鐘 誠(chéng)， 吳星昭

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 吉林 吉林 132012)

0 引言

近年來，華北地區(qū)及兩廣地區(qū)都相繼開展了有關(guān)混合直流輸電技術(shù)(Hybrid based high voltage direct current，Hybrid-HVDC)的示范工程，使常規(guī)直流輸電(LCC-HVDC)和柔性直流輸電(VSC-HVDC)的結(jié)合成為可能，混合直流輸電系統(tǒng)發(fā)展正在不斷擴(kuò)大[1]。在眾多柔性直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，模塊化多電平換流器高壓直流輸電(MMC-HVDC)因其具有開關(guān)頻率低、損耗小、無需交流濾波及無功補(bǔ)償裝置等優(yōu)點(diǎn)，具有深入研究與應(yīng)用的可行性。基于LCC-MMC的混合直流輸電技術(shù)正是綜合了以上兩種直流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使直流系統(tǒng)控制靈活，并降低了投資建設(shè)成本，在遠(yuǎn)距離大容量的輸電要求下不斷完善與發(fā)展[2]。多端直流輸電系統(tǒng)是指由交流系統(tǒng)引出，在直流輸電線路端口處由3個(gè)或3個(gè)以上換流站所組成的系統(tǒng)，其換流器可采用LCC或MMC[3]。在Hybrid-HVDC系統(tǒng)中融入多端輸電技術(shù)，構(gòu)成混合多端直流輸電系統(tǒng)(Hybrid-MTDC)。

混合多端直流輸電系統(tǒng)的順利啟動(dòng)過程是該系統(tǒng)維持正常運(yùn)行的前提條件，當(dāng)混合三端系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，若不采用相應(yīng)的控制策略，將產(chǎn)生嚴(yán)重的啟動(dòng)過電壓和啟動(dòng)過電流，對(duì)整個(gè)換流裝置造成損壞，從而危及直流線路的安全[4]。文獻(xiàn)[5]對(duì)MMC-MTDC的啟動(dòng)控制進(jìn)行研究，揭示了MMC在多端系統(tǒng)啟動(dòng)過程產(chǎn)生過電流的原因。文獻(xiàn)[6，7]給出了常規(guī)直流輸電系統(tǒng)LCC-HVDC的啟動(dòng)特點(diǎn)及運(yùn)行特性。文獻(xiàn)[8]對(duì)雙極結(jié)構(gòu)下LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)的啟動(dòng)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[9]介紹了偽雙極結(jié)構(gòu)下的VSC-LCC混合直流系統(tǒng)的平滑啟動(dòng)控制方案。文獻(xiàn)[10]給出了送端連接風(fēng)電場(chǎng)情況下混合高壓直流輸電系統(tǒng)的啟動(dòng)控制特性研究。

本文首先給出了LCC-MMC混合三端直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，設(shè)計(jì)了LCC和MMC各自的系統(tǒng)控制方式，保證三站之間功率傳輸平衡、直流線路電壓穩(wěn)定。在結(jié)合傳統(tǒng)直流系統(tǒng)和柔性直流系統(tǒng)啟動(dòng)控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種適合混合三端直流輸電系統(tǒng)的階段式啟動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)了從各站停機(jī)運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)過渡到正常運(yùn)行狀態(tài)的過程。在PSCAD/EMTDC仿真軟件下建立LCC-MMC混合三端直流輸電系統(tǒng)模型，驗(yàn)證該啟動(dòng)方案是可行的。LCC-MMC型混合多端直流輸電系統(tǒng)的出現(xiàn)，能夠緩解國(guó)內(nèi)復(fù)雜電網(wǎng)中單電源供電、多落點(diǎn)受電的實(shí)際問題，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，具有廣泛的應(yīng)用前景[11]。

1 LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及控制策略

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LCC-MMC混合三端直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。12脈動(dòng)LCC換流器經(jīng)由兩個(gè)6脈動(dòng)整流橋組成，再通過變壓器T1、T2接入交流系統(tǒng)1，送端LCC在直流線路出口處串聯(lián)平波電抗器，系統(tǒng)側(cè)并聯(lián)接入濾波器；受端均為MMC換流器，分別通過變壓器T3、T4連接交流系統(tǒng)2、交流系統(tǒng)3，變壓器網(wǎng)側(cè)接入限流電阻R1、R2以及交流斷路器S1、S2、S3，在MMC1、MMC2直流線路出口處設(shè)置直流斷路器DCBrk1、DCBrk2。

圖1 混合三端直流輸電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.2 數(shù)學(xué)模型

基于LCC-MMC的三端混合直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可分別由LCC、MMC兩側(cè)進(jìn)行推導(dǎo)。送端為晶閘管換流器LCC，對(duì)地直流電壓UdLCC為[12]：

(1)

MMC結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型為[13]：

(2)

受端MMC的直流電壓UdMMC：

(3)

在各換流器直流線路出口處的直流電流為：

(4)

式中：uk表示交流換相電壓的k相電壓(k=a、b、c)；ik表示k相交流換相電流；upk、unk分別表示k相上下橋臂子模塊電容電壓；uk、ik、upk、unk為關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)；Ls表示每橋臂電抗值，Rs表示每橋臂等效電阻值；vm表示換流變壓器閥側(cè)交流相電壓峰值；m表示調(diào)制比，取決于子模塊電容電壓充電控制方式。

1.3 系統(tǒng)控制策略

為了能夠?qū)崿F(xiàn)本文所研究系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，需在送端和受端之間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[14]。送端LCC通過控制α角實(shí)現(xiàn)定直流電流控制，為受端MMC提供了功率傳輸所需的穩(wěn)定的直流電流；兩個(gè)受端MMC采用定直流電壓控制和定有功功率控制，在啟動(dòng)過程中均通過設(shè)定直流電壓指令值對(duì)子模塊的電容均衡充電，使整個(gè)系統(tǒng)的直流線路電壓快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并在三端系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)切換至各自控制模式，從而實(shí)現(xiàn)受端系統(tǒng)功率的靈活控制。

整流側(cè)LCC控制策略采用定直流電流控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)α角的控制[15]，整流側(cè)的控制框圖如圖2所示。

圖2 LCC觸發(fā)角α控制框圖

受端均為MMC換流器，采用技術(shù)成熟的直流電流雙閉環(huán)解耦控制(dq解耦控制方式，也稱為“矢量控制”)。該控制系統(tǒng)主要包括內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)電壓、功率控制器[16]。其受端MMC內(nèi)環(huán)比例積分控制如圖3所示。

圖3 MMC內(nèi)環(huán)電流控制器結(jié)構(gòu)框圖

為了實(shí)現(xiàn)混合三端直流輸電系統(tǒng)的傳輸功率水平恒定，受端MMC1采用定直流電壓及無功功率控制，受端MMC2采用定有功功率及無功功率控制。其受端控制框圖如圖4所示。

圖4 MMC外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 LCC-MMC混合三端直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)策略

2.1 子模塊預(yù)充電控制

LCC在啟動(dòng)時(shí)只需對(duì)換流器晶閘管進(jìn)行解鎖，并通過控制觸發(fā)角α調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制量；MMC在啟動(dòng)時(shí)需考慮子模塊電容的預(yù)充電環(huán)節(jié)，且兩個(gè)受端MMC都從各自交流系統(tǒng)取電，因其控制相對(duì)復(fù)雜，需展開詳細(xì)設(shè)計(jì)。

(1)限流電阻設(shè)計(jì)

當(dāng)MMC子模塊處于閉鎖狀態(tài)為電容充電時(shí)，需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮璨⑼度氤潆娀芈分?，降低最大充電電流峰值，起到保護(hù)換流器件的作用。

MMC閉鎖充電回路如圖5所示，通過建立回路微分方程，可得：

(5)

式中：Rst為限流電阻；up為相電壓峰值；N為子模塊個(gè)數(shù)；Rdiode為二極管通態(tài)等效電阻；Ls為橋臂電抗值。

圖5 MMC相間充電回路

(2)可控充電控制設(shè)計(jì)

由于在閉鎖充電階段，電容電壓只能被充至線電壓峰值，因此在可控充電階段通過PWM控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的控制，繼續(xù)為MMC子模塊中的電容充電，最終達(dá)到額定直流電壓，則整體子模塊預(yù)充電階段結(jié)束[17，18]?？煽爻潆婋A段流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 子模塊可控預(yù)充電流程

2.2 啟動(dòng)控制策略

混合三端直流輸電系統(tǒng)的啟動(dòng)控制應(yīng)考慮送端LCC和受端MMC在啟動(dòng)過程中具有的各自不同特點(diǎn)。

LCC換流器的啟動(dòng)控制主要包括LCC從停運(yùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)，以及輸送功率從零增加到給定值的過程。當(dāng)解鎖晶閘管開始調(diào)節(jié)電流控制器時(shí)，添加電流斜坡控制，使三端系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中減小過電流和過電壓，同時(shí)減小啟動(dòng)時(shí)對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊。

MMC換流器的啟動(dòng)前期需要在直流側(cè)建立直流電壓，針對(duì)子模塊電容充電方式可以選擇直流側(cè)充電和交流側(cè)充電兩種，直流側(cè)通過添加輔助電源為其充電，待充電結(jié)束后退出直流線路，這種方式既不經(jīng)濟(jì)，也不現(xiàn)實(shí)；從交流電源處取電，完成MMC子模塊電容充電的方式能夠滿足同時(shí)為兩個(gè)MMC站充電。本文啟動(dòng)方案中選擇在閉鎖充電階段投入限流電阻，MMC側(cè)通過子模塊中反并聯(lián)二極管實(shí)現(xiàn)子模塊電容不控預(yù)充電，待不控預(yù)充電階段結(jié)束，退出限流電阻以減小損耗。

混合三端系統(tǒng)的啟動(dòng)過程可以先完成LCC-MMC兩端系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，再通過直流斷路器，投入受端MMC2，同時(shí)切換MMC2運(yùn)行的控制策略，實(shí)現(xiàn)MMC1維持直流電壓穩(wěn)定，MMC2靈活調(diào)節(jié)直流功率分配的混合三端直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

本文提出的啟動(dòng)控制方法如圖7所示，混合三端直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)控制策略可分為以下3個(gè)階段：

圖7 階段啟動(dòng)流程圖

(1)MMC子模塊不控充電階段

使子模塊IGBT工作的前提是從子模塊直流電容中取電從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但是在啟動(dòng)開始瞬間，子模塊電容初始電壓為零，所以必須先對(duì)子模塊電容進(jìn)行預(yù)充電才可滿足子模塊IGBT工作電壓。系統(tǒng)初始化完成后，通過受端交流系統(tǒng)分別為兩個(gè)MMC逆變站子模塊進(jìn)行不控預(yù)充電，此階段LCC站的晶閘管、MMC1和MMC2的子模塊均處于閉鎖狀態(tài)，直流斷路器斷開，直流線路沒有電流通路。

(2)各換流站解鎖階段

首先解鎖MMC1和MMC2，均采用定電壓控制方式且電壓指令值相同，建立直流線路電壓。待直流電壓穩(wěn)定建立，閉合MMC1直流線路出口處直流斷路器，系統(tǒng)發(fā)出LCC解鎖指令，開始提升電流并建立功率傳輸，進(jìn)入LCC-MMC1雙端系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)MMC2直流線路出口處直流斷路器仍處于斷開狀態(tài)。

(3)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制階段

等待LCC-MMC雙端系統(tǒng)穩(wěn)定，閉合直流斷路器，接入第三端，此時(shí)LCC換流站收到直流斷路器閉合指令后，減小觸發(fā)角提升電流，增大直流功率。閉合直流斷路器同時(shí)切換MMC2的控制模式，回到定功率控制模式，開始吸收直流線路功率，待三端系統(tǒng)穩(wěn)定，啟動(dòng)過程完成。

3 PSCAD仿真分析

本文在PSCAD仿真軟件下搭建了混合三端直流輸電系統(tǒng)模型，用以驗(yàn)證上述有關(guān)系統(tǒng)啟動(dòng)控制策略的正確性。系統(tǒng)仿真中基本參數(shù)見表1和表2。

表1 混合三端直流輸電系統(tǒng)換流站主要參數(shù)

表2 混合三端直流輸電系統(tǒng)直流線路主要參數(shù)

啟動(dòng)過程仿真波形如圖8～圖13所示。

圖8 子模塊預(yù)充電階段A相上橋臂電流

圖8表示在MMC子模塊預(yù)充電階段橋臂電流的變化曲線。在t=0 s時(shí)在MMC1、MMC2換流變壓器網(wǎng)側(cè)投入限流電阻；在0～0.25 s為不控預(yù)充電階段，最大充電電流為1.02 kA，滿足式(5)中最大充電電流與限流電阻的關(guān)系；當(dāng)t=0.25 s時(shí)將限流電阻旁路；當(dāng)0.25 s～0.45 s為解鎖IGBT可控充電階段，橋臂充電電流逐漸穩(wěn)定。

圖9 子模塊預(yù)充電階段A相上橋臂電壓

圖9表示在MMC子模塊預(yù)充電階段橋臂電壓的變化曲線。在0～0.25 s不控充電階段逐漸上升到180 kV，t=0.25 s后解鎖MMC子模塊的IGBT，進(jìn)入可控充電階段，使橋臂電壓值跟隨直流電壓指令值上升，并維持在電壓指令值250 kV附近。

圖10為啟動(dòng)過程中直流電壓變化曲線。0～0.25 s時(shí)逆變側(cè)交流系統(tǒng)通過MMC反并聯(lián)二極管作不控整流對(duì)子模塊電容充電；t=0.25 s 時(shí)MMC直流電壓達(dá)到線電壓峰值367 kV，此時(shí)解鎖MMC子模塊IGBT，將限流電阻退出并進(jìn)入定電壓控制模式，使直流電壓在可控均衡策略下上升至指令值500 kV；t=0.42 s時(shí)刻閉合DCBrk1，連接成LCC-MMC1兩端直流系統(tǒng)；t=0.45 s時(shí)解鎖LCC，兩端系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；待t=1.0 s時(shí)閉合DCBrk2并提升LCC輸出功率，t=1.05 s切換MMC2控制為定有功功率控制，直流電壓逐漸平穩(wěn)至指令值，不再發(fā)生波動(dòng)。

圖10 三端系統(tǒng)各站直流線路出口處電壓

圖11為啟動(dòng)過程中LCC觸發(fā)角變化曲線。t=0～0.45 s時(shí)，系統(tǒng)處于MMC預(yù)充電階段，LCC處于待命狀態(tài)；當(dāng)t=0.45 s時(shí)，解鎖LCC，觸發(fā)角由90°(1.57 rad)逐漸變至28°(0.5 rad)；當(dāng)t=1.0 s時(shí)增大直流電流指令值，減小觸發(fā)角至22°(0.4 rad)；t=1.5 s后觸發(fā)角一直控制在22°附近并保持穩(wěn)定。

圖11 觸發(fā)角α仿真波形

圖12為啟動(dòng)過程中各站直流電流變化曲線。t=0～0.42 s時(shí)直流線路處于斷開狀態(tài)；t=0.45 s時(shí)解鎖LCC提升電流至1.0 kA，構(gòu)成LCC-MMC1兩端直流系統(tǒng)；t=1.0 s減小觸發(fā)角，增大電流至 2.0 kA，使LCC-MMC1-MMC2三端直流系統(tǒng)運(yùn)行；在t=1.0 s閉合MMC2側(cè)直流斷路器瞬間，MMC1直流電流出現(xiàn)暫時(shí)跌落，于t=1.5 s后，LCC直流線路電流穩(wěn)定在2.0 kA，MMC1、MMC2直流線路電流均穩(wěn)定在1.0 kA。從圖12可以看出，在啟動(dòng)過程中未出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，系統(tǒng)控制器控制效果良好，響應(yīng)速度快。

圖12 三端系統(tǒng)各站直流線路出口處電流

圖13為啟動(dòng)過程中三端換流站有功功率、無功功率變化曲線。t=1.5 s后，送端LCC的交流系統(tǒng)輸出有功功率為1 000 MW，吸收無功功率為 100 Mvar；受端MMC1交流系統(tǒng)吸收有功功率為500 MW，發(fā)出無功功率為250 Mvar；受端MMC2交流系統(tǒng)吸收有功功率500 MW，發(fā)出無功功率 250 Mvar。

圖13 啟動(dòng)過程中各換流站功率變化波形

由以上仿真結(jié)果可知，在采用本文所設(shè)計(jì)的啟動(dòng)控制策略后，各換流站可以較平穩(wěn)地從無電狀態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，在整個(gè)啟動(dòng)過程中，各換流站未出現(xiàn)過電壓過電流現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)LCC-MMC三端混合直流輸電系統(tǒng)可以綜合兩種換流器的優(yōu)勢(shì)，在啟動(dòng)過程中能夠快速達(dá)到穩(wěn)定，適用于當(dāng)前環(huán)境下多落點(diǎn)受電的情況。送端采用LCC，降低了整流器件的開關(guān)損耗，降低了實(shí)際工程建設(shè)中的整體投資費(fèi)用，系統(tǒng)運(yùn)行控制簡(jiǎn)單且技術(shù)成熟；受端MMC1能精確地控制輸電線路直流電壓的大小，受端MMC2也可以通過控制有功功率靈活調(diào)節(jié)LCC所發(fā)出有功功率的功率分配。該混合直流系統(tǒng)能更好的適應(yīng)三端換流站的復(fù)雜環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。

(2)由上述討論的仿真結(jié)果可知，整個(gè)啟動(dòng)過程平滑穩(wěn)定，本文所提出的三段式啟動(dòng)控制方案是合理的。啟動(dòng)完成后，系統(tǒng)各參數(shù)能夠準(zhǔn)確圍繞指令值穩(wěn)定運(yùn)行。

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