董云龍 ，凌衛(wèi)家 ，田 杰 ，胡兆慶 ，李 鋼 ，盧 宇

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

柔性直流輸電技術(shù)是當(dāng)今電力電子技術(shù)應(yīng)用的制高點(diǎn)，它是一種新型的直流輸電技術(shù)，其特點(diǎn)是采用基于全控型器件的電壓源型換流器進(jìn)行直流輸電［1-2］。柔性直流換流器的工作特性類似于無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的發(fā)電機(jī)，可以瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，因此，其具有傳統(tǒng)直流輸電所無法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)［1-4］。

1997年ABB公司成功將全控型器件引入直流輸電領(lǐng)域，首次實(shí)現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)的工程應(yīng)用［3］；2010年11月，世界首個(gè)基于模塊化多電平換流器 MMC（Modular Multilevel Converter）拓?fù)涞娜嵝灾绷鬏旊姽こ獭绹鳷RANSBAY工程投運(yùn)；2011年5月，國內(nèi)首個(gè)柔性直流輸電示范工程——上海南匯柔性直流輸電工程成功試運(yùn)行［5］；2013年12月，世界第一個(gè)三端柔性直流輸電工程——南澳工程正式投運(yùn)；2014年7月，世界第一個(gè)五端柔性直流輸電工程——舟山工程正式投運(yùn)。

隨著模塊化多電平換流器型高壓直流輸電（MMC-HVDC）的成功應(yīng)用，原有的高損耗及動(dòng)態(tài)均壓等制約柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的瓶頸不再存在。而柔性直流輸電因其固有的技術(shù)特點(diǎn)，特別適用于風(fēng)電等新能源接入及構(gòu)筑多端直流輸電系統(tǒng)［6-7］。因此，越來越多的國家對多端柔性直流輸電技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣并付諸工程實(shí)施。歐洲正在規(guī)劃中的北海超級電網(wǎng)正是通過多端柔性直流輸電系統(tǒng)將北海周邊國家豐富的海上風(fēng)電送往歐洲各國。

目前，國內(nèi)外針對多端柔性直流輸電系統(tǒng)的研究主要集中在控制保護(hù)策略上［4］，而針對控制及保護(hù)系統(tǒng)的架構(gòu)研究及工程實(shí)施則鮮見報(bào)道。文獻(xiàn)［5］描述了南匯兩端柔性直流工程控制及保護(hù)系統(tǒng)的組成、軟件配置和運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)［8］描述了柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略、上層控制策略和保護(hù)策略。上述文獻(xiàn)均未對多端柔性直流輸電系統(tǒng)的功能及工程應(yīng)用情況進(jìn)行描述。

本文以舟山五端柔性直流輸電工程為例，對多端柔性直流輸電控制及保護(hù)系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)、功能配置進(jìn)行了論述。最后通過現(xiàn)場試驗(yàn)對多端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)的性能和功能進(jìn)行了全面驗(yàn)證。

1 工程簡介

舟山電網(wǎng)是浙江省11個(gè)地市電網(wǎng)中唯一的海島電網(wǎng)。由于受海島地理?xiàng)l件限制，各島嶼成鏈?zhǔn)椒植?，與舟山本島電網(wǎng)聯(lián)系較弱且島內(nèi)無大的電源支持，運(yùn)行靈活性和可靠性較低。舟山五端柔性直流輸電工程的建設(shè)顯著加強(qiáng)了舟山諸島間的電氣聯(lián)系，提高了供電可靠性。

舟山五端柔性直流輸電工程分別在舟山本島（定海島）、岱山島、衢山島、洋山島和泗礁島建設(shè)5個(gè)柔性直流換流站，設(shè)計(jì)容量分別為400 MW、300 MW、100 MW、100 MW和100 MW，直流電壓等級為±200 kV，是目前世界上已投運(yùn)的端數(shù)最多、電壓等級最高、容量最大的柔性直流輸電系統(tǒng)。各島的換流站設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1所示為目前舟山電網(wǎng)的拓?fù)鋱D。圖中，舟山本島和岱山島分別接入220 kV交流系統(tǒng)；衢山島、洋山島和泗礁島分別接入110 kV交流系統(tǒng)。舟山本島、衢山島以及泗礁島都有風(fēng)電場。另外，泗礁島還通過±50 kV傳統(tǒng)直流輸電線路與上海電網(wǎng)相連。因此，舟山電網(wǎng)是一個(gè)同時(shí)含有多端柔性直流輸電系統(tǒng)、交流電網(wǎng)、傳統(tǒng)直流以及風(fēng)電場的復(fù)雜的弱系統(tǒng)，且其交流、直流系統(tǒng)相互耦合，這對多端柔性直流輸電的控制保護(hù)系統(tǒng)提出了更加苛刻的要求，即必須在各種運(yùn)行方式下都能夠穩(wěn)定運(yùn)行并且具有優(yōu)越的暫態(tài)性能。

表1 交流系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of AC system

圖1 舟山電網(wǎng)拓?fù)銯ig.1 Topology of Zhoushan power grid

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舟山多端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)如圖2所示，其采用嵌入式軟硬件技術(shù)，使用分層、分布式結(jié)構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?yīng)用進(jìn)行更為合理的劃分，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越且運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

整個(gè)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)如下。

（1）運(yùn)行人員控制層。

運(yùn)行人員控制層由遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信層、集控中心層和站內(nèi)運(yùn)行人員控制系統(tǒng)組成。其中，遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信層是將交直流系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和換流站控制保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)信息通過通信通道上送至遠(yuǎn)方調(diào)度中心，同時(shí)將監(jiān)控中心的控制保護(hù)參數(shù)和操作指令傳送到換流站控制保護(hù)系統(tǒng)。集控中心通過遠(yuǎn)動(dòng)通信或站局域網(wǎng)（LAN）延伸模式實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備的完整監(jiān)視和控制。站內(nèi)運(yùn)行人員控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)服務(wù)器、運(yùn)行人員工作站、工程師工作站、站局域網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等，其功能是為換流站運(yùn)行人員提供運(yùn)行監(jiān)視和控制操作的界面。通過運(yùn)行人員控制層設(shè)備，運(yùn)行人員完成包括運(yùn)行監(jiān)視、控制操作、故障或異常工況處理、控制保護(hù)參數(shù)調(diào)整等在內(nèi)的全部運(yùn)行人員控制任務(wù)。

舟山五端柔性直流輸電工程按照無人值守進(jìn)行設(shè)計(jì)，其集控中心設(shè)置在岱山站。

（2）控制保護(hù)設(shè)備層。

控制保護(hù)設(shè)備層實(shí)現(xiàn)整個(gè)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的控制和保護(hù)功能。其中直流控制和保護(hù)采用了整體設(shè)計(jì)，包含了多端系統(tǒng)級、換流站級和換流器級控制保護(hù)功能，并集成在一臺直流控制保護(hù)（PCP）主機(jī)之內(nèi)。另外，控制保護(hù)層設(shè)備還包括交流站控（ACC）系統(tǒng)、站用電控制（SPC）設(shè)備、就地控制（LOC）設(shè)備、站間通信（TCOM）設(shè)備以及聯(lián)接變壓器保護(hù)（CTP）設(shè)備（三取二配置）等。

圖2 多端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of control&protection system for multi-terminal VSC-HVDC

（3）現(xiàn)場 I／O 層。

現(xiàn)場I／O層設(shè)備主要由分布式I／O單元（DFT）以及直流測量接口（DMI）構(gòu)成，其作為控制保護(hù)層設(shè)備與交直流一次系統(tǒng)、換流站輔助系統(tǒng)、站用電設(shè)備以及閥冷控制保護(hù)的接口，完成對一次開關(guān)刀閘設(shè)備狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行信息的采集處理、順序事件記錄、信息上傳、控制命令的輸出以及就地連鎖控制等功能。

原則上，閥控（VBC）系統(tǒng)也屬于現(xiàn)場I／O層設(shè)備范疇，實(shí)現(xiàn)直流控制保護(hù)系統(tǒng)與換流閥的接口。實(shí)際工程中，閥控系統(tǒng)一般由換流閥廠家供貨。

整個(gè)換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)都采用完全冗余的雙重化設(shè)計(jì)，這樣可確保直流輸電系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槿我幌到y(tǒng)的單重故障而發(fā)生停運(yùn)，也不會(huì)因?yàn)閱沃毓收隙Q流站的監(jiān)視。

3 功能設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［5，8］中對兩端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)的基本功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，這些功能同樣適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)，本文不再贅述。本文基于舟山工程，對多端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)所特有的功能進(jìn)行深入描述，這些功能大幅提高了多端柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

3.1 多端協(xié)調(diào)控制

舟山多端柔性直流系統(tǒng)具備多個(gè)站之間協(xié)調(diào)控制的能力。當(dāng)系統(tǒng)中直流電壓控制站因故障退出或因過負(fù)荷失去直流電壓控制能力時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)通過站間通信或者直流電壓偏差檢測自適應(yīng)選取接管策略，在多端系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)直流電壓控制權(quán)轉(zhuǎn)移以及自動(dòng)功率平衡［6-7，9］。

多端協(xié)調(diào)控制的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：站間通信有效時(shí)，直流電壓主控站將故障信息發(fā)送至第一順序接管站，由其接管直流電壓控制權(quán)；站間通信失效時(shí)，所有功率控制站實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電壓，當(dāng)直流電壓實(shí)時(shí)值與額定值的差值超過一定閾值后，經(jīng)過適當(dāng)延時(shí)，所有功率站根據(jù)容量按照優(yōu)先級依次實(shí)現(xiàn)直流電壓接管控制。功率站接管直流電壓控制后，其指令值維持額定電壓或者當(dāng)前運(yùn)行值不變，實(shí)現(xiàn)直流電壓的無偏差接管，提高多端直流系統(tǒng)的可靠性和可用率。

多端柔性直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略也大幅提高了舟山工程運(yùn)行方式的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)從五端到單端共26種運(yùn)行方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3.2 直流側(cè)主動(dòng)充電

柔性直流工程中，無源端的換流閥通過有源端進(jìn)行預(yù)充電，子模塊電壓最多只能充到額定電壓的1／2。如果按照正常解鎖邏輯，解鎖瞬間會(huì)產(chǎn)生非常大的直流過電流。舟山工程中采用了直流側(cè)主動(dòng)充電策略，解鎖瞬間所有子模塊處于投入狀態(tài)，此時(shí)上下橋臂的模塊電壓之和等于直流側(cè)電壓，不會(huì)產(chǎn)生解鎖沖擊電流。隨后逐漸減少橋臂中的導(dǎo)通子模塊個(gè)數(shù)，最終每個(gè)橋臂中的導(dǎo)通子模塊個(gè)數(shù)為n／2（其中n為每個(gè)橋臂的工作子模塊總個(gè)數(shù)），自然過渡至正常運(yùn)行時(shí)參考電壓為0的狀態(tài)。通過每次僅減少數(shù)個(gè)導(dǎo)通子模塊并等待子模塊電壓穩(wěn)定后再繼續(xù)減少導(dǎo)通數(shù)量，可將橋臂中的電流控制在很小的狀態(tài)［2］。

直流側(cè)主動(dòng)充電步驟如下：

a.換流器直流側(cè)不控充電穩(wěn)定后，以導(dǎo)通所有子模塊的方式解鎖換流器；

b.按照一定運(yùn)行周期，將各橋臂的導(dǎo)通子模塊數(shù)量逐步減少至n／2，逐步減少數(shù)量Δn使其滿足Δn=min（Δnset，N-n／2）［2］，其中 Δnset為每個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)導(dǎo)通子模塊的增加數(shù)量整定值，N為每個(gè)橋臂總的模塊數(shù)量；

c.保持各橋臂導(dǎo)通子模塊個(gè)數(shù)恒定。

3.3 快速負(fù)序控制

快速負(fù)序控制是一種基于故障負(fù)序電壓疊加的控制方法，本方法是通過檢測網(wǎng)側(cè)電壓中負(fù)序成分，將負(fù)序成分作為控制器輸出前饋環(huán)節(jié)，直接疊加到控制輸出最終參考電壓，達(dá)到減少故障負(fù)序電流目的［9-12］。

設(shè)定原始輸出參考電壓為下標(biāo)r表示參考電壓，上標(biāo)+、-分別表示正序和負(fù)序，原始輸出參考電壓一般按照矢量控制設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)過程參見文獻(xiàn)［12］，本文不再贅述，則快速負(fù)序控制原理圖見圖3，圖中參數(shù)定義見文獻(xiàn)［12］。

圖3 快速負(fù)序控制框圖Fig.3 Block diagram of fast negative-sequence control

輸出參考電壓最終變換到abc三相坐標(biāo)，變換之前采用αβ靜止坐標(biāo)系可表示為網(wǎng)側(cè)電壓負(fù)序成分轉(zhuǎn)化到相同的αβ靜止坐標(biāo)系下表示為

最終輸出電壓可以表示為：

其中為控制器原始輸出為負(fù)序電壓疊加成分。

將得到的控制輸出電壓 urαβ，經(jīng)過 αβ／abc坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至三相坐標(biāo)下，得到最終的輸出參考電壓urabc，經(jīng)過調(diào)制環(huán)節(jié)［12］后得到換流器觸發(fā)脈沖。

使用上述方法不僅可以消除故障電流中的負(fù)序分量，而且又避免了負(fù)序電流分解環(huán)節(jié)［12］，以及負(fù)序電流分解和在線計(jì)算延時(shí)給控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶來的不利影響，省去了負(fù)序電流控制環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)過程［13-17］。

3.4 在線聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行

舟山多端柔性直流和交流系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行后，舟山電網(wǎng)存在單站進(jìn)入孤島運(yùn)行以及多站同時(shí)進(jìn)入孤島運(yùn)行的可能性。某一個(gè)換流站從聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)，需要在線判斷轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行的時(shí)刻，然后從正常運(yùn)行時(shí)的有源控制方式平滑切換到孤島運(yùn)行控制方式［18］，轉(zhuǎn)換判據(jù)是通過檢測柔性直流換流站的交流側(cè)電壓的頻率變化情況實(shí)現(xiàn)的，即檢測到頻率變化量Δf>F_set（F_set為整定值）時(shí)，判斷進(jìn)入孤島狀態(tài)。一般情況下，交流系統(tǒng)擾動(dòng)的頻率變化量不會(huì)超過0.2 Hz。通過對舟山電網(wǎng)的仿真及故障掃描，在保留一定裕度的情況下，確定F_set為0.5 Hz。

除了檢測頻率變化量之外，為避免系統(tǒng)誤進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，要求上述檢測判據(jù)還需躲開網(wǎng)側(cè)交流三相接地瞬時(shí)性故障及其恢復(fù)的過程。因此，在上述判據(jù)的基礎(chǔ)上，增加了輔助性判據(jù)，即網(wǎng)側(cè)交流電壓低于一定閾值時(shí)，屏蔽孤島檢測功能。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 多端協(xié)調(diào)控制

本試驗(yàn)在容量最大的定海站進(jìn)行，模擬定海站運(yùn)行期間由于水冷限負(fù)荷啟動(dòng)，失去直流電壓控制能力后，岱山站接管直流電壓控制權(quán)。

圖4為定海站失去直流電壓控制瞬間波形，圖5為岱山站接管直流電壓控制權(quán)瞬間的波形，可以看出整個(gè)多端直流系統(tǒng)在直流電壓控制權(quán)轉(zhuǎn)移過程中運(yùn)行平穩(wěn)。

4.2 直流側(cè)主動(dòng)充電

岱山站模擬無源端，定海站通過直流線路對岱山站的換流閥進(jìn)行直流側(cè)主動(dòng)充電，每50 ms上、下橋臂分別減少1個(gè)導(dǎo)通子模塊，直至上、下橋臂導(dǎo)通子模塊個(gè)數(shù)均為125個(gè)，得到的現(xiàn)場試驗(yàn)波形見圖6，其中子模塊電容電壓為標(biāo)幺值。

圖4 定海站失去直流電壓控制瞬間的波形Fig.4 Waveforms when Dinghai station loses DC voltage control

圖5 岱山站接管直流電壓控制后的波形Fig.5 Waveforms after Daishan station takes over DC voltage control

圖6 主動(dòng)充電試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of active charging test

圖4—6所示結(jié)果表明，在主動(dòng)充電過程中，6個(gè)橋臂的子模塊電容電壓逐漸升高至穩(wěn)態(tài)，該過程對換流器以及直流網(wǎng)絡(luò)的擾動(dòng)均較小，不會(huì)出現(xiàn)過電流現(xiàn)象［19］。

4.3 快速負(fù)序控制

在定海站模擬單相接地故障以驗(yàn)證3.3節(jié)所述快速負(fù)序控制的有效性?？焖儇?fù)序控制試驗(yàn)?zāi)M交流側(cè)c相發(fā)生100 ms單相接地故障，c相開關(guān)跳開后1 s重合，試驗(yàn)前定海站向直流側(cè)輸送有功功率52 MW，圖7為故障期間c相開關(guān)跳開后的波形。

圖7 定海站單相接地故障試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of single-phase grounding fault test in Dinghai station

從以上結(jié)果可以看出，故障期間，網(wǎng)側(cè)c相開關(guān)跳開后，網(wǎng)側(cè)c相電流為0，直流正、負(fù)極電壓無擾動(dòng)，多端柔性直流系統(tǒng)維持運(yùn)行，不受影響。故障1 s后c相開關(guān)重合成功，多端柔性直流系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 在線聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行

在線聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行試驗(yàn)在衢山站進(jìn)行，通過分開換流站交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)模擬衢山站和交流系統(tǒng)失去聯(lián)系后的異常狀態(tài)（帶少量負(fù)荷），檢驗(yàn)衢山站以及整個(gè)多端直流系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行。

試驗(yàn)前定海站控制直流電壓，衢山站處于交流聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，控制方式為定功率控制。交流側(cè)開關(guān)斷開后，衢山站通過檢測交流系統(tǒng)頻率變化情況，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為孤島運(yùn)行狀態(tài)，控制模式從定功率控制狀態(tài)平滑切換到孤島控制（定交流電壓和定頻率控制），作為唯一電源對負(fù)荷進(jìn)行供電［20］。

圖8為衢山站檢測到孤島運(yùn)行狀態(tài)后從有源控制方式轉(zhuǎn)換到孤島控制瞬間的波形。

圖8 衢山站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行瞬間波形Fig.8 Waveforms when Qushan station switches over from grid-connecting mode to islanding mode

從圖8可以看出，衢山站直流電壓和輸出閥側(cè)交流電壓在轉(zhuǎn)換前后無變化，實(shí)現(xiàn)了從有源控制方式平滑切換至孤島控制方式。

5 結(jié)語

本文介紹了多端柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、硬件配置以及功能設(shè)計(jì)。詳細(xì)描述了多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制、快速負(fù)序控制、直流側(cè)主動(dòng)充電以及在線聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行等策略?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，多端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)工程所需的各項(xiàng)控制功能，提高多端柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性和靈活性。控制器在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中都具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性，適合多端柔性直流輸電工程的應(yīng)用。舟山多端柔性直流輸電工程的投運(yùn)，極大提高了舟山電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性和可靠性。但是由于MMC拓?fù)洳痪邆渲绷鞴收献郧宄芰?，因此有必要繼續(xù)開展直流故障快速恢復(fù)的功能研究。

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