李 崢，陳 武，侯 凱，史明明，牟曉春，朱勁松

（1. 東南大學(xué)先進(jìn)電能變換技術(shù)與裝備研究所，江蘇省南京市 210096；2. 南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；3. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇省南京市 211103；4. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇省南京市 211100）

0 引言

近年來，可再生能源發(fā)展突飛猛進(jìn)，分布式能源接入占比的不斷提高給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性帶來了新的難題［1-2］，直流驅(qū)動(dòng)負(fù)荷更是加劇了配電網(wǎng)的峰谷差，導(dǎo)致電能質(zhì)量在不同時(shí)段水平參差不齊［3］。

國內(nèi)中壓配電網(wǎng)普遍采用“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”［4-5］的運(yùn)行模式，不具備潮流調(diào)節(jié)、負(fù)荷均衡和連續(xù)負(fù)荷轉(zhuǎn)移的能力［6-7］。部分配電網(wǎng)存在配電設(shè)備陳舊、線路故障率高、配電線路負(fù)荷不夠均衡，合環(huán)帶來短路電流增加、潮流不可控、沖擊電流大等問題［8-9］。柔性環(huán)網(wǎng)控制器可以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)不同分區(qū)的合環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)AC/DC 變換，隔離交流故障，實(shí)現(xiàn)有功、無功的快速獨(dú)立控制，提高配電網(wǎng)實(shí)際使用效率，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)合環(huán)優(yōu)化運(yùn)行，有效應(yīng)對(duì)分布式電源和用戶負(fù)荷的隨機(jī)性和波動(dòng)性問題［10-11］。

目前研究的柔性環(huán)網(wǎng)控制器基本都采用模塊化多 電 平 換 流 器（modular multilevel converter，MMC），通過子模塊集合形式進(jìn)行輸出，避免開關(guān)管直接串聯(lián)，減小損耗，降低故障率［12-14］。柔性直流輸電工程都是通過聯(lián)結(jié)變壓器接入到交流系統(tǒng)中，并通過聯(lián)結(jié)變壓器阻斷故障零序分量在交直流間的傳遞［15-17］。但是考慮到中低壓配電網(wǎng)的實(shí)際情況，聯(lián)結(jié)變壓器作為僅次于換流閥的造價(jià)第二大設(shè)備，其使用會(huì)增加柔性環(huán)網(wǎng)控制器的占地面積、降低經(jīng)濟(jì)性，有必要省略部分或者全部聯(lián)結(jié)變壓器。

交流側(cè)單相接地故障為換流裝置常見的故障類型［18］。采用無聯(lián)結(jié)變壓器的換流裝置在交流側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱故障時(shí)會(huì)帶來不利影響。

綜上所述，有必要對(duì)柔性環(huán)網(wǎng)控制器作進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)［19-20］研究適用于城市電網(wǎng)的柔性環(huán)網(wǎng)控制器拓?fù)?，其方案中換流器通過聯(lián)結(jié)變壓器與交流系統(tǒng)相連，雖然能較好地阻斷故障分量的傳遞，但變壓器占地面積大、造價(jià)高。為了減少占地面積，降低成本，文獻(xiàn)［19］提出了無聯(lián)結(jié)變壓器和單聯(lián)結(jié)變壓器混合子模塊柔性環(huán)網(wǎng)控制器兩種改進(jìn)方案，雖然在一定程度上減少了聯(lián)結(jié)變壓器的數(shù)量，但全橋子模塊（full-bridge sub-module，F(xiàn)BSM）的數(shù)量依然較多。文獻(xiàn)［15］提出新的控制方案，通過設(shè)計(jì)零序電壓抑制控制器，實(shí)現(xiàn)非故障站的穩(wěn)定對(duì)稱運(yùn)行，但仍采用普通半橋、全橋混合型子模塊的換流器，造價(jià)較高。文獻(xiàn)［21］提出的方案中換流器均直接與交流側(cè)相連，一側(cè)換流器采用半橋子模塊（halfbridge sub-module，HBSM），另一側(cè)換流器采用半橋、全橋混合型子模塊，在文獻(xiàn)［20］方案的基礎(chǔ)上再節(jié)省一組聯(lián)結(jié)變壓器，同時(shí)對(duì)半橋、全橋子模塊配比進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)性有了更大的提升，但將其應(yīng)用在多端結(jié)構(gòu)中時(shí)，該拓?fù)渲挥幸欢丝梢允褂冒霕蜃幽K換流器，剩余端口換流器仍需使用半橋、全橋混合型子模塊，難以維持經(jīng)濟(jì)性。

本文首先分析交流側(cè)不對(duì)稱故障引起直流側(cè)電壓波動(dòng)以及故障分量傳遞的內(nèi)在機(jī)理，進(jìn)而提出了一種無聯(lián)結(jié)變壓器的柔性環(huán)網(wǎng)控制器拓?fù)?，兩?cè)換流器均直接與交流系統(tǒng)相連，且換流器采用傳統(tǒng)半橋子模塊。通過將全橋子模塊加到正負(fù)極性母線上，可以有效隔離2 個(gè)換流器交流側(cè)故障，并對(duì)子模塊組成進(jìn)行優(yōu)化，減少了全橋子模塊數(shù)量，同時(shí)省去聯(lián)結(jié)變壓器，減小柔性環(huán)網(wǎng)控制器的占地面積。最后，通過MATLAB/Simulink 軟件驗(yàn)證所提無聯(lián)結(jié)變壓器柔性環(huán)網(wǎng)控制器在兩端及三端拓?fù)涔收蠒r(shí)的有效性。

1 交流側(cè)單相接地故障分析

適用于中壓配電網(wǎng)的柔性環(huán)網(wǎng)控制器應(yīng)用場景為在需要開環(huán)運(yùn)行的電網(wǎng)兩端采用背靠背柔性直流換流站連接，由此可構(gòu)成軟環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，如圖1（a）所示。MMC 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，接線方式為偽雙極接線。MMC 基礎(chǔ)拓?fù)淙鐖D1（b）所示。

圖1 柔性環(huán)網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)及其MMC 基礎(chǔ)拓?fù)銯ig.1 Structure of flexible ring network controller and its MMC basic topology

以圖1（b）中柔性環(huán)網(wǎng)控制器中MMC 交流側(cè)c相發(fā)生單相接地故障為例進(jìn)行分析。

設(shè)故障前交流側(cè)三相電壓為U?a、U?b、U?c，其中:

比較式（3）和式（4）可得，故障前后正序分量保持不變，負(fù)序分量一直為零，只有零序分量發(fā)生改變。

根據(jù)文獻(xiàn)［15］的推導(dǎo)結(jié)果，同時(shí)為方便分析，說明故障電壓傳導(dǎo)機(jī)理，忽略橋臂電抗，可得到如下關(guān)系式:

式中:ump和umn分別為上、下橋臂穩(wěn)態(tài)時(shí)等效橋臂電壓；udc，ref為直流側(cè)參考電壓；Us（s=a，b，c）為交流系統(tǒng)接入網(wǎng)側(cè)S相電壓幅值。

c 相發(fā)生交流單相接地故障后，按照基爾霍夫電壓定理，直流側(cè)正極電壓等于故障相上橋臂電壓，直流側(cè)負(fù)極電壓等于故障相下橋臂電壓負(fù)值［18］。由式（4）與式（5）可得到故障后直流正、負(fù)極電壓如式（6）所示:

2 無聯(lián)結(jié)變壓器的柔性環(huán)網(wǎng)控制器

由式（6）可知直流側(cè)正負(fù)極電壓由本身直流電壓以及零序分量構(gòu)成，由此可得，直流側(cè)電壓波動(dòng)的根本原因在于故障零序分量傳遞擴(kuò)散。

為了阻止故障零序電壓由交流側(cè)傳遞到直流側(cè)，本文提出了一種無聯(lián)結(jié)變壓器的柔性環(huán)網(wǎng)控制器拓?fù)?，通過改變混聯(lián)子模塊的位置以實(shí)現(xiàn)零序分量的抑制。圖2 給出了無聯(lián)結(jié)變壓器柔性環(huán)網(wǎng)控制器的兩端MMC 拓?fù)涫疽鈭D，三端MMC 拓?fù)涫疽鈭D詳見附錄A 圖A1，換流器皆直接接入交流系統(tǒng)。換流器的橋臂均由半橋子模塊串聯(lián)組成，直流側(cè)的全橋子模塊閥串則由全橋子模塊串聯(lián)而成。

圖2 無聯(lián)結(jié)變壓器柔性環(huán)網(wǎng)控制器兩端MMC 拓?fù)銯ig.2 MMC topology at both ends of flexible ring network controller without interface transformer

2.1 零序分量抑制原理

由第1 章分析可知，直流側(cè)電壓波動(dòng)在于零序分量未被抑制，使之從交流側(cè)傳遞到直流側(cè)。

以圖2 所示拓?fù)錇槔僭O(shè)MMC1 交流側(cè)c 相發(fā)生單相接地故障，對(duì)零序分量不加以抑制，即兩端MMC 通過直流側(cè)直接連接，故障側(cè)MMC1 正、負(fù)極對(duì)地電壓可表示為:

故障電壓會(huì)由故障端傳遞到非故障端，擴(kuò)大故障范圍，造成不利影響。MMC3 分析同理。

再以圖2 所示拓?fù)錇槔僭O(shè)MMC1 交流側(cè)c相發(fā)生單相接地故障，若對(duì)零序分量加以抑制，即兩端MMC 通過直流側(cè)全橋子模塊連接。此時(shí)，直流側(cè)出口電壓如圖3 所示。t1時(shí)刻故障發(fā)生，故障分量傳遞到MMC1 直流側(cè)出口，引起正、負(fù)極對(duì)地電壓波動(dòng)。此時(shí)，全橋子模塊開關(guān)同步動(dòng)作，對(duì)故障電壓進(jìn)行抑制，t2時(shí)刻故障結(jié)束。由圖3 可以看出，t1～t2時(shí)刻直流側(cè)對(duì)地電壓保持穩(wěn)定，故障分量未傳遞到非故障側(cè)而引起電壓波動(dòng)。

圖3 故障電壓抑制原理圖Fig.3 Schematic diagram of fault voltage suppression

因此，本文所提出的柔性環(huán)網(wǎng)控制器利用全橋子模塊可以輸出正負(fù)電壓的特性，無論哪一端發(fā)生交流故障，全橋子模塊都能輸出與波動(dòng)電壓相反的電壓波形進(jìn)行補(bǔ)償，維持正負(fù)極電壓穩(wěn)定。

2.2 全橋子模塊控制策略

由2.1 節(jié)分析可知，直流側(cè)正負(fù)極電壓波動(dòng)由單相故障產(chǎn)生的零序電壓引起，因此，可以利用全橋子模塊產(chǎn)生與之相匹配的電壓，補(bǔ)償直流側(cè)正負(fù)極的電壓波動(dòng)。故障時(shí)對(duì)交流側(cè)三相電壓進(jìn)行正負(fù)序分解，將其中的零序分量U?(0)f提取出來進(jìn)行歸一化，生成的參考值Uref作為調(diào)制波加到串聯(lián)的全橋子模塊上，其控制實(shí)現(xiàn)如圖4 所示，全橋子模塊采用載波移相調(diào)制策略，每個(gè)全橋子模塊輔以均壓環(huán)。

圖4 全橋子模塊控制框圖Fig.4 Control block diagram of full-bridge sub-module

2.3 全橋子模塊配置

由2.1 節(jié)分析可知，引起直流側(cè)電壓波動(dòng)的零序分量在幅值上近似等于交流系統(tǒng)輸入電壓，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行計(jì)算配置。

由式（4）可得:

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，一般單相接地故障所導(dǎo)致的電壓波動(dòng)變化最大。因此，按上述計(jì)算方法所得到的全橋子模塊個(gè)數(shù)具有一定合理性。在圖2 所示拓?fù)渲?，以接?0 kV 交流配電系統(tǒng)為例，對(duì)于半橋型MMC，直流電壓為±10 kV，子模塊額定電壓為0.91 kV，計(jì)算可得半橋型MMC 中每個(gè)橋臂的半橋子模塊個(gè)數(shù)為N=22。再根據(jù)式（15），則直流側(cè)每極全橋子模塊個(gè)數(shù)為M=9，正負(fù)極共18 個(gè)。

此方案在多端MMC 中同樣適用，計(jì)算方式與上述一致，每一端MMC 直流側(cè)出口對(duì)應(yīng)的全橋子模塊為:

假設(shè)MMC1 交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)MMC1直流側(cè)全橋子模塊與MMC2 直流側(cè)全橋子模塊輸出電壓疊加共同抑制零序分量，維持MMC2 直流側(cè)電壓穩(wěn)定；相同的，MMC1 直流側(cè)全橋子模塊與MMC3 直流側(cè)全橋子模塊輸出電壓疊加共同抑制零序分量，維持MMC3 直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

以附錄A 圖A1 所示三端MMC 拓?fù)錇槔?，每橋臂半橋子模塊個(gè)數(shù)為N=22，則根據(jù)式（16），直流側(cè)每極全橋子模塊個(gè)數(shù)為k=5，正負(fù)極共30 個(gè)。

3 方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

本章主要從子模塊個(gè)數(shù)及換流器損耗等方面對(duì)本文所提方案和其他3 種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比。方案1 為傳統(tǒng)單變壓器復(fù)雜結(jié)構(gòu)，方案2 與方案3 略去變壓器，從控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，本文所提出的方案（即方案4）既無變壓器又改進(jìn)拓?fù)湟越档涂刂齐y度。各方案拓?fù)湓斠姼戒汚 圖A2，以下對(duì)比分析前提條件為兩端MMC，額定傳輸功率為2 MW，直流側(cè)電壓為±10 kV，調(diào)制比λ約為0.8，直流側(cè)電流Idc=100 A，滿載運(yùn)行，交流側(cè)相電流峰值約為Ia=80 A，橋臂電流為Ia/2+Idc/3，其峰值約為70 A。計(jì)算一個(gè)工頻周期內(nèi)子模塊損耗。參考文獻(xiàn)［22］的計(jì)算方法以及文獻(xiàn)［19］的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以換流器總損耗占傳輸功率百分比作為結(jié)果。

方案1 采用傳統(tǒng)單聯(lián)結(jié)變壓器混合子模塊結(jié)構(gòu)，雖然節(jié)省了一組聯(lián)結(jié)變壓器和一半的全橋子模塊，但造價(jià)偏高、設(shè)備占地過大，且尚無混合子模塊結(jié)構(gòu)換流器的工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，有一定工程實(shí)現(xiàn)難度［19］。該方案的設(shè)備組成為1 臺(tái)聯(lián)結(jié)變壓器+22×12 個(gè)半橋子模塊+22×6 個(gè)全橋子模塊，損耗約為1.932%。

方案2 給出的是無聯(lián)結(jié)變壓器混合子模塊柔性環(huán)網(wǎng)控制器，可省去2 組聯(lián)結(jié)變壓器，但換流器均采取半橋、全橋1∶1 混合子模塊。該方案的設(shè)備組成為22×12 個(gè)半橋子模塊+22×12 個(gè)全橋子模塊，損耗約為2.180%。

方案3 給出的是無聯(lián)結(jié)變壓器非對(duì)稱式柔性環(huán)網(wǎng)控制器，其中一端換流器為半橋型，另一端換流器為混合型，其混合型換流器全橋子模塊約為半橋子模塊的32%，對(duì)于整個(gè)兩端型柔性環(huán)網(wǎng)控制器而言，換流器所增加的成本為14.8%［21］，但應(yīng)用于多端配電網(wǎng)時(shí)，該方案需增加混合型換流器，即便如此也難以抑制故障擴(kuò)大。該方案的設(shè)備組成為22×12 個(gè)半橋子模塊+7×6 個(gè)全橋子模塊，損耗為1.133%。

本文提出的方案4 相較于方案3 成本進(jìn)一步壓縮，減少了全橋子模塊數(shù)量，全橋子模塊僅為半橋子模塊的14%，且對(duì)于兩端型柔性環(huán)網(wǎng)控制器而言，換流器成本僅增加8.9%，同時(shí)也可抑制直流側(cè)電壓波動(dòng)，從源頭上阻止故障分量由故障側(cè)傳遞到非故障側(cè)，且本文方案在多端配電網(wǎng)同樣適用，擴(kuò)展性強(qiáng)。本文方案的設(shè)備組成為22×12 個(gè)全橋子模塊+9×2 個(gè)全橋子模塊，損耗為1.660%（已將直流側(cè)全橋子模塊損耗整合到換流器損耗中）。

各個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表1 所示。

表1 柔性環(huán)網(wǎng)控制器方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 1 Economic comparison of flexible ring network controller schemes

由表1 可以看出，雖然在兩端MMC 下，本文所提方案4 損耗大于方案3，但是方案3 難以擴(kuò)展到三端及以上，本文方案在三端情況下?lián)p耗占比進(jìn)一步降低。

方案1、方案2 由于子模塊個(gè)數(shù)較多，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）數(shù)量同樣增加，其成本均遠(yuǎn)高于方案3、方案4。各方案均在前述相同條件下運(yùn)行，各方案換流器子模塊IGBT 峰值電流為橋臂電流，按2 倍裕量均選擇型號(hào)FF150R17KE4，單個(gè)價(jià)格為973 元；方案4 由于故障時(shí)直流側(cè)電壓為共模波動(dòng)，故障前后對(duì)直流電流的影響很小，因此直流側(cè)子模塊IGBT 按直流側(cè)電流2 倍裕量選擇型號(hào)FF200R17KE4，單個(gè)價(jià)格為1 046 元；方案1 變壓器型號(hào)為S11-M-2500，價(jià)格為115 000 元。方案1 至4總 成 本 分 別 為119.4 萬 元、212.3 萬 元、71.6 萬 元 和62.6 萬元。綜上所述，本文所提方案4 成本優(yōu)勢(shì)較為明顯。

4 仿真驗(yàn)證

本章通過在MATLAB/Simulink 中搭建如圖2和附錄A 圖A1 所示的模型對(duì)前述分析進(jìn)行驗(yàn)證，仿真參數(shù)見附錄A 表A1。

4.1 兩端MMC 仿真

4.1.1 兩端MMC 仿真參數(shù)

兩端換流器MMC1 和MMC2 采用相同的配置結(jié)構(gòu)和交流電網(wǎng)參數(shù)，仿真模型見圖2，仿真參數(shù)見附錄A 表A1。正常工作下，MMC1 采取定有功功率工作模式，MMC2 采取定直流電壓工作模式。

4.1.2 交流故障后兩端MMC 響應(yīng)特性

t1=0.593 s 時(shí)，MMC1 交 流 側(cè) 發(fā) 生c 相 接 地 故障；t2=0.693 s 時(shí)直流側(cè)全橋子模塊投入運(yùn)行進(jìn)行抑制；t3=0.8 s 時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行，同時(shí)全橋子模塊切出。圖5 給出了故障后兩端MMC 響應(yīng)特性，其中Us，j、Is，j（s=a，b，c；j=1，2）分別為MMCj交流側(cè)s相電壓與電流。

圖5 故障后兩端MMC 響應(yīng)特性Fig.5 Response characteristics of two-terminal MMC after fault

4.2 三端MMC 仿真

4.2.1 三端MMC 仿真參數(shù)

三 端 換 流 器MMC1、MMC2 和MMC3 采 用 相同的配置結(jié)構(gòu)和交流電網(wǎng)參數(shù)，仿真模型如附錄A圖A1 所示，仿真參數(shù)與兩端MMC 類似，參考表A1。正常工作下，MMC2 采取定直流電壓工作模式，MMC1 和MMC3 采取定有功功率工作模式。

4.2.2 交流故障后三端MMC 響應(yīng)特性

t1=0.393 s 時(shí)，MMC1 交 流 側(cè) 發(fā) 生c 相 接 地 故障；t2=0.493 s 時(shí)，直流側(cè)全橋子模塊投入運(yùn)行進(jìn)行抑制；t3=0.6 s 時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行，子模塊切出。故障后三端MMC 響應(yīng)特性見附錄A 圖A3，其中，為避免重復(fù)，三相用x、y、z 表示。

由附錄A 圖A3 可知，t1～t2時(shí)刻，MMC1 交流側(cè)故障后，c 相電壓變?yōu)?，a、b 相電壓抬升為線電壓幅值的 3 倍，故障零序電壓與交流側(cè)正常相電壓幅值相同，直流側(cè)電壓分量相位變換與故障分量統(tǒng)一，此時(shí)短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)還能正常工作，但故障零序電壓分量會(huì)傳遞到MMC2 和MMC3 交流側(cè)，其電壓波形與MMC1 交流側(cè)電壓類似，MMC2 的c 相電壓的幅值為3.6 kV，a、b 相電壓幅值為13.6 kV，MMC3的c 相電壓幅值為3.4 kV，a、b 相電壓幅值為13.7 kV。t2～t3時(shí)刻，MMC1 直流側(cè)正負(fù)極全橋子模塊與MMC2、MMC3 直流側(cè)全橋子模塊投入后，故障電壓分量由直流側(cè)出口10 個(gè)全橋子模塊串聯(lián)疊加抑制，直流電壓波動(dòng)立即消失，同時(shí)MMC2 和MMC3 交流側(cè)電壓恢復(fù)對(duì)稱穩(wěn)定，表明故障零序電壓分量得到較好的抑制，阻止了故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。5 個(gè)全橋子模塊投入后，其峰值電壓為4.5 kV，電平數(shù)為11，與理論分析一致。

本文給出了兩端及三端MMC 拓?fù)浞抡婺Ｐ蛿?shù)據(jù)，詳見本文支撐數(shù)據(jù)，供有興趣的讀者參考。

5 結(jié)語

本文提出的無變壓器柔性環(huán)網(wǎng)控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用全橋子模塊正負(fù)電壓輸出能力，補(bǔ)償故障產(chǎn)生的零序電壓，維持直流側(cè)正負(fù)極電壓穩(wěn)定，阻止故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，仿真證明了柔性環(huán)網(wǎng)控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效性。

本文初步驗(yàn)證了所提拓?fù)涞挠行?，但故障發(fā)生期間整體時(shí)序性仍有待深入研究。未來將繼續(xù)對(duì)全橋子模塊控制方式進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步減少子模塊，同時(shí)全橋子模塊的其他替代拓?fù)浠螂娐芬彩侵攸c(diǎn)研究內(nèi)容。

本文中仿真模型數(shù)據(jù)已共享，可在本刊網(wǎng)站支撐數(shù)據(jù)處下載（http://www.aeps-info.com/aeps/article/abstract/20210806005）。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。