模塊化多電平直流融冰裝置諧振機理及抑制措施研究

班國邦，牛 唯，楊 旗，楊文勇，呂黔蘇，張露松，袁旭峰

模塊化多電平直流融冰裝置諧振機理及抑制措施研究

班國邦1,2，牛 唯1,2，楊 旗1,2，楊文勇3，呂黔蘇1,2，張露松1,2，袁旭峰4

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2.南方電網(wǎng)防冰減災(zāi)聯(lián)合實驗室，貴州 貴陽 550002；3.貴州電網(wǎng)有限責任公司畢節(jié)供電局，貴州 畢節(jié) 551700；4.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

直流融冰作為電網(wǎng)抵御低溫冰凍災(zāi)害的有效措施之一，融冰裝置在線路覆冰期間的運行可靠性極其重要。首先介紹了全橋模塊化多電平直流融冰裝置的拓撲結(jié)構(gòu)以及直流融冰裝置融冰工作狀態(tài)下直流側(cè)振蕩現(xiàn)象。其次，分析了融冰裝置振蕩機理并提出了抑制措施，即在直流電壓前饋環(huán)節(jié)引入非線性濾波器對高頻諧振進行抑制。最后通過仿真與實驗驗證表明：基于模塊化多電平直流融冰系統(tǒng)阻抗的相頻特性得到了大幅度的改善，控制系統(tǒng)可以正常解鎖、升壓，證明了抑制措施的有效性，降低了高頻振蕩風險。

模塊化多電平換流器；諧振機理；非線性濾波器；振蕩抑制

0 引言

電力系統(tǒng)遭受的各種自然災(zāi)害中，冰災(zāi)是最嚴重的威脅之一。與其他事故相比，冰災(zāi)給電網(wǎng)造成的損失往往更為嚴重，輕則發(fā)生冰閃，重則會造成倒塔斷線，甚至電網(wǎng)癱瘓[1-2]。特別是近年來全球各類氣象災(zāi)害更為頻繁，極端天氣氣候事件更顯異常，冰災(zāi)造成電力系統(tǒng)的損失和影響更趨嚴重，破壞程度越來越強，影響也越來越復(fù)雜，應(yīng)對難度也越來越大。如1921年10月瑞典冰災(zāi)、1972年1月美國哥倫比亞州冰災(zāi)、1998年1月美國東北部和加拿大東南部冰災(zāi)、1999年12月法國冰災(zāi)、瑞典南部2005年1月冰災(zāi)、德國2005年11月冰災(zāi)、我國2005年冰災(zāi)、我國2008年冰災(zāi)等[3-4]。2008年冰災(zāi)后，我國電力科技工作者自主進行了直流融冰技術(shù)及裝置的研發(fā)，成功研發(fā)出了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率直流融冰裝置，主要包括帶專用整流變壓器的直流融冰裝置和不帶專用整流變壓器的直流融冰裝置，并在全國進行了推廣應(yīng)用[5]。

基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)克服了單個功率開關(guān)器件的電壓等級和容量等級限制，實現(xiàn)低壓器件的高壓應(yīng)用，相比傳統(tǒng)兩電平和鉗位型多電平直流變換器，具有較好的高壓適用、電能質(zhì)量、可靠性和可維護性能，成為高壓直流輸電和大功率電力傳動研究和應(yīng)用的焦點[6-19]。近年來，隨著基于MMC技術(shù)的直流融冰裝置的研發(fā)成功并成功應(yīng)用，逐漸成為冬季融冰重點關(guān)注技術(shù)[20]?；谌珮蛐蚆MC拓撲直流融冰裝置由于其結(jié)構(gòu)簡單，在輸電線路正常運行時，該裝置作為STATCOM實現(xiàn)對電網(wǎng)的動態(tài)無功補償；在電網(wǎng)覆冰條件下，該裝置可輸出從零到額定值范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)直流電壓和電流來實現(xiàn)融冰功能，大大提高了裝置的利用率，實現(xiàn)了對不同長度及型號的覆冰導(dǎo)線融冰的需求。相對于晶閘管整流直流融冰裝置，基于全橋型MMC拓撲直流融冰裝置整流時諧波含量小，不需單獨設(shè)置濾波裝置，也不需在交流側(cè)使用整流變壓器，在電網(wǎng)線路融冰方面具有顯著優(yōu)勢[21-24]。

全橋型MMC拓撲直流融冰裝置具有比較多的優(yōu)勢，但也給實際的工程應(yīng)用帶來了一定的挑戰(zhàn)，這主要是融冰系統(tǒng)中廣泛使用的換流器能夠發(fā)出較高頻次的諧波，在與電容器、電抗器及輸電線路耦合可能形成諧振，盡管采用多電平技術(shù)能夠降低諧波量，但仍難以將諧波完全消除，在系統(tǒng)呈現(xiàn)弱阻尼或者負阻尼情況下，諧波被放大進而出現(xiàn)系統(tǒng)性諧振[25]。針對直流系統(tǒng)中的振蕩，參考文獻[26]提出了基于阻抗理論進行逆變器穩(wěn)定性分析，文獻[27]等提出了基于小信號阻抗/導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)的建模方法，文獻[28]基于奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法。而在振蕩抑制方面，目前最為簡單的方法是采用附加阻尼控制策略來抑制各類振蕩問題，而在柔性直流系統(tǒng)則主要采用軸解耦的內(nèi)外環(huán)控制方式進行抑制[29-31]。

本文簡要介紹了全橋型MMC拓撲直流融冰裝置拓撲結(jié)構(gòu)及整流原理，從實際全橋型MMC拓撲直流融冰裝置融冰模式升流試驗中出現(xiàn)的高頻振蕩現(xiàn)象入手，分析了電壓電流高頻振蕩原因，提出合理的抑制高頻振蕩措施，仿真與實驗結(jié)果表明了所提出措施的有效性。

1 全橋型MMC直流融冰裝置拓撲結(jié)構(gòu)及整流原理

基于MMC拓撲的直流融冰裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該拓撲由三相構(gòu)成，每一相包括兩個橋臂，每個橋臂由若干個全橋模塊串聯(lián)組成。該拓撲具備無功補償功能，在無需融冰的情況下，交流側(cè)可向交流系統(tǒng)輸出無功功率。該拓撲運行于直流融冰模式時直流輸出極連接覆冰線路。

圖1 基于MMC的直流融冰裝置拓撲圖

本套融冰裝置交流側(cè)接入10 kV電網(wǎng)，直流輸出電壓0～13 kV連續(xù)可調(diào)，電流0～2 000 A連續(xù)可調(diào)。MMC換流閥包括三個相單元(A、B、C)，每相包含上下兩個橋臂。每個橋臂由20個相同的全橋子模塊(FBSM)級聯(lián)而成，整個裝置共包含120個全橋功率模塊。基于全橋MMC的直流融冰裝置整流原理主要通過調(diào)整上下橋臂中性點的直流電位偏移，實現(xiàn)可控且連續(xù)調(diào)節(jié)的直流輸出，滿足不同電壓等級、不同線路長度直流融冰需求。其運行控制具體可參照文獻[32]，本文不再贅述?；谌珮騇MC的直流融冰裝置能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)無功補償與直流融冰的結(jié)合，但在實際的運行中需要關(guān)注諧振問題。

2 裝置解鎖時的高頻振蕩現(xiàn)象

某變電站全橋型MMC拓撲直流融冰裝置先啟動無功補償功能，無功設(shè)置2 Mvar，運行正常，隨后融冰線路投入，啟動融冰功能進行融冰升流，直流刀閘柜內(nèi)發(fā)出尖銳嘯叫聲，隨后裝置跳閘，報“交流母線過流”。通過查看錄波發(fā)現(xiàn)：解鎖后交流側(cè)電壓略有升高且正弦波形上逐漸出現(xiàn)高頻振蕩，跳閘時刻交流電流峰值1 800 A超過保護設(shè)置值1 200 A，且直流極電壓高頻振蕩，振蕩頻率2.5 kHz，單極對地電壓峰值達到10 kV，電流波形與電壓振動頻率相同幅值為200 A，相位超前電壓90°。故障過程錄波情況如圖2及圖3所示。

圖2 解鎖時刻波形包絡(luò)圖

圖3 閉鎖時刻波形展開圖

經(jīng)分析，該套直流融冰裝置在直流電流控制方式上，有兩種控制方案。方案1采用通過控制直流電壓間接控制直流電流的常規(guī)控制方式；方案2采用引入直流電壓采樣的前饋控制方式，方案2的優(yōu)勢在于多臺裝置并聯(lián)融冰時能夠?qū)崿F(xiàn)多臺裝置并聯(lián)的穩(wěn)定運行。該融冰裝置實際控制模式采用了直流電壓前饋的控制方式，原因在于后續(xù)要滿足多臺融冰并聯(lián)運行的需求，從設(shè)備軟件一致性角度考慮采用了統(tǒng)一的控制方式?，F(xiàn)場采用直流電壓前饋運行時出現(xiàn)了上述高頻振蕩的問題，主要是在于現(xiàn)場接入線路后，線路參數(shù)及融冰裝置串聯(lián)在振蕩頻率附近出現(xiàn)了負阻尼導(dǎo)致高頻振蕩產(chǎn)生。

3 振蕩機理分析

考慮電壓采樣延時與基于MMC拓撲的直流融冰裝置的融冰控制方式，可以得到圖4所示的信號流圖[33]。

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

此時采用直流電壓直接前饋的方式，控制框圖中的Filter為濾波器，此時為1，由圖4可得電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)如式1所示。

式中：out和ref分別為直流電流及其參考值；DC為直流融冰線路系統(tǒng)公共連接點電壓；PI為電流內(nèi)環(huán)PI控制器增益；d1和d2分別為電流控制和電壓前饋延時環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；為等效電抗(含橋臂電抗)。

分析傳遞函數(shù)可知，融冰裝置可等效為電流源與阻抗并聯(lián)的電路模型，即

其中，

式中：為等效電流源系數(shù)；0為融冰裝置等效阻抗；FLT為濾波器傳遞函數(shù)，未加入濾波器時，其為1。基頻分析時電網(wǎng)線路可等效為系統(tǒng)阻抗與電壓源串聯(lián)，用于控制系統(tǒng)的仿真分析。

實際上，在各個頻次下，融冰線路均可以采用阻抗串聯(lián)的形式進行等效，只是在不同頻次下等效阻抗的幅值、角度不同。因此，融冰線路與基于MMC拓撲的直流融冰裝置串聯(lián)可等效為如圖5電路模型。其中，s為裝置的等效電流源，g為融冰線路的等效電壓源。

圖5 線路與裝置互聯(lián)等效電路圖

由圖5可得到融冰設(shè)備與融冰線路的公共連接點(PCC)電壓，可以表示為

根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)相角裕度大于0o，整個系統(tǒng)穩(wěn)定，即幅值等于0 dB時，g和0相角差需小于180o。

由式(3)可以得到0的幅頻及相頻特性，系統(tǒng)阻抗g可以近似等效為電感電阻串聯(lián)與電容并聯(lián)的等效電路，將g和0的幅頻特性及相頻特性疊加可以得到圖6。圖中系統(tǒng)為0特性曲線，2為g特性曲線。

圖6 阻抗伯德圖

從圖中可以看到在2.6 kHz處g和0幅值相等，相角差為183.8o，系統(tǒng)不穩(wěn)定，在高頻處易發(fā)生振蕩。式(4)可變換為

定義諧波放大系數(shù)為

因此，消除高頻振蕩的關(guān)注點為：在系統(tǒng)阻抗接近-90o頻帶，減小融冰設(shè)備的負阻抗幅值，從相頻特性分析即為盡量減小設(shè)備阻抗相頻特性超過90o部分的相角。

4 高頻振蕩的抑制措施

由以上分析可知，可引入濾波器改善融冰設(shè)備的高頻特性，可采用非線性濾波器的方式對前饋電壓進行濾波，達到改善高頻特性又不影響低頻特性目的。

圖7 非線性濾波器流程圖

非線性濾波器采用滯回比較器，根據(jù)直流電壓幅值分檔選擇接近的固定前饋值。僅在當前電壓與前饋分量相差大于預(yù)設(shè)閾值時更新輸出的前饋，否則保持原輸出，比較周期設(shè)置為20 ms，且電壓輸出最小值為0，最大值額定電壓，流程詳見圖7。電壓前饋值滯回比較方式如式(8)所示。

式中：Vup為當前前饋電壓值；Vup1為上周期前饋電壓輸出值；為階梯梯度值，可設(shè)置為1 kV；為滯回比較門檻值，設(shè)置為0.75 kV。

非線性濾波器的傳遞函數(shù)，在50Hz以上近似等于0，引入該濾波器后的伯德圖可得到圖8。其中在2.02kHz處g和0幅值相等，相角差為177.5o系統(tǒng)穩(wěn)定。圖中系統(tǒng)為0特性曲線，2為g特性曲線。

圖8 引入濾波器后的伯德圖

從圖中可以看到經(jīng)過濾波器矯正后的設(shè)備阻抗伯德圖在高頻段相角在90o附近，負阻尼特性得到良好矯正，系統(tǒng)高頻振蕩風險大幅降低。

為進一步驗證工程應(yīng)用效果，首先在PSCAD/ EMTDC軟件中進行對比仿真驗證，仿真參數(shù)按實際設(shè)備參數(shù)選取，參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

裝置由充電模式轉(zhuǎn)到控直流電流模式，采用電壓直接前饋的控制方式，仿真波形如圖9所示。進入控直流電流控制方式后，直流電壓、直流電流開始發(fā)生振蕩，同時可以看到調(diào)制輸出發(fā)生相同的振蕩，分析可知振蕩是由于延時造成前饋電壓形成正反饋，導(dǎo)致振蕩發(fā)生，與理論分析相同。圖10為放大后的直流電壓電流波形，可以看到振蕩電流超前振蕩電壓90o，與實際情況相近。圖11給出了直流電壓快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)結(jié)果，從圖11中的結(jié)果可以看到振蕩頻率為2 221 Hz，頻率在2 500 Hz附近。

在直流電壓前饋中引入所述非線性濾波器進行同工況仿真，結(jié)果如圖12所示。此時直流電流穩(wěn)定運行于2 000 A，波動峰峰值在40 A左右；直流電壓穩(wěn)定在13.25 kV，波動峰峰值在0.3 kV范圍。達到了抑制高頻波動的效果，實現(xiàn)了控直流電流方式的穩(wěn)定運行。

圖10 振蕩過程放大波形圖

圖11 直流電壓FFT結(jié)果

對比上述仿真結(jié)果可知，在相同的系統(tǒng)條件下，采取優(yōu)化措施引入非線性濾波器后，基于MMC拓撲的直流融冰裝置控制系統(tǒng)可以正常解鎖、升流，證明了優(yōu)化抑制措施的有效性，大大降低了高頻振蕩風險。圖13為采取措施后實際的直流電壓和直流電流波形圖?？梢钥吹剑瑢嶋H運行帶線路升流至900 A，裝置狀態(tài)正常，線路發(fā)熱升溫融冰，沒有出現(xiàn)直流電壓高頻振蕩問題。

圖13 裝置調(diào)整參數(shù)后升流波形圖

5 結(jié)論

本文介紹了基于全橋模塊化多電平直流融冰裝置的拓撲結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了工程應(yīng)用的模塊化多電平直流融冰裝置在對交流輸電線路融冰時出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，并對諧振產(chǎn)生的機理進行原因分析，提出了抑制諧振措施并取得了明顯的效果。得出結(jié)論如下：

1) 基于全橋型MMC拓撲直流融冰裝置在設(shè)計時需要考慮控制系統(tǒng)解鎖整流中出現(xiàn)的高頻振蕩問題，開展阻抗頻率掃頻分析，確保裝置可靠運行。

2) 采用非線性濾波器實現(xiàn)了對前饋電壓進行進行濾波，達到改善高頻特性又不影響低頻特性的目的。

3) 仿真與實驗結(jié)果證明了抑制高頻波動的有效性，實現(xiàn)了控直流電流方式的穩(wěn)定運行，顯著降低了高頻振蕩風險，方法為新型模塊化多電平直流融冰裝置工程應(yīng)用提供了參考。

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The resonance mechanism and suppression measures of DC ice-melting equipment based on a modular multilevel converter

BAN Guobang1, 2, NIU Wei1, 2, YANG Qi1, 2, YANG Wenyong3, Lü Qiansu1, 2, ZHANG Lusong1, 2, YUAN Xufeng4

(1. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China; 2. Joint Laboratory of Ice Prevention & Disaster Reducing of China Southern Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China; 3. Bijie Power Supply Bureau, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Bijie 551700, China; 4. School of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

DC ice-melting is one of the effective measures to prevent low temperature and freezing disasters in a power grid. The operational reliability of a DC de-icing device is very important during the icing period. This paper first introduces the topology of a full bridge modular multilevel DC de-icing device, and reveals the oscillation phenomenon on the DC side of the DC ice-melting device in the de-icing working state. Secondly, the oscillation mechanism of the ice melting device is analyzed and suppression measures are proposed. That is, a nonlinear filter is introduced in the DC voltage feedforward link to suppress high-frequency resonance.Finally, simulation and experimental verification show that the phase-frequency characteristics of the ice melting system impedance have been greatly improved, and the control system can be unlocked and boosted normally. This proves the effectiveness of the suppression measures and reduces the risk of high frequency oscillation.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52067004).

modular multilevel converter (MMC); resonance mechanism;non-linear filter; oscillation suppression

10.19783/j.cnki.pspc.210266

國家自然科學(xué)基金項目資助(52067004)；貴州電網(wǎng)公司科技項目資助(GZKJXM20182104)

2021-03-13；

2021-05-05

班國邦(1983—)，男，高級工程師，研究方向為高電壓電氣技術(shù)及柔性直流配電技術(shù)；E-mail: 7393839@qq.com

牛 唯(1989—)，女，碩士，工程師，研究方向為輸電線路防災(zāi)減災(zāi)與規(guī)劃；E-mail:327980534@qq.com

楊 旗(1990—)，男，博士，工程師，研究方向為輸變電裝備安全與電網(wǎng)防冰減災(zāi)。E-mail: yangqi_cqu@163.com

(編輯 葛艷娜)