曾蕊， 李保宏， 江琴， 劉天琪

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610062)

0 引言

基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)輸電系統(tǒng)已發(fā)展得較為成熟，被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量架空線輸電場(chǎng)合，但其容易發(fā)生換相失敗，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1—3]。近年來(lái)，基于模塊化多電平換流器的高壓直流(modular multilevel converter high voltage direct current,MMC-HVDC)輸電發(fā)展迅速，不存在換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，并且可以獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率。然而，MMC-HVDC存在建設(shè)成本較高、電壓等級(jí)低和輸送容量小等缺點(diǎn)[4—9]。因此，結(jié)合LCC-HVDC和MMC-HVDC的混合直流輸電系統(tǒng)成為當(dāng)前直流輸電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10—14]。

典型混合直流輸電系統(tǒng)的送端為電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter,LCC)，受端為模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)，可徹底避免換相失敗，但其電壓等級(jí)與輸送功率均受限于MMC換流站[15—17]。為解決該問(wèn)題并降低建設(shè)成本，近年來(lái)相關(guān)學(xué)者提出受端級(jí)聯(lián)型混合直流輸電技術(shù)，即送端為L(zhǎng)CC，受端為L(zhǎng)CC與MMC串聯(lián)的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，低端MMC擴(kuò)展為多個(gè)MMC并聯(lián)并落點(diǎn)于不同區(qū)域電網(wǎng)，在提高系統(tǒng)的電壓等級(jí)和傳輸功率的同時(shí)，多落點(diǎn)結(jié)構(gòu)也有利于工程的分期建設(shè)[18—23]。由于LCC的單相導(dǎo)電性，逆變側(cè)直流故障回路中不存在故障電流，所以該系統(tǒng)具有優(yōu)良的直流故障穿越能力[24]。因此，受端級(jí)聯(lián)型混合直流系統(tǒng)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用于高壓大容量架空線路輸電場(chǎng)合。

目前，針對(duì)受端級(jí)聯(lián)型混合直流的相關(guān)研究較少。MMC的有功策略必須與送端LCC的有功指令相配合，否則將會(huì)出現(xiàn)各站功率協(xié)調(diào)不合理的現(xiàn)象。MMC可采用單點(diǎn)直流電壓控制的主從控制，也可采用多點(diǎn)直流電壓控制的下垂控制。文獻(xiàn)[25—26]提出在主從控制下，定直流電壓控制的MMC在發(fā)生故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)功率反送現(xiàn)象，降低受端系統(tǒng)穩(wěn)定性；而在下垂控制方式下，MMC可以同時(shí)控制直流電壓和直流功率，不存在上述問(wèn)題。

文中明確了受端級(jí)聯(lián)型混合直流系統(tǒng)的伏安特性，分析了系統(tǒng)的控制特性?；谔匦苑治霭l(fā)現(xiàn)，采用下垂控制的MMC無(wú)法實(shí)現(xiàn)直流電壓的準(zhǔn)確控制。因此，提出一種自適應(yīng)下垂控制策略，可根據(jù)系統(tǒng)直流電流的變化實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂特性，避免MMC的直流電壓隨直流電流變化而產(chǎn)生波動(dòng)。最后，在PSCAD/EMTDC中對(duì)所提策略進(jìn)行了算例分析和仿真驗(yàn)證。

1 受端級(jí)聯(lián)混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

受端級(jí)聯(lián)混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多落點(diǎn)受端級(jí)聯(lián)混合直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整流站由2組12脈動(dòng)LCC串聯(lián)構(gòu)成，逆變站由1組12脈動(dòng)LCC和MMC并聯(lián)組串聯(lián)構(gòu)成，MMC并聯(lián)組由3臺(tái)半橋型MMC并聯(lián)構(gòu)成?；旌现绷飨到y(tǒng)的額定電壓與有功功率分別為800 kV和4 000 MW，其中逆變側(cè)高端LCC的額定電壓與有功功率分別為400 kV與2 000 MW，低端3臺(tái)MMC換流器的額定電壓與有功功功率分別為400 kV與667 MW。另一方面，受端逆變站均饋入500 kV交流系統(tǒng)的不同地點(diǎn)。

1.2 控制方式

1.2.1 LCC控制方式

LCC-HVDC的伏安特性如圖2所示[1]，相關(guān)控制模式詳見(jiàn)表1。其中藍(lán)色曲線代表整流側(cè)的伏安特性，黃色曲線代表逆變側(cè)的伏安特性，兩曲線相交點(diǎn)為系統(tǒng)額定運(yùn)行的工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電壓和電流分別為Udc_LCC和Id。

圖2 LCC的控制特性

表1 LCC控制模式

1.2.2 MMC控制方式

文中受端MMC采用下垂控制模式，其控制框圖如圖3所示。其中，Udcref，udc分別為MMC的直流電壓參考值和測(cè)量值；Pref，Pm分別為MMC輸出的有功功率和測(cè)量值；Kdroop為下垂系數(shù)；Kp，Ki為外環(huán)控制的PI參數(shù)；idlim為有功電流限幅值；idref為輸出的有功電流參考值。

圖3 下垂控制框圖

采用下垂控制MMC的有功功率和直流電壓間的關(guān)系可表示為(MMC處于逆變狀態(tài)，設(shè)置功率參考值為正值)：

Pm-Pref+Kdroop(Udcref-udc)=0

(1)

設(shè)置受端各臺(tái)MMC的參數(shù)都相同，則MMC均分輸入的有功功率。下垂控制的控制特性如圖4所示，PMMC為輸入MMC并聯(lián)組的有功功率，Pm為MMC輸出的有功功率。

圖4 MMC的下垂控制特性

1.3 受端級(jí)聯(lián)混合直流的伏安特性

由于Pm=idc_MMCudc，式(1)可重新列寫為：

(2)

式中：idc_MMC為逆變側(cè)MMC的直流電流。由式(2)可知，當(dāng)MMC采用下垂控制時(shí)，其伏安特性曲線是一個(gè)雙曲函數(shù)。因此，受端級(jí)聯(lián)混合直流輸電系統(tǒng)采用下垂控制方式的完整伏安特性曲線如圖5的左側(cè)所示。在額定工作區(qū)間，MMC下垂控制的伏安特性曲線是一個(gè)曲線段，如圖5中左邊黃色虛線所示。低端MMC的主從控制方式主要通過(guò)式(2)實(shí)現(xiàn)。對(duì)混合直流逆變側(cè)伏安特性曲線的影響。圖5中，Udc_all為混合直流系統(tǒng)的額定直流電壓；Idc為混合直流系統(tǒng)的額定直流電流；Udc_droop_min為MMC下垂控制允許的最低直流電壓；Idc_MMC1，Idc_MMC2，Idc_MMC3分別為逆變側(cè)MMC1、MMC2和MMC3的額定直流電流。

高端LCC逆變站各段曲線的控制特性可由式(3)—式(6)描述。

(3)

(4)

(5)

(6)

將式(2)與式(3)—式(6)依次相加，可得到下垂控制模式下的混合級(jí)聯(lián)直流逆變側(cè)直流電壓表達(dá)式，如式(7)—式(10)所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：udc_all為混合直流系統(tǒng)的測(cè)量直流電壓。因此式(7)—式(10)為混合直流逆變側(cè)伏安特性曲線，如圖5(a)黃色實(shí)線所示。

圖5 MMC采用下垂控制時(shí)混合直流系統(tǒng)的完整伏安特性

在整流側(cè)特性曲線影響方面，由于MMC主要通過(guò)式(2)影響混合直流電壓特性，且半橋MMC沒(méi)有低壓限流等特性，因此整流側(cè)特性曲線如圖5(a)藍(lán)色實(shí)線所示。

2 受端級(jí)聯(lián)混合直流的下垂特性分析

在受端MMC均采用下垂控制方式下，當(dāng)系統(tǒng)直流電流發(fā)生變化時(shí)，輸入MMC并聯(lián)組的有功變化，會(huì)導(dǎo)致MMC直流電壓的變化。由于各臺(tái)MMC參數(shù)相同，其特性也相同，因此后續(xù)特性圖僅給出一個(gè)MMC站進(jìn)行說(shuō)明。同時(shí)，特性圖中虛線為MMC運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直流電壓和輸出有功功率。如圖6(a)所示，當(dāng)系統(tǒng)直流電流減小時(shí)，輸入MMC的有功功率減小為P′MMC，MMC的直流電壓在下垂控制的作用下也相應(yīng)減小為u′dc，無(wú)法控制直流電壓保持為額定值。如圖6(b)所示，系統(tǒng)直流電流增大時(shí)，輸入MMC的有功功率增大為P′MMC，MMC的直流電壓在下垂控制的作用下也相應(yīng)增大為u′dc。由上述分析可知，當(dāng)系統(tǒng)直流電流波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致MMC直流電壓產(chǎn)生波動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直流電壓的精確控制。

圖6 直流電流變化時(shí)系統(tǒng)的下垂特性

3 自適應(yīng)下垂控制策略

為解決上述問(wèn)題，提出自適應(yīng)下垂控制策略以實(shí)現(xiàn)直流電壓的精確控制，可根據(jù)系統(tǒng)的直流電流實(shí)時(shí)地上下平移下垂曲線。

由式(1)可知，若系統(tǒng)發(fā)生較大擾動(dòng)，整個(gè)MMC并聯(lián)組功率變化量可表示為：

(11)

式中：n為MMC參與運(yùn)行臺(tái)數(shù)；Kdroop_ j為第j臺(tái)MMC的下垂系數(shù)；ΔPj為第j臺(tái)MMC的不平衡功率。因此，換流站j承擔(dān)的不平衡功率ΔPj為：

(12)

式中：Pref j為第j臺(tái)MMC的有功功率參考值；Pm j為第j臺(tái)MMC的有功功率測(cè)量值。為實(shí)現(xiàn)下垂特性的自動(dòng)平移，對(duì)直流電壓參考值進(jìn)行補(bǔ)償，mj為第j臺(tái)MMC的電壓補(bǔ)償量，則下垂特性可改寫為：

(13)

為保持直流電壓的穩(wěn)定，移動(dòng)后的下垂曲線應(yīng)過(guò)點(diǎn)(Pm j，Udcref)，同時(shí)將式(12)代入式(13)中，可得到補(bǔ)償量m為：

(14)

式中：Idcref為系統(tǒng)直流電流額定參考值。由式(14)可知，所有MMC的補(bǔ)償量m都相等。另一方面，對(duì)MMC的直流電壓參考值進(jìn)行補(bǔ)償，本質(zhì)上也相當(dāng)于對(duì)有功功率參考值進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)Idc為額定值時(shí)，m=0，此時(shí)下垂特性不產(chǎn)生移動(dòng)；當(dāng)Idc減小時(shí)，m>0，下垂特性曲線向上平移；當(dāng)Idc增大時(shí)，則m<0，下垂特性曲線向下平移。

如圖7(a)所示，以n=3為例，當(dāng)系統(tǒng)直流電流減小時(shí)，則m>0，此時(shí)下垂特性自動(dòng)向上平移(本質(zhì)上相當(dāng)于減小了MMC的有功參考值)，在保證直流電壓仍然為參考電壓Udcref的前提下，使得MMC輸出的有功減小。同樣地，如圖7(b)所示，當(dāng)系統(tǒng)直流電流增大時(shí)，m<0，此時(shí)下垂特性自動(dòng)向下平移(本質(zhì)上相當(dāng)于增大了MMC的有功參考值)，使得MMC增大有功輸出，同時(shí)將直流電壓保持為參考電壓Udcref。

圖7 自適應(yīng)下垂控制原理

自適應(yīng)下垂控制策略如圖8所示，通過(guò)在基本下垂控制上增加直流電壓補(bǔ)償量m，m根據(jù)系統(tǒng)直流電流Idc的變化進(jìn)行調(diào)整，下垂特性可跟蹤直流電流的值進(jìn)行平移，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。DBLK為控制解鎖模塊，當(dāng)MMC解鎖后再啟動(dòng)該控制。同時(shí)，為避免下垂特性的頻繁移動(dòng)，當(dāng)|Idcref-Idc|/Idcref≤2%時(shí)，閉鎖該控制策略，使得m=0。

圖8 自適應(yīng)下垂控制框圖

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提策略的有效性，在PSCAD/EMTDC軟件平臺(tái)搭建如圖1所示的多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)型直流輸電模型進(jìn)行仿真。設(shè)置受端3臺(tái)MMC的參數(shù)都相同，下垂控制的直流電壓參考值設(shè)置為400 kV，由于考慮到損耗，輸出有功功率參考值均設(shè)置為650 MW。

算例1：初始狀態(tài)下，LCC電流指令值為1 p.u.，即5 kA。在3 s，4 s，5 s，6 s和7 s時(shí)依次改變LCC的直流電流指令值為0.9 p.u.，0.8 p.u.，0.7 p.u.，0.6 p.u.和0.5 p.u.，圖9為系統(tǒng)的直流電流。分別在無(wú)自適應(yīng)下垂控制和采用自適應(yīng)下垂控制的2種情況下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9—圖11所示。無(wú)自適應(yīng)下垂控制的情況下，MMC的直流電壓隨著系統(tǒng)直流電流的減小而降低，無(wú)法精確控制直流電壓；采取所提自適應(yīng)下垂控制后，直流電壓補(bǔ)償量m根據(jù)系統(tǒng)直流電流Idc的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，自動(dòng)平移MMC的下垂特性，可控制直流電壓保持為額定值。

圖9 混合直流系統(tǒng)直流電流(算例1)

圖10 MMC直流電壓(算例1)

圖11 MMC輸出有功功率(算例1)

算例2：MMC采用主從控制方式下(MMC1定直流電壓、MMC2和MMC3定有功功率)，3 s時(shí)在LCC受端設(shè)置單相瞬時(shí)性接地故障，仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。采用定直流電壓控制方式的MMC1由于不具備控制直流功率的能力，其直流電流大小由系統(tǒng)總電流與定功率控制方式MMC2和MMC3的直流電流確定，因此在發(fā)生故障時(shí)MMC1會(huì)出現(xiàn)功率反送現(xiàn)象，由逆變切換至整流狀態(tài)，不利于受端系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖12 MMC直流電壓(算例2)

圖13 MMC輸出有功功率(算例2)

算例3：MMC采用下垂控制方式下，在3 s時(shí)設(shè)置同樣的LCC受端單相瞬時(shí)性接地故障，分別在無(wú)自適應(yīng)下垂控制和有自適應(yīng)下垂控制進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖14 MMC直流電壓(算例3)

圖15 MMC輸出有功功率(算例3)

發(fā)生故障期間，采用下垂控制的MMC同時(shí)具有控制直流電壓和直流功率的能力，不會(huì)出現(xiàn)功率反送的問(wèn)題。由于LCC發(fā)生換相失敗，系統(tǒng)直流電流會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，在無(wú)控制策略下MMC直流電壓的波動(dòng)較大，而采取所提自適應(yīng)下垂控制策略后，MMC直流電壓的波動(dòng)明顯減小。

5 結(jié)語(yǔ)

文中研究了受端級(jí)聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)采用下垂控制的動(dòng)態(tài)特性，提出了一種自適應(yīng)下垂控制策略。通過(guò)算例分析與仿真驗(yàn)證可知，該策略可根據(jù)系統(tǒng)直流電流的變化實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)MMC的下垂特性，避免MMC的直流電壓隨直流電流的變化而產(chǎn)生波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直流電壓的準(zhǔn)確控制。同時(shí)，在故障期間可有效減小MMC直流電壓的波動(dòng)，提高混合直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。由于級(jí)聯(lián)混合直流系統(tǒng)靈活性的增加帶來(lái)了其控制方式和多換流器間協(xié)調(diào)控制策略的復(fù)雜性，因此，在未來(lái)的研究方向上還須深入研究該混合系統(tǒng)的控制方式，設(shè)計(jì)多換流器間的協(xié)調(diào)控制策略，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。