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(zhuǎn)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(xué)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(zhuǎn)的控制時(shí)序，分析了潮流反轉(zhuǎn)期間交直流系統(tǒng)之間的相互影響關(guān)系。針對(duì)LCC側(cè)交流電壓波動(dòng)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(jié)果表明，提出的控制策略能夠在保證LCC側(cè)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(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)

電網(wǎng)換相換流器（LCC）制造成本低、技術(shù)成熟度高、運(yùn)行損耗?。?，2］；電壓源型換流器（VSC）能夠獨(dú)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(guān)損耗小、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)倍受青睞［3，4］。結(jié)合LCC和VSC兩者優(yōu)勢(shì)，將LCC應(yīng)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(yīng)用前景。目前，利用VSC各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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?fù)涠即嬖谥恍﹩栴}，即VSC側(cè)不能有效清除直流故障；LCC側(cè)發(fā)生較為嚴(yán)重的交流故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)功率傳輸中斷；不具有大幅度直流降壓運(yùn)行能力；不能實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

為解決這些問題，同時(shí)使得直流系統(tǒng)具有更加靈活的運(yùn)行能力，本文采用由全橋子模塊（FBSM）級(jí)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(gòu)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(yùn)行能力來提升直流的運(yùn)行控制性能。LCC-FMMC在潮流反轉(zhuǎn)過程中存在有功無功變化，交流電壓波動(dòng)，子模塊電容電壓不平衡等需要控制協(xié)調(diào)的問題，因此本文著重研究潮流反轉(zhuǎn)過程的系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行特性，并提出切實(shí)可行的控制策略。

1　混合直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單極大地接線形式的LCC-FMMC混合直流輸電結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是最基本的兩端直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整流站沿用傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)配置，采用12脈動(dòng)LCC換流器，交流側(cè)出口接有交流濾波器和無功補(bǔ)償裝置，直流側(cè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

FMMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。采用三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每橋臂由N個(gè)FBSM級(jí)聯(lián)而成，還配置有一個(gè)橋臂電抗L0以抑制環(huán)流和故障電流上升率。FBSM由4個(gè)IGBT管T1～T4和1個(gè)電容C組成，其中Uc為電容電壓。FBSM具有4種運(yùn)行狀態(tài)：正投入狀態(tài)、負(fù)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(yùn)行狀態(tài)又可分為2種具體運(yùn)行方式。FBSM上述運(yùn)行狀態(tài)，能夠使得由其級(jí)聯(lián)構(gòu)成的橋臂在滿足交流系統(tǒng)電壓輸出要求的同時(shí)輸出任意額定電壓范圍內(nèi)的正、負(fù)電壓。加之FBSM固有的電流雙向運(yùn)行能力，則FMMC具有電壓電流四象限運(yùn)行能力。

圖2　FMMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1　FBSM的運(yùn)行狀態(tài)

2　潮流反轉(zhuǎn)策略及其影響分析

LCC由于受晶閘管單向電流導(dǎo)通性的約束，具有電流不可反向電壓可反向的特點(diǎn)，因此LCC-FMMC只能通過電壓反向來實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，與LCC-HVDC的潮流反轉(zhuǎn)機(jī)理相似。通過借鑒LCC-HVDC的潮流反轉(zhuǎn)控制時(shí)序，本文提出了適用于LCC-FMMC的潮流反轉(zhuǎn)控制步驟：（1）在潮流反轉(zhuǎn)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?gòu)?變化至負(fù)額定值，同時(shí)FMMC控制交流側(cè)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(diào)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(zhuǎn)過程結(jié)束。

在電壓反轉(zhuǎn)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(gè)過渡過程對(duì)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(yùn)行。但是LCC不具有交流電壓調(diào)節(jié)能力，直流功率將隨著直流電壓的變化，存在一個(gè)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(fù)雜，對(duì)交流系統(tǒng)電壓的擾動(dòng)十分明顯。因此在整個(gè)潮流反轉(zhuǎn)過程中，要考慮LCC對(duì)交流系統(tǒng)電壓的影響。傳統(tǒng)LCC-HVDC在直流電壓反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)［2］。但此方法對(duì)交流系統(tǒng)無功的總擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)直流電壓反向運(yùn)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(fù)額定值過程中，可有2種途徑來實(shí)現(xiàn)此過程。一是投入等效子模塊個(gè)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(gè)數(shù)變化。在電壓反轉(zhuǎn)過程中，F(xiàn)MMC側(cè)應(yīng)始終維持可調(diào)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(zhuǎn)過程中，功率變化將引起交流側(cè)電壓波動(dòng)，會(huì)對(duì)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(dòng)。具體的控制策略如圖3所示。其中，Usref和Us分別為L(zhǎng)CC交流母線電壓的參考值和測(cè)量值，Idref和Id為直流電壓參考值和測(cè)量值，α為觸發(fā)角，r為交流電壓控制投切信號(hào)，分別以0和1標(biāo)識(shí)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(yùn)行情況下Us的捕捉值；Idref一般設(shè)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(yùn)行限制，因此Idref2只允許在0.1～1.5 p.u.變化。r信號(hào)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(nèi)PI控制器的輸出重置觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)電壓控制被使能時(shí)，r信號(hào)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。

通過交流電壓外環(huán)，直流電流內(nèi)環(huán)的控制方式，不僅能夠有效控制交流電壓，同時(shí)還能控制直流電流在允許范圍內(nèi)變化，不至于出現(xiàn)過流或因電流過小而導(dǎo)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(gè)極中的6脈動(dòng)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(gè)潮流反向過程中維持恒定。假設(shè)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(gè)潮流反轉(zhuǎn)過程中，為盡量維持交流電壓恒定，直流電流將出現(xiàn)一個(gè)先下降后上升的變化過程。

4　FMMC控制策略

根據(jù)FMMC內(nèi)子模塊的連接特征，假設(shè)每個(gè)子模塊電容電壓的特性相同，可以得到上、下橋臂級(jí)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(gè)子模塊的開關(guān)函數(shù)，根據(jù)表1所述的正投入、負(fù)投入和旁通運(yùn)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(guān)函數(shù)。根據(jù)圖2所示的FMMC電路結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)npj，nnj或電容電壓Uc來實(shí)現(xiàn)，與第二節(jié)所述的2種途徑相對(duì)應(yīng)。但是FMMC交流出口處電壓uvj受交流系統(tǒng)影響，其幅值應(yīng)維持在可接受范圍內(nèi)，從式（7）可以看出，由于npj，nnj的變化范圍有限，當(dāng)Uc過低時(shí)，uvj將不符合運(yùn)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(yùn)行復(fù)雜性。因此應(yīng)盡量維持Uc不變。

根據(jù)這個(gè)原則，提出了如圖4所示的FMMC控制策略，其中Udiref和Udi為FMMC側(cè)直流電壓的參考值和測(cè)量值；Usiref和Usi為FMMC交流電壓的參考值和測(cè)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(biāo)識(shí)信號(hào)，fu=1 或fu=-1分別表示直流電壓為正或負(fù)。

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(yùn)算，得：

整個(gè)控制算法采用目前較為成熟的內(nèi)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(jiǎn)單地計(jì)算后得到：

由于Uc0恒定不變，因此（npj+nnj）項(xiàng)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(gè)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(zhuǎn)過程中達(dá)到保持穩(wěn)定的效果。c0

圖4　FMMC控制框圖

5　仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC內(nèi)建立了如圖1所示的LCC-FMMC仿真平臺(tái)。直流額定電壓為200 kV，額定功率為200 MW。LCC采用12脈動(dòng)換流器，LCC和FMMC側(cè)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(shè)置為6000 μF和5 kV，故而有N=40。直流線路長(zhǎng)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(cè)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(shí)刻，直流系統(tǒng)開始潮流反轉(zhuǎn)，同時(shí)在LCC側(cè)投入交流電壓控制作用，潮流反轉(zhuǎn)速率為2.0 p.u./s，系統(tǒng)的響應(yīng)特性如圖5所示。其中圖5（a）至圖5（f）分別給出了LCC側(cè)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(guān)函數(shù)npa的響應(yīng)曲線。

從圖5可以看出，直流電壓能夠順利實(shí)現(xiàn)反向，在直流電壓變化過程中，LCC側(cè)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(gè)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(zhuǎn)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，同時(shí)FMMC的子模塊電壓開始出現(xiàn)變化，但其能夠快速恢復(fù)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(gè)潮流反轉(zhuǎn)過程始終維持直流電流為1.0 p.u.，圖6給出了LCC側(cè)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(bǔ)償器）的響應(yīng)曲線。從圖6可以看出，隨著潮流反轉(zhuǎn)的進(jìn)行，LCC吸收的無功功率存在一個(gè)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(zhuǎn)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(yīng)的出現(xiàn)了一個(gè)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(yīng)特性

圖6　LCC交流電壓控制未使能下的系統(tǒng)響應(yīng)特性

6　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)LCC-FMMC型混合直流輸電系統(tǒng)的潮流反轉(zhuǎn)控制，本文提出了潮流反轉(zhuǎn)時(shí)序。理論推導(dǎo)了LCC側(cè)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(shì)，并給出相應(yīng)的控制策略；推導(dǎo)了子模塊電容電壓在潮流反轉(zhuǎn)期間的可能變化方式，得出電容電壓需維持平衡的結(jié)論，并給出電容電壓的平衡控制策略。仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性和控制策略的有效性。

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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?yàn)楦邏褐绷鬏旊姾腿嵝灾绷鬏旊娂按蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)；

宣曉華（1965），男，浙江諸暨人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)化；

黃曉明（1969），男，浙江紹興人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)化；

陸羿（1979），男，浙江嘉善人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姾腿嵝灾绷鬏旊娂按蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)；

裘鵬（1985），男，浙江嵊州人，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姾腿嵝灾绷鬏旊娂按蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)；

陳騫（1987），男，浙江金華人，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姾腿嵝灾绷鬏旊娂按蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)。