常昊添 李建春 趙文強(qiáng) 侍喬明

基于動模仿真的混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)控制策略

常昊添 李建春 趙文強(qiáng) 侍喬明

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

本文主要討論混合直流輸電系統(tǒng)中，整流側(cè)采用常規(guī)換相換流器（LCC），逆變側(cè)高閥采用常規(guī)LCC、低閥采用3個電壓源換流器（VSC）并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼具LCC與VSC的優(yōu)點(diǎn)。本文分析了混合直流輸電系統(tǒng)中啟停極、低閥組投退、VSC單閥投入、VSC交流電壓故障的控制策略，給出了動模仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計方法，最后通過仿真試驗(yàn)證明了控制策略的有效性。

模塊化多電平換流器（MMC）；換相換流器（LCC）；混合直流輸電系統(tǒng)；動模仿真系統(tǒng)

0 引言

電網(wǎng)換相換流器（line-commuted converter, LCC）用于常規(guī)特高壓直流輸電系統(tǒng)，具有輸電容量大、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，已有較多工程應(yīng)用。但是，LCC需要單獨(dú)配置濾波器，且有換相失敗的風(fēng)險[1-3]。柔性直流輸電系統(tǒng)采用模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC），可以按需調(diào)節(jié)有功功率、無功功率，不需要單獨(dú)配置濾波器，不存在換相失敗問題，目前已有不同電壓等級的示范性柔性直流輸電工程。但是，MMC受限于絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）的特性，通常輸電容量有限，在異常工況下，模塊電容充放電可能存在過電壓風(fēng)險，導(dǎo)致模塊損壞[4-7]。

特高壓直流輸電具有輸送距離遠(yuǎn)、輸送容量大、損耗低、換流站占地面積小等特點(diǎn)[8-11]?；旌现绷鬏旊娤到y(tǒng)兼具特高壓輸電系統(tǒng)與柔性直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在送端采用常規(guī)LCC，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量功率傳輸，在受端可以采用多端電壓源換流器（voltage source converter, VSC），實(shí)現(xiàn)對不同受端系統(tǒng)的功率傳輸。文獻(xiàn)[12]提出混合級聯(lián)直流系統(tǒng)中避免旁通對過負(fù)荷保護(hù)誤動的方法，提高了直流輸電系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[13]對LCC-MMC串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行小信號建模分析，可用于系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性分析，為系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)選擇提供有價值參考。文獻(xiàn)[14]介紹了LCC-MMC型混合直流配電系統(tǒng)線路保護(hù)方案，能夠可靠地區(qū)分故障邊界，保證故障定位準(zhǔn)確。

本文研究的混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，送端高閥、低閥均為LCC，受端高閥采用LCC、低閥采用3個VSC并聯(lián)。本文通過動模仿真系統(tǒng)對該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要功能進(jìn)行試驗(yàn)研究。動模系統(tǒng)所具有的物理特性和原型一致，模型中電流、電壓、功率等物理量相對值的變化過程與原型系統(tǒng)一致，此外，理論分析或離線仿真時忽略或近似的電磁特性，可以在動模系統(tǒng)中完整地反映出來[15]。

圖1 混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 啟停極策略

混合直流輸電系統(tǒng)啟停極需要極控整體協(xié)調(diào)高閥與低閥的解鎖時序。啟極前，VSC處于極連接的狀態(tài)，其中1個VSC控直流電壓，另外2個VSC控有功功率。先對3個VSC進(jìn)行不控充電與可控充電，將VSC模塊電壓充至額定電壓附近，減少解鎖VSC引起的暫態(tài)沖擊。在極控發(fā)出解鎖命令后，先解鎖逆變側(cè)高低閥，再解鎖整流側(cè)高低閥。受端低閥VSC可先解鎖直流電壓控制換流器，延時解鎖功率控制換流器，也可同時解鎖3個VSC。無論是哪種解鎖方式，都需要考慮與整流側(cè)解鎖時序的配合。整流側(cè)解鎖后，開始向逆變側(cè)傳輸功率，若2個功率控制換流器解鎖較晚，則逆變側(cè)低閥只有電壓控制換流器承擔(dān)功率；若2個功率控制換流器解鎖較早，則電壓控制換流器會出現(xiàn)短暫的功率反向。因此，在解鎖過程中，需要注意調(diào)節(jié)功率控制換流器的延時解鎖時間。啟極策略如圖2所示。

圖2 啟極策略

2 低閥投退策略

低閥投入策略：①先將整流側(cè)低端LCC與逆變側(cè)低端VSC閥組處于準(zhǔn)備運(yùn)行（ready for operation, RFO）狀態(tài)；②發(fā)出閥組投入命令，整流側(cè)低端LCC閥組解鎖，整流站高端移相，等待逆變站VSC投入；③逆變側(cè)收到投入命令后，拉開旁路開關(guān)（by-pass switch, BPS），合上待投入VSC的直流側(cè)開關(guān)，先解鎖定電壓VSC閥，再延時解鎖定功率VSC閥；④整流側(cè)收到低端BPS分閘且逆變側(cè)VSC解鎖后，解除移相命令。低閥投入策略示意圖如圖3所示。

圖3 低閥投入策略示意圖

低閥退出策略：①整流側(cè)LCC收到低端退出命令后，高、低端LCC同時執(zhí)行移相，發(fā)出BPS合閘命令，BPS合閘后閉鎖低端LCC；②逆變側(cè)VSC收到整流側(cè)移相狀態(tài)和換流器退出命令后，直接閉鎖所有在運(yùn)VSC，跳交流側(cè)開關(guān)和直流側(cè)開關(guān)，所有VSC的直流側(cè)開關(guān)分開后合BPS；③整流側(cè)收到對站低端BPS合閘狀態(tài)后，高閥LCC解除移相繼續(xù)運(yùn)行。低閥退出策略示意圖如圖4所示。

圖4 低閥退出策略示意圖

3 VSC單閥投入策略

由于逆變側(cè)低閥由3個VSC并聯(lián)組成，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中存在兩個VSC運(yùn)行、在線投入另一個VSC的情況。首先將待投入VSC設(shè)為控直流電壓模式，合交流側(cè)開關(guān)，對VSC閥組進(jìn)行不控充電和可控充電，滿足解鎖條件后解鎖待投入VSC。解鎖成功后，發(fā)出在線投入命令。將投入VSC控制模式由直流電壓控制模式切換為有功功率控制模式，同時下發(fā)合直流側(cè)開關(guān)命令，完成VSC閥組在線投入。極控系統(tǒng)再根據(jù)柔性直流VSC的運(yùn)行個數(shù)重新分配VSC功率指令。VSC單閥投入策略示意圖如圖5所示。

圖5 VSC單閥投入策略示意圖

4 VSC網(wǎng)側(cè)故障

在運(yùn)行過程中，柔性直流系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓可能發(fā)生接地故障或相間故障，當(dāng)故障發(fā)生在如圖6所示的公共連接點(diǎn)（point of common coupling, PCC）之前時，柔性直流系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備故障穿越能力。

圖6 交流故障點(diǎn)

當(dāng)VSC發(fā)生網(wǎng)側(cè)故障時，需要投入負(fù)序控制、交流低壓限流功能配合完成故障穿越。為了防止VSC的子模塊在發(fā)生交流電壓故障期間因出現(xiàn)嚴(yán)重過電壓而損壞，選擇在逆變側(cè)低端VSC閥組之間并聯(lián)一組可控避雷器，當(dāng)任一橋臂子模塊平均電壓大于定值或者判斷出換流器交流電壓異常時，投入可控避雷器，可以有效降低子模塊過電壓水平。

負(fù)序控制是將負(fù)序電流分量的參考值設(shè)為零，使系統(tǒng)故障期間的負(fù)序電流能夠得到有效抑制。負(fù)序電流控制策略如圖7所示。

圖7 負(fù)序電流控制策略

交流低壓限流功能是使用查表法根據(jù)交流電壓有效值來實(shí)時調(diào)整電流限值。當(dāng)故障恢復(fù)時，可適當(dāng)減緩電流限值的上升速率，使恢復(fù)過程更加平穩(wěn)。

5 動模仿真參數(shù)設(shè)計

動態(tài)模擬試驗(yàn)屬于電力系統(tǒng)物理模擬試驗(yàn)，是建立在相似原理基礎(chǔ)上的研究方法，保證動模系統(tǒng)的反應(yīng)過程和實(shí)際系統(tǒng)相似。對于本文所提混合級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅通過PSCAD或RTDS等仿真系統(tǒng)并不能全面論證系統(tǒng)的特性，需要結(jié)合動態(tài)模擬試驗(yàn)進(jìn)一步對混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)溥M(jìn)行論證?；旌霞壜?lián)直流輸電系統(tǒng)動模仿真參數(shù)見表1。

表1 混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)動模仿真參數(shù)

對于動模系統(tǒng)來說，阻抗變比為

因此，橋臂電抗模型值為

VSC調(diào)制比為

VSC子模塊電容電壓波動率計算公式為

根據(jù)式（4）可以分別計算得到原型系統(tǒng)的子模塊電容電壓波動率約為6.59%，動模系統(tǒng)的子模塊電容電壓波動率約為6.64%。使原型系統(tǒng)與動模系統(tǒng)的子模塊電容電壓波動率相等，可得

6 試驗(yàn)結(jié)果

基于動模試驗(yàn)平臺的試驗(yàn)，解鎖波形如圖8所示，可以看出在解鎖過程中VSC閥組的電壓控制閥基本未出現(xiàn)功率反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；閉鎖波形如圖9所示，整個閉鎖過程平穩(wěn)；整個低閥的在線投入退出波形如圖10和圖11所示；單VSC在線投入波形如圖12所示。由圖可知，本文方法實(shí)現(xiàn)了低閥的在線投退和單VSC的在線投入。

逆變側(cè)為LCC+2VSC與LCC+3VSC兩種滿功率運(yùn)行工況下的交流三相短路與兩相接地故障的動模試驗(yàn)結(jié)果如圖13～圖16所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)子模塊平均電壓達(dá)到定值時投入可控避雷器，避雷器吸收能量，可以有效降低子模塊電壓，完成交流故障穿越，以上四種工況下的子模塊電壓均小于3 000V。LCC+2VSC滿功率運(yùn)行工況下的閥側(cè)單相接地故障試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。對于柔性直流系統(tǒng)來說，閥側(cè)故障屬于嚴(yán)重故障，會導(dǎo)致模塊電壓快速上升，配合投入可控避雷器策略，可以看出故障閥組的最大模塊電壓約為3 200V。

對于交流電壓故障和閥側(cè)電壓故障，除了需要關(guān)注子模塊電壓外，還需要關(guān)注可控避雷器能量。本文的可控避雷器能量計算方法采用CT測量避雷器電流，根據(jù)避雷器特性查表得到電壓，對電壓電流得到的功率進(jìn)行積分，即可得到避雷器能量。

上述試驗(yàn)結(jié)果的避雷器能量最大值約為120MJ，合理設(shè)計可控避雷器參數(shù)成為保證該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠運(yùn)行的重要條件。

圖8 解鎖波形

圖9 閉鎖波形

圖10 低閥在線投入波形

圖11 低閥在線退出波形

圖12 單VSC在線投入波形

圖13 LCC+2VSC交流三相短路故障

圖14 LCC+3VSC交流三相短路故障

圖15 LCC+2VSC交流兩相接地故障

圖16 LCC+3VSC交流兩相接地故障

圖17 LCC+2VSC閥側(cè)單相接地故障

7 結(jié)論

本文對混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)的啟停策略、低閥投退策略、VSC單閥投入策略、故障穿越策略進(jìn)行了設(shè)計，詳細(xì)說明了如何設(shè)計混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)的動模參數(shù)，最后基于動模試驗(yàn)平臺對這些策略進(jìn)行了驗(yàn)證。啟停、低閥組投退、單VSC在線投入過程平穩(wěn)，對閥組一次設(shè)備和系統(tǒng)沖擊小，配合可控避雷器實(shí)現(xiàn)了交流系統(tǒng)的故障穿越，證明了混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)基本控制策略的可行性。

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Control strategy for hybrid cascaded direct current transmission system based on dynamic simulation

CHANG Haotian LI Jianchun ZHAO Wenqiang SHI Qiaoming

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

This paper mainly discusses the topology of a hybrid DC transmission system in which the conventional line-commuted converter (LCC) is used on the rectifier side, the conventional LCC is used on the high valve of the inverter side, and three voltage source converters (VSC) are used on the low valve of the hybrid DC transmission system. This topology has the advantages of both LCC and VSC. This paper analyzes the control strategies of start stop pole, low valve group on/off, VSC single valve incorporation, VSC AC voltage fault in hybrid DC transmission system, gives the parameter design method of dynamic simulation system, and finally proves the effectiveness of the control strategy through simulation tests.

modular multilevel converter (MMC); line-commuted converter (LCC); hybrid direct current transmission system; dynamic simulation system

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項(xiàng)目（2016YFB0900602）

國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目“白鶴灘—江蘇±800kV特高壓直流輸電工程運(yùn)行特性、控制保護(hù)策略研究及動模研制”（SGZB0000TGJS2200731）

2022-10-27

2022-11-08

常昊添（1990—），男，碩士，工程師，主要從事柔性直流輸電控制與保護(hù)系統(tǒng)研發(fā)工作。