三端混合直流輸電實驗平臺控制參考值變化斜率優(yōu)化研究

秦嘉蔚，王順亮，吳佳奇，劉天琪

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

為了充分發(fā)揮電網(wǎng)換相換流器高壓直流輸電系統(tǒng)(line commutated converter based on high voltage direct current，LCC-HVDC)和電壓源型換流器高壓直流輸電系統(tǒng)(voltage source converter based on high voltage direct current，VSC-HVDC)兩者的優(yōu)勢，混合型直流輸電系統(tǒng)成為了新的研究熱點?；旌闲椭绷鬏旊娤到y(tǒng)的整流側(cè)采用電網(wǎng)換相換流技術(shù)，逆變側(cè)采用電壓源型換流技術(shù)，既沒有換相失敗的風(fēng)險，損耗也較低，運行技術(shù)較為成熟，有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，是實現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量輸電一種極具競爭力的方案[1-5]。

對于結(jié)合電網(wǎng)換相換流器(line comutated converter,LCC)和模塊化多電平換流器(modular multilever converter,MMC)的LCC-MMC型混合雙端直流輸電系統(tǒng)，整流側(cè)LCC換流站常采用定電壓控制，為逆變側(cè)提供穩(wěn)定的直流電壓，維持功率傳輸。逆變側(cè)MMC則采用定有功和定無功控制，因此逆變側(cè)能靈活地控制有功功率和無功功率。對于多端混合直流輸電系統(tǒng)，由于LCC與MMC各換流站有多種控制策略，因此需要專門設(shè)計相應(yīng)的控制策略，以達(dá)到協(xié)調(diào)控制的目的。文獻(xiàn)[6]提出了4種LCC-MMC混合三端直流系統(tǒng)的控制策略及運行方式，并對4種控制策略進(jìn)行對比，通過仿真驗證了4種控制策略下系統(tǒng)的啟動、穩(wěn)態(tài)運行和停機(jī)等狀態(tài)。文獻(xiàn)[7]結(jié)合昆柳龍工程，分別給出了三端系統(tǒng)的啟動和停運、兩端系統(tǒng)啟動和停運、三端系統(tǒng)中一端的停運、兩端系統(tǒng)中增加一端的投入等情況操作過程，以及在穩(wěn)態(tài)運行時協(xié)調(diào)各端功率的分配，在某一端退出運行時改變電流/功率參考指令，協(xié)調(diào)剩余兩端的功率傳輸；最后，通過仿真驗證了控制策略的可行性，能適用于多端直流輸電系統(tǒng)復(fù)雜的運行環(huán)境。文獻(xiàn)[8]為多端混合直流輸電系統(tǒng)設(shè)計了兩種控制模式，對比得出三臺 MMC采用定直流電壓控制具有有效的電流平衡能力，可以避免交流故障時MMC直流電流振蕩。

雖然對混合直流輸電系統(tǒng)的研究有接近20年的時間，但混合直流輸電系統(tǒng)投入工程應(yīng)用的實例并不多，目前還是以LCC-HVDC和MMC-HVDC為主[9-12]。除此之外，在已有文獻(xiàn)中不能找到混合直流輸電相關(guān)的實驗研究，大多以仿真為主，但是實驗是很重要的一個環(huán)節(jié)，能深入研究混合直流輸電系統(tǒng)[13]。下面將通過在所搭建的混合直流輸電實驗平臺上完成爬坡實驗，找到實驗設(shè)備控制器合適的斜率，使該混合直流輸電系統(tǒng)既有較快的響應(yīng)速度，又不會因直流電壓/交流電流的沖擊過大而發(fā)生跳閘。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在所設(shè)計的三端混合直流輸電系統(tǒng)中，送端采用十二脈動LCC電網(wǎng)換相換流器，受端采用25電平MMC換流站和9電平MMC換流站并聯(lián)。該三端混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示，其中25電平MMC換流站采用最近電平逼近調(diào)制策略，9電平MMC換流站采用多種脈沖寬度調(diào)制策略。兩MMC換流站均使用半橋式子模塊(half bridge sub-module,HBSM)。

圖1 三端混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.2 換流站控制

該三端混合直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)LCC換流站采用定電流控制。將整流輸出的直流電流Idc和設(shè)定直流電流參考值Idcre比較，得到的差值通過PI環(huán)節(jié)，最后對觸發(fā)角α角進(jìn)行修正，使得直流電流Idc越來越接近參考值，最終等于Idcre，從而達(dá)到了定電流控制的目的。其控制框圖如圖2所示。

圖2 定電流控制

該三端混合直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)MMC采用的是傳統(tǒng)雙環(huán)控制。傳統(tǒng)雙環(huán)控制分為內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制。

圖3 MMC雙環(huán)控制

外環(huán)控制器根據(jù)不同的控制標(biāo)準(zhǔn)，可分為3種：定直流電壓控制、定有功功率控制、定無功功率控制。因此只改變相應(yīng)的外環(huán)控制器就可實現(xiàn)系統(tǒng)有功量(直流電壓、頻率、有功功率)與無功量(交流電壓、無功功率)的不同控制。

d軸定有功功率控制參考電流表達(dá)式為

(1)

q軸定無功功率控制參考電流表達(dá)式為

(2)

d軸定直流電壓控制參考電流表達(dá)式為

(3)

對內(nèi)環(huán)控制來說，其目的主要是電流參考值和電流測量值經(jīng)過內(nèi)環(huán)的電流解耦控制得到d軸和q軸的參考電壓信號。

d軸和q軸參考電壓表達(dá)式為：

(4)

(5)

1.3 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

對于該三端混合直流輸電系統(tǒng)，整流站LCC采用定直流電流(功率)控制，逆變站25電平MMC采用定直流電壓控制，逆變站9電平MMC采用定有功功率控制。

在該三端混合直流輸電系統(tǒng)中，LCC換流站和9電平MMC換流站可以直接實現(xiàn)有功功率的控制，或者通過定直流電流間接實現(xiàn)用功功率的控制。定直流電壓換流站25電平MMC作為整個系統(tǒng)功率平衡站，同時也能控制系統(tǒng)的直流電壓。

1.3.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)定功率的值

系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時，可以調(diào)節(jié)9電平MMC換流站控制器定功率的值。

1)當(dāng)將9電平MMC換流站控制器定功率的值減小時，輸送到功率平衡站25電平MMC的功率會增大。對直流系統(tǒng)來說，P=UI，因此直流電壓會出現(xiàn)一個瞬時增大的沖擊電壓。緊接著25電平MMC換流站定電壓控制器發(fā)揮作用，直流電壓恢復(fù)到設(shè)定值，25電平MMC支路的直流電流增大。

2)當(dāng)將9電平MMC換流站控制器定功率的值增大時，輸送到功率平衡站25電平MMC的功率會減小，因此直流電壓也會出現(xiàn)一個瞬時減小的沖擊電壓。緊接著25電平MMC換流站定電壓控制器發(fā)揮作用，直流電壓恢復(fù)到設(shè)定值，25電平MMC支路的直流電流減小。

以上是調(diào)節(jié)9電平MMC換流站控制器定功率的值的暫態(tài)過程，其流程框圖如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)MMC 9控制器定功率值的暫態(tài)過程

因此，對整個系統(tǒng)來說，調(diào)節(jié)9電平MMC換流站控制器定功率的值時，直流電壓會出現(xiàn)一個瞬時增大或減小的值。當(dāng)調(diào)節(jié)定功率換流器的值越快，即斜率k越大時，那么直流電壓的瞬時值也將會越大。

1.3.2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)定電壓的值

系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時，可以調(diào)節(jié)25電平MMC換流站控制器定電壓的值。由于可調(diào)節(jié)的電壓范圍很小，因此可近似地把直流電壓看作不變。

1)當(dāng)將25電平MMC換流站控制器定電壓的值減小時，由于輸送到功率平衡站25電平MMC的功率不會變化，因此對直流系統(tǒng)來說，25電平MMC換流站支路的直流電流會出現(xiàn)一個瞬時增大的沖擊電流，25電平MMC換流站支路的交流電流也會出現(xiàn)一個瞬時增大的沖擊電流。

2)當(dāng)將25電平MMC換流站控制器定電壓的值增大時，同理，25電平MMC換流站支路的直流電流會出現(xiàn)一個瞬時減小的沖擊電流，25電平MMC換流站支路的交流電流也會出現(xiàn)一個瞬時減小的沖擊電流。

以上是調(diào)節(jié)25電平MMC換流站控制器定電壓的值的暫態(tài)過程，其流程框圖如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)MMC 25控制器定電壓值的暫態(tài)過程

因此，對整個系統(tǒng)來說，調(diào)節(jié)25電平MMC換流站控制器定電壓的值時，25電平MMC換流站支路直流電流和交流電流會出現(xiàn)一個瞬時增大或減小的值。當(dāng)調(diào)節(jié)定電壓控制器的值越快，即斜率k越大時，那么直流電流和交流電流的瞬時值也將會越大。

2 直流輸電系統(tǒng)仿真驗證

在仿真中，LCC和MMC換流器主回路的額定電壓和額定功率等參數(shù)如表1所示。實驗中同樣采用該參數(shù)。

表1 LCC和MMC換流器主回路參數(shù)

2.1 優(yōu)化功率參考值斜率的仿真實驗

實驗使用的設(shè)備能承受的最大直流電壓是900 V，當(dāng)直流電壓大于900 V時，設(shè)備將會發(fā)生跳閘。因此，接下來將會通過仿真和實驗，減小9電平MMC換流站控制器定功率的值Pref，找到一個合適的斜率k，使系統(tǒng)既能在調(diào)節(jié)功率時較快達(dá)到設(shè)定值，又能不發(fā)生跳閘使實驗中斷。

9電平MMC的額定功率是12 kW，因此為了得到最大的沖擊，9電平MMC的功率參考值Pref的初始值為-12 kW。仿真中,Pref從-12 kW變化到0。

當(dāng)Pref在第4 s從-12 kW到0，變化時間為2 s時，k=6 kW/s。仿真波形如圖6所示，圖中是直流電壓的波形，其峰值約為830 V。

圖6 Pref的斜率為6 kW/s時仿真波形

當(dāng)Pref在第4 s從-12 kW到0，變化時間為1 s時，k=12 kW/s。仿真波形如圖7所示，圖中是直流電壓的波形，其峰值約為885 V。

圖7 Pref的斜率為12 kW/s時仿真波形

當(dāng)Pref在第4 s從-12 kW到0，變化時間為0.5 s時,k=24 kW/s。仿真波形如圖8所示，圖中是直流電壓的波形，其峰值約為890 V。

圖8 Pref的斜率為24 kW/s時仿真波形

2.2 優(yōu)化電壓參考值斜率的仿真實驗

實驗使用的設(shè)備能承受的最大交流電流是40 A，交流電流大于40 A時，設(shè)備將會發(fā)生跳閘。相比交流電流，直流電流有更大的裕量，不容易因直流電流沖擊過大而使設(shè)備發(fā)生跳閘。因此，接下來將會通過仿真和實驗，減小25電平MMC換流站控制器定電壓的值Vref，找到一個最合適的斜率k，使系統(tǒng)既能在調(diào)節(jié)功率時較快達(dá)到設(shè)定值，又能不發(fā)生跳閘使實驗中斷。

該實驗系統(tǒng)可設(shè)置的直流電壓值最小為700 V，最大為750 V。因為25電平MMC的額定功率是20 kW，所以為了得到最大的沖擊，25電平MMC的輸出功率為20 kW，9電平MMC的輸出功率為0。

當(dāng)Vref的k=1000 V/s時，電壓從750 V→700 V→750 V，各需要0.05 s。圖9是25電平MMC的交流電流波形，其沖擊的值較大，約為45 A。

圖9 Vref的k=1000 V/s時仿真波形

當(dāng)Vref的k=500 V/s時，電壓從750 V→700 V→750 V，各需要0.1 s。圖10是25電平MMC的交流電流波形。

圖10 Vref的k=500 V/s時仿真波形

當(dāng)Vref的k=250 V/s時，電壓從750 V→700 V→750 V，各需要0.2 s。圖11是25電平MMC的交流電流波形。

圖11 Vref的k=250 V/s時仿真波形

綜上可得，當(dāng)25電平MMC輸出功率最大為20 kW時，得到的沖擊值最大，當(dāng)Vref的斜率k=1000 V/s時，電壓從750 V降低到700 V，得到交流電流的最大值約為45 A。

3 優(yōu)化設(shè)備參考值的爬坡實驗

爬坡實驗使用的實驗設(shè)備包括LCC換流器、25電平的MMC和9電平的MMC以及SCADA監(jiān)測系統(tǒng)。SCADA監(jiān)測系統(tǒng)可以對設(shè)備中電壓電流量進(jìn)行實時監(jiān)測。

3.1 優(yōu)化功率參考值斜率的運行實驗

在Pref從-12 kW到0的基礎(chǔ)上完成實驗。

當(dāng)Pref的斜率小于1.2 kW/s時，直流電壓沒有出現(xiàn)沖擊，實驗波形如圖12所示。

圖12 Pref的斜率為1.2 kW/s實驗波形

當(dāng)Pref的斜率從1.2 kW/s逐漸增大時，直流電壓的沖擊值也越來越大。圖13是Pref斜率-沖擊電壓曲線圖，隨著斜率的增大，直流電壓沖擊值最大可達(dá)到900 V。如果直流電壓繼續(xù)增大，設(shè)備將會發(fā)生跳閘，此時Pref的極限斜率是k=24 kW/s，實驗波形如圖14所示。

圖13 Pref斜率-沖擊電壓曲線

圖14 Pref的斜率為24 kW/s實驗波形

在Pref的幾個特定的斜率值下，如k=6 kW/s、k=12 kW/s、k=24 kW/s時，將實驗結(jié)果和仿真結(jié)果相對比，最大直流沖擊電壓值的誤差較小，都低于5%。可以說明仿真的效果較好。

3.2 優(yōu)化電壓參考值斜率的運行實驗

Vref從750 V下降至700 V:當(dāng)k=1000 V/s時，需要0.05 s,如圖15所示；當(dāng)k=500 V/s時，需要0.1 ,如圖16所示；當(dāng)k=250 V/s時，需要0.2 s，如圖17所示。圖15至圖17中，波形從上到下依次為直流電壓波形、25電平MMC的直流電流波形、25電平MMC的交流電流波形。

圖15 Vref的k=1000 V/s時實驗波形

在完成實驗時，發(fā)現(xiàn)Vref的k=1000 V/s時，25電平MMC交流電流的沖擊電流接近設(shè)備的額定值40 A，如果Vref的斜率繼續(xù)增大時將會跳閘。當(dāng)斜率小于1000 V/s時，系統(tǒng)的響應(yīng)較慢，功率控制沒有很好的效果，改變功率參考值時，系統(tǒng)功率穩(wěn)定到參考值的時間較長；當(dāng)斜率大于1000 V/s時，系統(tǒng)會因為有功功率變化過快而發(fā)生跳閘，有較大的安全隱患。因此Vref的極限斜率是1000 V/s，Vref的斜率k取1000 V/s比較合適。

4 結(jié) 語

前面在混合直流輸電系統(tǒng)上進(jìn)行爬坡實驗，找到9電平MMC功率參考值Pref合適的斜率以及25電平MMC電壓參考值Vref合適的斜率，使系統(tǒng)既有較快的響應(yīng)速度，又不會因直流電壓/交流電流的沖擊過大而發(fā)生跳閘。

在PSCAD里仿真改變功率參考值斜率，直流電壓的沖擊電壓達(dá)到900 V時，Pref的極限斜率是k=24 kW/s。交流電流的沖擊電流達(dá)到45 A時，Vref的斜率k=1000 V/s。

在實驗平臺上搭建LCC-MMC三端混合直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，改變功率參考值斜率，當(dāng)Pref的斜率是k=24 kW/s時，直流電壓的沖擊電壓達(dá)到905 V時，繼續(xù)增大斜率，設(shè)備發(fā)生跳閘。改變電壓參考值斜率，當(dāng)Vref的斜率k=1000 V/s時，交流電流的沖擊電流達(dá)到40 A，繼續(xù)增大斜率，設(shè)備發(fā)生跳閘。因此可以得出結(jié)論，實驗設(shè)備Pref的斜率選擇k=24 kW/s較好，Vref的斜率選擇k=1000 V/s較好，所得結(jié)論與仿真結(jié)果相同。