基于MMC的交直流混合配電網(wǎng)交流系統(tǒng)協(xié)調控制策略分析

趙曉敏，趙 影，李斯特，郭金剛，王 達

（國網(wǎng)內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特010010）

0 引言

直流配電網(wǎng)有利于廣泛接納分布式電源（DG）和儲能裝置，是高滲透率新能源接入電網(wǎng)的有效途徑。由于交流配電網(wǎng)發(fā)展成熟，且交流電源和負載仍是配電網(wǎng)的主要組成部分，建設交直流混合配電網(wǎng)將會是未來發(fā)展趨勢[1-2]。分布式能源和換流站的接入會使原有供電網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化，從而影響故障點的短路電流，因此開展交直流混合配電網(wǎng)故障分析研究工作有非常重要的意義。

交直流混合配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，具有DG高密度接入、交直流混聯(lián)等顯著特點，因高密度DG及大量電力電子設備的接入，使配電網(wǎng)的故障特征更為復雜。文獻[3]通過仿真分析撬棒電路（Crow?bar）保護投入下雙饋風機（DFIG）的短路電流特征，得出短路電流會發(fā)生頻率偏移和弱饋性的結論。文獻[4]分析了故障情況下雙饋風機轉子電流各分量的表達式和Crowbar投入后轉子短路電流的變化規(guī)律。直流配電網(wǎng)因接入互聯(lián)換流器，其故障特征受控制策略和拓撲結構雙重影響，進一步加大了故障分析難度。文獻[5]對逆變站交流出口發(fā)生單相接地進行歸納，明確交流故障下模塊化多電平換流器（MMC）-高壓直流輸電（HVDC）直流電壓將以工頻波動。文獻[6]結合柔性直流系統(tǒng)控制策略，總結柔性直流換流器交流側區(qū)內發(fā)生三相短路故障時，提供的故障電流特征。上述研究文獻，本質上均是對單一的新能源交流送出線或是柔性直流系統(tǒng)故障特征的分析，未對含DG的交直流混聯(lián)網(wǎng)絡交流送出線故障下的電氣量進行系統(tǒng)、全面的研究，同時也未對短路電流特征進行總結。

本文主要以雙饋風機作為分布式能源，研究交直流混合配電網(wǎng)逆變器交流側送出線路的故障特征，分析換流站MMC和DFIG對交流系統(tǒng)產(chǎn)生的暫態(tài)故障響應；并且基于MMC交直流混合配電網(wǎng)與DFIG的協(xié)調控制策略，提出一種改進的自適應Crowbar來提高DFIG低電壓過渡能力；同時仿真驗證DFIG和MMC的控制策略對短路電流產(chǎn)生的影響和變化情況。

1 基于MMC交直流混合配電網(wǎng)協(xié)調控制策略

MMC換流站采用雙閉環(huán)矢量控制策略，控制系統(tǒng)包括電流內環(huán)控制器、電壓功率外環(huán)控制器、鎖相環(huán)（PLL）和觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)[6]。外環(huán)控制器通過電壓、功率等參考值為內環(huán)控制器提供參考量。內環(huán)控制器根據(jù)外環(huán)提供的有功電流參考值idref、無功電流參考值iqref來實現(xiàn)對換流站交流側電壓幅值和相位的控制，使其有功電流id、無功電流iq快速跟蹤其參考值，換算關系見式（1）。

式中：I—換流站交流側電流；

Iref—外環(huán)控制器提供的參考量；

US—換流站交流側公共連接點（PCC）點電壓；

V—換流站端口輸出的交流電壓；

Re+jXe—換流站到PCC點的等效阻抗。

通常，控制目標不同則外環(huán)控制器的功能也不同。idref包括定有功功率、定直流電壓控制和定頻率控制模式；iqref包括定無功功率和定交流電壓控制模式[7-8]。當MMC換流站接有含DG的無源網(wǎng)絡時，最重要的因素是控制交流側電壓和頻率的穩(wěn)定。當出現(xiàn)故障時，由于DFIG輸出的功率具有波動性，若采用定有功功率和定無功功率控制則無法完全平衡電網(wǎng)輸入與輸出的功率，同時接入無源網(wǎng)絡的雙饋風機需要一個穩(wěn)定的同步交流勵磁電源，基于此一般采用定交流電壓定頻率控制。其控制目標有兩個：一是保證MMC交流側頻率為工頻，相當于給定電網(wǎng)頻率，不需要PLL鎖相，意味著dq坐標系旋轉速度固定；二是維持MMC交流系統(tǒng)電壓幅值US恒定，采用矢量控制將其作為iqref外環(huán)給定，在電壓跌落情況下，具有一定的無功功率支撐作用。同時在多換流站情況下，必須有一個換流站采用定直流電壓控制，以維持直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，一般工作在定直流電壓定無功功率控制模式，控制策略如圖1所示。

圖1 MMC控制策略

基于MMC的交直流混合配電與DFIG協(xié)調控制思想是在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，換流站與風力發(fā)電都會為交流母線提供一定無功功率來減少電壓跌落程度。DFIG定子側與電網(wǎng)直接相連，轉子側通過“背靠背”變流器與電網(wǎng)間接連接，采用dq解耦矢量控制，在傳輸有功功率的同時還能發(fā)出一定的無功功率。當發(fā)生三相短路時，網(wǎng)側電壓下降，MMC會減少向交流系統(tǒng)輸送的有功功率，同時接收交流故障電壓信號，通過反饋控制方式調節(jié)MMC輸出的電壓幅值，向接入點提供無功功率來減少母線電壓跌落程度，期間DFIG也會給并網(wǎng)接入點提供一定的無功支撐。

2 交直流混合配電網(wǎng)交流系統(tǒng)故障響應

2.1 MMC對交流系統(tǒng)的故障響應

當交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，換流站輸出的三相電流imL1、imL2、imL3為：

式中：α為換流站網(wǎng)側L1相交流電壓相位；id、iq為換流站輸出的三相交流電流d軸分量、q軸分量；i0為零序分量。

由于輸出電流對稱，則i0=0，由式（2）可得：

由于子模塊絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的過流能力有限，為保護其不受損壞，在系統(tǒng)受擾或發(fā)生故障而出現(xiàn)過流的情況下，MMC的控制系統(tǒng)將對其進行限流，通過在外環(huán)輸出idref、iqref增加限幅器，將參考電流限制在限幅器限制范圍內。內環(huán)控制器通過限制idref、iqref來限制橋臂電流，換流站輸出的交流電流的幅值上限ilimit見式（4）。

式中：idlim—交流電流d軸分量的幅值上限；

iqlim—交流電流q軸分量的幅值上限。

其中，ilimit取決于IGBT過流能力，通常為±1.1。限幅方式如圖2所示，當參考電流超過限幅值時，通過等比例縮小id、iq來限制橋臂電流。

圖2 限幅器限幅方式

對于無功電流iq，故障后其參考值iqref為：

其中，當外環(huán)采用定交流電壓控制，Aref表示交流電壓設定值，A表示交流電壓實際值，KP、Ki表示控制器比例、積分系數(shù)。當發(fā)生三相短路，交流電壓會下降，而電壓的設定值不變，則Aref-A會增大，因此外環(huán)控制器輸出的iqref絕對值會增大，支撐PCC點交流電壓，減少電網(wǎng)電壓的跌落程度，最終可增大到限幅值iqmax。此時，由限幅控制表達式（4）可得有功電流idref會下降，最終會下降至0。外環(huán)控制器輸出參考電流是內環(huán)控制器的輸入量，因此內環(huán)控制器輸出的交流側電壓參考值會發(fā)生變化，從而控制交流側電流。

因此，換流站輸出最大短路電流imax為：

式中：ω—電網(wǎng)角頻率。

換流站提供短路電流的大小與控制方式、運行方式及外環(huán)控制器限幅器的限幅值有密切關系。交流側電流會跟隨參考電流的變化而變化，最終與參考電流一致。

故障期間，根據(jù)瞬時功率理論，MMC換流站發(fā)出的有功功率Pm和無功功率Qm計算見式（9）、（10）：

式中：umL1、umL2、umL3為故障時換流站輸出的三相電壓。

經(jīng)同步旋轉坐標變換后，電網(wǎng)電壓定向于d軸，即ud=us，uq=0，則有：

由功率表達式（11）可知，有功功率主要取決于id，無功功率取決于iq。當發(fā)生三相短路，通過上述分析可知，無功電流iq會增大到限幅值，同時有功電流會降為0，由此MMC換流站會增發(fā)無功功率來減少母線電壓跌落程度，同時可能會出現(xiàn)有功功率傳輸為0的情況。

當交流側發(fā)生不對稱故障時，會造成交流系統(tǒng)不平衡，換流站輸出的三相交流電流imL1、imL2、imL3將包括負序分量，表達見式（12）：

當交流系統(tǒng)不平衡時，流經(jīng)換流站的開關函數(shù)S仍是三相對稱：

式中：Sm—開關函數(shù)幅值；

φs—開關函數(shù)相位。

含負序分量的三相交流電流經(jīng)對稱的開關函數(shù)，可得換流站直流側輸出的電流idL3為：

式中：Id—直流側電流直流分量；

id2—電流二次諧波交流分量幅值。

式（14）表明，換流站交流電流的負序分量會在直流側引起直流電流二次波動，從而會在直流側引起二倍頻直流電壓的波動，見式（15）：

式中：ud2為電壓二次諧波交流分量幅值。

同理含二次諧波的電壓經(jīng)對稱開關函數(shù)調制可得交流側電壓umU：

式中：umL1—交流側L1相輸出電壓；

Ud—電壓基波分量幅值；

ud3—電壓三次諧波分量幅值；

φu—交流側L1相輸出電壓相位。

式（16）表明，含二次諧波的直流電壓會引起換流站交流側三相電壓產(chǎn)生三次諧波，三次諧波的交流電壓會產(chǎn)生三倍頻的交流電流。如此反復，當發(fā)生不對稱故障時，換流器交流側將產(chǎn)生3次、5次等奇次非特征諧波，而在其直流側產(chǎn)生2次、4次等偶次非特征諧波。

2.2 具有低電壓過渡能力的DFIG對交流系統(tǒng)故障響應

當配電網(wǎng)發(fā)生故障后，DFIG暫態(tài)故障特征與發(fā)電機本身參數(shù)、Crowbar及控制策略相關。當發(fā)生三相短路時，Crowbar動作、保護轉子側變流器，在此期間風機端部故障電流IS可近似表達為[9]：

其中，a1、a2、a3為常數(shù)，大小取決于風機參數(shù)和電壓的跌落水平，且a2≥a1；ω1為電網(wǎng)同步轉速，ωr為轉子轉速，Tr為轉子衰減時間常數(shù)，TS為定子衰減時間常數(shù)。由式（17）可知機端故障電流近似由穩(wěn)態(tài)工頻交流分量，按時間常數(shù)Tr衰減的轉速頻率交流分量和按時間常數(shù)TS衰減的直流分量構成。其中衰減交流分量為撬棒電路投入后，因轉子磁鏈不能突變所感應出以時間常數(shù)Tr衰減的轉速頻率交流分量，是故障初期機端電流的主要構成成分。衰減的交流分量頻率為（1-s）f1，其中，s為轉差率，取決于故障前運行工況，f1為轉速變化范圍，一般為0.7~1.3（p.u.）。因此輸出的短路電流頻率在35~65 Hz變化，本文風機運行工況為1.2（p.u.），頻率偏移約為60 Hz。Tr主要取決于撬棒電阻的大小，且輸出短路電流的峰值與Crowbar阻值有關，其選取存在最優(yōu)值，峰值過小不能有效抑制暫態(tài)電流，過大則可能會導致轉子側變流器直流母線過電壓。查閱相關文獻[10]，本文采用20倍轉子電阻作為Crowbar阻值。

風機的無功補償包括兩部分，即網(wǎng)側無功和定子無功輸出。在電壓跌落20%時，網(wǎng)側變流器提供最大無功補償為0.12（p.u.），定子側最大可提供0.7（p.u.）的無功功率。網(wǎng)側無功出力遠小于定子側，一般DFIG無功補償優(yōu)先考慮定子側調節(jié)。定子輸出的無功極限Qsmax見式（18）[11]：

其中，uDZ為定子電壓，Irmax為轉子側變流器電流極限值，PG為DFIG向系統(tǒng)注入的有功功率，LS為定子自感，Lm為定、轉子互感。

傳統(tǒng)Crowbar控制策略啟動后，在故障期間一直投入，閉鎖轉子變流器，DFIG變成異步電動機從系統(tǒng)吸收無功功率，將導致DFIG定子側不能為電網(wǎng)提供無功支撐[12]。優(yōu)化Crowbar切除時間，通過控制轉子電流使定子側最大程度發(fā)出無功。當發(fā)生三相短路時，會導致風機轉子過電流。當轉子電流達到門檻值1.5~2（p.u.）時，延時3~5 ms撬棒電路投入，通過計算DFIG故障電流中衰減的轉速頻率交流分量來自適應確定Crowbar保護電路切除時間。撬棒電路切除后，轉子側變流器恢復勵磁，通過控制轉子電流進而控制定子側最大程度發(fā)出無功功率，充分發(fā)揮DFIG本身的無功調節(jié)能力。同時，MMC換流站在故障期間充當靜止同步補償器（Stacom）提供無功補償，減少了電網(wǎng)電壓的跌落程度，為實現(xiàn)低電壓過渡提供條件。Crowbar自適應優(yōu)化控制流程如圖3所示。

圖3 Crowbar自適應優(yōu)化控制流程圖

由上述分析可知，交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，短路電流為MMC與DFIG輸出電流的疊加[13]；然后根據(jù)換流站與雙饋風機的控制方式、運行方式及限幅器參數(shù)等確定其輸出短路電流的幅值和相位，由其呈現(xiàn)的電流源的特性，求解MMC、DFIG向短路點潰入的短路電流；最后將MMC和DFIG輸出電流進行向量疊加，即可求解出最終的短路電流水平。

3 仿真分析

本文采用10節(jié)點9線路的輻射型交直流混合配電網(wǎng)，其網(wǎng)絡拓撲模型如圖4所示[14]。該模型采用遺傳-最小生成樹優(yōu)化算法，引入概率潮流思想，同時綜合考慮電壓等級匹配及傳輸容量約束等，對DG布點和網(wǎng)架拓展進行協(xié)同規(guī)劃[15-16]，適應于直流集中負載、分布式發(fā)電、舊城改造等綜合場景，對現(xiàn)實配電網(wǎng)計算具有一定的指導意義。

圖4 交直流混合配電網(wǎng)拓撲

圖4 中，DG安裝在節(jié)點5、6、7、8，容量分別為0.2 MVA、0.3 MVA、0.1 MVA、0.2 MVA。直流網(wǎng)絡電壓等級選取±10 kV，與現(xiàn)有交流網(wǎng)絡10 kV相匹配，并通過MMC相連。在本文交直流混合配電網(wǎng)模型中，8母線節(jié)點為系統(tǒng)的平衡節(jié)點，換流站MMC1外環(huán)采用定直流電壓和定無功功率控制，穩(wěn)定配電直流系統(tǒng)電壓。5母線節(jié)點所接的是含有DG的無源網(wǎng)絡，為了穩(wěn)定并網(wǎng)點交流電壓和頻率，換流站MMC2采用定交流電壓和定頻率控制模式。

仿真分析圖4中逆變側交流系統(tǒng)線路5在t=0.16 s時發(fā)生三相短路。母線節(jié)點5電壓跌落情況如圖5所示。MMC2逆變換流站無功電流參考值Iqref2及無功電流實際值Iq2變化情況見圖6。MMC2換流站功率PMMC2、QMMC2變化情況見圖7。節(jié)點5上雙饋風力發(fā)電無功QDFIG5注入情況見圖8。

圖5 母線節(jié)點5電壓跌落情況

圖6 MMC2無功電流Iq2變化情況

圖7 MMC2功率變化情況

圖8 節(jié)點5 DFIG無功變化情況

分析上述曲線可知，由于MMC2換流站采用定交流電壓控制方式，在故障期間，外環(huán)控制器輸出iqref2絕對值會增大，最終增大到限幅值iqmax=1.1。iq2跟蹤無功電流參考值為出口電壓提供無功支撐，一定程度改善母線節(jié)點5的電壓的暫態(tài)特性。同時雙饋風機撬棒電路在故障初始時刻投入30 ms后切除，轉子側變流器恢復勵磁，定子側能夠在剩余的故障時間內發(fā)出無功功率，充分發(fā)揮了DFIG本身的無功調節(jié)能力，故障期間電壓跌落水平得到良好改善。同時由圖7還可以看出，在三相短路期間，MMC2換流站有功功率傳輸為0。短路電流的變化如圖9所示。

圖9 線路5短路電流變化情況

線路5短路電流在三相故障情況下，電流增長不是很大。根據(jù)配電網(wǎng)結構拓撲可看出線路5的短路電流由兩部分提供，即MMC2換流站和節(jié)點5所連的DG雙饋風機。由于MMC2控制器設有限幅器，其限幅值大小直接影響短路電流的大小，在故障期間限幅器達到限制，呈現(xiàn)電流受限狀態(tài)。同時DFIG的轉子側和網(wǎng)側變流器也有限幅作用，所以使得故障電流也呈現(xiàn)弱饋特性。對圖9中線路5三相短路電流進行傅里葉分析，其結果如圖10所示。

圖10 頻率分析

可以看出故障期間由于Crowbar投入，故障電流中會含有轉速角頻率分量（60 Hz）。這是由于撬棒保護電路的投入會閉鎖轉子側變換器，因轉子磁鏈不能突變，所以感應出60 Hz故障分量。同時Crowbar切除后，風機的無功支撐控制也會增大短路電流60 Hz頻率的故障電流分量，這會對保護基于工頻提取的傅里葉算法造成誤差。

當線路5發(fā)生不對稱故障，以單相接地（AG）為例，短路電流如圖11所示。

對圖11中線路5單相接地短路電流進行傅里葉分析，其諧波含量如表1所示。

圖11 線路5短路電流

表1 阻抗電壓與電容量試驗結果先驗概率統(tǒng)計

表1 顯示了當發(fā)生不對稱故障時，會出現(xiàn)3次、5次等奇次諧波。這是由于交流系統(tǒng)不對稱時，而開關函數(shù)是三相對稱的，會在交流側出現(xiàn)負序分量。負序分量會在直流側產(chǎn)生二倍頻分量，二倍頻分量又在交流側產(chǎn)生3次諧波。如此反復，交流側產(chǎn)生3次、5次等奇次非特征諧波，直流側產(chǎn)生2次、4次等偶次非特征諧波。諧波的產(chǎn)生會使換流器控制不穩(wěn)定，影響VSC控制器的性能，同時也會影響基于工頻量保護的提取精度。

4 結論

（1）換流站和雙饋風機的協(xié)調控制會在故障情況下，對接入點進行無功功率補償，減小電壓跌落程度，提高MMC和DFIG的低電壓過渡能力。

（2）基于MMC的交直流混合配電網(wǎng)，當逆變側交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，因換流器件通流能力的約束會出現(xiàn)短路電流受限特征。

（3）當逆變側交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，由于雙饋風機Crowbar保護電路投入，故障電流會出現(xiàn)含有轉子轉速角頻率為60 Hz分量，發(fā)生頻率偏移現(xiàn)象。

（4）當發(fā)生不對稱故障，交流系統(tǒng)的短路電流還會出現(xiàn)3次、5次等奇次諧波。這些非工頻分量不僅影響換流器控制，同時還會影響基于工頻保護的提取精度，為繼電保護帶來困難。