LCC-MMC特高壓混合直流輸電系統(tǒng)高低壓閥組均壓控制策略

周保榮，李選平，黎壽濤，洪潮，黃東啟，姚文峰，夏成軍

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；2.廣東省新能源電力系統(tǒng)智能運(yùn)行與控制企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640)

0 引言

基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(line commutated converter based on high voltage direct current，LCC-HVDC)容易發(fā)生換相失敗的問題，基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)(multiple module converter based on high voltage direct current，MMC-HVDC)可從根本上避免換相失敗，但存在建設(shè)成本高、運(yùn)行損耗大等問題[1]。綜合兩者經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢的LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)[2-7]，既能避免換相失敗，又能降低建設(shè)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)策略來源于LCC-HVDC和MMC-HVDC[8-11]，可以采用“LCC定電流控制/MMC定電壓控制”和“LCC定電壓控制/MMC定功率控制”兩種控制策略[12-13]。由于特高壓直流輸電系統(tǒng)容量大、電壓等級(jí)高，采用單閥組方案會(huì)使換流變壓器(簡稱換流變)等設(shè)備制造和運(yùn)輸不易實(shí)現(xiàn)[14]；采用高低壓閥組串聯(lián)時(shí)，設(shè)備制造和運(yùn)輸容易實(shí)現(xiàn)，因此目前特高壓直流電中一般采用高低壓閥組串聯(lián)的方案[15]。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)閥組之間控制的獨(dú)立性，每極高低壓閥組間分別配置獨(dú)立的閥控系統(tǒng)[16]。然而與單閥組不同，高低壓閥組串聯(lián)的換流站存在閥組間直流電壓不平衡的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致閥組過電壓保護(hù)動(dòng)作，發(fā)生跳閘事件[17]。

對(duì)于LCC-HVDC，文獻(xiàn)[17]認(rèn)為閥組間電壓不平衡的原因主要是閥組觸發(fā)角控制異常、換流變的分接頭檔位和控制模式不同等。對(duì)于逆變站分層接入不同電網(wǎng)的特高壓直流輸電工程，文獻(xiàn)[18]認(rèn)為高低壓閥組受到不同電網(wǎng)電壓波動(dòng)，導(dǎo)致閥組間的電壓不平衡；對(duì)此，文獻(xiàn)[19]提出逆變側(cè)采用最大觸發(fā)延遲角控制和換流變分接頭控制相結(jié)合的辦法來實(shí)現(xiàn)電壓平衡。以上文獻(xiàn)并不能解釋為何高低壓閥組接入同一受端電網(wǎng)且換流變分接頭檔位完全相同時(shí)也同樣會(huì)出現(xiàn)電壓不平衡。在LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)中，對(duì)于采用定有功功率控制的MMC換流站也會(huì)出現(xiàn)閥組間直流電壓和功率不均衡的現(xiàn)象[20-21]。文獻(xiàn)[21]把電壓不平衡的原因歸結(jié)為測量誤差等偶然因素，提出基于閥組間電壓偏差的直流電壓平衡控制策略，但該策略需要對(duì)高低壓閥組分別配置。文獻(xiàn)[22-23]針對(duì)變壓器35 kV出線三相對(duì)地電壓不平衡的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為變壓器三相繞組對(duì)地的雜散電容導(dǎo)致了三相對(duì)地電壓不平衡，引起中性點(diǎn)偏移，從而產(chǎn)生不平衡電流。

現(xiàn)有研究對(duì)換流站閥組間電壓不平衡的原因簡單歸結(jié)為換流變分接頭控制故障和測量誤差等，沒有發(fā)掘更深層次的原因，沒有對(duì)不平衡的機(jī)理過程深入分析。本文認(rèn)為，換流變閥側(cè)三相繞組對(duì)地和聯(lián)接區(qū)的雜散電容在偏置電壓的作用下產(chǎn)生不平衡電流，使得流經(jīng)高低壓閥組的直流電流存在差異，而且高低壓閥組直流電壓沒有受到直接控制，因此在不平衡電流的擾動(dòng)下，高低壓閥組控制器發(fā)生競爭而出現(xiàn)飽和，導(dǎo)致閥組電壓不平衡。不平衡電流的存在統(tǒng)一解釋了串聯(lián)的LCC和MMC高低壓閥組電壓不平衡的原因。在此基礎(chǔ)上，本文分別針對(duì)整流站和逆變站的高低壓閥組設(shè)計(jì)了基于閥組電壓偏差量動(dòng)態(tài)修正控制目標(biāo)的均壓控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一換流站控制器進(jìn)行簡單有效的統(tǒng)一配置。最后在PSCAD/EMTDC平臺(tái)上對(duì)提出的均壓控制策略的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本控制策略

LCC-MMC特高壓混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，整流站由兩個(gè)12脈沖換流單元串聯(lián)，逆變站由兩個(gè)MMC換流閥串聯(lián)。其中，靠近直流極線的閥組稱為高壓閥組，靠近接地極的閥組稱為低壓閥組。在高低壓閥組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了保證某一閥組因故障退出時(shí)另一閥組能繼續(xù)運(yùn)行，串聯(lián)的閥組之間配置相同且獨(dú)立的控制系統(tǒng)[12]。

圖1 LCC-MMC特高壓混合直流輸電拓?fù)鋱D(以正極為例)

在直流輸電系統(tǒng)中，必須有一個(gè)換流站為定直流電壓控制，進(jìn)行系統(tǒng)功率平衡，其他站采用定電流或定功率控制。LCC-MMC特高壓混合直流輸電可采用兩種控制策略：策略一“LCC定電流/MMC定電壓”和策略二“LCC定電壓/MMC定功率”。當(dāng)采用策略一時(shí)，MMC采用定直流電壓控制，高低壓閥組電壓直接受控，電壓均衡；LCC高低壓閥組均采用定電流控制，此時(shí)LCC串聯(lián)的高低壓閥組之間會(huì)出現(xiàn)電壓不均衡的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為高壓閥組電壓大于額定電壓，低壓閥組電壓低于額定電壓，使得高壓閥組傳輸?shù)墓β逝c低壓閥組傳輸?shù)墓β手g存在較大的偏差。當(dāng)采用策略二時(shí)，LCC采用定直流電壓控制，高低壓閥組電壓直接受控，電壓均衡；逆變站高低壓閥組均采用定有功功率控制，同樣，串聯(lián)的高低壓閥組會(huì)出現(xiàn)直流電壓和有功功率不平衡。閥組電壓不均衡狀況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致高壓閥組電壓過高使得過電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘，因此有必要探究其背后存在的原因并提出解決方案。

2 高低壓閥組電壓不平衡原因分析

除了文獻(xiàn)[17,20-21]提出的測量誤差等原因之外，本文認(rèn)為導(dǎo)致整流側(cè)和逆變側(cè)閥組電壓不平衡的原因主要為同一換流站高低壓閥組之間存在不平衡電流。在雙極對(duì)稱接線方案下，每一極的換流變壓器閥側(cè)與直流橋臂相連的交流連結(jié)區(qū)在正常運(yùn)行時(shí)都要承受一個(gè)帶直流偏置的交流電壓[14]。由于換流變?nèi)嗬@組對(duì)地和閥側(cè)交流連結(jié)區(qū)對(duì)地的雜散電容，在直流偏置電壓的作用下中性點(diǎn)電位發(fā)生偏移，產(chǎn)生對(duì)地的不平衡電流[22-23]，導(dǎo)致流經(jīng)高低壓閥組的電流大小并非完全相同。圖2為整流側(cè)和逆變側(cè)的不平衡電流示意圖。

圖2 LCC整流站和MMC逆變站高低壓閥組不平衡電流

由圖2可得：

Idc1H=Idc1L-Iun1

(1)

Idc2H=Idc2L+Iun2

(2)

式中：Idc1H、Idc1L和Iun1分別為整流側(cè)的高壓、低壓閥組電流和不平衡電流；Idc2H、Idc2L和Iun2分別為逆變側(cè)的高壓、低壓閥組電流和不平衡電流。由式(1)和(2)可知，當(dāng)整流側(cè)高、低壓閥組電壓相等，即Udc1H=Udc1L時(shí)，有：

P1H>P1L

(3)

式中：P1H和P1L分別為整流側(cè)高壓、低壓閥組輸入功率。同樣，當(dāng)逆變側(cè)高、低壓閥組電壓相等，即Udc2H=Udc2L時(shí)，有：

P2H

(4)

式中P2H和P2L分別為逆變側(cè)高壓、低壓閥組輸出功率。

由于高低壓閥組直流電壓沒有受到直接控制，在不平衡電流的擾動(dòng)下，閥組控制器為達(dá)到相同的電流(功率)目標(biāo)而存在競爭，使得控制器發(fā)生飽和，導(dǎo)致串聯(lián)閥組間出現(xiàn)電壓不平衡。

3 高低壓閥組電壓不平衡機(jī)理過程分析

對(duì)于整流側(cè)LCC，當(dāng)采用控制策略一時(shí)，高低壓閥組直流電壓可以表示為：

(5)

式中：下標(biāo)i為H或L，分別表示高、低壓閥組；αi為換流器觸發(fā)角；XT1i為閥組換相電抗；U1和τ分別為交流側(cè)電壓和換流變壓器變比。

假設(shè)初始時(shí)刻高低壓閥組直流電壓相等，由于流經(jīng)高低壓閥組的電流Idc1H

對(duì)于逆變側(cè)MMC，當(dāng)采用控制策略二時(shí)，忽略換流器損耗，逆變站高低閥組的直流側(cè)輸入能量Wdc2i、高低閥組中子模塊電容儲(chǔ)能WSMi與閥組輸出交流有功功率P2i之間滿足式(6)關(guān)系。

Wdc2i=WSMi+P2i

(6)

假設(shè)初始時(shí)刻高低壓閥組電壓相等，由于存在Idc2H>Idc2L，使得高壓閥組輸出功率P2H達(dá)到目標(biāo)值P2ref時(shí)，低壓閥組輸出功率P2L

4 高低壓閥組均壓控制策略

根據(jù)上述不平衡電流導(dǎo)致閥組電壓不平衡的原理，可以通過閥組電壓偏差生成修正量對(duì)初始控制目標(biāo)進(jìn)行修正，使得閥組電壓跟隨額定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥組電壓的間接控制，使得高低閥組電壓平衡。

LCC整流站的閥組均壓控制如圖3(a)所示，該控制框圖同時(shí)適用于整流側(cè)的高低壓閥組，圖中下標(biāo)i=H或L時(shí)分別表示高、低壓閥組。首先對(duì)閥組直流電壓Vdc1i與額定電壓Vdc1ref作差得到電壓偏差量，再通過比例環(huán)節(jié)K1得到直流電流修正量ΔIdc1i，閥組的電流初始指令I(lǐng)dc1refi減去修正量得到修正后電流指令，再與實(shí)際電流Idc1i作差后經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到超前觸發(fā)角β。圖中限幅環(huán)節(jié)可以減少目標(biāo)電流修正量過大時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊。對(duì)于定電流控制的LCC整流站，修正后的高壓閥組電流指令小于初始指令，低壓閥組電流指令大于初始指令。

圖3 LCC-MMC系統(tǒng)高低壓閥組直流電壓均壓控制框圖

逆變站的均壓控制如圖3(b)所示，首先通過直流電流Idc2與線路電阻Rv相乘得到線路壓降ΔVdcref，整流站電壓Vdc1ref減去線路壓降得到逆變站電壓額定值Vdc2ref，然后分別得到高低壓閥組電壓Vdc2i與額定電壓Vdc2ref的偏差量。通過比例環(huán)節(jié)K2得到功率指令修正量ΔP2i對(duì)高低壓閥組的初始目標(biāo)P2ref進(jìn)行疊加修正，修正后功率指令值，再與閥組實(shí)際功率P2i作差后經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到d軸電流參考值Idrefi。同樣均壓控制器出口處的限幅環(huán)節(jié)可以減少目標(biāo)功率修正量過大時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊。對(duì)于定有功功率控制的逆變站，修正后的高壓閥組功率指令大于初始指令，低壓閥組功率指令小于初始指令。

5 仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC上搭建LCC-MMC特高壓混合直流輸電系統(tǒng)，系統(tǒng)額定功率為3 000 MW，極電壓為±800 kV。以正極為例，分別研究LCC-MMC采用策略一和策略二時(shí)均壓控制策略的有效性。

5.1 切除和投入均壓控制器的系統(tǒng)響應(yīng)

當(dāng)采用策略一時(shí)，LCC定直流電流控制。3.0 s前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在額定工況，在3.0 s時(shí)切除LCC閥組均壓控制器，4.0 s 時(shí)再重新投入，得到圖4所示的切除/投入平衡控制時(shí)的LCC高低壓閥組動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。3.0 s前閥組直流電壓平衡，3.0 s時(shí)刻切除均壓控制器，由于流經(jīng)高壓閥組的電流Idc1H較小，在高壓閥組控制器的作用下，觸發(fā)角αH減小，導(dǎo)致低壓閥組電流Idc1L大于目標(biāo)值Idcref1。在低壓閥組控制器的作用下，αL增大，Idc1L減??；如此反復(fù)，αL不斷增大，αH不斷減小直至αH=5 °，進(jìn)入最小觸發(fā)角控制，失去對(duì)電流的控制，高低壓閥組出現(xiàn)電壓和有功不平衡的現(xiàn)象。要特別說明的是，此時(shí)系統(tǒng)并非處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而是從初始的閥組電壓平衡的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)進(jìn)入到閥組電壓不平衡的另一穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。在4.0 s時(shí)刻，重新投入均壓控制器后，高低壓閥組電流指令隨著閥組電壓變化而不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整，使得閥組電壓得到均衡控制，LCC高低閥組均壓控制策略的有效性得到驗(yàn)證。

圖4 整流側(cè)LCC切除和投入均壓控制器閥組動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)系統(tǒng)采用控制策略二時(shí)，MMC定有功功率控制。3.0 s前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在額定工況，3.0 s時(shí)刻切除均壓控制器，4.0 s時(shí)刻再重新投入，得到如圖5所示的MMC切除/投入均壓控制時(shí)的高低壓閥組動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。圖5分別為高低壓閥組的直流電壓、有功功率和直流電流。由圖5可知，3.0 s前投入了均壓控制器，此時(shí)閥組電壓平衡。在3.0 s時(shí)刻切除均壓控制器時(shí)，低壓閥組在控制器的作用下跟隨初始控制目標(biāo)，輸出功率升高至750 MW，同時(shí)高壓閥組功率也降至750 MW。由于流經(jīng)高低閥組的電流存在差異，低壓閥組控制器使輸出功率達(dá)到初始目標(biāo)值的同時(shí)，子模塊電容儲(chǔ)能被釋放，直流電壓降低，高低壓閥組電壓開始出現(xiàn)分化。當(dāng)分化到一定程度，低壓閥組控制器飽和，失去對(duì)功率的控制，閥組出現(xiàn)電壓和功率的不平衡。在4.0 s重新投入均壓控制器后，功率隨著高低壓閥組電壓變化而不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整，最后使得閥組電壓得到均衡控制，逆變側(cè)MMC高低閥組均壓控制策略的有效性得到驗(yàn)證。

圖5 逆變側(cè)切除和投入均壓控制器時(shí)閥組動(dòng)態(tài)特性

5.2 交流故障狀態(tài)下均壓控制的暫態(tài)響應(yīng)特性

LCC-MMC采用控制策略一時(shí)，3.0 s時(shí)刻設(shè)置整流站換流母線發(fā)生持續(xù)0.2 s的單相短路故障，母線電壓跌落至額定值的85%。圖6分別為閥組的直流電壓、有功功率、直流電流和觸發(fā)角的暫態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)LCC交流側(cè)發(fā)生單相短路故障時(shí)，交流電壓降低，導(dǎo)致直流電壓降低，系統(tǒng)輸送功率受阻；故障清除后，LCC高低閥組的直流電壓、有功功率能夠得到恢復(fù)，均壓控制能夠在故障后幫助高低壓閥組恢復(fù)電壓均衡。

圖6 整流站交流側(cè)故障時(shí)LCC閥組暫態(tài)響應(yīng)

LCC-MMC采用控制策略二時(shí)，3.0 s時(shí)刻設(shè)置逆變站換流母線發(fā)生持續(xù)0.2 s的單相短路故障，母線電壓跌落至額定值的85%。圖7分別為高低壓閥組的直流電壓、有功功率和直流電流。當(dāng)交流側(cè)發(fā)生單相短路故障時(shí)，交流電壓降低，換流站輸出功率受阻，高低閥組直流電壓在故障期間升高；故障清除后，MMC高低閥組的電壓、功率得到恢復(fù)。因此，高低壓閥組均壓控制能夠在故障后使得高低閥組保持電壓均衡，具有良好的暫態(tài)響應(yīng)特性。

圖7 逆變站交流側(cè)故障時(shí)MMC閥組暫態(tài)響應(yīng)特性

6 結(jié)語

本文針對(duì)LCC-MMC特高壓直流輸電系統(tǒng)中的采用定電流控制的LCC整流站和采用定有功功率控制的MMC逆變站存在高低壓閥組直流電壓不平衡現(xiàn)象，探究背后原因并進(jìn)行機(jī)理分析。本文認(rèn)為，換流變閥側(cè)因雜散電容產(chǎn)生的不平衡電流，使得流經(jīng)高低壓閥組的直流電流存在差異，而且閥組電壓未受到直接控制，因此在不平衡電流的擾動(dòng)下，高低壓閥組控制器發(fā)生競爭而出現(xiàn)飽和，導(dǎo)致閥組電壓不平衡。不平衡電流的原因能夠統(tǒng)一解釋LCC和MMC高低壓閥組的直流電壓不平衡現(xiàn)象。然后分別針對(duì)LCC整流站和MMC逆變站設(shè)計(jì)了各自的高低壓閥組均壓控制器。最后在PSCAD/EMTDC平臺(tái)上對(duì)均壓控制策略的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。