收稿日期：2022-09-02

通信作者：徐 政（1962—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電、電力

諧波與電能質(zhì)量、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)方面的研究。xuzheng007@zju.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1323 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0533-11

摘 要：為實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電等新能源遠(yuǎn)距離輸送，提出一種適用于大規(guī)模新能源遠(yuǎn)距離外送的混合型直流輸電系統(tǒng)。首先，介紹混合型直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，整流站采用半橋子模塊型模塊化多電平換流器（MMC）與電網(wǎng)換相換流器（LCC）串聯(lián)，逆變站采用混合型MMC，該系統(tǒng)能為新能源基地提供電壓支撐并且實(shí)現(xiàn)直流故障的自清除；然后，提出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制方式與交直流故障下的控制策略；最后，在PSCAD/EMTDC中對(duì)送端功率波動(dòng)、送端交流故障、受端交流故障、直流線路故障等4個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電系統(tǒng)；電力系統(tǒng)；可再生能源；電網(wǎng)換相換流器；模塊化多電平換流器；故障穿越

中圖分類號(hào)：TM722""""""""""" """""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著雙碳目標(biāo)的提出，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)正處于由化石能源主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐郧鍧嵞茉礊橹黧w的現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵窗口期［1-3］。根據(jù)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》［4］，“十四五”期間將重點(diǎn)建設(shè)新疆、黃河上游、河西走廊、黃河幾字彎、冀北、松遼、黃河下游等7個(gè)陸上大型風(fēng)電和光伏發(fā)電基地。這些大型風(fēng)、光基地多分布在中國(guó)的“三北”地區(qū)和西南地區(qū)，距離中東部地區(qū)的能源消費(fèi)中心1500 km以上。因此，特高壓直流輸電技術(shù)成為完成上述輸電任務(wù)的必然選擇［5］。根據(jù)換流機(jī)理的不同，目前可應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量的高壓直流輸電（high voltage direct current， HVDC）場(chǎng)合的輸電技術(shù)主要有基于電網(wǎng)換相換流器（line commutated converter， LCC）的常規(guī)直流輸電技術(shù)（LCC-HVDC）和基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter， MMC）的柔性直流輸電技術(shù)（MMC-HVDC）。

LCC-HVDC因其技術(shù)成熟，目前已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離跨區(qū)域輸電場(chǎng)合。然而，由于LCC不具備自換相能力，必須接入足夠強(qiáng)度的交流系統(tǒng)才能運(yùn)行［6］。然而，純新能源（風(fēng)電、光伏發(fā)電）基地?zé)o法為L(zhǎng)CC提供換相電壓，單獨(dú)依靠LCC難以實(shí)現(xiàn)純新能源的孤島外送?，F(xiàn)有方案常以“風(fēng)火打捆”的形式將新能源送出。文獻(xiàn)［7-8］研究了風(fēng)火打捆孤島、風(fēng)火打捆聯(lián)網(wǎng)等直流外送方案，通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)附近建設(shè)火電廠以及與交流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等方式，為L(zhǎng)CC提供支撐電源，實(shí)現(xiàn)新能源的送出；文獻(xiàn)［9-11］針對(duì)風(fēng)火打捆的比例、無(wú)功補(bǔ)償裝置配置以及系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究。然而，對(duì)沙漠、戈壁、荒漠等新能源富集地區(qū)而言，受限于資源稟賦，本地?zé)o常規(guī)電源且難以就近建設(shè)相應(yīng)容量的火電廠，風(fēng)火打捆方案難以實(shí)施；同時(shí)這些地區(qū)與大電網(wǎng)無(wú)聯(lián)系，聯(lián)網(wǎng)較為困難。因此，采用風(fēng)火打捆經(jīng)LCC-HVDC送出的技術(shù)方案構(gòu)建難度較大。

MMC-HVDC因不存在換相失敗、無(wú)需交流濾波器、有功無(wú)功解耦控制以及可向無(wú)源系統(tǒng)供電等優(yōu)勢(shì)［12］，目前已在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到充分認(rèn)可。與LCC相比，MMC可實(shí)現(xiàn)新能源孤島的送出，在陸上新能源送出［13-14］以及海上風(fēng)電送出［15-16］等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。但是MMC存在建設(shè)成本高、運(yùn)行損耗大等問(wèn)題［17］。此外，基于半橋子模塊的MMC無(wú)法實(shí)現(xiàn)直流故障的自清除，為此必須配置直流斷路器來(lái)清除直流故障。然而800 kV及以上電壓等級(jí)的高壓直流斷路器尚未研制成功，因此對(duì)于±800 kV的大容量特高壓直流輸電工程，單獨(dú)采用半橋MMC將無(wú)法清除直流線路故障，這在實(shí)際工程中是不可接受的。

為充分發(fā)揮LCC和MMC各自的優(yōu)勢(shì)，眾多學(xué)者提出將LCC與MMC靈活組合，形成混合直流輸電系統(tǒng)［18-20］。2022年7月建成投產(chǎn)的白鶴灘-江蘇特高壓直流輸電工程，將LCC與MMC混合級(jí)聯(lián)作為受端換流站，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模水電資源的跨區(qū)域消納，標(biāo)志著LCC-MMC串聯(lián)結(jié)構(gòu)已具備工程可行性。參考白鶴灘-江蘇特高壓混合級(jí)聯(lián)直流輸電工程的受端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［21-22］提出送端采用LCC與半橋MMC （HMMC）混合級(jí)聯(lián)，利用HMMC為送端系統(tǒng)提供電壓支撐的方案。然而，文獻(xiàn)［21］所研究的送端電網(wǎng)仍是有源交流電網(wǎng)，盡管交流電網(wǎng)較弱，但其運(yùn)行機(jī)理與送端為純新能源基地的情況仍有不同；文獻(xiàn)［22］針對(duì)送端為純新能源基地的場(chǎng)景進(jìn)行了研究，其送端和受端換流站均采用定直流電壓控制，和經(jīng)典的送端換流站定直流電流、受端換流站定直流電壓控制相比有一定區(qū)別。此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多采用HMMC作為受端換流站，雖然能夠根除直流多饋入問(wèn)題［23］，但由于其不具備降壓運(yùn)行的能力，在送端交流故障期間，易出現(xiàn)直流電流斷續(xù)和功率傳輸中斷［24］；在受端交流故障期間，換流站易出現(xiàn)過(guò)電壓［25］。相比于HMMC，受端采用半橋子模塊（half-bridge sub-module， HBSM）與全橋子模塊（full-bridge submodule， FBSM）構(gòu)成的混合型MMC （FHMMC），可在交流系統(tǒng)故障時(shí)主動(dòng)降壓運(yùn)行［26］，在直流故障時(shí)實(shí)現(xiàn)故障的自清除［27］，系統(tǒng)的交直流故障穿越能力大大提升，且該拓?fù)湓诶チ執(zhí)馗邏夯旌隙喽酥绷鞴こ讨幸训玫津?yàn)證，更適合作為今后直流工程的受端拓?fù)洹?/p>

針對(duì)中國(guó)“十四五”期間大規(guī)模新能源遠(yuǎn)距離輸送的現(xiàn)實(shí)需求，綜合LCC與MMC的優(yōu)勢(shì)，本文提出一種混合型直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。送端采用LCC與HMMC串聯(lián)，在LCC定直流電流控制的同時(shí)依靠HMMC為送端純新能源基地提供電壓支撐，受端采用FHMMC定直流電壓，具備足夠的交直流故障穿越能力的同時(shí)穩(wěn)定性更強(qiáng)。本文將對(duì)該方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型、運(yùn)行原理與穩(wěn)態(tài)控制、故障穿越策略進(jìn)行詳細(xì)介紹，最后通過(guò)PSCAD/EMTDC搭建仿真模型對(duì)所提方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 混合型直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的混合型直流輸電拓?fù)淙鐖D1所示。系統(tǒng)采用雙極接線方式，送端所連交流電網(wǎng)為大規(guī)模新能源發(fā)電基地，受端為有源交流電網(wǎng)。對(duì)于每一極直流系統(tǒng)，整流站采用

renewable energy base

12脈動(dòng)LCC與HMMC串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)孤島系統(tǒng)下新能源基地的功率送出。其中，HMMC為低壓閥組，用于建立并維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定；LCC為高壓閥組，同時(shí)配有相應(yīng)的交、直流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置。逆變站采用兩個(gè)相同容量的FHMCC串聯(lián)，用于將直流線路輸送的功率傳遞到受端交流電網(wǎng)。

如圖2a所示，HMMC與FHMMC單元均采用三相六橋臂結(jié)構(gòu)。FHMMC的橋臂結(jié)構(gòu)如圖2b所示，每相橋臂由[N]個(gè)HBSM和[M]個(gè)FBSM級(jí)聯(lián)而成；HMMC每相橋臂由[N+M]個(gè)HBSM級(jí)聯(lián)而成。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為方便表述，后文中字符下標(biāo)：L代表LCC，M代表MMC，R代表整流站，I代表逆變站。

12脈動(dòng)LCC換流器的數(shù)學(xué)模型為：

[URL=62πERLcosαR-6πXRLIdc]"" （1）

[cosφRL=cosαR+cos（αR+μR）2]"""" （2）

[PdRL=URLIdc]""" （3）

[QRL=URLIdctanφRL] （4）

式中：[URL]——LCC直流電壓，kV；[ERL]——閥側(cè)空載線電壓有效值，kV；[αR]——LCC的觸發(fā)角，rad；[XRL]——換相電抗，[Ω]；[Idc]——直流電流，kA；[φRL]——功率因數(shù)角，rad；[μR]——換相角，rad；[PdRL]——LCC傳輸?shù)闹绷鞴β?，MW；[QRL]——LCC吸收的無(wú)功功率，Mvar。

假設(shè)HMMC的直流電壓為[UdcRM]，F(xiàn)HMMC的直流電壓為[UdcIM]，直流線路電阻為[R]，則整流側(cè)與逆變側(cè)輸出的整體直流電壓[UdcR]和[UdcI]可分別表示為：

[UdcR=UdcRL+UdcRM]"""""" （5）

[UdcI=2UdcIM]"""" （6）

[UdcR=UdcI+RIdc]"""""" （7）

2 運(yùn)行原理與穩(wěn)態(tài)控制

2.1 新能源建模與系統(tǒng)運(yùn)行原理

以光伏發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，新能源發(fā)電設(shè)備（光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)）通過(guò)前級(jí)變換器（DC-DC變換器或機(jī)側(cè)換流器）與網(wǎng)側(cè)的電壓源換流器（voltage source converter， VSC）相連，將功率送到交流電網(wǎng)。如圖3所示，由于新能源發(fā)電設(shè)備和前級(jí)變換器通過(guò)電壓或頻率與網(wǎng)側(cè)VSC實(shí)現(xiàn)了解耦，所以網(wǎng)側(cè)VSC決定了新能源發(fā)電單元的暫態(tài)并網(wǎng)特性，故在系統(tǒng)分析中新能源可等效為電壓源換流器［28］，新能源發(fā)電設(shè)備和前級(jí)變換器可等效為受控電流源［29］。

新能源并網(wǎng)變換器的控制模式可分為跟網(wǎng)型和構(gòu)網(wǎng)型兩種?，F(xiàn)有工程廣泛使用的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器絕大多數(shù)采用跟網(wǎng)型控制。VSC采用經(jīng)典的雙環(huán)控制方式，外環(huán)控制直流側(cè)電壓和交流側(cè)無(wú)功功率，內(nèi)環(huán)用于跟蹤外環(huán)的電流輸出指令。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)各換流站的控制目標(biāo)設(shè)置如表1所示。由于送端為跟網(wǎng)型控制的純新能源發(fā)電基地，其交流電壓和頻率需要由整流側(cè)HMMC來(lái)提供支撐，所以HMMC采用定V/f控制［30］。為維持直流輸電系統(tǒng)的電壓電流穩(wěn)定，LCC采用定直流電流控制，F(xiàn)HMMC采用定直流電壓控制。

2.2 整流站的控制方式

由前文可知，整流側(cè)LCC工作在定電流模式下，HMMC工作在定V/f控制模式下?？紤]送端新能源出力的波動(dòng)性，為實(shí)現(xiàn)送端功率的平衡，LCC電流的指令值應(yīng)隨新能源發(fā)電功率的改變而變化。如果整流側(cè)LCC直流電流指令值是固定的，那么為滿足功率平衡，當(dāng)送端新能源發(fā)電功率增加時(shí)，整流側(cè)HMMC直流電壓增大；當(dāng)新能源發(fā)電功率降低時(shí)，整流側(cè)HMMC直流電壓將減小。由此可見(jiàn)，整流側(cè)HMMC的直流電壓能夠反映送端新能源出力波動(dòng)的情況。因此，可根據(jù)HMMC直流電壓來(lái)調(diào)整LCC電流指令值以平衡新能源出力的波動(dòng)。當(dāng)HMMC直流電壓高于額定值時(shí)，只需增大LCC直流電流指令值，當(dāng)HMMC直流電壓低于額定值時(shí)，只需減小LCC直流電流指令值。

設(shè)計(jì)LCC定電流控制器如圖4所示，其中[U?dcRM]和[UdcRM]分別為HMMC直流電壓的指令值與實(shí)測(cè)值，[I?dc]和[Idc]分別為L(zhǎng)CC直流電流的指令值與實(shí)測(cè)值?？刂破鞑捎脙杉?jí)PI控制，前級(jí)PI通過(guò)HMMC直流電壓的偏差，調(diào)節(jié)LCC直流電流的指令值，其輸出上下限分別為1.2和0；后級(jí)PI為L(zhǎng)CC傳統(tǒng)的定電流環(huán)節(jié)，用于調(diào)節(jié)LCC的觸發(fā)角。

HMMC采用定V/f控制，其外環(huán)控制器框圖如圖5所示，圖5中，[UR]為送端交流母線電壓幅值，[Ud，R]、[Uq，R]分別為送端交流母線電壓[d]軸與[q]軸分量。[d]軸控制器通過(guò)控制[Ud，R]來(lái)調(diào)節(jié)HMMC內(nèi)環(huán)電流控制器[d]軸電流指令值[i?d，RM]；[q]軸控制器通過(guò)控制[Uq，R]來(lái)調(diào)節(jié)[q]軸電流指令值[i?q，RM]。

2.3 逆變站的控制方式

逆變側(cè)FHMMC采用定直流電壓與定無(wú)功功率控制，其控制框圖如圖6所示。FHMMC控制結(jié)構(gòu)包括外環(huán)功率控制器、內(nèi)環(huán)電流控制器、環(huán)流抑制控制器。此外，為應(yīng)對(duì)新能源功率的大范圍波動(dòng)與各類交直流故障，更大限度地調(diào)節(jié)直流電壓，F(xiàn)HMMC還設(shè)計(jì)了直流電壓控制回路［27］。

直流電壓控制回路主要包含直流電壓選擇比較器與后備定電流控制器兩部分。直流電壓選擇比較器的輸入包括上層控制器給定的直流電壓指令值[U?dcIM，u]、后備定電流控制器輸出指令值[U?dcIM，i]以及逆變側(cè)交流母線電壓有效值[UI]［31］，在三者中取最小值作為直流電壓指令值[U?dcIM]。系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)HMMC直流電壓的指令值[U?dcIM]由給定的[U?dcIM，u]決定。直流側(cè)控制回路的其余組成部分與原理將在后文故障控制策略中具體展開。

3 故障穿越策略

3.1 送端電網(wǎng)側(cè)交流故障

送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，送端交流電壓迅速跌落，整流站LCC通過(guò)減小觸發(fā)角[αR]來(lái)維持直流電流恒定。當(dāng)觸發(fā)角[αR]減小到最小限值5°時(shí)，LCC將切換為后備定最小觸發(fā)角控制，此時(shí)LCC輸出的直流電壓[URL′]為

[URL′=62πERL′cos5°-6πXRLIdc′]"""""" （8）

式中：[ERL′]和[Idc′]——故障后閥側(cè)空載線電壓有效值和直流電流。

由式（8）和式（5）可知，送端交流系統(tǒng)故障后LCC的直流電壓將出現(xiàn)嚴(yán)重跌落，整流側(cè)整體直流電壓也會(huì)跌落。如果逆變站不采取相應(yīng)的控制措施，那么直流電流就會(huì)大幅減小，甚至出現(xiàn)電流斷流和輸送功率中斷，這會(huì)給受端電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。

由2.2節(jié)可知，F(xiàn)HMMC具有降壓運(yùn)行能力，其配備的后備定電流控制器可在送端交流系統(tǒng)故障期間發(fā)揮重要作用。如圖6所示，后備定電流控制器通過(guò)直流電流實(shí)測(cè)值[Idc]與指令值（[I?dc-ΔIdc]）的偏差調(diào)節(jié)直流電壓指令值[U?dcIM，i]（其中[I?dc]為送端直流電流的指令值，[ΔIdc]為電流裕度，一般取為0.1）。系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，直流電流的測(cè)量值始終大于指令值，后備定電流控制器的PI輸出[U?dcIM，i]位于其上限，故不會(huì)被比較器選中。送端交流故障發(fā)生后，直流電流減至0.9 pu以下時(shí)，F(xiàn)HMMC后備定電流控制器的PI輸出將從上限值下降，其輸出的電壓指令值[U?dcIM，i]將小于定直流電壓控制的指令值[U?dcIM，u]，此時(shí)FHMMC直流電壓的指令值將由后備定電流控制的輸出決定，F(xiàn)HMMC將通過(guò)控制器調(diào)節(jié)來(lái)主動(dòng)降低其輸出的直流電壓，以防止直流電流斷流和功率傳輸中斷。

3.2 受端電網(wǎng)側(cè)交流故障

受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，受端交流母線電壓快速跌落，逆變側(cè)FHMMC向交流電網(wǎng)輸送有功功率受阻，逆變站出現(xiàn)暫時(shí)功率盈余，從而導(dǎo)致FHMMC產(chǎn)生一定的直流過(guò)電壓。此外，由于受端功率輸出受阻，而新能源基地發(fā)出功率不變，整流側(cè)HMMC也將出現(xiàn)一定程度的直流過(guò)電壓。針對(duì)受端交流故障的情況，本文采取如下控制策略。

受端交流故障發(fā)生后，受端交流母線電壓減小，如圖6所示，此時(shí)輸入直流側(cè)控制回路中直流電壓選擇比較器的逆變側(cè)交流母線電壓有效值[UI]將小于上層控制器給定的直流電壓指令值[U?dcIM，u]和后備定電流控制器輸出指令值[U?dcIM，i]，直流電壓由[UI]決定。FHMMC在直流側(cè)控制回路的調(diào)節(jié)下主動(dòng)減小直流電壓，從而避免逆變側(cè)換流器出現(xiàn)過(guò)電壓。同時(shí)，為抑制HMMC過(guò)電壓，送端交流母線處還安裝有耗能電阻。當(dāng)檢測(cè)到整流側(cè)HMMC直流電壓超過(guò)1.2 pu時(shí)，耗能電阻會(huì)投入運(yùn)行。通過(guò)整流側(cè)與逆變側(cè)的協(xié)調(diào)配合，系統(tǒng)便可穿越受端交流故障。

3.3 直流線路故障

考慮送端交流系統(tǒng)為新能源發(fā)電基地，本文采用換流器直流故障自清除與耗能電阻協(xié)調(diào)配合的方法來(lái)穿越直流故障。對(duì)于LCC與HMMC串聯(lián)拓?fù)洌墨I(xiàn)［19］提出LCC與HMMC協(xié)調(diào)配合的策略。當(dāng)檢測(cè)到直流線路故障后，整流站HMMC閉鎖、LCC強(qiáng)制移相來(lái)實(shí)現(xiàn)故障穿越。對(duì)于FHMMC，可通過(guò)閉鎖［32］與不閉鎖［27］兩種方式實(shí)現(xiàn)直流故障的清除。為保證系統(tǒng)故障清除后系統(tǒng)的恢復(fù)速度，本文采用FHMMC不閉鎖穿越直流故障的方法。具體措施為：

1）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到直流電流超過(guò)1.5 pu后，即判定出現(xiàn)直流線路故障。

2）此時(shí)送端交流耗能電阻投入，故障級(jí)HMMC閉鎖，故障級(jí)LCC強(qiáng)制移相。考慮通信延時(shí)，在整流側(cè)檢測(cè)到故障5 ms后，故障級(jí)FHMCC切換至定直流電流模式，并將電流指令值調(diào)整為0，利用FHMMC降壓運(yùn)行能力清除故障。

3）故障清除后，整流站、逆變站以及耗能電阻維持上述控制0.2 s，等待故障點(diǎn)的絕緣水平恢復(fù)。

4）待絕緣恢復(fù)后，系統(tǒng)重新啟動(dòng)，整流側(cè)和逆變側(cè)換流器同時(shí)動(dòng)作。故障級(jí)FHMCC切換至穩(wěn)態(tài)控制方式，故障級(jí)LCC觸發(fā)角從45°減小到15°，故障級(jí)HMMC解鎖，在HMMC解鎖后0.1 s將耗能電阻切除。系統(tǒng)即可完成重新啟動(dòng)的過(guò)程。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 算例介紹

針對(duì)本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示的大規(guī)模純新能源基地經(jīng)混合直流輸電系統(tǒng)送出的仿真平臺(tái)，驗(yàn)證其在送端純新能源基地功率突變以及各類交直流故障下的控制效果。

測(cè)試系統(tǒng)的具體參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)為±800 kV/5000 MW的雙極系統(tǒng)。如圖7所示，送端新能源發(fā)電基地采用工作在跟網(wǎng)型的3個(gè)電壓源換流器集總表示所有的風(fēng)電和光伏場(chǎng)站，VSC采用典型的定直流電壓和定交流側(cè)無(wú)功功率的控制策略來(lái)模擬新能源單元的并網(wǎng)控制。每個(gè)VSC分別通過(guò)兩條交流線路連接到整流側(cè)交流母線。受端交流電網(wǎng)采用戴維南等效電路，設(shè)置其短路比為6。

4.2 送端純新能源基地功率驟降

本節(jié)通過(guò)設(shè)置新能源基地功率驟降來(lái)模擬新能源基地功率波動(dòng)。假設(shè)系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，交流系統(tǒng)注入整流站的有功功率為5000 MW。在2.0 s時(shí)，新能源基地輸出功率驟降至70%，系統(tǒng)的直流電壓、直流電流、有功功率以及送端交流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖8所示。直流電壓、直流電流、交流電壓和有功功率的基準(zhǔn)值分別為

800 kV、3.125 kA、408.25 kV（相電壓幅值）、2500 MW，下同。從圖8可看出，在新能源基地有功功率驟降后，直流電流與整流側(cè)有功功率會(huì)跟隨新能源發(fā)電功率的指令值迅速減小。當(dāng)直流電流減至0.9 pu后，F(xiàn)HMMC后備定電流控制投入運(yùn)行，直流電流在后備定電流控制的作用下開始回升，為維持功率平衡，系統(tǒng)的直流電壓會(huì)有所下降。經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，2.4 s時(shí)直流電流被提升至0.9 pu，同時(shí)送端交流電壓恢復(fù)正常，系統(tǒng)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。這表明系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電功率波動(dòng)，對(duì)送端交流系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電壓支撐能力。

4.3 送端交流故障測(cè)試

對(duì)整流側(cè)交流系統(tǒng)施加兩種不同嚴(yán)重程度的故障：1） a相金屬接地故障，a相電壓跌落到0；2）三相接地故障，交流母線線電壓跌落到額定值的50%。在2.0 s時(shí)，對(duì)送端交流母線施加故障，在2.1 s時(shí)將故障清除。兩種故障下系統(tǒng)的直流電壓、直流電流、有功功率以及送端交流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分別如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10可看出，在整流側(cè)交流系統(tǒng)故障后，隨著送端交流母線電壓的減小，整流站（主要是LCC）直流電壓減小，系統(tǒng)直流電流也減小，此時(shí)FHMMC后備定電流控制投入，F(xiàn)HMMC降壓運(yùn)行，逆變站輸出直流電壓減小，以保證直流電流不出現(xiàn)斷流。故障清除后，系統(tǒng)切換至穩(wěn)態(tài)控制方式，系統(tǒng)電壓電流迅速恢復(fù)。從圖9可看出，在單相金屬性接地故障發(fā)生后，系統(tǒng)直流電壓最低跌落到0.8 pu，直流電流保持在0.75 pu以上，系統(tǒng)仍具有較強(qiáng)的功率輸送能力，在故障發(fā)生后0.35 s內(nèi)系統(tǒng)就能恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。從圖10可看出，在三相接地故障時(shí)，直流電壓最低降至0.35 pu，直流電流未出現(xiàn)斷流，系統(tǒng)仍有功率傳輸，且在0.5 s內(nèi)系統(tǒng)可恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)具有一定的送端故障穿越能力。

4.4 受端交流故障測(cè)試

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至2.0 s時(shí)，施加三相接地故障于受端交流母線，使受端交流線電壓跌落到額定值的50%。故障持續(xù)0.1 s后清除，系統(tǒng)的直流電壓、直流電流、有功功率、送端交流電壓以及受端交流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖11所示。從圖11可看出，在逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障后，逆變側(cè)有功功率與受端交流母線電壓迅速減小，此時(shí)FHMMC定電壓控制器的指令值將由交流母線電壓有效值決定，F(xiàn)HMMC輸出的直流電壓跟隨其指令值主動(dòng)減小，整流站LCC輸出電壓也隨之減小。故障期間，逆變站與整流站出口電壓最低降至0.55 pu，直流電流未超過(guò)1.3 pu，傳輸有功功率保持在0.6 pu以上，直流系統(tǒng)未出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)電流和功率跌落。故障清除后，F(xiàn)HMMC切換至穩(wěn)態(tài)控制方式，電壓指令值迅速恢復(fù)至額定值，2.4 s后系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，說(shuō)明系統(tǒng)具備較強(qiáng)的受端故障穿越能力。

4.5 直流線路故障測(cè)試

2.0 s時(shí)，在正極直流線路中點(diǎn)處施加金屬性接地故障，設(shè)置直流故障的維持電流為0.01 kA，即當(dāng)故障點(diǎn)電流小于0.01 kA時(shí)，故障才會(huì)被清除。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖12所示。從圖12可看出，直流故障發(fā)生后，F(xiàn)HMMC能夠通過(guò)定電流控制在10 ms內(nèi)將逆變側(cè)直流電流降到零，送端換流站通過(guò)LCC強(qiáng)制移相產(chǎn)生負(fù)電壓，可在150 ms內(nèi)將整流側(cè)直流電流降到零。故障期間，由于耗能裝置的投入，故障級(jí)的盈余功率均由其吸收，故而送端交流母線、HMMC以及FHMMC均不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)電壓。除系統(tǒng)重新啟動(dòng)的過(guò)程外，非故障極的功率傳輸基本不受影響。系統(tǒng)從故障開始到恢復(fù)額定傳輸功率，整個(gè)過(guò)程約0.5 s。由此可見(jiàn)，所采用的控制策略能夠較好地應(yīng)對(duì)直流故障。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)大規(guī)模新能源遠(yuǎn)距離外送的需求，提出一種整流側(cè)采用LCC與HMMC串聯(lián)，逆變側(cè)采用FHMMC的混合型直流輸電拓?fù)?，提出相?yīng)的穩(wěn)態(tài)控制策略與故障穿越策略，并通過(guò)時(shí)域仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。得出以下主要結(jié)論：

1）送端新能源發(fā)電功率驟變時(shí)，系統(tǒng)能夠快速過(guò)渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

2）送端交流故障下，直流系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)斷流。

3）受端交流故障下，系統(tǒng)能保持較高的功率傳輸水平，且系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)電壓和過(guò)電流。

4）直流故障期間，故障級(jí)可通過(guò)控制換流器本身的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)直流故障的自清除，健全極可維持正常運(yùn)行狀態(tài)。

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符號(hào)表

[N]" MMC單個(gè)橋臂半橋子模塊數(shù)量

[M]" MMC單個(gè)橋臂全橋子模塊數(shù)量

[URL]"""" LCC直流電壓

[ERL]"""" LCC閥側(cè)空載線電壓有效值

[Idc]"""""" 直流電流

[ERL′]" 送端交流故障下LCC閥側(cè)空載線電壓有效值

[Idc′]""" 送端交流故障下直流電流

[URL′] 送端交流故障下LCC直流電壓

[XRL]"""" LCC換相電抗

[αR]""""" LCC觸發(fā)角

[μR]""""" LCC換相角

[PdRL]""" LCC傳輸?shù)闹绷鞴β?/p>

[QRL]"""" LCC吸收的無(wú)功功率

[φRL]""" LCC功率因數(shù)角

[UdcRM] HMMC的直流電壓

[R]" 直流線路電阻

[UdcR]""" 整流側(cè)輸出的整體直流電壓

[UdcI]"""" 逆變側(cè)輸出的整體直流電壓

[U*dcRM]""""" HMMC直流電壓的指令值

[I*dc]"""" LCC直流電流指令值

[UR]"""""" 送端交流母線電壓幅值

[Ud，R]""" 送端交流母線電壓d軸分量

[Uq，R]""" 送端交流母線電壓q軸分量

[i*d，RM] HMMC內(nèi)環(huán)電流控制器d軸電流指令值

[i*q，RM] HMMC內(nèi)環(huán)電流控制器q軸電流指令值

[UdcIM]" FHMMC的直流電壓

[U*dcIM]"""""" FHMMC的直流電壓指令值

[QIM]"""" FHMMC向交流系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率

[Q*IM]"" FHMMC向交流系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率指令值

[ΔIdc]""" FHMMC后備定電流控制的電流裕度

[i*d，IM]" FHMMC內(nèi)環(huán)電流控制器d軸電流指令值

[i*q，IM]" FHMMC內(nèi)環(huán)電流控制器q軸電流指令值

[U*dcIM.u]""" FHMMC上層控制器給定的直流電壓指令值

[U*dcIM.i]"""" FHMMC后備定電流控制器直流電壓指令值

[UI] FHMMC逆變側(cè)交流母線電壓有效值

[U*dcIM]"""""" FHMMC直流電壓指令值

[u*vd，IM]""""" FHMMC閥側(cè)電壓的d軸分量指令值

[u*vq，IM]""""" FHMMC閥側(cè)電壓的q軸分量指令值

[ucirj，IM]"""""" FHMMC第j相環(huán)流電壓

[u*vj，IM]"""""" FHMMC閥側(cè)j相交流電壓調(diào)制波

[upj，IM]" FHMMC上橋臂j相電壓

[unj，IM]" FHMMC下橋臂j相電壓

HYBRID HVDC TRANSMISSION SCHEME OF PURE RENEWABLE ENERGY BASE

Liu Wentao，Zhang Zheren，Xu Zheng

（College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Abstract：In order to realize the long-distance transmission of sustainable energy sources such as photovoltaic and wind power， a hybrid HVDC transmission scheme for large-scale renewable energy sources long-distance transmission is proposed. Firstly， the topology structure and mathematical model of the hybrid HVDC transmission system are introduced. The rectifier station adopts half-bridge modular multilevel converters and line commutated converter in series， and the inverter station adopts hybrid modular multilevel converters， which is capable of providing voltage support for the renewable energy bases and realize self-clearance of DC faults. Then the steady-state control method of the system and the control strategy under AC and DC faults are further proposed. Finally， based on PSCAD/EMTDC， an electromagnetic transient simulation model is built. The effectiveness of the control strategy is verified by four typical scenarios， which include power fluctuation at the sending-end， AC fault at the sending-end， AC fault at the receiving end， and DC line fault.

Keywords：HVDC power transmission； electrical power system； renewable energy resource； line commutated converter； modular multilevel converter； fault ride-through strategy