吳芳柱

(國網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210012)

0 引 言

國內(nèi)能源和電力呈分布式布局，一些地區(qū)需要以“西電東送”的方式優(yōu)化能源和電力配置，混合直流輸電系統(tǒng)被應(yīng)用在能源和電力配置工作當中。近年來，隨著科技水平的不斷提升，混合直流輸電系統(tǒng)多次優(yōu)化升級，如特高壓并聯(lián)型三端混合直流輸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過閉鎖前3站的功率參數(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)故障極功率的轉(zhuǎn)換，降低了功率損失[1]。

針對各類故障問題，文獻[2]基于脈寬調(diào)制型電流源換流器(PWM-CSC)優(yōu)化了系統(tǒng)運行，通過PWM-CSC，優(yōu)化系統(tǒng)故障響應(yīng)功能，通過特定諧波消除法，控制調(diào)制和切換脈寬，在依托兩相靜止坐標系構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行的控制。但系統(tǒng)運行當中存在一些小因素擾動的問題。文獻[3]利用換相換流器(LCC)和模塊化多電平換流器(MMC)，優(yōu)化控制系統(tǒng)中存在的各項干擾問題，由此誕生了全新的、具有LCC-MMC共同作用的混合直流輸電系統(tǒng)。為了進一步優(yōu)化系統(tǒng)的獲取、識別和維護處理工作，文獻[4]基于雙樹復(fù)小波變換方法，優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，該方法根據(jù)混合直流輸電線路中常見的故障特征，利用電磁暫態(tài)仿真模型優(yōu)化管理參數(shù)。文獻[5]考慮到計算可處理性和測試輸電網(wǎng)擴展規(guī)劃(TEP)模型性能的能力，詳細描述了網(wǎng)絡(luò)拓撲、發(fā)電組合和負荷特性，分析間歇性可再生能源(VRE)(風(fēng)電和光伏)輸出和負荷曲線的全年時間序列。文獻[6]比較了2種串并聯(lián)混合動力電動汽車，使用經(jīng)驗證的電氣變量變速器模型，不僅可用于優(yōu)化內(nèi)燃機的工作點，還可用于尋找最佳直流母線電壓，以優(yōu)化系統(tǒng)級效率。

基于以上研究成果，本文提出了新的基于LCC-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)優(yōu)化控制方法，根據(jù)MMC和LCC各自的優(yōu)缺點，對其進行優(yōu)化，降低發(fā)生故障的可能性，然后將優(yōu)化后的2個模型應(yīng)用到混合直流輸電系統(tǒng)中，均衡系統(tǒng)的電壓，進一步解決更多的系統(tǒng)運行故障問題，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 混合直流輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

設(shè)該系統(tǒng)的整流站為12脈動LCC，每間安裝6脈動換流器，通過YD接線MMC逆變站換流變壓器，經(jīng)高電阻運行,監(jiān)測故障問題，以并聯(lián)的方式相互連接，此時的拓撲結(jié)構(gòu)能夠傳送大容量電荷，同時滿足弱交流傳送的基本要求[5]?；旌现绷鬏旊娤到y(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖1中，參數(shù)V表示空載線電壓；X表示換相電抗；D表示交流電抗器；α表示觸發(fā)角；I表示運行過程中的直流電流，根據(jù)圖1設(shè)置的拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。

2 基于LCC-MMC的換流器數(shù)學(xué)模型

2.1 LCC數(shù)學(xué)模型

設(shè)置雙極間輸出直流電壓為U。默認整流側(cè)直流電壓為U1，已知此次需要安裝的整流器為6脈動，計算LCC正常運行狀態(tài)下的LCC數(shù)學(xué)模型，為

(1)

假設(shè)觸發(fā)延遲角和觸發(fā)重疊角分別為α1和α2，根據(jù)圖1和式(1)，得到LCC整流站數(shù)學(xué)模型：

(2)

式中：P1、P2分別表示電流I下的有功功率和無功功率；cosθ表示在固定觸發(fā)角度θ下的功率因數(shù)[6]。根據(jù)LCC結(jié)構(gòu)特征，完成對LCC數(shù)學(xué)模型的設(shè)計。

2.2 MMC數(shù)學(xué)模型

結(jié)合圖1所示的系統(tǒng)逆變站結(jié)構(gòu)，設(shè)置j相的橋臂為u和v。已知系統(tǒng)利用M個電路SM子模塊串聯(lián)控制兩橋臂，設(shè)置2個橋臂的電壓和輸出電壓分別為Uuj、Uvj、Uj，電流和交流側(cè)電流分別為Iuj、Ivj和Ij。根據(jù)基爾霍夫電壓定律基本計算原理，通過下列方程組計算不同橋臂中經(jīng)過的電壓和電流：

(3)

(4)

式中：auj(t)、avj(t)表示橋臂的常數(shù)參數(shù)；D0、D表示交流電抗；F表示電阻。

默認橋臂電流與環(huán)流方向均為正方向，確定時域范圍內(nèi)的交流側(cè)電流與環(huán)流，發(fā)現(xiàn)橋臂電壓影響上述設(shè)置的參數(shù)，因此假設(shè)導(dǎo)通狀態(tài)下的橋臂電流與電容電壓相關(guān)，則存在：

(5)

式中：Ujr(t)表示橋臂r的電容器電壓。

根據(jù)上述計算過程發(fā)現(xiàn)，上、下橋臂可作為2個獨立存在的可控電壓源，則根據(jù)三相靜止坐標系的組成，通過下列計算公式描述構(gòu)建的MMC數(shù)學(xué)模型：

(6)

式中：a、b、c表示三相。

至此獲得MMC數(shù)學(xué)模型[7]。利用上述兩組數(shù)學(xué)模型，約束混合直流輸電系統(tǒng)。

3 混合直流輸電系統(tǒng)優(yōu)化控制方法

3.1 整流側(cè)LCC的優(yōu)化控制

直流輸電換流器多為晶閘管器件，通過控制觸發(fā)角控制運行狀態(tài)下的系統(tǒng)電壓和功率。換流器按照三相橋式的方式設(shè)計電路，利用6個波頭的換流器，實現(xiàn)對固定傳輸周期內(nèi)，整流電壓工作頻率的實時控制。當多組換流器以串聯(lián)、并聯(lián)協(xié)同使用的方式建立工作連接后，換流器形成具有更強控制效果的12脈動[8]。當陽極電壓為正時，晶閘管根據(jù)電壓波動調(diào)整運行參數(shù)，切換到其他工作狀態(tài)。由于晶閘管只能單向?qū)?，所以不受觸發(fā)脈沖直接控制，導(dǎo)通后則一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。在電流減小、陽極電壓值小于等于零的情況下，晶閘管根據(jù)該電壓值將狀態(tài)切換為關(guān)斷。要求橋臂的電壓差為35°，分別利用“三角星型”接法和“星型”接法控制整流側(cè)直流電壓，通過上述接線方式，根據(jù)式(1)和式(2)設(shè)計的LCC數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對整流側(cè)LCC的優(yōu)化控制。

3.2 逆變側(cè)MMC的優(yōu)化控制

對于系統(tǒng)自身來說，逆變側(cè)MMC的優(yōu)化控制工作更為復(fù)雜，作為一個非線性系統(tǒng)，其運行穩(wěn)定性受到了極大干擾。已知MMC與穩(wěn)定控制系統(tǒng)電壓源逆變器(VSC)的拓撲結(jié)構(gòu)一致，所以參考VSC雙閉環(huán)控制器優(yōu)化控制逆變側(cè)MMC。根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)可知，逆變側(cè)MMC由鎖相環(huán)、坐標變換、瞬時功率計算、內(nèi)環(huán)電流外環(huán)功率控制以及觸發(fā)脈沖生成等模塊組成，通過雙環(huán)控制實時監(jiān)管內(nèi)環(huán)、外環(huán)功率和電流的大小，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行參數(shù)的跟蹤。對于內(nèi)環(huán)電流的控制，依據(jù)電壓前饋補償和電流反饋，控制直流輸電換流器的輸出電壓。前饋補償條件下的輸出閥側(cè)電壓為

(7)

式中：Vdord、Vqord表示不同端的參考電壓；ω表示權(quán)重；I1、I2表示外環(huán)功率的電流輸出控制指令；dpid、dpiq表示控制電流運行過程中，控制器的軸比例系數(shù)；Idord、Iqord表示實時電流；diid表示不同方向電流的積分[9]。通過上述函數(shù)解耦控制內(nèi)環(huán)電流。

根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的實時工作指令， MMC會產(chǎn)生2種不同性質(zhì)的電流(有功和無功)，當MMC連接到強電網(wǎng)時，由于功率變化不會直接影響強電網(wǎng)連接處電壓，MMC適用于控制功率。在內(nèi)環(huán)工作狀態(tài)下，根據(jù)MMC的期望電流和控制器結(jié)構(gòu)層，消除穩(wěn)態(tài)誤差，所以在穩(wěn)態(tài)條件下，利用下列公式描述交流系統(tǒng)與功率：

(8)

式中：U11、U12表示不同坐標軸的交流母線基波電壓；I11、I12表示交流母線基波電流分量。

根據(jù)上述公式得到控制器的運行電流給定值，實現(xiàn)逆變側(cè)MMC的優(yōu)化控制。

3.3 均衡電壓

系統(tǒng)能量改變會影響MMC電壓值，在增加大量MMC子模塊后，會出現(xiàn)不同程度的損耗，使子模塊之間的電壓值頻繁波動，不再以相等的數(shù)值出現(xiàn)，這些波動幅度極大的電壓值影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行，為此，結(jié)合文獻[10]提出的均衡控制策略，在監(jiān)測子模塊運行常態(tài)電壓、各個單元運行電壓等級、橋臂電流實時傳輸方向的前提下，設(shè)計一個能量均分控制器[11-13]。假設(shè)控制器實時獲取MMC的a相子模塊電容電壓，結(jié)合構(gòu)建的LCC數(shù)學(xué)模型輸出平均電壓值和環(huán)流值，通過該控制器進行能量均分，公式為

(9)

式中：Q表示電容電壓能量均分調(diào)制量；Z1、Z2表示不同位置節(jié)點處與子模塊對應(yīng)的控制器；I′表示a相環(huán)流參考值。

Q′=Q+Q1+Q2

(10)

式中：Q1、Q2表示橋臂電壓平衡均量和調(diào)制量。

利用MMC消除穩(wěn)態(tài)誤差，對混合直流輸電系統(tǒng)進行強約束。通過LCC數(shù)學(xué)模型控制平均電壓值和環(huán)流值，降低系統(tǒng)能量損耗，從而避免電壓值頻繁波動，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時從直流側(cè)直接充電，減少中間電流轉(zhuǎn)接過程，有利于電壓的穩(wěn)定。利用MMC數(shù)學(xué)模型計算調(diào)制波，通過調(diào)制波調(diào)節(jié)供電量，實現(xiàn)最終的均衡電壓[14-15]。

4 應(yīng)用測試

4.1 試驗準備

通過表1所示的參數(shù)，搭建仿真測試模型。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

仿真試驗共進行4輪，第1輪仿真整流站交流故障、第2輪仿真逆變站交流故障、第3輪和第4輪分別仿真直流線路單極故障、極間故障。將本文方法與常規(guī)方法(基于雙樹復(fù)小波變換的控制方法[4])進行對比，測試不同控制方法對不同系統(tǒng)故障的處理效果。

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 整流站交流故障控制效果

第1輪測試。在系統(tǒng)的整流站交流側(cè)仿真a相發(fā)生接地故障，要求接地電阻和故障持續(xù)時間不小于9.5 Ω和1.5 s。分別利用本文方法和常規(guī)方法控制系統(tǒng)混合直流輸電，得到的仿真波形如圖2所示。

圖2 不同方法對整流站交流故障的控制效果

已知從第2.5 s開始，LCC的a相電壓開始跌落，觸發(fā)角也隨之改變，最小值僅為4.8°。圖2中，曲線a代表本文方法、曲線b代表常規(guī)控制方法，比較2組方法控制下的LCC直流電壓和MMC直流電壓，發(fā)現(xiàn)本文方法控制后的電壓在5 s內(nèi)逐漸穩(wěn)定，系統(tǒng)的直流功率在出現(xiàn)短暫的波動后明顯提高，5 s過后恢復(fù)到故障之前的狀態(tài)。常規(guī)控制方法，同樣在第2.5 s時發(fā)現(xiàn)了故障，但在2.5～5 s之間，觸發(fā)角沒有被重新調(diào)整到初始值，所以LCC和MMC直流電壓一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)功率一直處于波動較大的狀態(tài)當中，直至第6 s也沒有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明常規(guī)方法的控制效果不夠理想。

4.2.2 逆變站交流故障控制效果

第2輪測試。設(shè)置MMC-1的ab相間發(fā)生接地故障問題，要求電阻和故障持續(xù)時間不小于16 Ω和800 ms。分別利用2組方法控制系統(tǒng)輸電，得到的測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法對逆變站交流故障的控制效果

已知交流電壓和直流電壓均從第2 s開始劇烈波動，造成逆變站中的MMC-1傳輸功率持續(xù)降低。當系統(tǒng)輸入能量和輸出能量之間存在不均衡問題時，會出現(xiàn)電壓異常的情況，此時需要將多余的能量傳輸?shù)組MC-2當中，通過均衡控制系統(tǒng)電壓，保證功率維持穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)2種方法的控制測試效果可知，本文方法控制下的系統(tǒng)，其輸入能量和輸出能量實現(xiàn)了互補均衡，但常規(guī)控制方法沒能在6 s之內(nèi)均衡輸入能量和輸出能量。本文方法對于逆變站交流故障問題，有更可靠的控制效果，能夠快速解決逆變站交流故障問題。

4.2.3 直流線路單極故障控制效果

第3輪測試。設(shè)置MMC-1和MMC-2之間的直流線路突發(fā)正極接地故障，要求電阻和故障持續(xù)時間不少于12 Ω和800 ms。分別利用2種方法控制系統(tǒng)運行，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法對直流線路單極故障的控制效果

根據(jù)圖4顯示的測試結(jié)果可知，面對直流線路單極故障問題，本文方法在5 s內(nèi)快速反應(yīng)，將LCC和MMC的電流控制在穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)，而常規(guī)方法在同樣的測試時間內(nèi)，沒能更有效地控制LCC和MMC的電流，繼續(xù)下去會影響混合直流輸電，最終影響電力負荷配置。

4.2.4 直流線路極間故障控制效果

第4輪測試。設(shè)置LCC和MMC-2之間的直流線路突發(fā)極間故障，要求電阻和故障持續(xù)時間不小于15 Ω和800 ms。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法對直流線路極間故障的控制效果

根據(jù)圖5顯示的測試結(jié)果可知，同樣的測試條件下，本文方法對3組電流的控制均有較好的效果，常規(guī)控制方法對MMC-2直流電流的控制效果不佳，說明此次研究的方法更滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié) 語

為了更快地解決混合直流輸電系統(tǒng)故障問題，提出了基于LCC-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)優(yōu)化控制方法。結(jié)合LCC和MMC兩個換流器，應(yīng)用正常運行狀態(tài)下的LCC數(shù)學(xué)模型與MMC數(shù)學(xué)模型，結(jié)合逆變側(cè)MMC的鎖相環(huán)、坐標變換、瞬時功率計算、內(nèi)環(huán)電流外環(huán)功率控制以及觸發(fā)脈沖生成等模塊，優(yōu)化了混合直流輸電系統(tǒng)的運行，試驗結(jié)果表明，應(yīng)用本文方法可以在較短時間內(nèi)將LCC和MMC的電流控制在穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)混合直流輸電系統(tǒng)優(yōu)化控制，快速解決輸電系統(tǒng)故障。

但是本次研究尚未說明MMC相間環(huán)流抑制過程和效果，系統(tǒng)可能出現(xiàn)小干擾失穩(wěn)現(xiàn)象，今后將針對MMC相間環(huán)流抑制的相關(guān)問題展開研究，設(shè)置合理的控制參數(shù)，為穩(wěn)定系統(tǒng)運行態(tài)勢，提供更加可靠的控制技術(shù)。