特高壓混合直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)交流故障控制策略

魯 江，董云龍，盧 宇，張慶武，田 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

特高壓直流輸電（UHVDC）具有傳輸容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置的有效途徑［1-4］。國內(nèi)已投運(yùn)的特高壓直流輸電工程普遍采用基于電網(wǎng)換相換流器（Line Commutated Converter，LCC）串聯(lián)的方式，由于LCC固有的依賴交流電網(wǎng)換相的特性，多條直流饋入受端交流電網(wǎng)會帶來多直流饋入問題，對交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成較嚴(yán)重威脅［5-8］。

研究表明，通過在高壓直流輸電系統(tǒng)逆變站引入模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC），形成整流站LCC、逆變站MMC的混合直流輸電系統(tǒng)（hybrid HVDC），可以逐步解決受端交流電網(wǎng)的多直流饋入問題［9-11］。

對于混合直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)方案，相關(guān)研究文獻(xiàn)先后提出可在MMC 站采用基于半橋子模塊（Half Bridge Sub-module，HBSM）的半橋MMC 加阻斷二極管、基于全橋子模塊（Full Bridge Sub-module，F(xiàn)BSM）的全橋MMC，以及基于全橋、半橋子模塊的混合型MMC 等方案，其中混合型MMC 方案具備直流線路故障穿越、直流功率雙向輸送及大幅降壓運(yùn)行等能力，并可降低投資、減小損耗，具有良好的工程應(yīng)用前景［12-20］。

對于LCC-MMC 混合直流輸電系統(tǒng)，整流站LCC發(fā)生交流系統(tǒng)故障時(shí)會引起直流傳輸功率的快速下降，需研究必要的控制策略減少交流故障對功率傳輸?shù)挠绊憽Ｎ墨I(xiàn)［21］通過增大逆變站半橋MMC 調(diào)制比降低直流電壓，來減小整流側(cè)交流故障對直流傳輸功率的影響。文獻(xiàn)［22］、文獻(xiàn)［23］中逆變站采用全橋、半橋子模塊混合型MMC，利用全橋子模塊可輸出負(fù)電平的特點(diǎn)，通過直流電壓降壓來維持整流側(cè)交流故障時(shí)直流電流的穩(wěn)定。

隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)MMC換流器的電壓及容量已逐步接近LCC 的水平，通過換流器串聯(lián)技術(shù)，整流站采用LCC 換流器串聯(lián)、逆變站采用MMC 換流器串聯(lián)的特高壓混合直流輸電系統(tǒng)已進(jìn)入工程實(shí)施階段［24-26］。對于特高壓混合直流輸電系統(tǒng)，由于逆變站引入了串聯(lián)的MMC換流器，其運(yùn)行控制特性與常規(guī)單換流器混合直流輸電系統(tǒng)相比有較大差異，目前針對特高壓混合直流輸電系統(tǒng)交流故障的控制策略研究偏少。

本文首先結(jié)合特高壓混合直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了其基本控制模式及整流站LCC交流故障引起的功率快速下降問題；然后，在分析混合型MMC 換流器串聯(lián)控制特性的基礎(chǔ)上，提出了基于直流調(diào)制度的交流故障控制策略，該策略通過在整流側(cè)交流故障期間同步調(diào)整逆變站混合型MMC 高、低壓換流器直流調(diào)制度，維持直流電流的穩(wěn)定，減小直流傳輸功率下降幅度。最后，基于實(shí)際的特高壓混合直流控制保護(hù)設(shè)備及RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1 特高壓混合直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制模式

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文以圖1 所示±800 kV 雙極特高壓混合直流輸電系統(tǒng)為研究對象，整流站每極由2 個(gè)十二脈動LCC換流器串聯(lián)而成，逆變站每極由2個(gè)混合型MMC換流器串聯(lián)而成，高、低壓換流器通過獨(dú)立的換流變壓器連接至站內(nèi)同一交流母線。

逆變站混合型MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)換流器由6 個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂由若干個(gè)FBSMs、HBSMs 和一個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成，各橋臂中2 種子模塊配置比例保持一致，其中HBSMs可輸出正、零2種電平，F(xiàn)BSMs可輸出正、負(fù)、零3種電平。

圖1 ±800 kV雙極特高壓混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology structure of an±800 kV bipolar hybrid UHVDC transmission system

圖2 混合型MMC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of the hybrid MMC

1.2 基本控制模式

結(jié)合相關(guān)研究成果［21，27］，本文研究的特高壓混合直流輸電系統(tǒng)采用的基本控制模式為：整流站LCC 控制直流電流、逆變站MMC 控制直流電壓，該控制模式可以充分發(fā)揮LCC快速調(diào)節(jié)直流電流、MMC快速穩(wěn)定直流電壓的優(yōu)勢。

與基本控制模式對應(yīng)，整流站LCC和逆變站MMC的高、低壓換流器分別配置如圖3 和圖4 所示的控制器。

圖3 整流站LCC換流器控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of rectifier converter controller

整流站LCC 各換流器配置定直流電流控制、直流電壓裕度控制及最小觸發(fā)角限制；逆變站MMC各換流器配置內(nèi)外環(huán)控制，外環(huán)為直流電壓環(huán)及無功功率環(huán)，內(nèi)環(huán)為直接電流解耦控制。

1.3 整流側(cè)交流故障控制模式

對于整流站LCC，其出口的本極直流電壓Udc1可表示為：

式（1）中，N 為本極六脈動換流器個(gè)數(shù)，雙十二脈動換流器運(yùn)行時(shí)取4；Ul為換流變閥側(cè)空載線電壓有效值；α為LCC觸發(fā)角；Rc為等效換相電阻；Idc為直流電流。

對于逆變站MMC，在高、低壓換流器均壓良好的情況下，其出口的本極直流電壓Udc2可表示為：

式

（2）中，UdV為混合型MMC換流器直流電壓。直流電流可表示為：

式（3）中，Rdc為直流回路電阻。

由式（1）～式（3）可見，由于整流站LCC 存在最小觸發(fā)角限制（一般設(shè)定為5°），當(dāng)整流側(cè)發(fā)生交流故障，Ul下降引起LCC 進(jìn)入最小觸發(fā)角狀態(tài)后，LCC 將失去直流電流控制能力，Udc1將隨著Ul的降低而下降，如果逆變站Udc2維持不變，直流電流將隨著Udc1的下降而減小，在嚴(yán)重交流故障下，直流電流可降至0。在此故障狀態(tài)下，特高壓混合直流系統(tǒng)的直流電壓由整流站LCC決定，逆變站MMC需接管直流電流控制以維持直流功率傳輸。

2 基于直流調(diào)制度的交流故障控制策略

2.1 混合型MMC換流器串聯(lián)控制特性分析

對圖1所示特高壓混合直流輸電系統(tǒng)，維持高、低壓換流器直流電壓的均衡才能保持直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。整流站LCC 換流器的控制量為觸發(fā)角，采用觸發(fā)角跟隨策略可實(shí)現(xiàn)高、低壓換流器的串聯(lián)均壓［28］；但逆變站MMC 的控制量為各橋臂參考電壓，其無法在高、低壓換流器間進(jìn)行跟隨，需要結(jié)合混合型MMC 的控制特性研究相應(yīng)的串聯(lián)均壓控制策略。

對于混合型MMC，以A 相為例進(jìn)行分析，不考慮環(huán)流影響并忽略電流在橋臂電感上的壓降時(shí)，A 相的上、下橋臂電壓upa、una可表示為［29］：

式（4）中，uao為A相交流電壓。

根據(jù)混合型MMC的子模塊連接特征，假設(shè)各工作子模塊電容電壓相同，A相的上、下橋臂電壓也可以表示為：

式（5）中，Npa、Nna分別為A 相上、下橋臂投入的子模塊個(gè)數(shù)；Uc為子模塊電容電壓平均值。

由式（4）、式（5）可得：

可見，在子模塊電容電壓維持穩(wěn)定的情況下，混合型MMC換流器直流電壓由各相上、下橋臂投入子模塊的等效總電平數(shù)確定。

對于混合型MMC，全橋子模塊的負(fù)電平輸出能力使其具有過調(diào)制能力，可以直流降壓運(yùn)行，定義直流調(diào)制度為：

式（7）中，UdVN為混合型MMC換流器額定直流電壓。

當(dāng)mdV=1時(shí)，MMC按額定直流電壓運(yùn)行；當(dāng)0＜mdV＜1時(shí)，MMC降直流電壓運(yùn)行。

引入直流調(diào)制度后，A 相的上、下橋臂電壓可表示為：

在設(shè)定直流調(diào)制度mdV為控制目標(biāo)后，直流電壓目標(biāo)值即為mdVUdVN，A相上、下橋臂需投入的子模塊個(gè)數(shù)可按式（9）計(jì)算得出：

式（9）中，UCN為子模塊電容電壓額定值。

由式（6）、式（9）可得：

將圖4 中直流電壓外環(huán)參考值UdV-ref調(diào)整為mdVUdVN，由于直流電壓外環(huán)的閉環(huán)控制特性，混合型MMC 通過實(shí)時(shí)調(diào)整有功輸出可以使換流器直流電壓跟蹤于參考值，由式（10）可見，通過這種方式可以保持子模塊電容電壓平均值穩(wěn)定在額定值水平。

圖5 混合型MMC高、低壓換流器有功傳遞示意圖Fig.5 Diagram of hybrid MMC high and low voltage converter active power transfer

圖5為逆變站MMC高、低壓換流器有功傳遞示意圖，PdV為直流系統(tǒng)注入逆變站MMC 換流器的直流側(cè)有功，Ps為MMC 換流器注入交流系統(tǒng)的交流側(cè)有功，忽略損耗，為保持換流器直流電壓穩(wěn)定，高、低壓換流器均需滿足如下表達(dá)式：

對采用定直流電壓控制的逆變站MMC換流器，可以有如下兩個(gè)表達(dá)式［30］：

式（13）中，usd為MMC換流器交流網(wǎng)側(cè)電壓d軸分量；isd為換流器交流網(wǎng)側(cè)電流d軸分量；G（s）為換流器內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)；kp1、ki1分別為換流器直流電壓外環(huán)的比例和積分參數(shù)。

將式（12）、式（13）代入式（11）得：

由于逆變站MMC高、低壓換流器通過獨(dú)立的換流變壓器連接于同一交流母線，高、低壓換流器的交流網(wǎng)側(cè)usd相同，同時(shí)串聯(lián)連接的高、低壓換流器流過相同的直流電流Idc，由式（14）可見，為逆變站MMC高、低壓換流器獨(dú)立配置參數(shù)一致的直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制器并保持直流調(diào)制度mdV的同步變化，可實(shí)現(xiàn)高、低壓換流器的串聯(lián)均壓。

2.2 適應(yīng)整流側(cè)交流故障的換流器控制器設(shè)計(jì)

為滿足圖1所示特高壓混合直流輸電系統(tǒng)在正常運(yùn)行及整流側(cè)交流故障下的不同控制需求，為逆變站MMC 換流器設(shè)計(jì)了圖6所示的改進(jìn)后控制器，除內(nèi)外環(huán)控制器和橋臂電壓控制單元，還包含直流調(diào)制度分配單元、直流電流裕度控制器及直流調(diào)制度同步單元；整流站LCC換流器仍采用圖3所示控制器。

圖6中的直流調(diào)制度分配單元依據(jù)逆變站出口的本極直流電壓參考值Udc2-ref和實(shí)際運(yùn)行換流器數(shù)量NV計(jì)算得到本換流器直流調(diào)制度為Udc2-ref/NVUdVN，在正常運(yùn)行下，將該計(jì)算結(jié)果做為本換流器的直流調(diào)制度控制目標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)整流站LCC 交流故障下逆變站MMC 對直流電流控制的接管，MMC 高、低壓換流器均獨(dú)立配置圖6 中所示的直流電流裕度控制器，該控制器將來自整流站的直流電流指令值Idc-ord減去電流裕度ΔI（一般可取為0.1p.u.）后與直流電流實(shí)際值Idc進(jìn)行閉環(huán)計(jì)算，得到逆變站控制直流電流所需的直流調(diào)制度；同時(shí)，為保證電流裕度范圍內(nèi)電流控制的穩(wěn)定性，配置了直流電流偏差環(huán)節(jié)K*（Idc-ord-Idc），其根據(jù)直流電流偏差量產(chǎn)生正斜率的直流調(diào)制度下降量Δm，并將直流電流裕度控制器的輸出上限限定為Udc2-ref/NVUdVN-Δm。

采用上述設(shè)計(jì)后，正常運(yùn)行及整流側(cè)交流故障下逆變站MMC換流器的直流調(diào)制度可以平滑轉(zhuǎn)換，具體如表1所示。

表1中，kp2、ki2分別為直流電流裕度控制器的比例和積分參數(shù)。

通過上述方法得出的本換流器直流調(diào)制度被送入直流電壓外環(huán)及橋臂電壓控制單元，橋臂電壓控制單元采用內(nèi)環(huán)控制輸出的交流參考電壓Ujo-ref及直流調(diào)制度mdV計(jì)算產(chǎn)生各橋臂參考電壓，完成對本換流器的控制。

圖6 改進(jìn)后逆變站MMC換流器控制器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of improved inverter converter controller

表1 混合型MMC高、低壓換流器直流調(diào)制度值Table 1 Values of hybrid MMC high and low voltage converter DC modulation degree

考慮到逆變站高、低壓換流器電流采樣及控制運(yùn)算會存在細(xì)微差異，為保證不同運(yùn)行狀態(tài)下逆變站均能維持高、低壓換流器直流電壓的均衡，配置了直流調(diào)制度同步單元，其選定一個(gè)換流器作為主控?fù)Q流器，另一非主控?fù)Q流器的直流調(diào)制度自動跟隨主控?fù)Q流器。

另外，為保證正常運(yùn)行及交流故障下混合型MMC換流器全橋、半橋子模塊電容電壓的均衡，需采取必要的均壓控制策略。經(jīng)研究，采用如圖7 所示的基于全橋、半橋子模塊電容電壓統(tǒng)一排序均壓控制策略可以取得良好的均壓效果。

為簡化子模塊投切策略，規(guī)定橋臂內(nèi)不允許同時(shí)存在正投入模塊和負(fù)投入模塊。當(dāng)橋臂輸出電平數(shù)為正值時(shí)，全橋及半橋子模塊均可參與正投入，具體投入的子模塊依據(jù)統(tǒng)一排序結(jié)果確定；當(dāng)橋臂輸出電平數(shù)為負(fù)值時(shí)，只有全橋子模塊參與負(fù)投入。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的特高壓混合直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)交流故障控制策略的有效性，在基于實(shí)際控制保護(hù)設(shè)備及RTDS仿真器的實(shí)時(shí)仿真平臺上開展整流側(cè)交流故障試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，直流系統(tǒng)額定直流電壓為±800 kV、每極額定直流功率為2 500 MW，整流站LCC 和逆變站MMC 的一次參數(shù)如表2所示。

圖7 子模塊電容電壓均壓策略Fig.7 Voltage balancing strategy for the sub-module capacitors

在極1雙換流器全壓額定運(yùn)行工況下進(jìn)行整流側(cè)交流故障的響應(yīng)特性測試：

1）模擬整流側(cè)交流系統(tǒng)三相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間500 ms，三相電壓幅值跌落10%，仿真結(jié)果如圖8所示。

在基本控制模式下，整流站直流電流大幅下降；而基于直流調(diào)制度的交流故障控制策略則在檢測到直流電流下降量達(dá)到電流裕度后，通過同步調(diào)整逆變站高、低壓換流器直流調(diào)制度接管直流電流控制，隨著逆變站直流電壓的降低，故障期間直流系統(tǒng)仍維持較高的功率傳輸水平，在整流側(cè)交流故障消除后，逆變站直流調(diào)制度平滑恢復(fù)，特高壓混合直流系統(tǒng)快速恢復(fù)至故障前狀態(tài)。

表2 特高壓混合直流輸電系統(tǒng)一次參數(shù)Table 2 Hybrid UHVDC system primary parameters

圖8 整流側(cè)交流系統(tǒng)三相接地故障響應(yīng)特性Fig.8 Response characteristics of rectifier AC three-phase ground fault

2）模擬整流側(cè)交流系統(tǒng)A相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間500 ms，A 相電壓幅值跌落50%，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 整流側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障響應(yīng)特性Fig.9 Response characteristics of rectifier AC single-phase ground fault

在基本控制模式下，整流站直流電流快速下降至0；而在基于直流調(diào)制度的交流故障控制策略下，逆變站通過同步調(diào)整高、低壓換流器直流調(diào)制度，提高了故障期間傳輸?shù)闹绷鞴β?，由于故障期間整流側(cè)交流三相電壓不對稱，LCC向直流側(cè)引入了100 Hz波動，在故障消除后功率快速恢復(fù)至故障前水平。

表3中對交流故障消除前的直流運(yùn)行工況進(jìn)行了對比，可以看到，基于直流調(diào)制度的交流故障控制策略可以有效提升整流側(cè)交流故障期間傳輸?shù)闹绷鞴β?，降低故障對交流系統(tǒng)的影響。由仿真結(jié)果也可以看到，采用上述控制策略后，在正常運(yùn)行及整流側(cè)交流故障期間，逆變站高、低壓混合型MMC 換流器的直流電壓始終能保持同步變化、串聯(lián)均壓特性良好，同時(shí)全橋及半橋子模塊電容電壓也均壓良好且被控制于安全水平。

表3 整流側(cè)交流故障工況對比Table 3 Comparison of rectifier AC ground fault

3 結(jié)語

本文提出了一種基于直流調(diào)制度的交流故障控制策略，用于解決特高壓混合直流輸電系統(tǒng)整流站LCC發(fā)生交流故障后直流功率快速下降問題?；趯?shí)際控制保護(hù)設(shè)備的RTDS 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，相比基本控制策略，基于直流調(diào)制度的交流故障控制策略有如下效果：

1）在整流站LCC交流故障期間，可實(shí)現(xiàn)逆變站混合型MMC 對直流電流控制權(quán)的快速、平滑接管，直流傳輸功率得到明顯提升，減小了故障對交流系統(tǒng)的影響，并能加快故障后的恢復(fù)速度。

2）通過直流調(diào)制度同步調(diào)整，正常運(yùn)行及整流站LCC 交流故障期間，逆變站高、低壓混合型MMC 換流器可實(shí)現(xiàn)良好均壓，保證了特高壓混合直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

上述策略對于特高壓混合直流輸電實(shí)際工程具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。