許　烽，宣曉華，黃曉明，陸　羿，裘　鵬，陳　騫

LCC-FMMC型混合直流輸電系統(tǒng)的潮流反轉控制策略

許烽，宣曉華，黃曉明，陸羿，裘鵬，陳騫

（浙江省電力公司電力科學研究院，浙江杭州310027）

基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）和全橋型模塊化多電平換流器（FMMC），提出了一種更具有靈活性和優(yōu)越性的LCCFMMC型混合直流輸電系統(tǒng)。提出了混合直流潮流反轉的控制時序，分析了潮流反轉期間交直流系統(tǒng)之間的相互影響關系。針對LCC側交流電壓波動和子模塊電容電壓平衡控制問題，分別提出了交流電壓控制策略和電容電壓平衡控制策略。仿真結果表明，提出的控制策略能夠在保證LCC側交流電壓穩(wěn)定和子模塊電容電壓平衡的情況下，有效地實現(xiàn)潮流反轉，反轉過程平滑順利。

混合直流；電網(wǎng)換相換流器；模塊化多電平換流器（MMC）；潮流反轉

電網(wǎng)換相換流器（LCC）制造成本低、技術成熟度高、運行損耗小［1，2］；電壓源型換流器（VSC）能夠獨立控制有功無功、不存在換相失敗、可為無源孤島供電，其中，模塊化多電平換流器（MMC）更以開關損耗小、擴展性強等優(yōu)點倍受青睞［3，4］。結合LCC和VSC兩者優(yōu)勢，將LCC應用于整流站，VSC用于逆變站的混合直流輸電系統(tǒng)具有較為廣闊的應用前景。目前，利用VSC各類拓撲結構，研究者提出了多種混合直流輸電系統(tǒng)［5-7］，如LCC-VSC，LCC-MMC等。但這些拓撲都存在著一些問題，即VSC側不能有效清除直流故障；LCC側發(fā)生較為嚴重的交流故障時，會出現(xiàn)功率傳輸中斷；不具有大幅度直流降壓運行能力；不能實現(xiàn)潮流反轉運行。

為解決這些問題，同時使得直流系統(tǒng)具有更加靈活的運行能力，本文采用由全橋子模塊（FBSM）級聯(lián)而成的全橋型模塊化多電平換流器（FMMC）來替代上述VSC，構成LCC-FMMC混合直流輸電系統(tǒng)，利用FMMC所具有的電壓電流四象限運行能力來提升直流的運行控制性能。LCC-FMMC在潮流反轉過程中存在有功無功變化，交流電壓波動，子模塊電容電壓不平衡等需要控制協(xié)調的問題，因此本文著重研究潮流反轉過程的系統(tǒng)相關運行特性，并提出切實可行的控制策略。

1　混合直流拓撲結構

單極大地接線形式的LCC-FMMC混合直流輸電結構如圖1所示。這是最基本的兩端直流拓撲結構。整流站沿用傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)配置，采用12脈動LCC換流器，交流側出口接有交流濾波器和無功補償裝置，直流側出口接有直流濾波器。逆變站由FMMC、接線方式為Y/Δ的換流變壓器組成。

圖1　單極混合直流拓撲結構

FMMC的拓撲結構如圖2所示。采用三相六橋臂結構，每橋臂由N個FBSM級聯(lián)而成，還配置有一個橋臂電抗L0以抑制環(huán)流和故障電流上升率。FBSM由4個IGBT管T1～T4和1個電容C組成，其中Uc為電容電壓。FBSM具有4種運行狀態(tài)：正投入狀態(tài)、負投入狀態(tài)、旁通狀態(tài)和閉鎖狀態(tài)［8］。如表1所示。根據(jù)流入FBSM的電流方向和流經(jīng)器件的路徑，每種運行狀態(tài)又可分為2種具體運行方式。FBSM上述運行狀態(tài)，能夠使得由其級聯(lián)構成的橋臂在滿足交流系統(tǒng)電壓輸出要求的同時輸出任意額定電壓范圍內的正、負電壓。加之FBSM固有的電流雙向運行能力，則FMMC具有電壓電流四象限運行能力。

圖2　FMMC的拓撲結構

表1　FBSM的運行狀態(tài)

2　潮流反轉策略及其影響分析

LCC由于受晶閘管單向電流導通性的約束，具有電流不可反向電壓可反向的特點，因此LCC-FMMC只能通過電壓反向來實現(xiàn)潮流反轉，與LCC-HVDC的潮流反轉機理相似。通過借鑒LCC-HVDC的潮流反轉控制時序，本文提出了適用于LCC-FMMC的潮流反轉控制步驟：（1）在潮流反轉之前，將LCC的控制策略切換至定直流電流控制，將FMMC的控制策略切換至定直流電壓和定交流電壓控制；（2）LCC維持直流電流控制，F(xiàn)MMC直流電壓以一定的速率變化，將其從額定值減小至0，再從0變化至負額定值，同時FMMC控制交流側的電壓幅值維持在額定狀態(tài)；（3）直流電壓反向成功后，LCC將直流電流調整至系統(tǒng)指定值，然后LCC和FMMC的控制策略切換至系統(tǒng)指定控制狀態(tài)；（4）潮流反轉過程結束。

在電壓反轉過程中，F(xiàn)MMC由于具有交流電壓（無功功率）控制能力，因而整個過渡過程對交流系統(tǒng)的電壓影響較小，能夠保證交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是LCC不具有交流電壓調節(jié)能力，直流功率將隨著直流電壓的變化，存在一個先降后反送的過程，無功功率由于受直流功率、觸發(fā)角、換相重疊角等因素的影響，變化更為復雜，對交流系統(tǒng)電壓的擾動十分明顯。因此在整個潮流反轉過程中，要考慮LCC對交流系統(tǒng)電壓的影響。傳統(tǒng)LCC-HVDC在直流電壓反轉前，通常先將直流電流降低至最小值（額定直流電流的10%），以減小潮流反轉過程對系統(tǒng)的擾動［2］。但此方法對交流系統(tǒng)無功的總擾動量并未減少。

本文所提出的LCC-FMMC型混合直流輸電系統(tǒng)采用FMMC直流電壓反向能力來實現(xiàn)直流電壓反向運行。由于FMMC直流電壓是由子模塊堆疊而成，因此在直流電壓從額定值降低至0，再反向增大至負額定值過程中，可有2種途徑來實現(xiàn)此過程。一是投入等效子模塊個數(shù)（上下橋臂子模塊輸出電壓總和）不變，子模塊電容電壓變化；二是子模塊電容電壓基本不變，而是等效子模塊個數(shù)變化。在電壓反轉過程中，F(xiàn)MMC側應始終維持可調制能力，即交流電壓輸出能力要維持一定的裕度，子模塊電容電壓的控制選擇受其影響。

3　LCC控制策略

從上一節(jié)的分析可知，LCC在潮流反轉過程中，功率變化將引起交流側電壓波動，會對交直流系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。因此本文在LCC的定電流控制策略上，引入交流電壓控制，以減少交流電壓的波動。具體的控制策略如圖3所示。其中，Usref和Us分別為LCC交流母線電壓的參考值和測量值，Idref和Id為直流電壓參考值和測量值，α為觸發(fā)角，r為交流電壓控制投切信號，分別以0和1標識電壓控制未投切和已投切。

圖3　LCC直流電流控制框圖

圖3中，Usref來源于控制切換前，穩(wěn)態(tài)運行情況下Us的捕捉值；Idref一般設置為1 p.u.；Idref2為交流電壓控制環(huán)經(jīng)限幅后的輸出值，其中限幅環(huán)節(jié)需要考慮最小電流（如0.1 p.u.）和最大電流（如1.5 p.u.）的運行限制，因此Idref2只允許在0.1～1.5 p.u.變化。r信號一方面用于控制投切，使得直流電流控制的指令值在交流電壓控制未投入情況下為Idref，投入后為Idref2；另一方面，r還作為電壓控制環(huán)內PI控制器的輸出重置觸發(fā)信號，當電壓控制被使能時，r信號突變，觸發(fā)PI控制器的輸出重置為Idref，使得控制切換前后，指令值能夠平滑過渡，不至于對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動。

通過交流電壓外環(huán)，直流電流內環(huán)的控制方式，不僅能夠有效控制交流電壓，同時還能控制直流電流在允許范圍內變化，不至于出現(xiàn)過流或因電流過小而導致的過電壓現(xiàn)象。無論是整流還是逆變狀態(tài)，LCC吸收的無功功率Q可通過下式粗算得到：

式（1，2）中：Ud為直流電壓；NL為一個極中的6脈動換流器數(shù)。

在交流系統(tǒng)中，雖然有功和無功互相耦合，但是，基本保有“有功看功角，無功看電壓”的原則，因此要維持交流母線的電壓Us不變，主要便是維持上述Q在整個潮流反向過程中維持恒定。假設直流電壓Ud受FMMC控制以一定的斜率變化，那么從式（1）和式（2）可以推論出：在整個潮流反轉過程中，為盡量維持交流電壓恒定，直流電流將出現(xiàn)一個先下降后上升的變化過程。

4　FMMC控制策略

根據(jù)FMMC內子模塊的連接特征，假設每個子模塊電容電壓的特性相同，可以得到上、下橋臂級聯(lián)子模塊的輸出電壓分別為［9，10］：

式（3，4）中：j為a，b，c三相；Uc為子模塊電容電壓；nipj和ninj分別為j相上橋臂和下橋臂第i個子模塊的開關函數(shù)，根據(jù)表1所述的正投入、負投入和旁通運行狀態(tài)，可分別賦值為1，-1和0。npj和nnj為j相上橋臂和下橋臂的等效開關函數(shù)。根據(jù)圖2所示的FMMC電路結構，在忽略橋臂電感影響的情況下，可得：

從式（6）可以看出，直流電壓Ud的變化可以通過調節(jié)npj，nnj或電容電壓Uc來實現(xiàn)，與第二節(jié)所述的2種途徑相對應。但是FMMC交流出口處電壓uvj受交流系統(tǒng)影響，其幅值應維持在可接受范圍內，從式（7）可以看出，由于npj，nnj的變化范圍有限，當Uc過低時，uvj將不符合運行要求。另一方面，若Uc跟隨Ud變化，將伴隨有大幅度的充放電現(xiàn)象，增加系統(tǒng)運行復雜性。因此應盡量維持Uc不變。

根據(jù)這個原則，提出了如圖4所示的FMMC控制策略，其中Udiref和Udi為FMMC側直流電壓的參考值和測量值；Usiref和Usi為FMMC交流電壓的參考值和測量值，Upjref和Unjref為j相上、下橋臂電壓參考值；Uc0為子模塊電容電壓額定值；round（x）為最近取整函數(shù)；k（=p，n）表示上、下橋臂。fu為電壓極性標識信號，fu=1 或fu=-1分別表示直流電壓為正或負。

式（5）中：uvj為FMMC j相輸出的交流電壓。將式（3）帶入式（5），并將式（5）上下式分別做差、做和運算，得：

整個控制算法采用目前較為成熟的內外環(huán)控制策略和最近電平逼近控制［10］。根據(jù)圖4的控制邏輯，經(jīng)簡單地計算后得到：

由于Uc0恒定不變，因此（npj+nnj）項將隨著直流電壓Udiref變化。經(jīng)過控制后，Udiref與Ud為十分相近的2個量，聯(lián)合式（6）便可知，通過圖4所示的控制策略，子模塊電容電壓能夠在潮流反轉過程中達到保持穩(wěn)定的效果。c0

圖4　FMMC控制框圖

5　仿真驗證

在PSCAD/EMTDC內建立了如圖1所示的LCC-FMMC仿真平臺。直流額定電壓為200 kV，額定功率為200 MW。LCC采用12脈動換流器，LCC和FMMC側交流線電壓有效值均為345 kV，阻抗分別為119 Ω∠75°（SCR=5）和96 Ω∠75°，換流變壓器變比、容量和漏抗分別為345 kV/90 kV，120 MV·A，0.15 p.u.和345 kV/110 kV，240 MV·A，0.1 p.u.。FBSM的電容和額定電壓設置為6000 μF和5 kV，故而有N=40。直流線路長250 km，采用Bergeron線路模型，電阻為每千米0.02 Ω，感抗為每千米0.271 Ω，容抗為每千米242.4 MΩ。橋臂電抗L0為15 mH，靠近整流站和逆變站的直流側分別配置0.15 H和0.1 H的平波電抗器以抑制紋波，限制故障電流上升率。

t=1.0 s時刻，直流系統(tǒng)開始潮流反轉，同時在LCC側投入交流電壓控制作用，潮流反轉速率為2.0 p.u./s，系統(tǒng)的響應特性如圖5所示。其中圖5（a）至圖5（f）分別給出了LCC側交流電壓有效值Us、直流電壓Ud、直流電流Id、觸發(fā)角α、子模塊電容電壓Uc、A相上橋臂等效開關函數(shù)npa的響應曲線。

從圖5可以看出，直流電壓能夠順利實現(xiàn)反向，在直流電壓變化過程中，LCC側交流電壓能夠有效控制在0.98～1.02 p.u.，直流電流出現(xiàn)了一個先減小后增大的變化過程，與第三節(jié)的分析相符。隨著直流電壓的變化，LCC的觸發(fā)角逐漸增大，從整流狀態(tài)逐漸轉變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，同時FMMC的子模塊電壓開始出現(xiàn)變化，但其能夠快速恢復至額定狀態(tài)。

若直流系統(tǒng)不投入交流電壓控制功能，整個潮流反轉過程始終維持直流電流為1.0 p.u.，圖6給出了LCC側交流電壓有效值和LCC吸收的無功功率（不包含濾波器和無功補償器）的響應曲線。從圖6可以看出，隨著潮流反轉的進行，LCC吸收的無功功率存在一個先增大后減小的過程。穩(wěn)態(tài)情況下，無功功率為127 Mvar，潮流反轉下的無功最大值為225 Mvar，高出額定值77%。隨著無功的變化，交流電壓相應的出現(xiàn)了一個先降后升的過程，最小電壓為0.9 p.u.。與圖5相比，足見交流電壓控制的有效性。

圖5　LCC交流電壓控制使能下的系統(tǒng)響應特性

圖6　LCC交流電壓控制未使能下的系統(tǒng)響應特性

6　結束語

針對LCC-FMMC型混合直流輸電系統(tǒng)的潮流反轉控制，本文提出了潮流反轉時序。理論推導了LCC側定交流電壓控制情況下，LCC吸收的無功功率和直流電流的變化趨勢，并給出相應的控制策略；推導了子模塊電容電壓在潮流反轉期間的可能變化方式，得出電容電壓需維持平衡的結論，并給出電容電壓的平衡控制策略。仿真結果證明了理論分析的正確性和控制策略的有效性。

［1］徐政.交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：1-10.

［2］趙婉君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2004：14-16.

［3］孔明，湯廣福，賀之淵，等.模塊化多電平HVDC輸電系統(tǒng)功率運行區(qū)間的優(yōu)化方法［J］.中國電機工程學報，2013，33（21）：45-52.

［4］管敏淵，徐政.MMC型VSC-HVDC系統(tǒng)電容電壓的優(yōu)化平衡控制［J］.中國電機工程學報，2011，31（12）：9-14.

［5］李廣凱，李庚銀，梁海峰，等.新型混合直流輸電方式的研究［J］.電網(wǎng)技術，2006，30（4）：82-86.

［6］KOTB O，SOOD V K.A Hybrid HVDC Transmission System Supplying a Passive Load［C］//2010 IEEE Electric Power and Energy Conference（EPEC）.August 25-27.Halifax，CA：IEEE，2010：1-5.

［7］CHEN X，SUN H，WEN J，et al.Integrating Wind Farm to the Grid Using Hybrid Multiterminal HVDC Technology［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47（2）：965-972.

［8］ZHAO C，XU J，LI T.DC Faults Ride-through Capability Analysis of Full-bridge MMC-MTDC System［J］.Sci China Tech Sci，2013，56（1）：253-261.

［9］王姍姍，周孝信，湯廣福，等.模塊化多電平換流器HVDC直流雙極短路子模塊過電流分析［J］.中國電機工程學報，2011，31 （1）：1-7.

［10］楊曉峰.模塊組合多電平變換器（MMC）研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

Power Flow Reversal Control Strategy for the Hybrid HVDC System Based on LCC and FMMC

XU Feng，XUAN Xiaohua，HUANG Xiaoming，LU Yi，QIU Peng，CHEN Qian
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310027，China）

Combining the line commutated converter（LCC）and the full bridge modular multilevel converter（FMMC），the LCC-FMMC hybrid HVDC system which is more flexible and excellent is proposed.The control sequence of hybrid DC power flow is presented，and the relationship of the interaction between the AC and DC systems during power flow reversal is analyzed.The AC voltage control strategy and the capacitor voltage balancing control strategy are proposed for the problems of the AC voltage fluctuation on the LCC side and the sub-module capacitor voltage balancing.The simulation results show that the proposed control strategy can effectively realize power flow smooth reversal while guaranteeing the AC voltage on the LCC side stable and the sub-module capacitor voltage balanced.

hybrid HVDC；line commutated converter；modular multilevel converter（MMC）；power flow reversal

TM721.1

A

1009-0665（2015）06-0051-05

2015-08-04；

2015-09-11

許烽（1988），男，浙江上虞人，工程師，研究方向為高壓直流輸電和柔性直流輸電及大功率電力電子技術；

宣曉華（1965），男，浙江諸暨人，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護和計算機自動化；

黃曉明（1969），男，浙江紹興人，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護和計算機自動化；

陸羿（1979），男，浙江嘉善人，高級工程師，研究方向為高壓直流輸電和柔性直流輸電及大功率電力電子技術；

裘鵬（1985），男，浙江嵊州人，工程師，研究方向為高壓直流輸電和柔性直流輸電及大功率電力電子技術；

陳騫（1987），男，浙江金華人，工程師，研究方向為高壓直流輸電和柔性直流輸電及大功率電力電子技術。