基于觸發角監測的混合直流輸電系統功率穩定策略

張軍，姚為正，楊美娟，吳金龍

(1.西安許繼電力電子技術有限公司，西安市 710075；2. 許繼集團有限公司，河南省許昌市 461000)

基于觸發角監測的混合直流輸電系統功率穩定策略

張軍1，姚為正2，楊美娟1，吳金龍1

(1.西安許繼電力電子技術有限公司，西安市 710075；2. 許繼集團有限公司，河南省許昌市 461000)

由電網換相換流器與模塊化多電平換流器(line commutated converter and modular multi-level converter，LCC-MMC)組成的混合直流輸電系統同時兼備兩者的優點，未來發展前景非常好。功率的穩定傳輸對混合直流輸電系統非常關鍵。該文首先研究LCC-MMC型混合直流輸電系統的運行原理以及功率傳輸條件；然后分析采用觸發角作為系統穩定運行判斷依據的原理和可行性，并在此基礎上提出混合直流輸電系統協調控制的目標和方法；最后在PSCAD/ EMTDC軟件中建立LCC-MMC混合直流輸電系統以及協調控制仿真模型，對協調控制策略進行仿真驗證。通過研究可知，觸發角度α對于LCC-MMC混合直流輸電系統運行參數的變化非常靈敏，在此基礎上設計的協調控制系統能夠迅速并準確地對兩端的控制指令進行調節，以使系統快速恢復到穩定運行的狀態。

電網換相換流器(LCC)；模塊化多電平換流器(MMC)；協調控制；功率傳輸；觸發角

0 引 言

目前，基于晶閘管換流器的高壓直流輸電系統技術已經發展得非常成熟，但是由于晶閘管構成的電網換相型換流器(line commutated converter，LCC)自身的限制，換相失敗始終是高壓直流輸電系統難以解決的問題。在我國部分發達地區已經形成了多饋入直流輸電系統，換相失敗故障的發生可能會對整個地區電網安全穩定帶來非常大的威脅[1-8]。模塊化多電平電壓源型換流器(modular multi-level converter，MMC)具備了電壓源換流器(voltage source converter, VSC)全部的優點，并且本質上徹底解決了換相失敗故障，同時還具有制造難度低、開關頻率較低、并網點諧波含量少、擴展性強等優點[9-10]。由電網換相換流器和模塊化多電平換流器(line commutated converter and modular multi-level converter，LCC-MMC)組成的混合直流輸電系統結合了LCC和MMC的優勢，在受端為直流多饋入地區、弱電網、孤島供電等工程中將有著廣泛的應用場景[11]。協調控制對于混合直流輸電系統的安全穩定運行有著關鍵性的作用，因此對于LCC-MMC混合直流輸電系統協調控制的研究有重要的現實意義。

文獻[12]對LCC-MMC混合直流系統進行了研究，并對該系統啟動、穩態運行等工況進行了仿真分析。文獻[13]提出了LCC-MMC混合直流輸電系統直流側諧波電流頻率計算方法和完整流程。文獻[14]提出的MMC采用了半橋子模塊與全橋子模塊拓撲混雜的方式，并重點研究了LCC-MMC直流故障穿越和清除過程。文獻[15]研究了LCC-VSC協調控制策略，其中主要采用自適應電流限制器來改善兩電平VSC故障后電壓恢復的性能。上述研究中，沒有涉及到混合直流輸電系統中LCC與MMC控制器控制指令之間的相互配合；同時對于如何確保混合直流輸電系統中功率的穩定傳輸也沒有涉及到。

本文首先分析LCC-MMC混合直流輸電系統的運行原理；然后采用檢測得到的觸發角α作為系統穩定運行的判斷依據，并以功率穩定傳輸為目標設計協調控制系統，按照運行參數對兩端控制指令進行校正和調節；最后，在PSCAD/ EMTDC軟件中對LCC-MMC混合直流輸電系統協調控制策略進行仿真驗證。

1 LCC-MMC混合直流輸電系統原理

在高壓直流輸電系統中，將受端逆變器改造為VSC后，可以有效地避免因LCC發生換相失敗而引起的電網波動。LCC-VSC混合直流輸電系統如圖1所示。

圖1 LCC-VSC混合直流輸電系統

混合直流輸電系統中送端采用晶閘管整流器，在運行過程中通過控制晶閘管的周期開通來將交流側電能轉換為直流電能并送出。逆變站采用VSC，通過全控型電力電子器件的開通與關斷控制將直流電能轉換成交流電能并送入到電網中，完成逆變。

混合直流輸電系統中LCC的拓撲和常規直流輸電系統中晶閘管整流器一致，不再贅述。

VSC形式比較多，本文采用半橋子模塊型式的MMC拓撲。MMC以及子模塊拓撲如圖2所示。

圖2 模塊化多電平換流器拓撲

如圖2所示，MMC共6個橋臂分為3個相單元，每一相由上下2個橋臂組成。每個橋臂由N個子模塊及1個橋臂電抗器串聯組成。半橋子模塊由2個全控開關器件絕緣柵雙極晶體管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)和1個電容組成，是MMC運行過程中的基本單元。子模塊在運行過程中存在3種狀態：投入、切除及閉鎖。MMC運行中采用最近電平逼近調制法，通過控制子模塊的投入和切除的個數來實現控制目標[16-17]。

由于對稱雙極系統可以等效為2個獨立的單極系統，將LCC-MMC混合直流輸電系統拓撲進行簡化，如圖3所示。

圖3 LCC-MMC混合直流輸電系統單極系統

為了實現直流故障穿越，在MMC出線端設置了二極管閥。在圖3所示的LCC-MMC混合直流輸電系統中，運行參數存在以下關系：

(1)

Edr=Udc+RId

(2)

式中：Id為直流電流；Er為LCC換流器交流線電壓有效值；Lr為換流變壓器每一相的換相電感；α為LCC觸發角；Edr為LCC整流器直流側直流電壓；Udc為MMC直流側直流電壓；R為線路等效阻抗。

式(1)是LCC換流器自身的特性，式(2)是LCC-MMC系統所決定的。在圖3所示的混合直流輸電系統穩態運行過程中，需要同時滿足式(1)和式(2)這2個約束條件，并且要滿足有功平衡的約束條件即LCC輸出的有功功率等于MMC接受的有功加上線路有功損耗。

2 LCC-MMC協調控制策略

采用LCC-MMC混合直流輸電系統，從本質上徹底消除了逆變站換相失敗對電網穩定運行的威脅。為了滿足電能的安全穩定傳輸，需要LCC-MMC系統中兩端換流器相互配合[18]。

送端LCC采用定直流電流控制，受端MMC采用定直流電壓控制，圖3所示的混合直流輸電系統可以等效為圖4。

圖4 LCC-MMC混合直流輸電系統等效模型

在圖4所示的功率傳輸等效模型中，為了實現電能從送端電網傳輸到受端電網，需要滿足以下條件：

(1)電流源產生的直流電流Id方向保持不變；

(2)電壓源端口的電壓(Udc)小于電流源端口的電壓(Udr)。

其中，由于LCC自身的特性，整流器產生Id在運行中方向是不變的。但是，LCC直流電壓Udr同時受到公式(1)和(2)這2個條件的約束。由于故障、電網波動等因素的影響，如果導致條件(2)不滿足，直流電流將下降為0，送端功率不能傳輸到受端；LCC類似發生“斷流”故障。因此，對于混合直流輸電系統LCC和MMC控制指令相互協調是非常必要的。

對公式(1)和公式(2)進行變換可以得到：

C1Ercosα-Udc=C2Id

(3)

(4)

α=arccos[f(Udc,Id,Er)]

(5)

式中C1和C2為常數，與LCC-MMC系統拓撲相關。

由于 LCC采用定直流電流控制，MMC采用定直流電壓控制，因此對于穩定運行的LCC-MMC直流輸電系統，α的值應該不變或者在極小范圍內波動。對于公式5所示的LCC的觸發角α表達式，其函數曲線如圖5所示。

圖5 系統中觸發角α的函數曲線

如圖5所示，觸發角α<45°時變化率非常大，較小的變化量Δf都可能引起α大范圍波動，即α對直流輸電系統運行參數的變化非常靈敏。

整流側LCC在穩態條件下觸發角的設計值一般在15°左右，因此采用α作為LCC-MMC系統穩態運行評判標準是準確和可行的。從公式(4)和公式(5)可知，引起α變化的3個因素為Er、Idc以及Udc。

LCC交流電壓Er發生跌落時，或者LCC定直流電流控制指令Idc大于穩態運行設計值時，以及MMC定直流電壓控制指令Udc大于穩態運行設計值時會導致α減小，反之亦然。

為了實現混合直流輸電系統運行過程中的協調控制，本文采用監測到的α作為判斷依據，對兩端換流器之間的控制指令Idc-ref和Udc-ref進行調整。

3 LCC-MMC協調控制系統設計

協調控制策略首先以LCC觸發角誤差值Δα是否超過允許值A作為啟動信號。協調控制系統的觸發指令控制框圖如圖6所示。

圖6 協調控制系統觸發指令控制原理

在圖6中，Δα為LCC觸發角測量值與設計值之間的誤差，A為系統允許的角度誤差范圍。當ΔαA時，AK=1，協調控制策略啟動，對LCC定電流直流或MMC定電壓指令進行調整。

ΔE、ΔIdc以及ΔUdc分別為LCC交流電壓誤差值、LCC直流電流誤差值以及MMC直流電壓誤差值；Ec、Ic以及Uc分別為誤差的允許范圍。當誤差超過允許范圍時，協調控制觸發指令輸出“1”，誤差在允許范圍內時，輸出的觸發指令為“0”。

協調控制策略通過對LCC定直流電流控制指令Idc-ref和MMC定直流電壓控制指令Udc-ref的調節來穩定系統能量的傳輸。由于Er屬于外在因素，換流器控制系統無法調節，因此ΔE引起的調節優先級別比Udc高。

協調控制系統需要根據系統的運行參數，計算出故障狀態下需要的校正量，計算原理如下所述。

(1)當LCC直流電流控制量發生偏移時，會引起系統穩態傳輸條件的改變，監測觸發角偏移量超過范圍后，LCC定直流電流指令校正系數DIK為

(6)

根據校正系數和電流指令調節觸發指令IKK計算出LCC定直流電流指令校正量為

ΔIdc-ref=Idc-refIKKDIK

(7)

(2)當LCC交流側電壓Er發生變化時，會引起系統穩態傳輸條件的改變，當觸發角誤差值超過范圍后，MMC定直流電壓控制指令校正系數為

(8)

根據校正系數和電壓調節觸發指令EKK計算出MMC定電壓參數校正量為

ΔUdc-ref=Udc-refEKKDKK

(9)

(3)MMC直流電壓控制量發生偏移時，會引起系統穩態傳輸條件的改變，監測觸發角偏移量超過范圍后，MMC定電壓控制指令校正系數為

(10)

根據校正系數和電壓調節觸發指令UKK計算出MMC定電壓參數校正量為

ΔU1dc-ref=Udc-refUKKDUK

(11)

協調控制系統的校正量需要根據引起α波動的因素，按照上述情況分別進行計算。協調控制系統框圖如圖7所示。

圖7 協調控制系統框圖

如圖7所示，協調控制系統分為3個部分，分別計算由于Er、Idc以及Udc誤差而導致的系統不穩定的控制指令校正值。

當LCC交流側電壓Er值變化時，經過分析計算得到MMC定直流電壓指令校正系數DKK，將DKK、觸發指令EKK和Udc-ref三者相乘后得到Udc-ref需要的校正量。

當MMC定直流電壓Udc值與系統設計參數有誤差時，經過分析計算得到Udc-ref校正系數DUK，將DUK、觸發指令UKK和Udc-ref三者相乘得到需要的校正量ΔU1dc-ref。

協調控制系統輸出的校正系數對LCC和MMC控制指令進行校正。協調控制系統動作以α的檢測值為參考，當Δα

當LCC-MMC系統發生故障時，控制系統根據α的變化以及故障系統的檢測結果判斷故障的類型，隨后LCC和MMC通過自身換流器級的控制策略完成暫態工況的協調控制。

4 協調控制策略仿真分析

為了對上述LCC-MMC混合直流輸電系統協調控制策略進行驗證，建立送端為6脈波LCC，受端為MMC的混合直流輸電系統仿真模型。算例中額定直流電壓為50 kV，直流電流為0.6 kA，MMC為33電平，穩態時觸發角α設計值為15°，角度誤差允許值為±5°。

當LCC交流系統發生故障，電壓跌落5%時，采用協調控制策略，LCC-MMC系統運行參數如圖8所示。

圖8 LCC交流電壓跌落故障中協調控制過程

Fig.8 Coordinated control process under AC voltage drop fault of LCC

如圖8(a)所示，在2.0 s時刻，LCC交流電壓下跌5%，受其影響Udr會有所下降；觸發角跌至飽和值5 °左右，AK迅速從0變為1，協調控制系統啟動，按照圖7所示的策略，對MMC定直流電壓指令進行校正得到新的控制指令。

如圖8(b)所示，在2.05 s時刻，協調控制系統將MMC直流電壓降低為穩態的95%，LCC直流電流也開始逐漸恢復，在2.3 s時刻經過調整后系統重新進入穩態運行，觸發角度穩定為設計值15°。AK=0，協調控制完成并退出，LCC-MMC系統控制指令保持當前值。

當LCC直流電流發生高于設計值的故障時，采用協調控制策略后，LCC-MMC系統運行參數如圖9所示。

Fig.9 Coordinated control process under DC current rising condition of LCC

如圖9(a)所示，當LCC直流電流偏高時，會導致觸發角減小并接近飽和值，此時AK=1；協調控制系統在2.0 s時刻開始啟動，對LCC定直流電流控制指令按照圖7所示的協調控制策略進行校正；如圖9(b)所示，最終將Idc減低到系統設計參數值，觸發角度也穩定到系統設計值15°，而MMC的直流電壓Udc始終保持不變。

MMC采用定直流電壓控制策略，Udc偏大或者偏小都會影響到LCC-MMC混合直流輸電系統的功率傳輸。當Udc較大時，經過協調控制系統調節，LCC-MMC系統運行參數如圖10所示。

圖10 MMC直流電壓指令偏高工況下協調控制過程

如圖10(a)所示，MMC直流電壓偏大時，LCC觸發角大幅度降低，α已經接近或者達到控制系統飽和值，此時AK=1；協調控制系統在2.0 s時刻開始啟動，對MMC定直流電壓控制指令按照圖7所示的協調控制方式進行校正；如圖10(b)所示，最終將Udc減低到系統設計參數值，而從公式(2)可知，在此過程中Idc也隨之增加至設計值，最終觸發角度也穩定到系統設計值15°。

5 結 論

(1)LCC-MMC混合直流輸電系統中，為了滿足功率正常傳輸需要保證兩端控制指令相互匹配和協調；

(2)LCC定直流電流和MMC定直流電壓的混合直流輸電系統中，觸發角α對于系統運行參數的變化比較靈敏，因此可以采用觸發角α作為系統穩定運行的判斷標準；

(3)協調控制系統中將引起觸發角α變化的運行參數分別進行考慮，通過觸發指令來判斷需要調節的運行參數，可以準確地將系統調節至穩態。

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張軍 (1986)，男，碩士，工程師，主要從事常規和柔性直流輸電系統分析、過電壓與絕緣結構分析等工作；

姚為正 (1967)，男，博士，副教授，主要從事直流輸電技術與大功率電力電子技術的研究工作；

楊美娟 (1986)，女，碩士，工程師，主要從事柔性直流輸電系統分析與控制技術等研究工作；

吳金龍 (1981)，男，碩士，工程師，主要從事柔性直流輸電系統分析與控制技術等研究工作。

(編輯 劉文瑩)

Power Stability Control Strategy of Hybrid-HVDC Transmission System Based on Triggering Angle Monitoring

ZHANG Jun1，YAO Weizheng2，YANG Meijuan1，WU Jinlong1

(1.Xi’an XJ Power Electronics Technology Co.，Ltd., Xi’an 710075，China; 2. Xu Ji Group Co.，Ltd., Xuchang 461000，Henan Province, China)

Hybrid high voltage direct current (hybrid-HVDC) system composed of line commutated converter and modular multi-level converter (LCC-MMC) combines the merits of both converters, which will be used widely in the future. The stability of power transmission is very critical for hybrid-HVDC system. Firstly, this paper analyzes the operation principle of LCC-MMC hybrid-HVDC system and the conditions of power transmission. Then, the principle and feasibility of triggering angle used as hybrid-HVDC system normal operation criteria are analyzed, and on this basis the coordinated control objective and strategy are proposed for hybrid-HVDC system. Finally, this paper constructs LCC-MMC hybrid-HVDC transmission system and coordinated control simulation model in PSCAD/EMTDC, simulates and verifies the coordinated control strategy. The results show that the triggering angle of LCC-MMC hybrid-HVDC transmission system is sensitive to operation parameters change. The control parameters of both LCC and MMC can be adjusted quickly and accurately by coordinated control system designed on triggering angle analysis. In addition, the system can be restored to steady operation rapidly.

line commutated converter (LCC); modular multi-level converter (MMC); coordinated control; power transmission; triggering angle

TM 72

A

1000-7229(2016)11-0101-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.015

2016-07-12