王佳成，王柯，董云龍，盧宇，陸海洋

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

基于電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流輸電技術(shù)(high voltage flexible DC transmission technology based on VSC，VSC-HVDC)運(yùn)行靈活，可實(shí)現(xiàn)有功、無功獨(dú)立控制，是智能電網(wǎng)重要的支撐技術(shù)之一[1-5]。柔性直流背靠背輸電系統(tǒng)(back-to-back flexible DC transmission system，DC-BTB)可以適應(yīng)交流電網(wǎng)異/同步互聯(lián)，隔離交流系統(tǒng)故障，降低交流系統(tǒng)短路電流水平[6-11]。DC-BTB一側(cè)采用定功率控制，另一側(cè)采用定電壓控制，平衡系統(tǒng)功率，維持直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定[12-14]。

DC-BTB采用定功率控制，需依靠調(diào)度和運(yùn)行人員根據(jù)既定的功率下發(fā)計(jì)劃，調(diào)整有功功率輸出[15]，若交流電網(wǎng)故障或其他突發(fā)事件引起交流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或主要負(fù)荷的非預(yù)期變化，導(dǎo)致交流系統(tǒng)有功消納能力不再與原有功率下發(fā)計(jì)劃相適應(yīng)，則需要運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)整功率下發(fā)計(jì)劃。為實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)功率交互自適應(yīng)控制，國內(nèi)針對交流電網(wǎng)暫態(tài)過程開展了控制保護(hù)適應(yīng)性的相關(guān)研究：文獻(xiàn)[16]提出基于VSC-HVDC的自適應(yīng)低頻減載的控制算法，在區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生有功缺額時(shí)，利用發(fā)電機(jī)調(diào)頻特性估計(jì)主電網(wǎng)在可承受頻率跌落下的最大支援能力，并以此為依據(jù)增加VSC-HVDC輸送有功功率，提高區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻能力；文獻(xiàn)[17]提出雙側(cè)頻差控制方法，在功率控制中附加雙側(cè)頻差功能，當(dāng)檢測到直流系統(tǒng)兩側(cè)交流電網(wǎng)頻率出現(xiàn)差值時(shí)，通過改變直流功率、減小兩側(cè)頻率差來抑制區(qū)域間振蕩；文獻(xiàn)[18]對直流輸電系統(tǒng)常用的附加穩(wěn)定控制功能進(jìn)行探討，分析雙側(cè)頻差控制、頻率限制等直流系統(tǒng)功率附加功能的實(shí)現(xiàn)策略。上述策略主要為交流系統(tǒng)暫態(tài)下的功率調(diào)制或附加控制功能與直流控制保護(hù)系統(tǒng)的配合，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下相關(guān)功能一般不投入。

國外針對交流系統(tǒng)和控制保護(hù)的自適應(yīng)配合也進(jìn)行了相應(yīng)研究并進(jìn)行了工程實(shí)施。文獻(xiàn)[19]介紹了法國-西班牙聯(lián)網(wǎng)工程中自動(dòng)角差控制的基本原理，該工程的實(shí)施初步驗(yàn)證了自動(dòng)角差控制在交流系統(tǒng)發(fā)生變化后靈活調(diào)整有功功率輸出的能力，但該文章未詳細(xì)討論相關(guān)控制方法的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

為兼顧暫態(tài)適應(yīng)性和穩(wěn)態(tài)長期運(yùn)行，本文基于DC-BTB兩側(cè)處于同步交流電網(wǎng)應(yīng)用場景，根據(jù)交流電網(wǎng)功角特性，提出適應(yīng)于雙單元運(yùn)行的自動(dòng)角差控制方法，利用交流電網(wǎng)功角角差特征實(shí)現(xiàn)有功潮流的自適應(yīng)調(diào)整，通過檢測DC-BTB兩側(cè)交流電壓變化，自適應(yīng)調(diào)整直流輸電系統(tǒng)有功輸出。一般而言兩側(cè)交流系統(tǒng)角差偏差較小，有功功率輸出與兩側(cè)交流電壓幅值和角差成正比、與交流虛擬阻抗參考值成反比。針對雙單元DC-BTB結(jié)構(gòu)，本文提出基于自動(dòng)角差控制的單元間協(xié)調(diào)方法，保證雙單元運(yùn)行期間各單元有功功率的平均分配。在自動(dòng)角差控制中設(shè)計(jì)雙側(cè)正序電壓鎖相環(huán)節(jié)、低通濾波環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)和自動(dòng)角差開閉環(huán)控制切換環(huán)節(jié)等，以提高單元閉鎖或交流故障穿越等暫態(tài)工況下直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。最后在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(real time digital simulation，RTDS)系統(tǒng)中搭建雙單元DC-BTB仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證自動(dòng)角差控制的有效性。

1 DC-BTB基本控制策略

1.1 DC-BTB基本結(jié)構(gòu)

圖1為一種典型的雙單元DC-BTB結(jié)構(gòu)，由2個(gè)獨(dú)立的DC-BTB單元構(gòu)成，每個(gè)單元東西兩側(cè)均設(shè)置換流變壓器、換流閥等主要設(shè)備，雙單元東西兩側(cè)交流部分分別并列在同一條交流母線上。2個(gè)單元通過單元間通信傳遞雙單元協(xié)調(diào)控制信息，各單元兩側(cè)通過側(cè)間通信傳遞雙側(cè)協(xié)調(diào)控制信息。

圖1 雙單元DC-BTB結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dual-unit DC-BTB system

1.2 DC-BTB基本控制

DC-BTB兩側(cè)可以分別選擇無功類控制和有功類控制，有功類控制包括定有功功率模式和定直流電壓模式，無功類控制包括定無功功率模式和定交流電壓模式。

圖1中：東側(cè)雙單元有功類控制選擇定有功功率模式，無功類控制選擇定無功功率模式；西側(cè)雙單元有功類控制選擇定直流電壓模式，無功類控制選擇定無功功率模式。根據(jù)VSC的設(shè)計(jì)原理，DC-BTB的整體控制框圖如圖2所示[20]，其中：Pref、Qref分別為有功功率、無功功率參考值；P、Q分別為有功功率、無功功率實(shí)測值；Udc,ref、Uac,ref分別為直流電壓、交流電壓參考值；Udc、Uac分別為直流電壓、交流電壓實(shí)測值；Id、Iq分別為交流側(cè)電流d軸、q軸分量實(shí)測值；Ud、Uq分別為交流側(cè)電壓d軸、q軸分量實(shí)測值；Udref、Uqref分別為交流電壓d軸、q軸分量參考值；Idref為經(jīng)過有功類控制環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)處理后的d軸電流參考值；Iqref為經(jīng)過無功類控制環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)處理后的q軸電流參考值；Urefa、Urefb、Urefc為Udref、Uqref經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和三相坐標(biāo)變換后得到的發(fā)給下級閥控系統(tǒng)的三相調(diào)制波；ω為角頻率；L為電感[21-23]。

圖2 DC-BTB的整體控制框圖Fig.2 Basic control of flexible DC-BTB system

2 自動(dòng)角差控制方法

2.1 基本原理

雙單元DC-BTB可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)交流電網(wǎng)互聯(lián)并提供功率支撐，當(dāng)DC-BTB兩側(cè)處于同步電網(wǎng)時(shí)，DC-BTB兩側(cè)交流電網(wǎng)頻率一致，DC-BTB可等效為阻抗可變的交流輸電線路并與兩側(cè)交流電網(wǎng)互聯(lián)。

當(dāng)DC-BTB應(yīng)用于同步電網(wǎng)場景時(shí)，為實(shí)現(xiàn)根據(jù)兩側(cè)交流電網(wǎng)變化自適應(yīng)調(diào)整有功，將DC-BTB定功率側(cè)輸出的有功功率P等效為同一時(shí)刻下由DC-BTB兩側(cè)交流電壓U1和U2的幅值和角差得出的等效交流輸電線路功角潮流功率，如圖3所示。圖3中以從西側(cè)向東側(cè)為功率潮流正方向，以西側(cè)超前東側(cè)的角度θ為交流電壓角差正方向。當(dāng)DC-BTB采用雙單元結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)單元等效為1條交流線路，單元1等效阻抗為X1，單元2等效阻抗為X2；雙單元運(yùn)行時(shí)等效為2條交流線路并聯(lián)。若DC-BTB各單元輸出有功大小相等則X1=X2，此時(shí)雙單元等效并聯(lián)阻抗X=0.5X1=0.5X2。

圖3 DC-BTB等效為交流線路Fig.3 Equivalence between flexible DC-BTB system and AC line

按照交流系統(tǒng)功角公式，任意時(shí)刻DC-BTB定功率側(cè)輸出的有功功率P滿足

(1)

由此得出自動(dòng)角差控制基本原理：當(dāng)設(shè)定等效阻抗X后，DC-BTB通過檢測兩側(cè)交流電壓相位和幅值，即可靈活調(diào)整輸出有功潮流，自適應(yīng)交流電網(wǎng)的變化。

當(dāng)交流電網(wǎng)外部特性不變時(shí)，有功功率P與交流虛擬阻抗X成反比。由式(1)可推出DC-BTB運(yùn)行期間等效實(shí)測交流虛擬阻抗Xmeas滿足

(2)

2.2 自動(dòng)角差控制

圖4 自動(dòng)角差閉環(huán)控制環(huán)節(jié)Fig.4 Closed loop of angle difference control

為保證交流系統(tǒng)故障下功角計(jì)算的穩(wěn)定性，自動(dòng)角差控制環(huán)節(jié)同步采集東、西側(cè)交流系統(tǒng)正序電壓U1(1)和U2(1)；利用鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)得到東、西側(cè)交流系統(tǒng)電壓相位θ1和θ2并計(jì)算西側(cè)超前東側(cè)的角差θ=θ2-θ1。在自動(dòng)角差控制模式下設(shè)定虛擬交流阻抗參考值Xorder。根據(jù)DC-BTB兩側(cè)交流電壓幅值和角差，按式(1)計(jì)算得到控制系統(tǒng)有功功率參考值Pref1。為防止功角異常波動(dòng)引起有功功率快速變化造成系統(tǒng)擾動(dòng)，參照工程經(jīng)驗(yàn)將Pref1經(jīng)過低通濾波環(huán)節(jié)處理后得到Pref1_filt，降低功率指令對角差波動(dòng)的敏感度[19]。為實(shí)現(xiàn)虛擬交流阻抗實(shí)測值Xmeas精確跟蹤指令Xorder，設(shè)計(jì)PI閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，補(bǔ)償實(shí)測交流虛擬阻抗的控制誤差。修正后的有功功率參考值為Pref2。

當(dāng)DC-BTB處于自動(dòng)角差控制模式時(shí)，一般不再頻繁調(diào)整虛擬阻抗參考值，其有功輸出僅與兩側(cè)交流電壓有關(guān)，當(dāng)兩側(cè)交流電壓角差偏差較大時(shí)可能引起控制系統(tǒng)有功功率參考值超限。為避免此問題，自動(dòng)角差閉環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出的功率參考值Pref2需增加限幅環(huán)節(jié)。自動(dòng)角差控制開閉環(huán)切換環(huán)節(jié)如圖5所示，當(dāng)Pref2超出DC-BTB允許運(yùn)行的設(shè)計(jì)范圍，即小于有功功率限幅下限Plim1或大于有功功率限幅上限Plim2時(shí)，則限制Pref2最低不小于Plim1且最高不大于Plim2。Pref2限幅后自動(dòng)角差控制從閉環(huán)切換為開環(huán)，防止PI控制器飽和，當(dāng)Pref2返回[Plim1，Plim2]區(qū)間后，重新開放閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。

圖5 自動(dòng)角差控制開閉環(huán)切換環(huán)節(jié)Fig.5 Open and closed loop switching link of angle difference control

DC-BTB雙單元運(yùn)行期間上下限可開放設(shè)置，上下限的設(shè)計(jì)范圍滿足式(3)；當(dāng)雙單元背靠背柔直系統(tǒng)僅1個(gè)單元運(yùn)行期間，上下限的設(shè)計(jì)范圍滿足式(4)。

(3)

(4)

式(3)、(4)中：Plim_set為限幅整定值；Pe為單單元額定有功功率。

2.3 單元間協(xié)調(diào)控制

雙單元DC-BTB運(yùn)行期間各單元功率一般平均分配，需要考慮單元間協(xié)調(diào)控制。按照雙單元運(yùn)行的基本特點(diǎn)，首先充電運(yùn)行的單元為主控單元，在主控單元設(shè)置虛擬交流阻抗參考值為Xorder，按2.2節(jié)所述經(jīng)過閉環(huán)控制和限幅環(huán)節(jié)后可得雙單元DC-BTB功率參考值。雙單元協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)如圖6所示，其中：Pref_unit1為單元1的功率參考值；Pref_unit2為單元2的功率參考值；單元1為主控單元時(shí)發(fā)出的雙單元功率參考值為Pref3；單元2為主控單元時(shí)發(fā)出的雙單元功率參考值為Pref3′。圖6中單元1為主控單元，主控單元判斷2個(gè)單元均處于單元間協(xié)調(diào)控制模式，則將雙單元功率參考值Pref3發(fā)送給單元2，各單元按雙單元功率參考值的一半分配功率。

圖6 雙單元協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)Fig.6 Coordinated control of dual units

功率分配邏輯滿足：

(5)

同理，若單元2為主控單元，功率分配邏輯滿足：

(6)

采用雙單元協(xié)調(diào)控制后，自動(dòng)角差控制整體環(huán)節(jié)如圖7所示。各單元可靈活切換為主控單元，非主控單元跟隨主控單元的有功指令，雙單元平均分配功率。

圖7 自動(dòng)角差控制整體環(huán)節(jié)Fig.7 Overall control of angle difference control

2.4 自動(dòng)角差控制功能投退

自動(dòng)角差控制投退過程如圖8所示。

2.4.1 自動(dòng)角差控制功能投入

圖8(a)為自動(dòng)角差控制功能投入流程。僅在DC-BTB兩側(cè)交流電網(wǎng)同步運(yùn)行時(shí)允許投入自動(dòng)角差控制，控制系統(tǒng)判斷DC-BTB兩側(cè)頻率差小于0.1 Hz，則認(rèn)為兩側(cè)交流系統(tǒng)同步運(yùn)行。交流虛擬阻抗參考值按照等效交流線路阻抗理論值Xset設(shè)定。初始狀態(tài)下DC-BTB控制系統(tǒng)需首先采用定有功功率方式解鎖運(yùn)行，定功率側(cè)穩(wěn)定輸出且DC-BTB雙側(cè)處于同步電網(wǎng)是自動(dòng)角差控制功能允許投入的充分條件之一。DC-BTB處于定功率控制模式時(shí)，控制系統(tǒng)按照式(2)實(shí)時(shí)檢測交流虛擬阻抗Xmeas，為保證自動(dòng)角差控制功能投入后，Xmeas接近Xset以避免自動(dòng)角差控制功能投入后頻繁整定Xset，設(shè)定允許投入自動(dòng)角差控制功能條件為|Xmeas-Xset|≤ΔX，ΔX為偏差閾值，考慮實(shí)測量Xmeas可能抖動(dòng)，ΔX可設(shè)置為1～2 Ω。同時(shí)為保證雙單元平均分配功率，僅已解鎖單元均在單元間協(xié)調(diào)控制模型下才允許控制模式切換。

2.4.2 自動(dòng)角差控制功能退出

圖8(b)為自動(dòng)角差控制功能退出流程，自動(dòng)角差控制功能的退出分控制異常自動(dòng)退出和運(yùn)行期間手動(dòng)退出2種處理方式。

控制異常自動(dòng)退出流程為：當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到DC-BTB兩側(cè)交流系統(tǒng)異步，即DC-BTB兩側(cè)頻率差大于0.1Hz，則自動(dòng)切換回定功率控制；或控制系統(tǒng)檢測到運(yùn)行單元任意側(cè)交流電壓異常不再具備自動(dòng)角差控制的能力后，則自動(dòng)切換回定功率控制并維持切換瞬間的功率運(yùn)行。

手動(dòng)退出流程為：當(dāng)DC-BTB已處于自動(dòng)角差控制模式下可手動(dòng)切換回定功率控制。

雙單元運(yùn)行期間非主控單元的控制模式跟隨主控單元調(diào)整，以保證雙單元控制模式始終保持一致。

當(dāng)自動(dòng)角差控制功能退出后，才能降低運(yùn)行單元功率并執(zhí)行停運(yùn)操作。由上述流程可知，若DC-BTB以自動(dòng)角差控制方式運(yùn)行期間需要停運(yùn)相應(yīng)單元，則需首先將控制模式切換回定功率控制后方能降低功率。

2.5 故障處理

2.5.1 單元閉鎖

當(dāng)雙單元運(yùn)行的DC-BTB出現(xiàn)1個(gè)單元故障閉鎖時(shí)，健全單元仍需保持正常運(yùn)行。由于自動(dòng)角差控制功率參考值只與交流系統(tǒng)角差θ和虛擬阻抗指令Xorder相關(guān)，為保證DC-BTB不因任一單元閉鎖導(dǎo)致對外虛擬阻抗特性的改變，故障后健全單元需保持故障前的虛擬阻抗參考值。當(dāng)雙單元DC-BTB大功率運(yùn)行期間，1個(gè)單元故障閉鎖會(huì)導(dǎo)致健全單元無法承擔(dān)故障前的雙單元功率和，造成設(shè)備耐受超標(biāo)。按2.2節(jié)所述設(shè)置的限幅環(huán)節(jié)，需保證健全單元限制其功率參考值不大于其額定容量。限幅作用后自動(dòng)角差閉環(huán)控制器交流虛擬阻抗實(shí)測值Xmeas無法再精確跟蹤參考值Xorder，控制器失效，將引起PI環(huán)節(jié)積分器飽和。為防止積分器飽和，自動(dòng)角差控制在限幅期間切換為開環(huán)控制，Xmeas不再跟蹤Xorder的變化。

2.5.2 交流故障穿越

DC-BTB以自動(dòng)角差控制運(yùn)行期間，若交流側(cè)發(fā)生故障導(dǎo)致電壓異常波動(dòng)，為防止角差發(fā)生較大計(jì)算誤差引起有功功率波動(dòng)，圖7中PLL采用三相正序電壓計(jì)算，并采用低通濾波環(huán)節(jié)降低短時(shí)交流系統(tǒng)故障對功率參考值計(jì)算的影響。故障期間交流虛擬阻抗參考值Xorder保持故障前的大小，故障后自動(dòng)角差控制自適應(yīng)交流系統(tǒng)的變化并重新恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真參數(shù)

基于實(shí)際控制保護(hù)裝置，在RTDS平臺搭建如圖1所示的DC-BTB仿真模型，其中兩側(cè)交流系統(tǒng)用無窮大電源模擬，DC-BTB的額定直流電壓為600 kV，單個(gè)換流單元額定輸出有功功率1 500 MW，換流單元以從交流側(cè)吸收有功為正方向，角差變化以西側(cè)超前東側(cè)為正方向。設(shè)置交流系統(tǒng)等效阻抗理論值Xset=10 Ω，當(dāng)換流單元處于定功率控制且|Xmeas-Xset|≤1 Ω時(shí)允許投入自動(dòng)角差控制功能。DC-BTB主要仿真參數(shù)見表1。DC-BTB兩側(cè)為同步交流系統(tǒng)。

表1 DC-BTB主要仿真參數(shù)Tab.1 Main simulation parameters of DC-BTB

3.2 自動(dòng)角差控制功能投退

3.2.1 自動(dòng)角差控制功能投入

以DC-BTB中1個(gè)單元為例，自動(dòng)角差控制功能投入仿真波形如圖9所示(其中數(shù)字量粗線部分為數(shù)字量置1，數(shù)字量細(xì)線部分為數(shù)字量置0，下同)，單個(gè)單元初始以定功率控制運(yùn)行，輸出功率約為-1 150 MW，即向交流側(cè)發(fā)出1 150 MW有功功率，期間控制模式從定功率控制切換為自動(dòng)角差控制。當(dāng)換流器處于定有功功率控制期間，實(shí)測虛擬阻抗Xmeas隨著有功功率的波動(dòng)而實(shí)時(shí)變化。圖9中自動(dòng)角差控制未投入時(shí)，Xmeas波動(dòng)范圍為10.57～10.66 Ω，滿足允許投入自動(dòng)角差控制的條件。在0.8 s時(shí)刻自動(dòng)角差控制投入后，虛擬阻抗參考值Xorder調(diào)整為自動(dòng)角差控制功能投入期間的瞬時(shí)值(約為10.6 Ω)，不再跟隨有功功率實(shí)時(shí)變化。自動(dòng)角差控制功能投入瞬間，有功功率和直流電壓波動(dòng)均較小，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，Xmeas與Xorder的誤差小于0.5 Ω，西側(cè)超前東側(cè)的角度約為5°。

圖9 自動(dòng)角差控制功能投入的仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of angle difference control function inputting

3.2.2 自動(dòng)角差控制功能退出

以DC-BTB中1個(gè)單元為例，自動(dòng)角差控制功能退出仿真波形如圖10所示，單個(gè)單元初始以自動(dòng)角差控制運(yùn)行，虛擬阻抗參考值Xorder為10.6 Ω，輸出功率約為-1 140 MW，即向交流側(cè)發(fā)出1 140 MW有功功率。在0.8 s時(shí)刻，控制模式從自動(dòng)角差控制切換為定功率控制。當(dāng)換流器處于自動(dòng)角差控制期間，實(shí)測有功功率隨著東西側(cè)相角差的變化而變化。由于東西側(cè)相角差基本維持在5°左右，因此有功功率僅在-1 146～-1 134 MW間小幅波動(dòng)，實(shí)測虛擬阻抗Xmeas跟蹤參考值Xorder變化，誤差小于0.5 Ω。自動(dòng)角差控制退出后有功功率參考值保持退出瞬間的實(shí)測值，有功功率和直流電壓的波動(dòng)較小，Xorder開始實(shí)時(shí)跟蹤Xmeas的變化，在10.75～10.83 Ω間波動(dòng)。

圖10 自動(dòng)角差控制功能退出的仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of angle difference control function quitting

3.3 虛擬阻抗調(diào)整

當(dāng)DC-BTB處于自動(dòng)角差控制模式下，必要時(shí)手動(dòng)調(diào)整虛擬阻抗參考值Xorder可以改變實(shí)測有功功率的大小。圖11以DC-BTB中1個(gè)單元為例，說明自動(dòng)角差控制模式下Xorder調(diào)整期間換流單元各電氣量的變化。

圖11 自動(dòng)角差控制下，Xorder調(diào)整期間的仿真波形Fig.11 Simulation waveforms of virtual impedance adjustment in angle difference control

隨著虛擬阻抗參考值Xorder從15 Ω調(diào)整到13 Ω，虛擬阻抗以6 Ω/min的速率降低，實(shí)測虛擬值Xmeas跟蹤參考值Xorder的變化，同時(shí)單換流單元有功功率從-1 007 MW升高到-1 130 MW。Xorder調(diào)整期間，DC-BTB兩側(cè)角差也略微發(fā)生變化，西側(cè)超前東側(cè)的角度從6.33°左右逐漸減小到5.81°，期間由于測量誤差引起的角差紋波波動(dòng)不大于0.2°。整個(gè)運(yùn)行過程中，各電氣量變化能滿足自動(dòng)角差控制功能需求。

3.4 單元故障閉鎖

雙單元DC-BTB自動(dòng)角差控制模式運(yùn)行期間，有功功率輸出僅與外部交流系統(tǒng)變化以及虛擬阻抗參考值Xorder有關(guān)，Xorder越小或DC-BTB兩側(cè)交流系統(tǒng)角差越大，則輸出的有功功率越大。當(dāng)DC-BTB角差或功率發(fā)生暫態(tài)變化后，容易引起下網(wǎng)功率參考值超過換流單元的允許能力。以雙單元帶大功率運(yùn)行期間發(fā)生1個(gè)換流單元故障閉鎖為例，自動(dòng)角差控制模式的輸出功率可能大于單個(gè)單元額定功率(1 500 MW)，此時(shí)需按2.2節(jié)所述執(zhí)行限幅環(huán)節(jié)，以保證下網(wǎng)功率不超標(biāo)。

自動(dòng)角差控制下，單元故障后功率限幅情況下的仿真波形如圖12所示，初始限幅值設(shè)為雙單元額定功率和(3 000 MW)。初始狀態(tài)雙單元自動(dòng)角差控制下運(yùn)行，雙單元初始有功功率和為-2 020 MW，即向交流側(cè)發(fā)出有功2 020 MW，虛擬阻抗參考值Xorder為20 Ω，實(shí)測虛擬阻抗Xmeas精確跟蹤Xorder的變化。

圖12中雙單元運(yùn)行期間，單元1和單元2下網(wǎng)功率平均分配。在0.795 s時(shí)刻單元1閉鎖，DC-BTB西側(cè)超前東側(cè)的角差從8.42°逐漸升高到9.45°，單元1閉鎖后雙單元下網(wǎng)功率僅能由單元2承擔(dān)，單元2下網(wǎng)功率實(shí)測值跟隨參考值升高到1 500 MW。由于DC-BTB雙單元運(yùn)行且單元1閉鎖，按照式(4)所述，單元2功率參考值最大不超過

圖12 自動(dòng)角差控制下，單元故障后功率限幅情況下的仿真波形Fig.12 Simulation waveforms of power limiting after converter failure in angle difference control

其額定容量，下網(wǎng)功率自動(dòng)限幅到1 500 MW。由于單元2功率限幅，Xmeas無法繼續(xù)跟蹤Xorder，自動(dòng)阻抗控制從閉環(huán)轉(zhuǎn)為開環(huán)。開環(huán)控制下Xmeas不再受控，從20 Ω開始短時(shí)波動(dòng)后，在50 ms內(nèi)根據(jù)兩側(cè)角差和下網(wǎng)功率的變化而調(diào)整至26 Ω。暫態(tài)過程中直流電壓短時(shí)降低到590 kV，并在100 ms內(nèi)恢復(fù)至額定值600 kV。

雙單元DC-BTB自動(dòng)角差控制模式運(yùn)行期間，若雙單元運(yùn)行總功率小于單個(gè)換流單元容量且限幅參考值大于單個(gè)換流器的額定功率，則單一換流單元閉鎖后DC-BTB可維持下網(wǎng)總功率不變。自動(dòng)角差控制下，單元故障后功率未受限情況下的仿真波形如圖13所示，初始限幅值設(shè)為雙單元額定功率和(3 000 MW)，初始狀態(tài)在雙單元自動(dòng)角差控制下運(yùn)行，雙單元以自動(dòng)角差控制運(yùn)行。雙單元初始有功功率和為-1 320 MW，即向交流側(cè)發(fā)出有功1 320 MW，小于單個(gè)換流單元額定功率1 500 MW，虛擬阻抗參考值Xorder為35 Ω，實(shí)測虛擬阻抗Xmeas精確跟蹤Xorder變化。

圖13中雙單元運(yùn)行期間，單元1和單元2下網(wǎng)功率平均分配。在0.795 s時(shí)刻單元1閉鎖，DC-BTB兩側(cè)交流電壓角差從9.70°變化到9.62°。單元1閉鎖后雙單元下網(wǎng)功率由單元2承擔(dān)，有功功率短暫波動(dòng)50 ms后恢復(fù)至原來的功率水平，單元2下網(wǎng)功率實(shí)測值跟隨參考值從660 MW升高至1 320 MW。自動(dòng)阻抗控制始終保持閉環(huán)控制，單元1閉鎖后Xmeas最大波動(dòng)至約70 Ω且在50 ms后跟蹤上Xorder，恢復(fù)至35 Ω。暫態(tài)過程中直流電壓短時(shí)降低至588 kV，并在100 ms內(nèi)恢復(fù)至額定值600 kV。

上述2例工況表明，雙單元DC-BTB運(yùn)行期間發(fā)生單單元故障閉鎖后，無論限幅環(huán)節(jié)是否作用，運(yùn)行單元均能保持平穩(wěn)運(yùn)行。

圖13 自動(dòng)角差控制下，單元故障后功率未受限情況下的仿真波形Fig.13 Simulation wavefoms of unlimited power conditions after converter failure in angle difference control

3.5 交流故障穿越

當(dāng)雙單元DC-BTB發(fā)生交流側(cè)瞬時(shí)故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)故障穿越，角差控制維持暫態(tài)運(yùn)行。以DC-BTB中1個(gè)單元為例，自動(dòng)角差控制下，相間故障穿越情況下的仿真波形如圖14所示。

圖14 自動(dòng)角差控制下，相間故障穿越情況下的仿真波形Fig.14 Simulation waveforms of interphase fault through in angle difference control

單個(gè)單元初始以自動(dòng)角差控制運(yùn)行，輸出功率約為-1 450 MW，即向交流側(cè)發(fā)出1 450 MW有功。運(yùn)行期間功率側(cè)發(fā)生A、B相間故障，故障持續(xù)100 ms。故障發(fā)生后兩側(cè)角差從6.16°升高至6.85°，并在故障恢復(fù)后約500 ms降低至故障前的角差水平。故障期間直流電壓最大為633 kV，最小為579 kV，由于直流電壓出現(xiàn)波動(dòng)，有功功率隨之波動(dòng)，虛擬阻抗實(shí)測值Xmeas從10 Ω左右變化至10.94 Ω，并在故障恢復(fù)后經(jīng)過200 ms調(diào)整恢復(fù)至故障前水平。故障期間，虛擬阻抗參考值Xorder保持10 Ω不變。故障消失后，換流單元下網(wǎng)功率和直流電壓均在150 ms內(nèi)恢復(fù)至故障前的水平。

4 結(jié)束語

本文針對雙單元DC-BTB，提出自動(dòng)角差控制策略，根據(jù)兩側(cè)同步交流電網(wǎng)的角差變化自適應(yīng)調(diào)整DC-BTB輸出功率。分析了自動(dòng)角差開閉環(huán)轉(zhuǎn)換、單元間協(xié)調(diào)控制以及穩(wěn)態(tài)下自動(dòng)角差控制投退方法，研究了單元閉鎖和交流故障穿越期間自動(dòng)角差控制的暫態(tài)特性?；趯?shí)際控制保護(hù)裝置，在RTDS中搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明自動(dòng)角差控制穩(wěn)態(tài)下功能投退沖擊小，單元閉鎖或交流故障穿越后能維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

本文完成了適用于雙單元DC-BTB的自動(dòng)角差控制暫、穩(wěn)態(tài)基本功能和策略設(shè)計(jì)，但自動(dòng)角差控制在交流電網(wǎng)下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及自動(dòng)角差控制功能下的換流單元交流阻抗特性等課題尚需進(jìn)一步研究。