基于MMC的半波長(zhǎng)交流輸電潛供電流抑制措施研究?

趙志偉，戴朝波，袁敞，鄧占鋒，孫誼媊，于永軍

（1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2．全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102209；3．國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊830011）

0 引 言

全球能源基地與負(fù)荷中心分布格局不一致，國(guó)際間甚至洲際間的輸電計(jì)劃逐漸被提上議程［1］。在這一背景下，遠(yuǎn)距離、大容量、安全可靠的輸電技術(shù)成為有力的技術(shù)支撐。目前，可供選擇的輸電技術(shù)主要有特高壓直流輸電和特高壓交流輸電［2-4］。半波長(zhǎng)交流輸電 （Half-wavelength AC Transmission，HWACT） 是指輸電的電氣距離接近1個(gè)工頻半波長(zhǎng)，即3 000 km（50 Hz）或2 600 km（60 Hz）的超遠(yuǎn)距離三相交流輸電技術(shù)。半波長(zhǎng)交流輸電線(xiàn)路與常規(guī)線(xiàn)路存在一些差別：在無(wú)損情況下，半波長(zhǎng)線(xiàn)路首末兩端的電壓、電流幅值分別相等，相位分別相差約180°；此外，半波長(zhǎng)交流輸電線(xiàn)路的功率傳輸能力較強(qiáng)，傳輸功率在理論上趨于無(wú)窮大?？紤]到線(xiàn)路絕緣等問(wèn)題，需要對(duì)傳輸功率進(jìn)行限定，通常不超過(guò)1．2倍自然功率［5］。由于半波長(zhǎng)交流輸電線(xiàn)路送受端電壓、電流幅值大小相等，因此，線(xiàn)路上無(wú)需安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，全線(xiàn)可以不設(shè)開(kāi)關(guān)站，從而降低了工程的造價(jià)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性［6-8］。

半波長(zhǎng)輸電技術(shù)最早由蘇聯(lián)提出，隨后巴西、韓國(guó)等國(guó)家相繼對(duì)其進(jìn)行了專(zhuān)題研究，旨在解決利用能源基地的資源進(jìn)行發(fā)電、輸送至負(fù)荷中心的難題［9-10］。由于一些關(guān)鍵技術(shù)有待解決，半波長(zhǎng)輸電技術(shù)尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用。

現(xiàn)階段對(duì)于半波長(zhǎng)交流輸電的研究主要集中在理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，研究方向主要包括暫穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行特性、人工調(diào)諧和沿線(xiàn)抽能等，其中潛供電流一直沒(méi)有較好的解決方案，這限制了半波長(zhǎng)輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。文獻(xiàn)［5，11-12］主要采用了常規(guī)線(xiàn)路的抑制方案，即串聯(lián)小電抗法和沿線(xiàn)加裝高速接地開(kāi)關(guān)法，來(lái)解決半波長(zhǎng)輸電的潛供電流問(wèn)題。串聯(lián)小電抗法在線(xiàn)路沿線(xiàn)加裝的并聯(lián)電抗器中點(diǎn)串聯(lián)小電抗接地，利用小電抗補(bǔ)償潛供電流使其自熄；高速接地開(kāi)關(guān)法在線(xiàn)路沿線(xiàn)加裝多組高速接地開(kāi)關(guān)，利用開(kāi)關(guān)的引弧和滅弧能力將潛供電流熄滅［13-15］。以上兩種常規(guī)線(xiàn)路中的抑制措施應(yīng)用到半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)時(shí)均存在一些弊端：半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路因自身特點(diǎn)沿線(xiàn)無(wú)并聯(lián)電抗器，因此并聯(lián)小電抗法不適用；而高速接地開(kāi)關(guān)法需要在半波長(zhǎng)線(xiàn)路上加裝的高速接地開(kāi)關(guān)數(shù)量過(guò)多，不但增加了維護(hù)工作量，并且會(huì)影響系統(tǒng)中的保護(hù)裝置。

本文在PSCAD仿真平臺(tái)中，對(duì)多種工況下半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)的潛供電流進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析半波長(zhǎng)交流輸電潛供電流的分布特性，在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于MMC的潛供電流抑制措施，并進(jìn)行包括MMC參數(shù)的選擇與控制策略的設(shè)計(jì)，又提出分相投切無(wú)源元件來(lái)減少M(fèi)MC容量，從而提高措施的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)所提措施對(duì)潛供電流的抑制效果。

1 半波長(zhǎng)交流輸電潛供電流分布特性分析

瞬時(shí)性單相接地短路為電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)的故障類(lèi)型，解決方案為單相自動(dòng)重合閘。通過(guò)故障相線(xiàn)路兩端的斷路器動(dòng)作將瞬時(shí)故障消除，隨后斷路器重合閘使系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)線(xiàn)路的電壓等級(jí)比較高時(shí)，線(xiàn)路間的耦合作用會(huì)比較明顯，具體表現(xiàn)為線(xiàn)路互感和互電容。此時(shí)，在單相自動(dòng)重合閘過(guò)程中，因線(xiàn)路耦合作用就會(huì)有潛供電流，圖1為潛供電流產(chǎn)生原理示意。潛供電流的存在會(huì)使重合閘過(guò)程中的斷路器重合于弧光接地故障，進(jìn)而造成重合閘失敗，影響系統(tǒng)的故障恢復(fù)時(shí)間［14］。

圖1 點(diǎn)對(duì)網(wǎng)半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)潛供電流產(chǎn)生示意圖Fig．1 Generation schematic diagram of secondary arc current in point-to-grid HWACT system

參考晉東南-南陽(yáng)-荊門(mén)特高壓交流輸變電試驗(yàn)示范工程的線(xiàn)路參數(shù)，在PSCAD／EMTDC平臺(tái)搭建了如圖1中所示的半波長(zhǎng)輸電等值系統(tǒng)，線(xiàn)路輸送額定容量為4 500 MW，額定電壓為1 050 kV，導(dǎo)線(xiàn)及地線(xiàn)選擇型號(hào)分別為 LGJ-500／35、JLB20A-170。在模型沿線(xiàn)上選取有代表性的點(diǎn)設(shè)置單相接地短路故障，并測(cè)量潛供電流的大小?？紤]到系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的工況是動(dòng)態(tài)的，且單次故障中的過(guò)渡電阻也是變化的，在仿真過(guò)程中做了如下簡(jiǎn)化：在分析不同傳輸功率、功率因數(shù)對(duì)潛供電流的影響時(shí)，過(guò)渡電阻為100 Ω，在分析過(guò)渡電阻對(duì)潛供電流的影響時(shí)，傳輸自然功率且功率因數(shù)為1。由此，分別得到如圖2～圖4中所示的潛供電流沿線(xiàn)分布結(jié)果。

圖2 不同功率下潛供電流沿線(xiàn)分布Fig．2 Distribution of secondary arc currentwith different power

圖3 不同功率因數(shù)下潛供電流沿線(xiàn)分布Fig．3 Distribution of secondary arc current with different power factors

圖4 不同功率下潛供電流沿線(xiàn)分布Fig．4 Distribution of secondary arc current with different power

從圖2～圖4可以看到，半波長(zhǎng)交流輸電潛供電流較大，最大值可達(dá)kA級(jí)別，最小值也有數(shù)百A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)線(xiàn)路的潛供電流水平，如未采用抑制措施將無(wú)法自行熄滅。潛供電流的幅值大小與故障發(fā)生位置呈非線(xiàn)性相關(guān)，其大小隨著故障點(diǎn)與線(xiàn)路送端距離的增加呈現(xiàn)出馬鞍形分布，且以半波長(zhǎng)線(xiàn)路中點(diǎn)為軸，兩側(cè)的潛供電流幅值近似對(duì)稱(chēng)?？紤]到三相線(xiàn)路的對(duì)稱(chēng)性，B、C兩相發(fā)生單相接地短路故障時(shí)潛供電流特性應(yīng)一致，在此不再贅述。

線(xiàn)路的傳輸功率、功率因數(shù)和故障時(shí)的過(guò)渡電阻都會(huì)對(duì)潛供電流的幅值產(chǎn)生一定程度的影響，但都不影響潛供電流總體上呈現(xiàn)的馬鞍形分布規(guī)律。以線(xiàn)路中點(diǎn)處為例，當(dāng)線(xiàn)路的傳輸功率在0．8～1．4倍自然功率變化時(shí)，潛供電流也相應(yīng)地在自然功率下潛供電流的0．8～1．4 倍之間變化；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行功率角在-30°～30°之間變化時(shí)，此時(shí)功率因數(shù)在0．85～1之間變化，潛供電流也相應(yīng)地在單位功率因數(shù)下潛供電流的0．85～1．2倍之間變化；當(dāng)過(guò)渡電阻在0～300 Ω之間變化時(shí)，潛供電流在過(guò)渡電阻為100 Ω下潛供電流的0．3～5倍之間變化。線(xiàn)路其他采樣點(diǎn)處潛供電流的變化與線(xiàn)路中點(diǎn)類(lèi)似。需要注意的是：在潛供電流的產(chǎn)生過(guò)程中，過(guò)渡電阻是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，因此，潛供電流的實(shí)際值應(yīng)該在由不同過(guò)渡電阻得到的分布曲線(xiàn)形成的包絡(luò)線(xiàn)之內(nèi)變化，只有當(dāng)抑制措施對(duì)過(guò)渡電阻變化時(shí)相應(yīng)的潛供電流仍然有抑制效果時(shí)，才可以認(rèn)為抑制措施是有效的。

2 基于MMC的潛供電流抑制措施

潛供電流主要流經(jīng)故障點(diǎn)對(duì)地之間的回路，因此，考慮向線(xiàn)路中注入一個(gè)與潛供電流呈一定角度的對(duì)地電流，使之與線(xiàn)路中的潛供電流相互抵消，達(dá)到減小潛供電流、縮短電弧熄滅時(shí)間的目的。前一節(jié)的研究結(jié)果表明，潛供電流的大小與故障位置有關(guān)，此外，系統(tǒng)的運(yùn)行工況也會(huì)對(duì)潛供電流有所影響，所以，注入的電流應(yīng)該滿(mǎn)足其大小及方向是容易控制的這一要求，這樣才能對(duì)多種條件下的潛供電流均產(chǎn)生有效的抑制效果。利用MMC（Modular Multi-level Converter）的控制靈活方便的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種將MMC并聯(lián)在線(xiàn)路末端來(lái)抑制半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路潛供電流的抑制措施。

圖5為潛供電流抑制措施的原理圖。與常規(guī)線(xiàn)路中使用無(wú)源元件的潛供電流抑制措施相比，該方案具有控制靈活的特點(diǎn)，可以針對(duì)系統(tǒng)多變的運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生的潛供電流進(jìn)行更合理高效的抑制，使?jié)摴╇娏骺焖傧?，從而提高斷路器重合閘成功率。此外，該方案中抑制裝置的安裝位置集中，避免了小電抗法無(wú)法安裝于半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路及高速接地開(kāi)關(guān)法安裝數(shù)量過(guò)多等被限制的不利因素。

圖5 潛供電流抑制措施原理圖Fig．5 Principle diagram of secondary arc current suppression technique

該抑制措施的工作過(guò)程為：線(xiàn)路發(fā)生故障，斷路器經(jīng)整定時(shí)間后動(dòng)作，與此同時(shí)將這一信號(hào)傳遞至抑制裝置的控制單元，控制單元在獲得故障信息后結(jié)合系統(tǒng)故障前運(yùn)行狀態(tài)，可以根據(jù)潛供電流分布特性獲得潛供電流的大小，結(jié)合查表法為MMC提供命令，使其向半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路輸入特定大小、相角的電流，從而對(duì)潛供電流進(jìn)行抑制，考慮潛供電流被抑制后實(shí)現(xiàn)自熄的時(shí)間裕度，在其熄滅后停止MMC注入電流。

MMC采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，換流器由整流側(cè)和逆變側(cè)兩部分組成，整流側(cè)與交流電源相連，從電源側(cè)吸收能量；逆變側(cè)與半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路相連，向系統(tǒng)中注入可以將潛供電流有效抑制的電流。這兩個(gè)部分均由六個(gè)橋臂組成，各個(gè)橋臂包含多個(gè)功率模塊和電抗器，各功率模塊均采用如圖6（b）所示的半橋結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元。整流側(cè)和逆變側(cè)中每個(gè)橋臂的子模塊參數(shù)及串聯(lián)電抗值都相同。通過(guò)整流與逆變兩部分，MMC向半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路中注入一定大小、相角的電流，將故障時(shí)產(chǎn)生的潛供電流抑制在較小的范圍內(nèi)，使其自行熄滅。

圖6 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其功率單元Fig．6 Topology of MMC and its power unit

MMC在抑制潛供電流的過(guò)程中需要向半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路注入或從中吸收一定量的有功功率及無(wú)功功率，考慮到半波長(zhǎng)交流輸電線(xiàn)路的電壓等級(jí)高，補(bǔ)償容量大，MMC子模塊數(shù)量會(huì)比較多。在研究中發(fā)現(xiàn)，MMC在抑制潛供電流時(shí)向故障相主要注入或吸收有功功率，向非故障相主要注入或吸收無(wú)功功率。因此，為了降低MMC的額定容量，提出了一種混合方案，具體為：當(dāng)線(xiàn)路上有潛供電流時(shí)，MMC投入到故障相并向線(xiàn)路注入一定大小、相角的電流，與此同時(shí)向線(xiàn)路上的故障相及非故障相投入無(wú)源元件，如電容、電感等，來(lái)提供相應(yīng)的無(wú)功功率，無(wú)源元件并聯(lián)在MMC接入的位置。由于系統(tǒng)發(fā)生的故障多為單相接地短路，即非對(duì)稱(chēng)性故障，因此，需要合理設(shè)計(jì)分相投切無(wú)源元件的數(shù)值，使其與MMC進(jìn)行配合，可以在保證潛供電流抑制效果的基礎(chǔ)上提高該方案的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

3 主回路參數(shù)及控制策略設(shè)計(jì)

3．1 主回路參數(shù)設(shè)計(jì)

MMC的直流側(cè)電壓值可表示為：

式中Em為交流網(wǎng)側(cè)相電壓峰值；M為調(diào)制比，與脈沖調(diào)制方式有關(guān)?？紤]到逆變側(cè)所連接的半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路電壓等級(jí)較高，因此，MMC應(yīng)采用最近電平逼近的調(diào)制方式，調(diào)制比為0．8～0．9。 經(jīng)計(jì)算，直流電壓應(yīng)為1 905 kV，考慮到適當(dāng)?shù)脑６?，將直流?cè)電壓定為2 000 kV。

子模塊中電容值可表示為：

式中H為等容量放電時(shí)間常數(shù)，通常取值35 ms～45 ms［16］；N為每個(gè)橋臂子模塊個(gè)數(shù)；SN為 MMC 交流出口處額定容量；Udc為直流側(cè)電壓。根據(jù)MMC子模塊工作時(shí)的直流側(cè)電壓及電流等級(jí)，參照IGBT器件說(shuō)明書(shū)可知子模塊電壓可選為3．6 kV，由此可知子模塊數(shù)為556，子模塊中的電容經(jīng)計(jì)算得150 μF。為了提高仿真效率，橋臂上子模塊的個(gè)數(shù)定為100個(gè)，子模塊電容選擇 5 000 μF。

MMC的橋臂電抗器電感值可表示為：

式中ωres為相單元串聯(lián)諧振角頻率，通常0＜ωres＜1．55ω0，ω0為電網(wǎng)額定運(yùn)行角頻率［16］，經(jīng)計(jì)算得L0為0．169 H，為了提高仿真速度，在仿真中選擇與100個(gè)模塊相對(duì)應(yīng)的0．05 H。

整理以上MMC參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，如表1中所示。

表1 MMC的參數(shù)設(shè)置Tab．1 Parameter setting of MMC

起補(bǔ)償作用的無(wú)源元件通常要在系統(tǒng)發(fā)生故障產(chǎn)生潛供電流時(shí)吸收或注入無(wú)功功率，和MMC一起對(duì)潛供電流進(jìn)行抑制。補(bǔ)償元件的數(shù)值可以通過(guò)如下步驟確定：在僅有MMC工作時(shí)統(tǒng)計(jì)故障相與非故障相分別需要的功率容量以及此時(shí)對(duì)應(yīng)的相電壓，合理地分配無(wú)源元件承擔(dān)的無(wú)功功率，則可以計(jì)算出無(wú)源元件的數(shù)值。由于三相輸電線(xiàn)路中任意相在系統(tǒng)運(yùn)行中均有可能成為故障相，每相采取相同的配置方案，在針對(duì)不同類(lèi)型的故障時(shí)采取不同的投切方案：即在發(fā)生接地短路故障時(shí)，先對(duì)故障類(lèi)型進(jìn)行判斷，并向故障相投切電感，向非故障相投切電容，與此同時(shí)控制MMC向故障相和非故障相注入電流來(lái)與之進(jìn)行配合，最終實(shí)現(xiàn)潛供電流的抑制。表2為綜合考慮了潛供電流的抑制效果及抑制方案的成本后得到的無(wú)源元件配置方案，當(dāng)線(xiàn)路兩端發(fā)生故障時(shí)投切1．2 H或1．4 H的電感來(lái)配合MMC對(duì)潛供電流進(jìn)行抑制，當(dāng)線(xiàn)路中部發(fā)生故障時(shí)，投切3．65 H電感及電容來(lái)配合MMC對(duì)潛供電流進(jìn)行抑制。

表2 無(wú)源元件的配置方案Tab．2 Configuration scheme of passive components

3．2 控制策略設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，故障相兩端的斷路器動(dòng)作將故障線(xiàn)路從系統(tǒng)中切除，此時(shí)潛供電流產(chǎn)生。檢測(cè)裝置判斷出故障相及故障位置，并反饋給抑制裝置的控制單元。隨后，控制單元發(fā)出命令控制MMC及無(wú)源元件投入到半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路上，MMC整流側(cè)和逆變側(cè)按照相應(yīng)的控制策略進(jìn)入抑制狀態(tài)，在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)地向線(xiàn)路中注入電流，并聯(lián)的無(wú)源元件投入與其配合來(lái)抑制潛供電流，直到潛供電流熄滅。

（1）整流側(cè)控制策略。

整流側(cè)與交流電源相連，主要功能為將交流轉(zhuǎn)換為直流，為逆變側(cè)提供有功功率。整流側(cè)控制框圖如圖7所示。

圖7 整流側(cè)控制示意圖Fig．7 Schematicdiagram of rectifier side control

整流側(cè)需要為逆變側(cè)提供穩(wěn)定的直流電壓，采用的控制方式為電流跟蹤控制，控制交流側(cè)電流跟蹤參考電流來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流電壓的目標(biāo)。交流電流參考值的生成過(guò)程為：取直流側(cè)實(shí)測(cè)電壓Udc與參考值Udc_ref做差后經(jīng)比例-積分（PI）環(huán)節(jié)得到幅值irms，再由所連交流電源的電壓提供相角θu，由此可以得到參考電流iref。將實(shí)際電流測(cè)量值i與參考電流iref做差后經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)，且引入前饋電壓u［17-19］，得到交流電動(dòng)勢(shì)參考值ej（j=a，b，c）。 經(jīng)過(guò)式（4）運(yùn)算分別得到上、下橋臂的調(diào)制波。在觸發(fā)信號(hào)的作用下MMC各子模塊進(jìn)入投入或切除的狀態(tài)，并在MMC直流側(cè)產(chǎn)生直流電壓Udc。在Udc多次經(jīng)歷上述過(guò)程后，最終實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓Udc穩(wěn)定于參考值Udc_ref附近的目的。

式中Upj（j=a，b，c）、Unj（j=a，b，c） 分別為j相上、下橋臂交流電動(dòng)勢(shì)參考波形；usumj（j=a，b，c） 為j相 的內(nèi)部不平衡壓降。

usumj主要是由MMC在運(yùn)行中三相橋臂之間的電壓不完全一致造成的環(huán)流而形成的壓降，此時(shí)三相橋臂之間會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，影響各橋臂的電流波形。MMC的橋臂電阻往往遠(yuǎn)小于橋臂電感，因此有：

式中L為橋臂串聯(lián)電抗器的電感值；isumj（j=a，b，c）為j相內(nèi)部電流。

由于環(huán)流主要成分為二倍頻負(fù)序分量［20］，設(shè)計(jì)出如圖8所示的環(huán)流抑制框圖。

圖8 整流側(cè)控制示意圖Fig．8 Schematicdiagram of rectifier side circulating current suppressing

每相的內(nèi)部電流isumj（j=a，b，c）可由對(duì)應(yīng)相上下橋臂的電流ipj（j=a，b，c）和inj（j=a，b，c）求和后除以 2得到［21］。將其進(jìn)行坐標(biāo)變換后分別與參考值i2fd_ref和i2fq_ref做差，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)并引入電壓前饋量，再進(jìn)行坐標(biāo)反變換，得到式（4）所需要的abc坐標(biāo)下的內(nèi)部不平衡壓降usumj_ref（j=a，b，c）。 為了抑制環(huán)流，這里取i2fd_ref=i2fq_ref=0，通過(guò)這一流程，使得內(nèi)部電流逐漸趨于0，達(dá)到抑制環(huán)流的效果。

（2）逆變側(cè)控制策略。

逆變側(cè)實(shí)現(xiàn)的功能為，向半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路中注入特定大小相角的電流，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)潛供電流的抑制，采用的控制策略仍然為跟蹤電流控制。控制框圖如圖9所示。

圖9 逆變側(cè)控制示意圖Fig．9 Schematicdiagram of inverter side control

逆變側(cè)的參考電流為一工頻量，其大小和相角均由查表法獲得，因此，參考電流在對(duì)應(yīng)運(yùn)行工況下可以直接確定。參考值與實(shí)測(cè)電流i做差并經(jīng)PI環(huán)節(jié)，可以得到電壓參考值，與整流側(cè)控制類(lèi)似，疊加前饋交流電壓u后采用最近電平逼近調(diào)制，可以得到逆變側(cè)功率單元的觸發(fā)信號(hào)。

需要注意的是，逆變側(cè)接入半波長(zhǎng)線(xiàn)路時(shí)線(xiàn)路正在發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障，而整流側(cè)采用的方法僅適用于三相對(duì)稱(chēng)的情況。為了抑制逆變側(cè)的環(huán)流，需要采用環(huán)流抑制通用策略。由文獻(xiàn)［21］可知，環(huán)流造成的壓降即環(huán)流壓降為每個(gè)橋臂上電感的壓降，由此可制定逆變側(cè)的環(huán)流抑制策略為：測(cè)量每相橋臂電感電壓UZLj_up、UZLj_down（j=a，b，c），二者求和后除以 2 得到每相的環(huán)流壓降的平均值，將其與各相環(huán)流壓降的參考值Uj_ref（j=a，b，c）做差后經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié)，得到逆變側(cè)各相的不平衡量Usumj_ref（j=a，b，c），為了抑制環(huán)流，取Uj_ref=0 （j=a，b，c），控制框圖如圖 10 所示。

圖10 逆變側(cè)控制示意圖Fig．10 Schematicdiagram of inverter side circulating current suppressing

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在第二節(jié)中搭建好的半波長(zhǎng)交流輸電仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，1．3 s時(shí)距離線(xiàn)路送端1 268．725 km處A相發(fā)生接地短路，1．4 s時(shí)線(xiàn)路兩端的斷路器動(dòng)作，將故障相從系統(tǒng)中切除，此時(shí)，潛供電流出現(xiàn)，如圖11中所示。在1．6 s抑制裝置動(dòng)作，MMC向A相線(xiàn)路注入幅值為0．56 kA，相角為-142°（以送端的電源電壓角度為參考）的電流，與此同時(shí)，A相投入1．2 H的電抗，B、C兩相投入4 μF的電容。從潛供電流的波形圖中可以看到，在MMC與無(wú)源元件的配合下潛供電流幅值顯著減小，抑制效果比較明顯。由文獻(xiàn)［22］可知，當(dāng)潛供電流低于50 A時(shí)，電弧可在一定時(shí)間內(nèi)自熄，仿真中該故障點(diǎn)的潛供電流經(jīng)抑制后小于10 A。

圖11 MMC投入前后潛供電流波形Fig．11 Waveform of secondary arc current before and after MMC switching

圖12 為抑制該故障點(diǎn)的潛供電流時(shí)采取混合補(bǔ)償方案前后主動(dòng)抑制裝置向半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路中注入的無(wú)功功率統(tǒng)計(jì)。由圖12（a）可以看到，當(dāng)未采用混合補(bǔ)償方案時(shí)，MMC需要注入的無(wú)功功率較大；當(dāng)采用混合補(bǔ)償方案后，圖12（b）中顯示MMC注入的無(wú)功功率大幅下降，由圖12（c）可知此時(shí)無(wú)功功率主要由無(wú)源元件注入。由此可知，采用混合補(bǔ)償方案可以顯著地減小MMC的額定容量。

以線(xiàn)路傳輸自然功率為例，在沿線(xiàn)取有代表性的點(diǎn)，得到沿線(xiàn)潛供電流抑制后的統(tǒng)計(jì)值，如圖13所示。

圖12 采取補(bǔ)償方案前后向線(xiàn)路注入的無(wú)功功率Fig．12 Reactive power injected into lines before and after adopting hybrid compensation scheme

圖13 抑制后沿線(xiàn)潛供電流幅值Fig．13 Amplitude of secondary arc current after suppression

由圖13可以看到，半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路的潛供電流得到了有效的抑制，潛供電流應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)自熄。在仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合理設(shè)置注入電流的大小和相角，當(dāng)運(yùn)行工況及故障時(shí)的過(guò)渡電阻變化時(shí)，潛供電流仍可以被抑制在10 A以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足自熄的條件。由此可知，該抑制措施對(duì)于半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)的潛供電流是有效的。限于篇幅，對(duì)于不同工況及故障時(shí)不同過(guò)渡電阻情況下的潛供電流抑制效果將不再一一給出。將以上各種工況及不同過(guò)渡電阻時(shí)抑制潛供電流所需注入電流的大小、相角以及各相投入的無(wú)源元件數(shù)值整理成表，作為查表法使用的依據(jù)。

統(tǒng)計(jì)抑制線(xiàn)路沿線(xiàn)各點(diǎn)處的潛供電流時(shí)需要注入的功率情況，分別得到圖14、圖15所示的未并聯(lián)無(wú)源元件時(shí)MMC注入線(xiàn)路中的功率曲線(xiàn)及并聯(lián)無(wú)源元件后MMC注入線(xiàn)路中的功率曲線(xiàn)，圖中左側(cè)縱坐標(biāo)為測(cè)量有功功率的大小范圍，右側(cè)縱坐標(biāo)為測(cè)量視在功率的大小范圍。可以看到，在線(xiàn)路未并聯(lián)無(wú)源元件輔助時(shí)，為了將潛供電流抑制在自熄水平以?xún)?nèi)，MMC需要向線(xiàn)路中注入的功率較大，其額定容量需要設(shè)計(jì)在1 800 MV·A左右，抑制措施的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性均會(huì)受到影響。當(dāng)采用分相投切無(wú)源元件來(lái)降低MMC容量的方案后，MMC需要注入系統(tǒng)中的功率大幅降低，因此，MMC的額定容量可以隨之降低，這在一定程度上提高了該方案的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

圖14 MMC向線(xiàn)路中注入的有功功率及視在功率Fig．14 Active andapparent power MMC injects into lines

圖15 分相投切MMC及無(wú)源元件后MMC注入線(xiàn)路中的有功功率及視在功率Fig．15 Active and apparent power MMC injects into lines after passive components switched

5 結(jié)術(shù)語(yǔ)

（1）對(duì)半波長(zhǎng)交流輸電潛供電流的沿線(xiàn)分布特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明半波長(zhǎng)交流輸電的潛供電流在線(xiàn)路上呈中間低、兩端高的馬鞍形分布，線(xiàn)路的傳輸功率、系統(tǒng)運(yùn)行的功率因數(shù)都會(huì)對(duì)潛供電流的分布特性產(chǎn)生一定的影響。與常規(guī)線(xiàn)路相比，半波長(zhǎng)交流輸電潛供電流幅值更大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自熄，必須借助一定的抑制手段來(lái)使其降低到自熄水平；

（2）提出了一種基于MMC的潛供電流抑制措施，即通過(guò)控制MMC向線(xiàn)路中注入一定大小、相角的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)潛供電流的抑制。設(shè)計(jì)了MMC的控制策略，在PSCAD仿真平臺(tái)進(jìn)行潛供電流抑制算例仿真分析，結(jié)果表明能使?jié)摴╇娏鹘档瓦_(dá)到自熄水平；

（3）在利用MMC對(duì)半波長(zhǎng)輸電線(xiàn)路潛供電流進(jìn)行抑制時(shí)，提出了控制無(wú)源元件的分相投切來(lái)補(bǔ)償MMC注入或吸收功率的方案，從而大幅度降低MMC額定容量，提高該抑制措施的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。