特高壓混合級(jí)聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略研究

胡宏， 陳浩， 丁浩寅， 李曉棟， 王國(guó)騰， 徐政

(1. 國(guó)家電網(wǎng)華東電力調(diào)控中心，上海 200120；2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

相比于高壓交流輸電，特高壓直流輸電(ultra-high voltage direct current,UHVDC)技術(shù)以其功率調(diào)節(jié)快速靈活、不存在交流輸電的穩(wěn)定性問題、線路通道造價(jià)低廉以及可實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)等明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為遠(yuǎn)距離輸電的主要途徑[1—2]。

基于電網(wǎng)換相換流器的特高壓直流輸電(line-com mutated converter based ultra-high voltage direct current,LCC-UHVDC)技術(shù)憑借輸送容量大、制造成本低、技術(shù)成熟可靠等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)大容量遠(yuǎn)距離輸電場(chǎng)合發(fā)揮著不可替代的作用[3—5]。然而，LCC-UHVDC逆變站容易發(fā)生換相失敗，尤其是我國(guó)華東、珠三角地區(qū)的直流多饋入問題，成為制約LCC-UHVDC發(fā)展的重要因素[6—7]。近年來，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電(modular multilevel con verter based high voltage direct current,MMC-HVDC)技術(shù)，因其有功無功解耦控制、不存在換相失敗、易構(gòu)造多端HVDC系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，逐步應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電場(chǎng)合[8—9]。相比于LCC-UHVDC，MMC-HVDC受限于電力電子器件的現(xiàn)有制造水平和工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且存在輸送容量小、建造成本高、運(yùn)行損耗大等缺陷，制約了其在特高壓直流輸電場(chǎng)合的應(yīng)用[10—11]。

為此，眾多學(xué)者提出將LCC和MMC靈活組合，以形成混合直流輸電系統(tǒng)，既可以發(fā)揮LCC成本低、損耗小、容量大、技術(shù)成熟度高以及MMC的無換相失敗、控制靈活的優(yōu)勢(shì)，又可以克服各自存在的缺點(diǎn)[12—16]。其中，LCC-MMC特高壓混合級(jí)聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)為UHVDC系統(tǒng)提供了一種更為經(jīng)濟(jì)、靈活、快捷的輸電方式[17]。

特高壓混合級(jí)聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)的送端采用LCC，受端采用LCC和3臺(tái)MMC級(jí)聯(lián)，具有多重優(yōu)勢(shì)：(1) 直流故障期間利用LCC強(qiáng)制移相快速清除直流故障；(2) 依靠MMC無換相失敗、功率調(diào)節(jié)快速靈活的優(yōu)勢(shì)，改善直流多饋入問題；(3) 受端形成多個(gè)落點(diǎn)，有利于直流功率的分散消納，緩解交流主網(wǎng)架電力疏散能力。針對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[17—18]對(duì)其受端接線方式、控制方式和換流站建設(shè)形式進(jìn)行了分析研究；文獻(xiàn)[19]為了抑制該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的暫態(tài)電流，提出在MMC直流側(cè)串聯(lián)二極管和在旁路開關(guān)串聯(lián)電阻2種方法。但鮮有文獻(xiàn)對(duì)受端MMC閥組之間的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行研究。

相比于架空線或電纜連接的多端直流輸電系統(tǒng)，該拓?fù)涫芏?臺(tái)MMC直流側(cè)直接并聯(lián)，除特殊工況，均為逆變狀態(tài)。任意一臺(tái)MMC的功率、電壓發(fā)生擾動(dòng)，都會(huì)迅速干擾剩余MMC的正常運(yùn)行。如果受端3臺(tái)MMC無法快速協(xié)調(diào)功率、電壓的擾動(dòng)，MMC直流側(cè)可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的過電壓，造成MMC閉鎖或系統(tǒng)崩潰。因此，受端MMC閥組之間的功率、直流電壓協(xié)調(diào)控制策略需要進(jìn)行深入的相關(guān)分析研究。

針對(duì)LCC-MMC特高壓混合級(jí)聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)，文中參考現(xiàn)有直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略[20—21]，對(duì)受端MMC閥組5種潛在的功率、直流電壓協(xié)調(diào)控制策略的適用性進(jìn)行了分析，分別為：(1) 3臺(tái)MMC均采用定直流電壓控制；(2) 主從控制；(3) 帶死區(qū)的直流電壓下垂控制；(4) 帶直流電壓下垂的主從控制；(5) 直流電壓裕額控制。然后，在PSCAD/EMTDC中，對(duì)上述5種策略遭受不同故障的響應(yīng)特性分別進(jìn)行仿真，故障包括送端交流故障、直流線路故障、受端LCC交流故障、受端MMC1交流側(cè)故障及MMC1緊急閉鎖退出。最后，基于仿真結(jié)果，對(duì)上述5種協(xié)調(diào)控制策略的適用性進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 混合級(jí)聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)

以單極系統(tǒng)為例，所述系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。送端由2組12脈動(dòng)LCC換流閥串聯(lián)組成，受端由一組12脈動(dòng)LCC和3臺(tái)并聯(lián)的MMC串聯(lián)組成，4個(gè)換流閥采取合站建設(shè)并分別連接到不同的500 kV交流母線。其中，3臺(tái)MMC的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一樣，均采用半橋子模塊。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System topology

該系統(tǒng)的基本參數(shù)見表1—表3，高壓、低壓閥組各疏散一半直流功率。其中，LCC聯(lián)結(jié)變壓器繞組類型為Y0/Y、Y0/△；MMC聯(lián)結(jié)變壓器繞組類型為Y0/△。

表1 單極系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Monopolar system parameters

表2 LCC換流器參數(shù)Table 2 Parameters of the LCCs

表3 MMC換流單元參數(shù)Table 3 Parameters of the MMC unit

對(duì)于全壓運(yùn)行方式，受端1LCC+3MMC(1+3)工況為正常運(yùn)行方式；允許1+2工況長(zhǎng)期運(yùn)行，即退出1臺(tái)MMC，直流傳輸功率不損失，單個(gè)MMC長(zhǎng)期過負(fù)荷能力達(dá)到1 200 MW；不允許1+1工況長(zhǎng)期運(yùn)行，由于此時(shí)暫態(tài)過電壓和過電流將由一個(gè)MMC全部承擔(dān)，需要將MMC退出僅保持高端LCC投入以維持系統(tǒng)長(zhǎng)期半壓運(yùn)行，提高輸送能力。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 送端換流閥

送端換流閥的直流側(cè)電壓為[1—2]：

(1)

式中：UdcR為送端換流閥出口的直流電壓；UvR為送端LCC閥側(cè)空載線電壓有效值；Idc為直流電流；XR為換相電抗；α為觸發(fā)角。

正常運(yùn)行時(shí)，送端LCC定直流電流Idc，直流電壓UdcR由受端換流站決定。當(dāng)送端交流系統(tǒng)因發(fā)生故障導(dǎo)致UvR下降時(shí)，送端LCC的定直流電流控制通過減小α以維持Idc不變。當(dāng)α減小至αmin=5°時(shí)，LCC失去α調(diào)節(jié)能力，此時(shí)送端直流電壓U′dcR由送端交流電壓U′vR決定，不再由受端換流站控制[11]，即：

(2)

式中：U′vR，I′dc分別為發(fā)生故障后的換流器閥側(cè)線電壓有效值和直流側(cè)電流。

1.2.2 受端換流閥

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，受端換流閥的數(shù)學(xué)模型為：

(3)

(4)

(5)

UdcI=UdcI,LCC+UdcI,MMC

(6)

式中：UvI,LCC為受端LCC閥側(cè)線電壓有效值；UvI,MMCi為受端第i臺(tái)MMC閥側(cè)線電壓瞬時(shí)值,i=1,2,3；UdcI,LCC，UdcI,MMC分別為受端LCC和MMC的直流側(cè)電壓；UdcI為受端換流閥入口處的直流電壓；mi為第i臺(tái)MMC的電壓調(diào)制比；Δδi為第i臺(tái)MMC出口處的交流電壓及與交流母線電壓的相位差；Idc,MMCi為第i個(gè)MMC直流入口的直流電流，穩(wěn)態(tài)時(shí)，3臺(tái)MMC直流側(cè)電流相等。

1.3 LCC控制方式

LCC控制框圖如圖2所示。送端LCC采用定直流電流控制及最小觸發(fā)角控制，受端LCC采用定直流電壓控制，并配置后備定電流控制和后備定關(guān)斷角控制，以提高交流故障穿越能力[17]。其中，上標(biāo)*代表指令值；上標(biāo)0代表上層指令。

圖2 LCC控制框圖Fig.2 Control diagram of LCC

2 受端MMC閥組協(xié)調(diào)控制策略

受端3臺(tái)MMC均采用基于dq軸解耦的直接電流矢量控制，該控制策略主要分為內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)功率控制兩部分[4]，有功無功解耦控制，控制方式靈活。為了穩(wěn)定受端MMC的直流電壓，需要至少1臺(tái)MMC采用定直流電壓控制。

文中所述拓?fù)涞?臺(tái)MMC均為逆變狀態(tài)，現(xiàn)有直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略的適用性有待討論，以功率注入交流系統(tǒng)為參考方向。

2.1 策略1：3臺(tái)MMC均采用定直流電壓控制

3臺(tái)MMC均采用定直流電壓控制策略的基本控制框圖如圖3所示。

圖3 策略1控制框圖Fig.3 Control diagram of strategy 1

(7)

(8)

電流均衡控制，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，消除各MMC器件參數(shù)潛在偏差導(dǎo)致的電流分配不均衡[17]；在某1臺(tái)MMC受端發(fā)生交流故障導(dǎo)致功率輸送受阻或者緊急閉鎖退出時(shí)，剩余2臺(tái)健全MMC可以通過適當(dāng)增大直流電壓指令值快速消納盈余功率，以防止MMC發(fā)生過電壓以及直流電流、功率振蕩。

2.2 策略2：主從控制

主從控制是并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)最基本的控制策略，概念清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)通信系統(tǒng)依賴性強(qiáng)。對(duì)于文中所述拓?fù)洌琈MC1為主控站，MMC2和MMC3為從控站，該策略的基本原理如圖4所示。

圖4 策略2原理Fig.4 Principle of strategy 2

圖4中，縱軸的右側(cè)代表逆變狀態(tài)，左側(cè)代表整流狀態(tài)；黑色虛線方框代表受端3臺(tái)MMC直流電壓和有功功率的運(yùn)行范圍，由于3臺(tái)MMC均處于逆變狀態(tài)，有功功率Pac為負(fù)值的范圍較小。圖4 (a)的黑色圓點(diǎn)代表穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)3臺(tái)MMC的運(yùn)行點(diǎn)；圖4 (b)的藍(lán)色圓點(diǎn)代表從控站退出后(以MMC3退出為例)，MMC1和MMC2過渡到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)；圖4 (c)的紅色圓點(diǎn)代表主控站退出后(MMC1退出)，從控站MMC2和MMC3過渡到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。

由于3臺(tái)MMC均為逆變狀態(tài)，主控站退出和從控站退出，都需要依賴閥組間通信改變功率指令值，以實(shí)現(xiàn)健全MMC之間功率平衡，直流電壓運(yùn)行點(diǎn)保持不變。

后文圖中坐標(biāo)軸、虛線框、圓點(diǎn)等標(biāo)識(shí)代表的意義和圖4類似，不再贅述。

2.3 策略3：帶死區(qū)的直流電壓下垂控制

由于直流電壓下垂控制的控制結(jié)果不精確，文中僅考慮帶死區(qū)的電壓下垂控制。該策略基本原理如圖5所示。

圖5 策略3原理Fig.5 Principle of strategy 3

相比于主從控制策略，主控站或者從控站退出運(yùn)行，該策略均不需要閥組間通信，只依靠下垂控制策略在原有功率指令值基礎(chǔ)上增加一個(gè)ΔPac，以實(shí)現(xiàn)健全MMC之間的功率平衡。同時(shí)，健全MMC的直流側(cè)電壓運(yùn)行點(diǎn)會(huì)改變(變大)。

2.4 策略4：帶直流電壓下垂的主從控制

在帶直流電壓下垂的主從控制中，主控站MMC1采用定直流電壓控制，從控站采用帶死區(qū)的電壓下垂控制。該策略基本原理如圖6所示。該策略在直流電網(wǎng)中具有不需要站間通信等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，在文中所述拓?fù)渲校瑥目卣綧MC3退出運(yùn)行，需要依賴閥組間通信改變MMC2功率指令值，以實(shí)現(xiàn)健全MMC之間的功率平衡，否則MMC1將承擔(dān)所有的盈余功率；主控站退出運(yùn)行，和策略3類似，直流電壓運(yùn)行點(diǎn)會(huì)改變(變大)。

圖6 策略4原理Fig.6 Principle of strategy 4

2.5 策略5：直流電壓裕額控制

圖7 策略5原理Fig.7 Principle of strategy 5

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC中搭建一個(gè)單極特高壓混合級(jí)聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)第二章所述5種策略遭受不同故障的響應(yīng)特性分別進(jìn)行仿真和結(jié)果分析。

3.1 送端交流故障

t=2.0 s時(shí)，在圖1的母線BUS_R處施加持續(xù)0.1 s的三相短路故障，電壓跌落至50%。仿真結(jié)果如圖8所示，LCC的直流電壓、直流電流均在受端LCC入口處測(cè)量；Ipa為MMC a相上橋臂電流；直流電壓Udc，直流電流Idc和有功功率Pac的基準(zhǔn)值分別為800 kV，5 kA和4 000 MW，下同。

如圖8(a)和(c)所示，策略1和策略3的3臺(tái)MMC直流側(cè)電壓均基本保持不變，直流電流均衡分配。如圖8(b)和(e)所示，由于MMC1控制直流電壓，策略2和策略5的MMC2和MMC3的直流電壓波動(dòng)幅度比MMC1大，MMC1功率出現(xiàn)暫時(shí)倒轉(zhuǎn)。如圖8(d)所示，策略4雖然3臺(tái)MMC直流電壓基本不變，但直流電流分配不均衡。

圖8 送端交流系統(tǒng)故障響應(yīng)特性Fig.8 Response to sending-end AC fault

3.2 直流線路故障

t=2.0 s時(shí)，在直流線路中點(diǎn)處施加持續(xù)0.1 s的直流短路故障。當(dāng)檢測(cè)到送端LCC直流出口電流IdcR大于1.2 p.u.時(shí)，將送端LCC觸發(fā)角強(qiáng)制移相至150°；待IdcR=0時(shí)，繼續(xù)保持移相狀態(tài)0.2 s，去游離；然后重啟送端和受端LCC。故障期間，MMC不需要額外控制。仿真結(jié)果如圖9所示。

如圖9(a)和(c)所示，策略1和策略3的3臺(tái)MMC直流側(cè)電壓均基本保持不變，未發(fā)生功率倒轉(zhuǎn)。如圖9(b)所示，直流故障發(fā)生后，受端接受的有功功率為0，策略2由于MMC1定直流電壓，MMC2和MMC3定有功功率，MMC2和MMC3輸送的功率基本不變，MMC1倒轉(zhuǎn)的功率為MMC2和MMC3輸送功率的總和。如圖9(d)所示，策略4的MMC1發(fā)生最大為0.07 p.u.的功率倒轉(zhuǎn)，故障清除后直流系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。如圖9(e)所示，策略5的MMC2和MMC3維持約0.075 p.u.的功率輸送，MMC1發(fā)生約0.15 p.u.的功率倒轉(zhuǎn)。相比于策略2，MMC2倒轉(zhuǎn)的功率為策略2的一半。

圖9 直流線路故障響應(yīng)特性Fig.9 Response to DC line fault

3.3 受端LCC交流故障

t=2.0 s時(shí)，在圖1的母線BUS_IL處施加持續(xù)0.1 s的三相短路故障，母線電壓跌落至50%。仿真結(jié)果如圖10所示。

故障發(fā)生后，LCC發(fā)生換相失敗，直流電流增大，MMC直流側(cè)出現(xiàn)盈余功率。如圖10(a)、(c)和(d)所示，策略1、策略3和策略4的直流側(cè)盈余功率由3臺(tái)MMC均衡消納，3臺(tái)MMC的直流電壓基本不變。如圖10(b)和(e)所示，策略2和策略5的直流側(cè)盈余功率全部由MMC1消納，造成MMC1直流電流由0.33 p.u.增大至0.5 p.u.。

圖10 受端LCC交流系統(tǒng)故障響應(yīng)特性Fig.10 Response to AC fault of receiving-end LCC

3.4 受端MMC1交流故障

t=2.0 s時(shí)，在圖1的母線BUS_IM1處施加持續(xù)0.1 s的三相短路故障，母線電壓跌落至50%。仿真結(jié)果如圖11所示。

故障發(fā)生后，MMC1輸送功率受阻，MMC直流側(cè)出現(xiàn)盈余功率。如圖11(a)和(d)所示，策略1和策略4的直流側(cè)盈余功率由MMC2和MMC3均衡消納，MMC1電壓波動(dòng)的最大幅度為0.495 p.u.。如圖11(b)所示，策略2由于MMC2和MMC3定功率，其指令值在故障期間保持不變，故盈余功率難以消納，從而MMC1電壓波動(dòng)的最大幅度為0.51 p.u.，MMC2和MMC3電壓波動(dòng)的最大幅度為0.50 p.u.。如圖11(c)所示，策略3的3臺(tái)MMC均參與電壓-功率調(diào)節(jié)，但是3臺(tái)MMC直流側(cè)直接并聯(lián)，無法找到一個(gè)平衡點(diǎn)，其直流電流和直流電壓均長(zhǎng)時(shí)間振蕩。如圖11(e)所示，策略5的MMC1電壓波動(dòng)的最大幅度為0.52 p.u.，MMC2和MMC3電壓波動(dòng)最大幅度為0.51 p.u.，MMC直流電流振蕩時(shí)間長(zhǎng)，從而影響LCC的功率輸送。

圖11 MMC1交流系統(tǒng)故障響應(yīng)特性Fig.11 Response to MMC1 AC fault

3.5 MMC1緊急閉鎖退出

t=2.0 s時(shí)，MMC1緊急閉鎖，15 ms以后斷開MMC1直流側(cè)的直流開關(guān)。策略2的通信延時(shí)為3 ms。仿真結(jié)果如圖12所示。

如圖12(a)所示，策略1健全MMC的直流電流和輸送功率可以平滑過渡到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。如圖12(b)所示，策略2由于MMC2需要依賴閥組間通信改變功率指令值，健全MMC的直流電流發(fā)生小幅振蕩后過渡至新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，需要依賴閥組間通信。如圖12(c)和(d)所示，策略3和策略4依賴MMC2和MMC3的電壓下垂控制，健全MMC的直流電壓衰減振蕩至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。如圖12(e)所示，策略5健全MMC電壓波動(dòng)的最大幅度為0.55 p.u.，使LCC直流電壓降低，LCC輸送的有功功率短時(shí)減小。

圖12 MMC1緊急閉鎖退出響應(yīng)特性Fig.12 Response to MMC1 shutdown and exit

3.6 仿真結(jié)果總結(jié)

綜合3.1—3.5節(jié)仿真結(jié)果，策略1遭受各種故障均能有效穿越，直流電壓、直流電流和有功功率波動(dòng)最小；策略2、4和5在遭受直流線路故障時(shí)，均發(fā)生功率倒轉(zhuǎn)，其中策略2倒轉(zhuǎn)的功率最大，超過穩(wěn)態(tài)運(yùn)行輸送功率的2倍，需要在定電壓站MMC直流入口配置大功率二極管或者額外的控制措施，在主控站MMC1退出運(yùn)行時(shí)，需要依賴閥組件通信；策略3遭受送端或受端LCC交流側(cè)故障及直流線路故障時(shí)，其響應(yīng)特性類似于策略1，但在MMC交流側(cè)發(fā)生故障或MMC退出運(yùn)行時(shí)，MMC直流側(cè)電壓會(huì)發(fā)生振蕩。

4 結(jié)論

文中對(duì)受端MMC閥組5種潛在的功率、直流電壓協(xié)調(diào)控制策略的適用性進(jìn)行了分析。然后，在PSCAD/EMTDC中，對(duì)上述5種策略遭受不同故障的響應(yīng)特性分別進(jìn)行了仿真。最后，基于仿真結(jié)果，對(duì)上述5種協(xié)調(diào)控制策略的適用性進(jìn)行了對(duì)比分析。

綜合仿真結(jié)果：在送端送出容量較大時(shí)，采用策略1，提高特高壓混合級(jí)聯(lián)多端直流系統(tǒng)的交、直流故障穿越能力，增強(qiáng)受端交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力；送端送出容量較小時(shí)，采用策略2或者策略5，MMC2或者M(jìn)MC3轉(zhuǎn)為整流模式，優(yōu)先保證向重點(diǎn)區(qū)域負(fù)荷供電，或用于交流輸電通道的功率調(diào)節(jié)，提升潮流的多向疏散性。由于受端3臺(tái)MMC直流側(cè)直接并聯(lián)，策略3和策略4的功率-電壓下垂控制在MMC直流側(cè)功率變化時(shí)，3臺(tái)MMC直流電壓的也跟隨變化，不利于MMC間的功率和電流的均衡分配，也不利于高壓LCC和低壓MMC的電壓平衡，因此策略3和策略4不適用于文中所述特高壓混合級(jí)聯(lián)多端直流系統(tǒng)。

本文得到國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部科技項(xiàng)目“混合級(jí)聯(lián)多端特高壓直流饋入受端電網(wǎng)仿真和運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)(機(jī)電暫態(tài)仿真和運(yùn)行控制)”資助，謹(jǐn)此致謝！