舟山多端柔性直流系統交流故障穿越能力分析

黃磊，羅偉，楊冠軍

(國網浙江省電力公司電力調度控制中心，浙江 杭州 310007)

舟山多端柔性直流系統交流故障穿越能力分析

黃磊，羅偉，楊冠軍

(國網浙江省電力公司電力調度控制中心，浙江 杭州 310007)

介紹了世界首例五端柔性直流輸電工程——浙江舟山柔性直流輸電工程的概況和主要設備組成，分析總結了舟山柔性直流輸電工程控制保護系統的總體結構和主要功能，重點研究了舟山MMC-MTDC控制保護系統中的交流故障穿越控制策略，最后通過實驗分析了舟山MMC-MTDC系統在交流側單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相短路故障四種情況下的瞬時故障穿越能力。本文研究結果可為舟山五端柔性直流輸電系統安全穩定運行提供技術支持和理論保障。

多端直流輸電；模塊化多電平換流器；控制保護系統；故障穿越

1 引言

柔性直流輸電，即基于模塊化多電平換流器(MMC，Modular Multilevel Converter)的新一代高壓直流輸電技術，具有向無源電網供電、快速獨立控制有功與無功、潮流反轉方便快捷、運行方式變換靈活等特點，在風電并網、電網互聯、孤島和弱電網供電、城市供電等領域應用廣泛[1-6]。其中，多端柔性直流(MMC multi-terminal direct current，MMC-MTDC)輸電系統由3個或以上換流站及連接換流站的高壓直流輸電線路組成，能夠實現多電源供電、多落點受電，相比于兩端柔性直流輸電系統，運行方式更為靈活，能更好地發揮直流輸電的經濟性和靈活性[3-5]。目前，已投運的浙江舟山柔性直流輸電工程為世界上首個建成的五端柔性直流輸電工程。

本文介紹了浙江舟山柔性直流輸電工程的概況，分析總結了其控制保護系統的總體結構和主要功能，重點研究了控制保護系統中的交流故障穿越控制策略，最后通過實驗分析了舟山MMC-MTDC系統在交流側單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相短路故障四種情況下的故障穿越能力。為多端柔性直流技術的發展和應用提供理論基礎和實踐經驗。

2 舟山柔性直流輸電工程概述

舟山柔性直流輸電工程是世界上首例五端直流輸電工程，承擔著增強舟山北部諸島電網的供電能力，提高供電可靠性，促進舟山群島新區經濟發展的任務，具有電力工程技術創新的示范效應和重要的社會經濟意義。

舟山柔性直流輸電工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋等五個直流換流站和多段直流電纜構成，直流電壓等級為±200kV，容量分別為舟定換流站400MW、舟岱換流站300MW、舟衢換流站100MW、舟洋換流站100MW、舟泗換流站100MW。舟定和周岱站通過220kV單線分別接入220kV云頂變和蓬萊變，舟衢、舟洋和舟泗站通過110kV單線分別接入110kV大衢變、沈家灣變和嵊泗變。其系統接線方式如圖1所示。

舟山柔直換流站一次設備主要包括交流線路、直流線路、直流母線、換流器(聯結變+換流閥組)等，其一次接線如圖2所示。該工程投入運行后，舟山電網將發展為一個同時包含多端柔性直流、傳統直流和風電場的復雜交直流混聯電網，電能可同時通過交流通道和直流通道到達各島，運行方式復雜多變，在世界上尚屬首例。

圖1 舟山柔性直流輸電工程系統接線圖

圖2 換流站一次接線圖

3 控制保護系統

柔性直流輸電控制保護系統是柔性直流輸電工程的大腦，實現對整個系統及所有設備的控制、監視和保護，直接關系著系統運行的性能﹑安全﹑效益，是柔性直流輸電系統的關鍵。

多端柔性直流輸電系統是一個復雜的多輸入多輸出系統，為了提高其運行的可靠性，限制任一控制環節故障造成的影響，其控制保護系統采用模塊化、分層分布式結構。舟山柔性直流輸電工程控制保護策略分4個層次：系統級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級控制保護層、子模塊級控制保護層，其結構如圖3所示。

系統級控制保護層是MMC-MTDC控制保護系統中級別最高的層次，主要功能有：運行方式控制、控制模式控制、系統啟停控制、系統穩定控制、快速功率變化控制、潮流反轉控制、聯接變壓器保護、交流場保護等。

換流器級控制保護層是聯系上層系統級控制保護層和下層閥級控制保護層的中間環節，也是MMC-MTDC控制保護系統中的核心層。主要功能有：有功類控制、無功類控制、換流器閉鎖解鎖控制、負序電流抑制控制、橋臂環流控制、運行信息采集處理、換流器限流控制、換流器監視與保護等。

閥級控制保護層是聯系上層控制系統與底層開關器件控制的中間樞紐。接收換流器級控制保護層輸出的控制信號，并通過適當的調制方式產生相應的閥觸發脈沖以控制閥組的導通、關斷，從而實現對換流器閥的觸發控制。同時接收各子模塊開關器件驅動電路的回報信號及狀態信息并上報至換流器級控制保護系統的監控單元。閥級控制保護層是實現各種指令的具體執行操作層，與系統級控制保護層、換流器級控制保護層相比，其響應速度更快。主要功能有：開關調制、閥組導通/關斷控制、換流閥監測與保護、子模塊電容電壓平衡調制、橋臂故障檢測與保護等。

子模塊級控制保護層是直接對MMC中的每個子模塊進行觸發控制的設備，其主要功能有：子模塊觸發控制、旁路控制、過壓控制、子模塊電容電壓及狀態信息檢測。

圖3 舟山柔性直流輸電工程控制保護策略圖

4 交流側故障穿越能力分析

MMC-MTDC系統在運行過程中，若發生交流側不對稱故障，則會產生較大的負序電流，從而會對MMC-MTDC系統的穩定運行產生很大的影響。主要表現為[7]：

(1)使系統三相電流不對稱，進而引起系統故障使得保護動作，較大的故障電流還會對換流器的安全運行產生影響。

(2)使系統有功功率產生波動，進而導致直流電壓波動。這種波動會通過直流線路傳輸到其它換流站，影響其它換流站的穩定運行。

4.1 交流側故障穿越控制策略

為了避免上述情況出現，舟山MMC- MTDC系統采取了內環電流、外環功率的解耦控制策略，從而保證了系統能夠在交流側瞬時故障時不間斷運行。控制器的設計思路為：建立MMC-MTDC系統單個換流站發生不對稱故障時換流器的數學模型(其他換流站類似)，進行dq旋轉坐標變換，從而得出換流器的正序系統數學模型和負序系統數學模型，這兩個模型相互解耦獨立。在MMC-MTDC系統交流側發生不對稱故障時，通過控制負序有功電流參考值和負序無功電流參考值，來抑制負序電流。通過控制正序有功電流參考值和正序無功電流參考值，來保證系統傳輸的有功功率能夠平衡，進而控制直流電壓的穩定。其控制策略如圖4所示，圖中，Usz_acb、Usf_acb分別表示換流器三相電壓正序分量和負序分量，Iz_acb、If_acb分別表示換流器三相電流正序分量和負序分量，Izd_ref、Izq_ref、Ifd_ref、Ifq_ref分別表示換流器正序有功電流參考值、正序無功電流參考值、負序有功電流參考值、負序無功電流參考值分量，L0表示橋臂阻抗。

4.2 試驗分析

以定海站為例，對舟山MMC-MTDC系統交流側單相接地、兩相接地、兩相短路、三相短路四種故障情況進行實驗分析。模擬故障時間為100ms(0.52s時故障，0.62s故障消除)，在相同運行方式下，仿真結果如圖5所示。(其中If、Vf、Vw、P、UDC分別表示閥側電流、閥側電壓、網側電壓、有功功率、直流電壓)。

圖4 舟山柔性直流輸電工程交流側故障時控制框圖

從圖中可以看出，當系統交流側發生故障導致三相電壓不平衡時，MMC整流器仍然能夠正常工作，輸出的直流電壓基本保持不變。故障切除后，系統擁有較快的響應速度，短時內就恢復到正常電壓，且超調量較小，從而證明舟山MMC-MTDC系統具有良好的交流故障穿越能力。

圖5 交流側故障時系統運行波形

5 結語

舟山五端柔性直流輸電工程的建成，將加強舟山諸島之間的電氣聯系、增強網架結構、提高供電可靠性，將為舟山群島新區的經濟發展提供強勁動力，同時將解決海上風電等新能源靈活接入、電纜充電功率和沖擊性負荷帶來的穩定性及電能質量問題，為柔性直流輸電的大規模推廣起到良好示范作用。

本文介紹了浙江舟山柔性直流輸電工程的概況，分析總結了其控制保護系統的總體結構和主要功能，重點研究了舟山MMC-MTDC系統的交流故障穿越控制策略，最后通過試驗分析了其交流故障穿越能力，試驗結果表明：舟山柔性直流輸電工程在四種交流瞬時故障情況下，均具有快速恢復及系統連續運行能力，即良好的交流故障穿越能力。本文研究可為多端柔性直流技術的發展和實際應用提供理論基礎和實踐經驗。

[1] 湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術研究、應用及發展[J].電力系統自動化,2013,37(15):3-14.

[2] 殷自力，李庚銀，李廣凱，等.柔性直流輸電系統運行機理分析及主回路相關參數設計[J].電網技術,2007,31(21):16-22.

[3] 湯廣福，羅湘，魏曉光.多端直流輸電與直流電網技術[J].中國電機工程學報,2013,33(10):8-17.

[4] 毛穎科，桂順生，賀之淵，等.基于MMC技術的柔性直流輸電系統性能分析[J].華東電力,2011,39(7):1133-1136.

[5] 鄭超，滕松，宋新立，等.百萬千瓦級柔性直流接入大連電網后的系統特性分析[J].電力系統自動化,2013,37(15):15-19.

[6] 范心明，管霖，夏成軍，等.多電平柔性直流輸電在風電接入中的應用[J].高電壓技術,2013,39(2):497-504.

[7] 曹春剛.交流系統故障時MMC-HVDC系統的控制和保護策略研究[D].北京：華北電力大學,2012.

AC Faults Ride-through Capability Analysis of Zhoushan MMC-MTDC System

HUANGLei，LUOWei，YANGGuan-jun

(State Grid Zhejiang Electric Power Dispatching & Control Center,Hangzhou 310007,China)

The paper introduces the general situation of the world′s first five side modular multilevel converter multi- terminal direct current(MMC-MTDC)transmission project—Zhoushan MMC-MTDC transmission project and its main equipment composition.The overall structure and major function of its control and protection system are analyzed and summarized.Based on the research of AC fault ride-through strategy of MMC-MTDC control system,several experiments were conducted to analyze the fault ride-through capability of MMC-MTDC system under four kinds of faults,including AC single phase-to-grounding,AC two-phase-to- grounding,AC two-phase short-circuit and AC three-phase short-circuit.The research results provide technical support and theoretical guarantee for Zhoushan MMC-MTDC system.

multi-terminal direct current(MTDC)；modular multilevel converter(MMC)；control and protection system；fault ride-through

1004-289X(2016)03-0022-05

TM71

B

2015-03-19

黃磊(1982-)，男，工程師，本科，從事電力系統調控運行工作； 羅偉(1984-)，男，工程師，碩士，從事電力系統調控運行工作； 楊冠軍(1983-)，男，工程師，本科，從事電力系統調控運行工作。