基于HCM3000平臺柔性直流輸電系統設計

康建爽，郝俊芳，曹 森，張愛玲，徐留杰

（許繼直流輸電系統公司，河南 許昌 461000）

試驗與研究

基于HCM3000平臺柔性直流輸電系統設計

康建爽，郝俊芳，曹 森，張愛玲，徐留杰

（許繼直流輸電系統公司，河南 許昌 461000）

針對傳統柔性直流輸電工程換流器橋臂開關頻率高、諧波含量大、動態均壓困難、系統損耗大、系統容量小等缺點，提出基于模塊化拓撲結構換流器應用于實際柔性直流輸電工程。給出模塊化換流器橋臂詳細拓撲結構及其子模塊充電過程；推導柔性直流有功功率、無功功率控制算法，并在HCM3000平臺完成橋臂控制器設計；基于主流RTDS仿真平臺搭建閉環仿真系統，對控制器控制功能仿真測試并對仿真結果進行分析總結。整個設計過程對今后柔性直流輸電控制保護系統工程化設計有實際借鑒意義。最后，對柔性直流推廣應用作出展望。

工程應用；HCM3000；MMC；RTDS；DQ變換；解耦

柔性直流輸電技術應用于高壓直流輸電工程，相對于傳統的基于相控電流源型高壓直流輸電技術，具有諸多優勢。如換流器件采用全控型器件IGBT代替傳統的晶閘管，無需電網提供換相電壓，不存在換向失敗問題，適用于無源網絡或弱電網系統［1-5］等。

目前，國際上已投運的柔性直流輸電工程，主要是基于兩電平、三電平技術開發而成。換流器橋臂開關頻率高達2 000～3 000 Hz，換流器損耗大；橋臂模塊間動態均壓不均；交流側需配置高頻濾波器。而基于多電平技術柔性直流輸電系統大大降低了對橋臂模塊觸發一致性要求，破解動態均壓難題，降低模塊開關頻率及換流器開關損耗，省去交流側高頻濾波器，更易于將直流電壓等級提高，更加符合未來市場推廣應用［6］。

本仿真系統異于單純采用Matlab或PSCAD等軟件建模仿真完成，采用實際工業控制平臺結合主流仿真設備構建閉環仿真系統?；诠I控制平臺HCM3000系統完成模塊化多電平控制器設計，RTDS平臺負責完成換流站一次設備構建，二者構成閉環仿真系統完成對上述控制器控制性能優化驗證，更加貼合實際工程現場應用。

1 模塊化多電平換流器拓撲結構及充電過程分析

模塊化多電平換流器單相橋臂結構如圖1所示，每相由上下2個橋臂構成，毎個橋臂由n個子模塊（SM sub model）串聯橋臂電抗器構成。如圖1所示，子模塊為半橋型結構，包括用于實現換流功能1對IGBT模塊及1對二極管模塊、用于儲能電容模塊、用于子模塊保護功能晶閘管模塊及高速旁路開關模塊。

圖1 單相橋臂拓撲結構

換流器作為柔性直流輸電系統功率輸送的核心器件，是通過對其橋臂儲能子模塊投切控制完成對直流電壓控制以及功率控制。其子模塊具體充電過程包含2個階段：換流器閉鎖階段自由充電；換流器解鎖階段控制充電。

換流器閉鎖階段自由充電過程是通過續流二極管構建充電回路完成子模塊充電。換流器解鎖階段二次充電過程是通過電流矢量控制器完成對子模塊電容二次充電。

換流器閉鎖階段充電等效電路如圖2所示。以A、B為例，假設交流電壓Ua＞Uc＞Ub，則換流器上下橋臂A相、B相同時導通，充電電流流向如圖2中箭頭所示。對于上橋臂，通過A相各子模塊續流二極管完成對B相子模塊電容充電；對于下橋臂，通過B相各子模塊續流二極管完成對A相子模塊電容充電。經第一階段充電后直流母線電壓為交流母線線電壓的峰值［7-8］。此外，若直流線路開關處于閉合情況下，還將完成對對站子模塊電容充電。對應對站，充電完成后，其單個橋臂電壓為交流母線電壓峰值一半。

圖2 子模塊充電框圖

經過第一階段充電后直流母線電壓一般不能滿足實際工程要求，需要對換流器進行二次充電。換流器第二階段充電過程是在換流器解鎖情況下，在定直流電壓控制模式下，通過內環電流矢量控制器實時計算各個橋臂觸發指令，對橋臂各個子模塊IGBT施加觸發脈沖，完成對子模塊充電過程。在定直流電壓控制模式下，能夠使得直流電壓精確達到預定值。圖3所示為換流器經過第一階段自由充電、第二階段電流矢量控制器作用下充電后交流母線電壓、閥側電流以及直流母線電壓波形。經過上述2個階段充電后，交流母線電壓穩定，直流電壓穩定在700 kV左右。

圖3 換流器充電后直流電壓波形圖

2 模塊化多電平柔性直流輸電系統有功、無功解耦控制器設計

對于傳統的基于晶閘管技術的柔性直流輸電工程，一般只需完成對系統有功功率控制，系統所需無功，需要通過投入或切除交流濾波器來完成。對于柔性直流輸電系統，通過引入內環電流矢量解耦控制器，除能完成對系統有功功率控制，還能完成對系統無功功率控制。圖4所示為一柔性直流換流站等效結構圖，以該圖示為例進行系統有功、無功解耦控制策略理論推導設計［9-14］。

圖4 換流站等效簡化模型圖

式中：ΔV為電抗器上等效壓降。

由基爾霍夫定理可得：

將式（2）帶入式（1）并分相展開可得：

對式（3）進行d＿q坐標變化并移項重組可得：

式（5）表示等效電抗上的等效壓降，對該部分通過一階比例積分的形式進行等效設計，即：

式中：id＿ref為對應系統有功功率參考；iq＿ref為對應系統無功功率參考；Vvc＿d＿ref為對應閥側電壓有功參考；Vvc＿q＿ref為對應閥側電壓無功參考。

對式（7）進行分析可知，換流器閥側電壓有功、無功，除受注入換流器有功、無功電流影響外，還受系統交流電壓以及相互間有功、無功電流耦合影響。

3 基于HCM3000平臺多電平控制器設計

基于工業級應用平臺HCM3000系統如圖5所示。HCM3000平臺的硬件系統采用標準高端工業控制系統的并行總線“多主處理器”結構，支持多處理器并行運行。針對該仿真系統配置3塊主處理器板卡，分別用來完成系統通信、外環控制邏輯以及內環控制邏輯功能運算及板卡間信息交互等相關附件功能。

由分析可知，系統有功、無功控制除受注入交流系統有功、無功電流影響，也受系統本身電壓及有功、無功電流耦合交叉影響。為抵消系統本身電壓及電流交叉耦合影響，在具體控制器設計過程中，引入前饋控制環后，通過控制注入交流系統有功、無功電流，實現對系統有功、無功精確控制。具體控制邏輯框圖如圖6所示。

圖5 基于工業化控制平臺柔性控制裝置

圖6 換流器控制邏輯控制框圖

圖6中，將通過解耦計算得到三相調制電壓發送到RTDS仿真裝置，由RTDS模擬完成換流器橋臂觸發過程，實現對有功、無功功率控制。

4 基于RTDS平臺仿真模型構建

本仿真系統建立采用虛實結合方式，由RTDS模擬實現對換流器一次相關設備建模仿真，并連接實際控制保護裝置，完成整個試驗平臺搭建。其中，RTDS具體完成對換流站兩側交流輸電系統、換流站、直流輸電電纜、換流器橋臂、橋臂電抗以及啟動電阻等直流一次相關設備模擬［15］。

5 仿真結果分析

為驗證上述閉環控制系統實際控制性能，分別在4種工況下驗證控制器實際控制能力：①系統有功出力為0，系統無功功率調節由當前-300 Mvar調節到300 Mvar穩定運行；②系統無功出力為0，系統有功功率調節由當前300 MW調節到-300 MW；③系統有功出力為0，系統無功功率200 MVA下上階躍0.1 pu波形。④系統有功出力為0，穩態下直流電壓上階躍0.03 pu波形。

按照上述要求運行工況依次進行仿真，仿真結果如圖7～圖10所示。

圖7 系統無功由-300～300 Mvar調節過程中系統運行工況

圖8 系統有功由300～-300 MW調節過程中系統運行工況

圖9 無功功率上階躍0.1 pu波形

圖10 直流電壓上階躍0.03 pu波形

對圖7～圖10進行分析可知，基于HCM3000平臺柔性直流系統能夠精確實現柔性直流輸電系統有功功率、無功功率解耦控制，同時具有較好動態響應特性。在穩態運行過程中，交流系統運行穩定，直流母線電壓、有功功率、無功功率穩定在預設值。在系統動態響應過程中，直流控制系統能夠快速響應跟隨指令變化。

6 結束語

將模塊化多電平直流輸電技術應用于高壓直流輸電工程，在實現有功功率、無功功率解耦控制的同時，大幅降低了系統諧波分量，節省濾波器投資，降低IGBT模塊開關頻率，使得換流器損耗在系統損耗中比例大大降低。

異于電流源型換流器，橋臂模塊開斷不再依賴交流系統提供換向電壓，能夠自身完成子模塊開通、關斷。適用于孤島供電，弱網供電等常規直流不易實現場合［16］。

在多端直流配網領域，通過調整改變直流電流流向，即可實現直流功率的潮流反向，直流電壓極性不變，更易于大規模多端柔性直流輸電系統設計［17］。

目前，限于IGBT器件本身過流能力較差及價格昂貴，在一定程度上限制了將柔性直流輸電技術大規模應用。隨科技進步，IGBT器件本身過流能力提高以及相關替代產品的出現，柔性直流輸電技術將具有更加廣闊的應用前景。

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Flex HVDC System Design Based on HCM3000 Platform

KANG Jian?shuang，ΗΑΟ Jun?fang，CAO Sen，ZHANG Ai?ling，XU Liu?jie
（HVDC Electric Power Transmission Department，Xuchang，Henan 461000，China）

As traditional flex HVDC project has the disadvantage of high switching frequency，more content of harmonic，dynamic pressure balance，high energy consumption，small system capacity and so on，the modular multi?level technology is use to the flex HVDC project.In this paper，a detailed converter bridge arm topology is structured，and specific analysis of the charge?discharge process of sub?modules of the bridge arm is made.From the converter station topology，it analyses the active power and reactive power algorithm，and designs the converter controller based on HCM3000 platform.It builds a closed?loop simulation system simulation plat?form based on mainstream RTDS.The controller control function is simulated and tested and the results of which is analyzed and sum?marized.It it useful for the industrial flex HVDC control and protection system design.Finally it gives the prospect of the application of flex HVDC system.

Industrial application；HCM3000；Modular multi?level converter；Real?time digital simulator；DQ transformation；De?couple

TM721.1

A

1004-7913（2015）01-0010-05

康建爽（1984—），男，碩士，工程師，主要從事高壓直流輸電系統、柔性直流輸電系統相關領域控制保護系統研究工作。

2014-10-10）