張 倩 ,立梓辰 ,趙博文 ,張延遲

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司溧陽市供電分公司,江蘇省 溧陽市 213300;2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司,江蘇省 宿遷市 223600;3.國網(wǎng)上海市電力公司,上海市 浦東新區(qū) 200120;4.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海市 浦東新區(qū) 200120)

0 引言

在當(dāng)前大規(guī)模電網(wǎng)互聯(lián)的需求下,傳統(tǒng)的點對點的直流輸電方式已經(jīng)不能滿足需要,大規(guī)模多點互聯(lián)的多電源供電和多受點受電的多端直流輸電系統(tǒng)(multi-terminal direct current,MTDC)已經(jīng)成為目前的發(fā)展趨勢[1-4]。而模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的開關(guān)損耗更低,輸出的電能質(zhì)量更好等優(yōu)勢,逐漸在多端柔性直流輸電中得到應(yīng)用[5-8]。

目前對于MTDC已有較多的研究成果[5-8]。這些研究從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略和故障識別等幾個方面進(jìn)行了有益的探討。文獻(xiàn)[9]介紹了多端直流網(wǎng)絡(luò)的實際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立能提高系統(tǒng)靈活性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真功能模型,且增大線路的利用率。文獻(xiàn)[10]提出了一種混合型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并伴隨故障清除功能。文獻(xiàn)[11-12]根據(jù)多端直流系統(tǒng)各站的時序配合,設(shè)計了預(yù)充電識別方法,提出了多端直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)啟動控制策略。文獻(xiàn)[13-14]介紹了混合式MMC 的高壓直流輸電系統(tǒng)的啟動過程,并提出了基于混合式MMC直流輸電系統(tǒng)的有效控制策略。文獻(xiàn)[15]分析了系統(tǒng)換流站的啟動對交流電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[16-17]介紹了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組接入直流系統(tǒng)的MMC-MTDC系統(tǒng)的啟動過程。文獻(xiàn)[18]從南方電網(wǎng)工程實際介紹柔性直流輸電在黑啟動方面的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[19]提出一種可適用于不同直流拓?fù)湫问胶徒恢绷鬟B接方式的MMC-MTDC系統(tǒng)的潮流算法。文獻(xiàn)[20]為了提高M(jìn)TDC系統(tǒng)穩(wěn)定性,將矢量控制和功率同步控制并存于同一個換流站,提出了一種同步切換控制策略。文獻(xiàn)[21]通過計算線路兩端差流的短時能量來區(qū)分故障線路和非故障線路,專門應(yīng)對MTDC 系統(tǒng)的故障識別;文獻(xiàn)[22]在下垂控制策略中使用直流電抗器兩端的電壓的線性組合作為輸入,提高了電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)-MTDC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以上研究雖然提升了MTDC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障識別能力,但是對多端系統(tǒng)多換流站的協(xié)調(diào)啟動過程的研究尚且不足。

而MMC相對于VSC具有開關(guān)損耗低、故障穿越能力強(qiáng)的優(yōu)點,成為當(dāng)前多端柔性直流輸電發(fā)展的主流方向,研究主要從3個方面進(jìn)行[19-22]。文獻(xiàn)[23]針對傳統(tǒng)MMC 排序均壓策略計算量大、開關(guān)頻率高的問題,提出一種劃分子模塊投入優(yōu)先級的新型均壓策略;文獻(xiàn)[24]研究MMC-MTDC 系統(tǒng)的保護(hù)死區(qū),提出了一種新型線路保護(hù)方法;文獻(xiàn)[25]建立考慮交流側(cè)和直流側(cè)的雙同步旋轉(zhuǎn)參考系中下垂控制單端MMC 的線性時不變系統(tǒng) (linear time invariant,LTI)模型,研究MMC-MTDC 系統(tǒng)的直流電壓動態(tài)特性,提出一種新的能量管理方法來提升虛擬電容控制性能。文獻(xiàn)[26]為了減少子模塊開關(guān)次數(shù),提出一種根據(jù)上一時刻子模塊投切狀態(tài)進(jìn)行電壓排序的優(yōu)化算法。以上的研究雖然對于提高M(jìn)MC的輸出波形質(zhì)量以及響應(yīng)速度和減少開關(guān)損耗進(jìn)行了有效的改進(jìn),但由于MMC 系統(tǒng)自身包含大量的電容,這就需要一個合理的啟動過程,減少系統(tǒng)啟動暫態(tài)過程的能量沖擊,這方面的研究較少。

本文主要解決以下的問題:(1)將MMC-MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)啟動和故障重啟性能進(jìn)行綜合分析,基于其預(yù)充電電容充電情況的分析結(jié)果,提出一種新型協(xié)調(diào)啟動的控制策略,用于解決傳統(tǒng)預(yù)充電方式存在“先發(fā)優(yōu)勢”的問題。(2)分析幾種MMC-MTDC系統(tǒng)典型的故障重啟問題,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重啟速度,提出一種新型的故障恢復(fù)快速啟動控制策略。

1 MMC-MTDC 換流站級系統(tǒng)控制原理

MMC-MTDC換流站級控制器是基于MMC系統(tǒng)建立的交流電網(wǎng)平衡的控制器,MMC-MTDC 換流站級系統(tǒng)的整體控制如圖1所示。圖中:Rac為系統(tǒng)交流側(cè)電阻;Lac為交流側(cè)電感;UA、UB、UC和iA、iB、iC分別為三相電壓和電流;Udc是直流側(cè)電壓;us為系統(tǒng)交流側(cè)電壓;usd、usq、isd、isq是系統(tǒng)交流側(cè)電壓和電流在d 軸和q 軸上的分量;Ps和Qs是系統(tǒng)有功功率和無功功率;Udcref、usref、Psref、Qsref分別為直流側(cè)電壓參考值、交流側(cè)電壓參考值、有功功率參考值和無功功率參考值。

圖1 MMC-MTDC換流站控制框圖Fig.1 Control block diagram of MMC-MTDC converter station

在dq 坐標(biāo)系下,系統(tǒng)的控制可以分為內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)功率控制。其中內(nèi)環(huán)電流控制調(diào)節(jié)變量,使dq 軸電流可以有效跟蹤參考值idref、iqref,并在一定程度上抑制相間環(huán)流。外環(huán)功率控制計算內(nèi)環(huán)電流控制所需的dq 軸電流參考值。

MMC-MTDC系統(tǒng)主要在主從控制方式下穩(wěn)定運行,將多端直流網(wǎng)絡(luò)中的各個換流站劃分為主換流站和從換流站,分別采用不同的控制方法協(xié)調(diào)控制,多端直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MMC-MTDC系統(tǒng)主從控制框圖Fig.2 Control block diagram of master-slave controller for MMC-MTDC system

本文的主換流站采用定直流電壓控制整個系統(tǒng)的直流電壓,從換流站通過控制額定功率有功功率,從而實現(xiàn)MMC-MTDC系統(tǒng)主從換流站的協(xié)調(diào)控制。主換流站可以維持整個MMC-MTDC 系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定,但主換流站和從換流站的控制方法不同,因此相應(yīng)的控制器的參考值也不同。換流站將有功量與無功量傳送至上層控制系統(tǒng),最終找到穩(wěn)定運行的點。

2 MMC-MTDC 系統(tǒng)協(xié)調(diào)啟動控制方法

2.1 MMC 預(yù)充電方式

MMC-MTDC系統(tǒng)預(yù)充電方式根據(jù)是否使用輔助充電電源分為他勵預(yù)充電和自勵預(yù)充電。MMC他勵預(yù)充電需要輔助直流電源,使MMC 子模塊電容充電至設(shè)定的電壓值[27-28]。而自勵預(yù)充電即為交流系統(tǒng)對MMC系統(tǒng)三相橋臂子模塊電容進(jìn)行充電到目標(biāo)值。自勵充電方式無需使用輔助直流電源,直流輸電工程大部分采用自勵充電方式,本文亦使用此種方法。

自勵預(yù)充電方式易受到交流系統(tǒng)三相電壓過零點的影響,由于A、B、C 三相電壓存在相位差,在選擇順序充電時,先充電的橋臂子模塊電容可以充到目標(biāo)值,但后充電的子模塊電容卻達(dá)不到目標(biāo)值。針對此種問題,本文對MMC 預(yù)充電具體工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

三相MMC自勵預(yù)充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,MMC系統(tǒng)自勵預(yù)充電主要分為2個過程,不可控預(yù)充電階段和可控預(yù)充電2個階段[29-30],其中不可控充電階段的所有子模塊的觸發(fā)信號均關(guān)閉,交流系統(tǒng)的線電壓要分配到每個子模塊電容上,由此可得單個子模塊的電容電壓:

式中:N 為單個橋臂子模塊數(shù);uc_sm為子模塊電容電壓;Uph為交流系統(tǒng)相電壓。

三相MMC系統(tǒng)不可控預(yù)充電原理如圖3(b)所示,當(dāng)橋臂電流為正,子模塊處于充電狀態(tài),等效為電容Csm;當(dāng)橋臂電流為負(fù),子模塊處于旁路狀態(tài),等效為短路。不可控預(yù)充電方式只能將電容充電至70%,剩余部分需要可控預(yù)充電階段完成MMC系統(tǒng)的充電要求。

圖3 三相MMC預(yù)充電原理圖Fig.3 Schematic diagram of three-phase MMC pre-charging

由三相交流系統(tǒng)電壓,可得MMC 自勵充電系統(tǒng)的子模塊投入時間區(qū)間,

式中:A 為交流系統(tǒng)電壓幅值;ω 為角速度。

由式(2)可得單個周期內(nèi)t1—t6的分點為:t1=0.001 667+Δt;t2=0.008 333+Δt;t3=0.011 667+Δt;t4=0.018 333+Δt;t5=0.021 667+Δt;t2=0.028 333+Δt;Δt=m T。Δt 表示為偏 移的周期量,m 為偏移的周期數(shù),T 表示交流系統(tǒng)的周期。

不可控充電開關(guān)導(dǎo)通如表1所示,不可控預(yù)充電電流流向如圖4所示。由圖4可以看出MMC系統(tǒng)各相橋臂電流的流向及各橋臂子模塊的充電狀態(tài),進(jìn)而對每個相單元的橋臂選擇合適的導(dǎo)通區(qū)間,即根據(jù)三相橋臂6種充電情況選定每個橋臂子模塊的投入時間,從而完成MMC-MTDC 系統(tǒng)子模塊電容的自勵預(yù)充電。

圖4 三相橋臂6種充電電流流向圖Fig.4 Schematic diagram of six charging conditions of three-phase bridge arm

表1 不可控充電階段三相導(dǎo)通情況Table 1 Three-phase conduction in uncontrollable charging stage

MMC自勵預(yù)充電雖然可以完成預(yù)充電的目標(biāo),但充電效果不同以及部分電流較大的問題,且多端MMC-MTDC 系統(tǒng)的啟動不合理會帶來較大的暫態(tài)能量沖擊。

2.2 新型MMC-MTDC 協(xié)調(diào)啟動控制方法

針對前文提到的預(yù)充電“先發(fā)優(yōu)勢”的問題,根據(jù)MMC 換流站的具體充電情況及控制方式,本文提出一種新的MMC-MTDC系統(tǒng)的預(yù)充電和協(xié)調(diào)啟動控制策略,MMC換流站級控制器可以在MMC系統(tǒng)完成不可控預(yù)充電后控制MMC系統(tǒng)的暫態(tài)充電過程,協(xié)調(diào)完成多個MMC從換流站的預(yù)充電,完成整個MMC-MTDC系統(tǒng)的預(yù)充電與啟動,具體控制流程如圖5所示。

圖5 MMC-MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)啟動流程圖Fig.5 Flow chart of coordinated start of MMC-MTDC system

(1) 選定MMC-MTDC 系統(tǒng)單端MMC1有源換流站對MMC 系統(tǒng)進(jìn)行獨立不可控預(yù)充電,使其子模塊達(dá)到預(yù)充電的目標(biāo)值70%,對MMC1 換流站進(jìn)行定直流電壓和定無功功率的啟動控制,完成MMC1換流站的啟動和子模塊電容充電。

(2) 在單端MMC1 換流站啟動的同時,其他MMC換流站并入直流母線。MMC1換流站啟動過程會產(chǎn)生較大的電壓波動,產(chǎn)生的能量沖擊會給其他MMC從換流站充電,提前實現(xiàn)預(yù)充電。

協(xié)調(diào)預(yù)充電可行性由MMC子模塊電壓可行區(qū)間上下限確定,即

(3)MMC-MTDC 系統(tǒng)的MMC1 換流站啟動完成,其余MMC 從換流站的子模塊充電至uvalid/2N 后,對MMC 從換流站進(jìn)行定有功功率和定無功功率的啟動控制,從而實現(xiàn)整個MMC-MTDC 系統(tǒng)的預(yù)充電和啟動。

2.3 新型故障恢復(fù)啟動控制方法

在MMC-MTDC系統(tǒng)的啟動過程中會產(chǎn)生多種故障,故障出現(xiàn)后經(jīng)過短暫時間可以恢復(fù)的故障為暫時性故障,暫時故障后恢復(fù)啟動過程一般較為緩慢或者直接進(jìn)入停機(jī)放電,而重新啟動會浪費能量且延長了啟動時間,降低系統(tǒng)工作效率。

本文針對幾種典型的故障進(jìn)行分析,由于故障對控制系統(tǒng)中的相關(guān)控制量影響不同,如直流側(cè)線路短路故障會造成直流側(cè)電壓為0,交流系統(tǒng)故障會影響無功控制量,需要對相關(guān)量控制器進(jìn)行調(diào)整。由于控制器中含有多個比例積分(proportional integral,PI)控制器,每個控制器都有不同的參數(shù)以及限值,對再啟動有較高的要求。本文設(shè)定控制器的輸出值為:

式中:y 為控制器輸出量;Δx 為實際值與參考值的差值;kP和kI為PI控制中的比例和積分系數(shù)。則有:

式中:Δid1、Δiq1為MMC1 換 流 站dq 軸 電 流 變 化量;ΔUdc、ΔQ1為MMC1換流站的直流電壓和無功功率變化量;Δucd1、Δucq1為控制器輸出控制量的變化量;kP1、kI1、kP2、kI2、kP3、kI3、kP4、kI4為MMC 主換流站控制器對應(yīng)的比例和積分參數(shù)。

由式(5)(6)可知,系統(tǒng)故障對控制量影響較大,實際運行中,控制器輸出量會在限值范圍內(nèi)穩(wěn)定在一個數(shù)值。故障恢復(fù)啟動流程如圖6所示,根據(jù)控制器輸出值變化情況以及輸出值超出限定值的時間長短來判定系統(tǒng)重啟能力,從而調(diào)整控制器輸出參數(shù)。

圖6 MMC-MTDC系統(tǒng)故障恢復(fù)啟動流程圖Fig.6 Flow chart of failure recovery startup of MMC-MTDC system

2.3.1 直流側(cè)短路故障

直流側(cè)線路故障中最為嚴(yán)重的是直流側(cè)線路的正負(fù)極線路短路故障,如圖6所示,由于直流側(cè)線路正負(fù)極短路造成直流線路快速放電,直流側(cè)電壓迅速降為0,PI控制器的Δx 值迅速增大,超過控制器限值。

ΔUdc的快速變化引起Δid、Δucd的變化,設(shè)調(diào)節(jié)后定直流電壓控制的比例和積分參數(shù)為kPa、kIa,將原有比例積分參數(shù)kP1、kI1改為kPa、kIa,可得:

式中:Δida、Δucda為定直流電壓控制器參數(shù)調(diào)節(jié)后,控制量輸出的變化量。

實際定直流電壓控制器的變化量設(shè)為Δidk、Δucdk,表達(dá)式為:

由此可得,控制調(diào)節(jié)控制器恢復(fù)到原有的上下限范圍即可實現(xiàn)快速恢復(fù)啟動。

2.3.2 交流系統(tǒng)故障

交流系統(tǒng)故障會導(dǎo)致啟動失敗,MMC-MTDC系統(tǒng)不穩(wěn)定,嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。交流系統(tǒng)故障分為兩相短路故障、三相短路故障和三相短路故障三種故障。

(1) 兩相短路故障

(2) 三相短路故障

(3) 單相接地故障

式中:UfA、UfB、UfC為故障時交流系統(tǒng)的三相電壓;ifA、ifB、ifC為故障時交流系統(tǒng)的三相電流。

由式(9)—(11)可知,交流系統(tǒng)發(fā)生故障對電流、電壓均有影響,三相電壓的變化對經(jīng)過park變化后的dq 軸電壓產(chǎn)生影響,三相電流的變化對dq軸電流變化產(chǎn)生影響。故障后的dq 軸的變化量為

式中:ucdv、ucqv為控制器故障后的控制量;usdv、idv、iqv為故障后的d 軸電壓、d 軸電流以及q 軸電流。

由于交流系統(tǒng)發(fā)生故障會對控制量ucd、ucq產(chǎn)生影響,同時系統(tǒng)控制器的調(diào)節(jié)量及調(diào)節(jié)參數(shù)不同,針對交流系統(tǒng)故障的快速恢復(fù),需要考慮每個對應(yīng)控制器的控制量超過限值的情況,可以采取控制器清零或部分控制器參數(shù)調(diào)節(jié),從而加快系統(tǒng)故障恢復(fù)啟動的能力。

3 仿真與實驗

3.1 MMC-MTDC 系統(tǒng)協(xié)調(diào)啟動仿真驗證

本文建立了如圖7所示的五端MMC-MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)預(yù)充電與啟動仿真模型,模型參數(shù)如表2—3所示。

圖7 五端MMC-MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)預(yù)充電與啟動仿真模型結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Simulation model structure diagram of coordinated pre-charge and start of five-terminal MMC-MTDC system

表2 五端MMC-MTDC系統(tǒng)線路參數(shù)Table 2 Line parameters of five-terminal MMC-MTDC system

表3 五端MMC-MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)預(yù)充電與啟動仿真模型參數(shù)Table 3 Simulation model parameters of coordinated pre-charge and start of five-terminal MMC-MTDC system

在仿真參數(shù)設(shè)置下,選定MMC1換流站作為主換流站,設(shè)定MMC1的直流電壓指令值Udcref為20 kV,無功功率的指令值Q1ref為0,在0～1s內(nèi)進(jìn)行啟動,控制五端MMC-MTDC 系統(tǒng)的直流側(cè)電壓穩(wěn)定在20 kV。MMC2、MMC3、MMC4、MMC5換流站分別在1.5、2.5、3.5、4.5 s時刻并入直流網(wǎng)絡(luò),如圖8—9所示,這種協(xié)調(diào)啟動的方式對MMC-MTDC 系統(tǒng)的直流側(cè)電壓的波動影響較小進(jìn)而對系統(tǒng)的能量沖擊最小,在換流站并入直流網(wǎng)絡(luò)后,直流側(cè)電壓0.3 s就穩(wěn)定在20 kV,保證了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

圖8 五端MMC-MTDC系統(tǒng)直流側(cè)電壓Fig.8 DC side voltage of five-terminal MMC-MTDC system

圖9 MMC1主換流站的子模塊電容電壓Fig.9 Submodule capacitor voltage of MMC1 master converter station

3.2 故障重新啟動的仿真

3.2.1 直流側(cè)正負(fù)極短路故障

MMC-MTDC 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,在t=4.5 s發(fā)生直流側(cè)正負(fù)極短路故障,故障持續(xù)0.02 s,MMC主換流站在發(fā)生故障后進(jìn)入閉鎖狀態(tài)并維持0.05 s,進(jìn)而保護(hù)換流站的子模塊和等待直流側(cè)正負(fù)極短路故障消除。故障發(fā)生后,從換流站與主換流站斷開,待直流側(cè)正負(fù)極性故障解除,主換流站重新控制直流電壓再并入從換流站,同時調(diào)節(jié)相應(yīng)的定直流電壓控制器參數(shù)kPa和kIa,即可實現(xiàn)故障的快速恢復(fù),仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 MMC-MTDC系統(tǒng)直流側(cè)正負(fù)極短路故障恢復(fù)仿真Fig.10 MMC-MTDC system DC side positive and negative short-circuit fault recovery simulation

3.2.2 單相短路故障

如圖11所示,MMC-MTDC系統(tǒng)在交流系統(tǒng)C相單相接地故障的情況下,MMC 主換流站交流側(cè)的C相電流遠(yuǎn)大于A 相和B 相的電流。故障消除后,相應(yīng)調(diào)節(jié)定直流電壓控制器kPa=2kP1、kIa=6kI1后,三相電流逐漸恢復(fù),MMC-MTDC系統(tǒng)直流側(cè)電壓也在經(jīng)過0.25 s時間逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

圖11 MMC-MTDC系統(tǒng)單相故障恢復(fù)啟動仿真Fig.11 Simulation of MMC-MTDC single-phase fault recovery startup

3.2.3 兩相短路故障

五端MMC-MTDC系統(tǒng)在B、C 兩相短路故障的情況下,MMC主換流站交流測的B 相和C 相電路遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A 相的電流。故障消除后,相應(yīng)調(diào)訂直流電壓控制器kPa=6kP1、kIa=4kI1后,三相電流逐漸恢復(fù),MMC-MTDC系統(tǒng)直流側(cè)電壓也在警告過0.46 s時間逐漸恢復(fù)穩(wěn)定,如圖12所示。

圖12 MMC-MTDC系統(tǒng)兩相故障恢復(fù)啟動仿真Fig.12 Simulation of MMC-MTDC two-phase fault recovery startup

3.2.4 三相短路故障

如圖13所示,MMC-MTDC系統(tǒng)在交流系統(tǒng)三相短路故障的情況下,MMC 主換流站交流側(cè)的三相電流同時瞬間增大。故障消除后,相應(yīng)調(diào)節(jié)定直流電壓控制器kPa=5kP1、kIa=5kI1三相電流逐漸恢復(fù),MMC-MTDC系統(tǒng)直流側(cè)電壓也在經(jīng)過0.66 s時間逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

圖13 MMC-MTDC系統(tǒng)三相故障恢復(fù)啟動仿真Fig.13 Simulation of MMC-MTDC three-phase fault recovery startup

由圖11—13可知,三種交流系統(tǒng)故障情況下,子模塊電容電壓在故障發(fā)生后,電壓受到了波動,但控制器參數(shù)調(diào)節(jié)的情況下,三種交流系統(tǒng)故障的子模塊電容電壓在故障解除后,快速恢復(fù)穩(wěn)定運行狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 本文建立了基于五端MMC-MTDC 系統(tǒng)新型協(xié)調(diào)啟動模型,此種模型可以在0.3 s內(nèi)穩(wěn)定在目標(biāo)電壓水平,電壓波動也在3 kV 以內(nèi)。

(2) 本文提出的新型協(xié)調(diào)啟動控制可以滿足不同故障發(fā)生后系統(tǒng)的恢復(fù)啟動,并且恢復(fù)時間都在1 s以內(nèi),實驗的結(jié)果證明了本文的結(jié)論。