基于LCC-MMC的混合三端直流輸電系統啟動方法研究

鐘 誠， 吳星昭

(東北電力大學 電氣工程學院, 吉林 吉林 132012)

0 引言

近年來，華北地區及兩廣地區都相繼開展了有關混合直流輸電技術(Hybrid based high voltage direct current，Hybrid-HVDC)的示范工程，使常規直流輸電(LCC-HVDC)和柔性直流輸電(VSC-HVDC)的結合成為可能，混合直流輸電系統發展正在不斷擴大[1]。在眾多柔性直流輸電拓撲結構中，模塊化多電平換流器高壓直流輸電(MMC-HVDC)因其具有開關頻率低、損耗小、無需交流濾波及無功補償裝置等優點，具有深入研究與應用的可行性。基于LCC-MMC的混合直流輸電技術正是綜合了以上兩種直流輸電技術的優點，使直流系統控制靈活，并降低了投資建設成本，在遠距離大容量的輸電要求下不斷完善與發展[2]。多端直流輸電系統是指由交流系統引出，在直流輸電線路端口處由3個或3個以上換流站所組成的系統，其換流器可采用LCC或MMC[3]。在Hybrid-HVDC系統中融入多端輸電技術，構成混合多端直流輸電系統(Hybrid-MTDC)。

混合多端直流輸電系統的順利啟動過程是該系統維持正常運行的前提條件，當混合三端系統啟動運行時，若不采用相應的控制策略，將產生嚴重的啟動過電壓和啟動過電流，對整個換流裝置造成損壞，從而危及直流線路的安全[4]。文獻[5]對MMC-MTDC的啟動控制進行研究，揭示了MMC在多端系統啟動過程產生過電流的原因。文獻[6，7]給出了常規直流輸電系統LCC-HVDC的啟動特點及運行特性。文獻[8]對雙極結構下LCC-MMC混合直流輸電系統的啟動過程進行了詳細分析。文獻[9]介紹了偽雙極結構下的VSC-LCC混合直流系統的平滑啟動控制方案。文獻[10]給出了送端連接風電場情況下混合高壓直流輸電系統的啟動控制特性研究。

本文首先給出了LCC-MMC混合三端直流輸電系統的拓撲結構和數學模型。同時，設計了LCC和MMC各自的系統控制方式，保證三站之間功率傳輸平衡、直流線路電壓穩定。在結合傳統直流系統和柔性直流系統啟動控制特點的基礎上，提出了一種適合混合三端直流輸電系統的階段式啟動方案，實現了從各站停機運行狀態平穩過渡到正常運行狀態的過程。在PSCAD/EMTDC仿真軟件下建立LCC-MMC混合三端直流輸電系統模型，驗證該啟動方案是可行的。LCC-MMC型混合多端直流輸電系統的出現，能夠緩解國內復雜電網中單電源供電、多落點受電的實際問題，提高電力系統的經濟性和穩定性，具有廣泛的應用前景[11]。

1 LCC-MMC混合直流輸電系統數學模型及控制策略

1.1 拓撲結構

LCC-MMC混合三端直流輸電系統拓撲結構如圖1所示。12脈動LCC換流器經由兩個6脈動整流橋組成，再通過變壓器T1、T2接入交流系統1，送端LCC在直流線路出口處串聯平波電抗器，系統側并聯接入濾波器；受端均為MMC換流器，分別通過變壓器T3、T4連接交流系統2、交流系統3，變壓器網側接入限流電阻R1、R2以及交流斷路器S1、S2、S3，在MMC1、MMC2直流線路出口處設置直流斷路器DCBrk1、DCBrk2。

圖1 混合三端直流輸電系統拓撲

1.2 數學模型

基于LCC-MMC的三端混合直流輸電系統的數學模型可分別由LCC、MMC兩側進行推導。送端為晶閘管換流器LCC，對地直流電壓UdLCC為[12]：

(1)

MMC結構的數學模型為[13]：

(2)

受端MMC的直流電壓UdMMC：

(3)

在各換流器直流線路出口處的直流電流為：

(4)

式中：uk表示交流換相電壓的k相電壓(k=a、b、c)；ik表示k相交流換相電流；upk、unk分別表示k相上下橋臂子模塊電容電壓；uk、ik、upk、unk為關于時間t的函數；Ls表示每橋臂電抗值，Rs表示每橋臂等效電阻值；vm表示換流變壓器閥側交流相電壓峰值；m表示調制比，取決于子模塊電容電壓充電控制方式。

1.3 系統控制策略

為了能夠實現本文所研究系統的穩定工作，需在送端和受端之間進行協調控制[14]。送端LCC通過控制α角實現定直流電流控制，為受端MMC提供了功率傳輸所需的穩定的直流電流；兩個受端MMC采用定直流電壓控制和定有功功率控制，在啟動過程中均通過設定直流電壓指令值對子模塊的電容均衡充電，使整個系統的直流線路電壓快速達到穩定狀態，并在三端系統穩態運行時切換至各自控制模式，從而實現受端系統功率的靈活控制。

整流側LCC控制策略采用定直流電流控制方式，實現對α角的控制[15]，整流側的控制框圖如圖2所示。

圖2 LCC觸發角α控制框圖

受端均為MMC換流器，采用技術成熟的直流電流雙閉環解耦控制(dq解耦控制方式，也稱為“矢量控制”)。該控制系統主要包括內環電流控制器和外環電壓、功率控制器[16]。其受端MMC內環比例積分控制如圖3所示。

圖3 MMC內環電流控制器結構框圖

為了實現混合三端直流輸電系統的傳輸功率水平恒定，受端MMC1采用定直流電壓及無功功率控制，受端MMC2采用定有功功率及無功功率控制。其受端控制框圖如圖4所示。

圖4 MMC外環控制器結構框圖

2 LCC-MMC混合三端直流輸電系統啟動策略

2.1 子模塊預充電控制

LCC在啟動時只需對換流器晶閘管進行解鎖，并通過控制觸發角α調節系統控制量；MMC在啟動時需考慮子模塊電容的預充電環節，且兩個受端MMC都從各自交流系統取電，因其控制相對復雜，需展開詳細設計。

(1)限流電阻設計

當MMC子模塊處于閉鎖狀態為電容充電時，需設計適當的限流電阻并投入充電回路中，降低最大充電電流峰值，起到保護換流器件的作用。

MMC閉鎖充電回路如圖5所示，通過建立回路微分方程，可得：

(5)

式中：Rst為限流電阻；up為相電壓峰值；N為子模塊個數；Rdiode為二極管通態等效電阻；Ls為橋臂電抗值。

圖5 MMC相間充電回路

(2)可控充電控制設計

由于在閉鎖充電階段，電容電壓只能被充至線電壓峰值，因此在可控充電階段通過PWM控制器實現對IGBT的控制，繼續為MMC子模塊中的電容充電，最終達到額定直流電壓，則整體子模塊預充電階段結束[17，18]。可控充電階段流程設計如圖6所示。

圖6 子模塊可控預充電流程

2.2 啟動控制策略

混合三端直流輸電系統的啟動控制應考慮送端LCC和受端MMC在啟動過程中具有的各自不同特點。

LCC換流器的啟動控制主要包括LCC從停運狀態轉變為運行狀態，以及輸送功率從零增加到給定值的過程。當解鎖晶閘管開始調節電流控制器時，添加電流斜坡控制，使三端系統在啟動過程中減小過電流和過電壓，同時減小啟動時對交流系統的沖擊。

MMC換流器的啟動前期需要在直流側建立直流電壓，針對子模塊電容充電方式可以選擇直流側充電和交流側充電兩種，直流側通過添加輔助電源為其充電，待充電結束后退出直流線路，這種方式既不經濟，也不現實；從交流電源處取電，完成MMC子模塊電容充電的方式能夠滿足同時為兩個MMC站充電。本文啟動方案中選擇在閉鎖充電階段投入限流電阻，MMC側通過子模塊中反并聯二極管實現子模塊電容不控預充電，待不控預充電階段結束，退出限流電阻以減小損耗。

混合三端系統的啟動過程可以先完成LCC-MMC兩端系統的啟動過程，再通過直流斷路器，投入受端MMC2，同時切換MMC2運行的控制策略，實現MMC1維持直流電壓穩定，MMC2靈活調節直流功率分配的混合三端直流系統穩態運行。

本文提出的啟動控制方法如圖7所示，混合三端直流輸電系統啟動控制策略可分為以下3個階段：

圖7 階段啟動流程圖

(1)MMC子模塊不控充電階段

使子模塊IGBT工作的前提是從子模塊直流電容中取電從而產生驅動信號，但是在啟動開始瞬間，子模塊電容初始電壓為零，所以必須先對子模塊電容進行預充電才可滿足子模塊IGBT工作電壓。系統初始化完成后，通過受端交流系統分別為兩個MMC逆變站子模塊進行不控預充電，此階段LCC站的晶閘管、MMC1和MMC2的子模塊均處于閉鎖狀態，直流斷路器斷開，直流線路沒有電流通路。

(2)各換流站解鎖階段

首先解鎖MMC1和MMC2，均采用定電壓控制方式且電壓指令值相同，建立直流線路電壓。待直流電壓穩定建立，閉合MMC1直流線路出口處直流斷路器，系統發出LCC解鎖指令，開始提升電流并建立功率傳輸，進入LCC-MMC1雙端系統運行狀態，此時MMC2直流線路出口處直流斷路器仍處于斷開狀態。

(3)系統協調控制階段

等待LCC-MMC雙端系統穩定，閉合直流斷路器，接入第三端，此時LCC換流站收到直流斷路器閉合指令后，減小觸發角提升電流，增大直流功率。閉合直流斷路器同時切換MMC2的控制模式，回到定功率控制模式，開始吸收直流線路功率，待三端系統穩定，啟動過程完成。

3 PSCAD仿真分析

本文在PSCAD仿真軟件下搭建了混合三端直流輸電系統模型，用以驗證上述有關系統啟動控制策略的正確性。系統仿真中基本參數見表1和表2。

表1 混合三端直流輸電系統換流站主要參數

表2 混合三端直流輸電系統直流線路主要參數

啟動過程仿真波形如圖8～圖13所示。

圖8 子模塊預充電階段A相上橋臂電流

圖8表示在MMC子模塊預充電階段橋臂電流的變化曲線。在t=0 s時在MMC1、MMC2換流變壓器網側投入限流電阻；在0～0.25 s為不控預充電階段，最大充電電流為1.02 kA，滿足式(5)中最大充電電流與限流電阻的關系；當t=0.25 s時將限流電阻旁路；當0.25 s～0.45 s為解鎖IGBT可控充電階段，橋臂充電電流逐漸穩定。

圖9 子模塊預充電階段A相上橋臂電壓

圖9表示在MMC子模塊預充電階段橋臂電壓的變化曲線。在0～0.25 s不控充電階段逐漸上升到180 kV，t=0.25 s后解鎖MMC子模塊的IGBT，進入可控充電階段，使橋臂電壓值跟隨直流電壓指令值上升，并維持在電壓指令值250 kV附近。

圖10為啟動過程中直流電壓變化曲線。0～0.25 s時逆變側交流系統通過MMC反并聯二極管作不控整流對子模塊電容充電；t=0.25 s 時MMC直流電壓達到線電壓峰值367 kV，此時解鎖MMC子模塊IGBT，將限流電阻退出并進入定電壓控制模式，使直流電壓在可控均衡策略下上升至指令值500 kV；t=0.42 s時刻閉合DCBrk1，連接成LCC-MMC1兩端直流系統；t=0.45 s時解鎖LCC，兩端系統暫穩態運行；待t=1.0 s時閉合DCBrk2并提升LCC輸出功率，t=1.05 s切換MMC2控制為定有功功率控制，直流電壓逐漸平穩至指令值，不再發生波動。

圖10 三端系統各站直流線路出口處電壓

圖11為啟動過程中LCC觸發角變化曲線。t=0～0.45 s時，系統處于MMC預充電階段，LCC處于待命狀態；當t=0.45 s時，解鎖LCC，觸發角由90°(1.57 rad)逐漸變至28°(0.5 rad)；當t=1.0 s時增大直流電流指令值，減小觸發角至22°(0.4 rad)；t=1.5 s后觸發角一直控制在22°附近并保持穩定。

圖11 觸發角α仿真波形

圖12為啟動過程中各站直流電流變化曲線。t=0～0.42 s時直流線路處于斷開狀態；t=0.45 s時解鎖LCC提升電流至1.0 kA，構成LCC-MMC1兩端直流系統；t=1.0 s減小觸發角，增大電流至 2.0 kA，使LCC-MMC1-MMC2三端直流系統運行；在t=1.0 s閉合MMC2側直流斷路器瞬間，MMC1直流電流出現暫時跌落，于t=1.5 s后，LCC直流線路電流穩定在2.0 kA，MMC1、MMC2直流線路電流均穩定在1.0 kA。從圖12可以看出，在啟動過程中未出現過電流現象，系統控制器控制效果良好，響應速度快。

圖12 三端系統各站直流線路出口處電流

圖13為啟動過程中三端換流站有功功率、無功功率變化曲線。t=1.5 s后，送端LCC的交流系統輸出有功功率為1 000 MW，吸收無功功率為 100 Mvar；受端MMC1交流系統吸收有功功率為500 MW，發出無功功率為250 Mvar；受端MMC2交流系統吸收有功功率500 MW，發出無功功率 250 Mvar。

圖13 啟動過程中各換流站功率變化波形

由以上仿真結果可知，在采用本文所設計的啟動控制策略后，各換流站可以較平穩地從無電狀態過渡到穩態運行狀態，在整個啟動過程中，各換流站未出現過電壓過電流現象。

4 結論

(1)LCC-MMC三端混合直流輸電系統可以綜合兩種換流器的優勢，在啟動過程中能夠快速達到穩定，適用于當前環境下多落點受電的情況。送端采用LCC，降低了整流器件的開關損耗，降低了實際工程建設中的整體投資費用，系統運行控制簡單且技術成熟；受端MMC1能精確地控制輸電線路直流電壓的大小，受端MMC2也可以通過控制有功功率靈活調節LCC所發出有功功率的功率分配。該混合直流系統能更好的適應三端換流站的復雜環境，具有廣泛的應用前景。

(2)由上述討論的仿真結果可知，整個啟動過程平滑穩定，本文所提出的三段式啟動控制方案是合理的。啟動完成后，系統各參數能夠準確圍繞指令值穩定運行。

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