數(shù)以及相關(guān)文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)，在MATLAB仿真平臺中搭建了51電平交直流混合系統(tǒng)仿真模型，其中變壓器一次側(cè)采用星型接線，二次側(cè)采用角型接線，變壓器容量為280 MVA，電壓等級為220 kV，基本控制策略采用矢量控制，調(diào)制方式采用最近電平逼近調(diào)制方式，具體參數(shù)如表2所示.

4.2 仿真實驗

為驗證本文所提出的緊急功率支援附加控制策略的有效性，基于4.1節(jié)搭建的51電平交直流混合系統(tǒng)仿真模型，在MMC-HVDC系統(tǒng)中做功率翻轉(zhuǎn)數(shù)值仿真實驗，仿真系統(tǒng)中對MMC換流器1采用定直流電壓和定無功功率控制，對MMC換流器2采用定有功功率和定無功功率控制.仿真開始到1 s時在MMC控制窗口向系統(tǒng)中注入0.8 pu(120 kW)有功功率，當(dāng)有功功率穩(wěn)定時，3 對MMC換流器2進(jìn)行功率翻轉(zhuǎn)實驗(注入系統(tǒng)的有功功率由120 kW瞬時變?yōu)?120 kW)，觀測MMC-HVDC系統(tǒng)有功功率和換流器直流母線電壓變化情況.

圖5 加控制前后有功功率波形對比

MMC-HVDC系統(tǒng)添加緊急功率支援控制策略前后，系統(tǒng)有功功率仿真波形對比圖，如圖5所示.當(dāng)3 s時有功功率從-120 kW瞬時翻轉(zhuǎn)，在添加緊急功率支援附加控制策略前，如圖5(a)有功功率波形振蕩0.3 s之后才穩(wěn)定到設(shè)定值120 kW，相比較在添加附加控制策略后，如圖5(b)所示，有功功率波形在0.2 s后立即穩(wěn)定到設(shè)定值120 kW；同時可以看出，MMC-HVDC系統(tǒng)功率變化瞬間有功功率沖擊值在添加附加控制策略后明顯減小.仿真結(jié)果表明MMC柔性直流系統(tǒng)在添加緊急功率支援附加控制策略后，MMC-HVDC系統(tǒng)有功功率可以快速平穩(wěn)地達(dá)到設(shè)定值.

此外，MMC-HVDC系統(tǒng)添加緊急功率支援控制策略后，換流器直流母線電壓(以正極為例)波形對比圖，如圖6所示.當(dāng)3 s時MMC-HVDC系統(tǒng)發(fā)生功率翻轉(zhuǎn)時，換流器直流母線電壓跌落到81 kV，在0.5 s后恢復(fù)到穩(wěn)定值，在加入功率驟變附加控制后，換流器直流母線電壓跌落到95 kV，在0.2 s后立即恢復(fù)到穩(wěn)定值.結(jié)果表明在加入功率驟變附加控制后MMC直流母線電壓波動明顯變小，且快速恢復(fù)到穩(wěn)定值.

圖6 加控制前后正極直流電壓波形對比

5 結(jié) 論

本文通過對MMC柔性直流輸電系統(tǒng)功率控制方式的深入研究，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的有功功率和直流電壓的平方成比例微分關(guān)系，提出了模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)的功率驟變附加控制策略，并基于搭建的51電平交直流混合系統(tǒng)仿真模型，在仿真模型中對功率進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)實驗，仿真結(jié)果表明：在MMC中添加功率驟變附加環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的有功功率和直流電壓均可更加快速平穩(wěn)地達(dá)到設(shè)定值，驗證了所提出的模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)的功率驟變附加控制的有效性.