基于MMC的交直流混合配電網交流系統協調控制策略分析

趙曉敏，趙 影，李斯特，郭金剛，王 達

（國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特010010）

0 引言

直流配電網有利于廣泛接納分布式電源（DG）和儲能裝置，是高滲透率新能源接入電網的有效途徑。由于交流配電網發展成熟，且交流電源和負載仍是配電網的主要組成部分，建設交直流混合配電網將會是未來發展趨勢[1-2]。分布式能源和換流站的接入會使原有供電網絡拓撲結構發生變化，從而影響故障點的短路電流，因此開展交直流混合配電網故障分析研究工作有非常重要的意義。

交直流混合配電網與傳統配電網相比，具有DG高密度接入、交直流混聯等顯著特點，因高密度DG及大量電力電子設備的接入，使配電網的故障特征更為復雜。文獻[3]通過仿真分析撬棒電路（Crow?bar）保護投入下雙饋風機（DFIG）的短路電流特征，得出短路電流會發生頻率偏移和弱饋性的結論。文獻[4]分析了故障情況下雙饋風機轉子電流各分量的表達式和Crowbar投入后轉子短路電流的變化規律。直流配電網因接入互聯換流器，其故障特征受控制策略和拓撲結構雙重影響，進一步加大了故障分析難度。文獻[5]對逆變站交流出口發生單相接地進行歸納，明確交流故障下模塊化多電平換流器（MMC）-高壓直流輸電（HVDC）直流電壓將以工頻波動。文獻[6]結合柔性直流系統控制策略，總結柔性直流換流器交流側區內發生三相短路故障時，提供的故障電流特征。上述研究文獻，本質上均是對單一的新能源交流送出線或是柔性直流系統故障特征的分析，未對含DG的交直流混聯網絡交流送出線故障下的電氣量進行系統、全面的研究，同時也未對短路電流特征進行總結。

本文主要以雙饋風機作為分布式能源，研究交直流混合配電網逆變器交流側送出線路的故障特征，分析換流站MMC和DFIG對交流系統產生的暫態故障響應；并且基于MMC交直流混合配電網與DFIG的協調控制策略，提出一種改進的自適應Crowbar來提高DFIG低電壓過渡能力；同時仿真驗證DFIG和MMC的控制策略對短路電流產生的影響和變化情況。

1 基于MMC交直流混合配電網協調控制策略

MMC換流站采用雙閉環矢量控制策略，控制系統包括電流內環控制器、電壓功率外環控制器、鎖相環（PLL）和觸發脈沖生成環節[6]。外環控制器通過電壓、功率等參考值為內環控制器提供參考量。內環控制器根據外環提供的有功電流參考值idref、無功電流參考值iqref來實現對換流站交流側電壓幅值和相位的控制，使其有功電流id、無功電流iq快速跟蹤其參考值，換算關系見式（1）。

式中：I—換流站交流側電流；

Iref—外環控制器提供的參考量；

US—換流站交流側公共連接點（PCC）點電壓；

V—換流站端口輸出的交流電壓；

Re+jXe—換流站到PCC點的等效阻抗。

通常，控制目標不同則外環控制器的功能也不同。idref包括定有功功率、定直流電壓控制和定頻率控制模式；iqref包括定無功功率和定交流電壓控制模式[7-8]。當MMC換流站接有含DG的無源網絡時，最重要的因素是控制交流側電壓和頻率的穩定。當出現故障時，由于DFIG輸出的功率具有波動性，若采用定有功功率和定無功功率控制則無法完全平衡電網輸入與輸出的功率，同時接入無源網絡的雙饋風機需要一個穩定的同步交流勵磁電源，基于此一般采用定交流電壓定頻率控制。其控制目標有兩個：一是保證MMC交流側頻率為工頻，相當于給定電網頻率，不需要PLL鎖相，意味著dq坐標系旋轉速度固定；二是維持MMC交流系統電壓幅值US恒定，采用矢量控制將其作為iqref外環給定，在電壓跌落情況下，具有一定的無功功率支撐作用。同時在多換流站情況下，必須有一個換流站采用定直流電壓控制，以維持直流系統的穩定運行，一般工作在定直流電壓定無功功率控制模式，控制策略如圖1所示。

圖1 MMC控制策略

基于MMC的交直流混合配電與DFIG協調控制思想是在交流系統發生故障時，換流站與風力發電都會為交流母線提供一定無功功率來減少電壓跌落程度。DFIG定子側與電網直接相連，轉子側通過“背靠背”變流器與電網間接連接，采用dq解耦矢量控制，在傳輸有功功率的同時還能發出一定的無功功率。當發生三相短路時，網側電壓下降，MMC會減少向交流系統輸送的有功功率，同時接收交流故障電壓信號，通過反饋控制方式調節MMC輸出的電壓幅值，向接入點提供無功功率來減少母線電壓跌落程度，期間DFIG也會給并網接入點提供一定的無功支撐。

2 交直流混合配電網交流系統故障響應

2.1 MMC對交流系統的故障響應

當交流系統發生三相短路時，換流站輸出的三相電流imL1、imL2、imL3為：

式中：α為換流站網側L1相交流電壓相位；id、iq為換流站輸出的三相交流電流d軸分量、q軸分量；i0為零序分量。

由于輸出電流對稱，則i0=0，由式（2）可得：

由于子模塊絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的過流能力有限，為保護其不受損壞，在系統受擾或發生故障而出現過流的情況下，MMC的控制系統將對其進行限流，通過在外環輸出idref、iqref增加限幅器，將參考電流限制在限幅器限制范圍內。內環控制器通過限制idref、iqref來限制橋臂電流，換流站輸出的交流電流的幅值上限ilimit見式（4）。

式中：idlim—交流電流d軸分量的幅值上限；

iqlim—交流電流q軸分量的幅值上限。

其中，ilimit取決于IGBT過流能力，通常為±1.1。限幅方式如圖2所示，當參考電流超過限幅值時，通過等比例縮小id、iq來限制橋臂電流。

圖2 限幅器限幅方式

對于無功電流iq，故障后其參考值iqref為：

其中，當外環采用定交流電壓控制，Aref表示交流電壓設定值，A表示交流電壓實際值，KP、Ki表示控制器比例、積分系數。當發生三相短路，交流電壓會下降，而電壓的設定值不變，則Aref-A會增大，因此外環控制器輸出的iqref絕對值會增大，支撐PCC點交流電壓，減少電網電壓的跌落程度，最終可增大到限幅值iqmax。此時，由限幅控制表達式（4）可得有功電流idref會下降，最終會下降至0。外環控制器輸出參考電流是內環控制器的輸入量，因此內環控制器輸出的交流側電壓參考值會發生變化，從而控制交流側電流。

因此，換流站輸出最大短路電流imax為：

式中：ω—電網角頻率。

換流站提供短路電流的大小與控制方式、運行方式及外環控制器限幅器的限幅值有密切關系。交流側電流會跟隨參考電流的變化而變化，最終與參考電流一致。

故障期間，根據瞬時功率理論，MMC換流站發出的有功功率Pm和無功功率Qm計算見式（9）、（10）：

式中：umL1、umL2、umL3為故障時換流站輸出的三相電壓。

經同步旋轉坐標變換后，電網電壓定向于d軸，即ud=us，uq=0，則有：

由功率表達式（11）可知，有功功率主要取決于id，無功功率取決于iq。當發生三相短路，通過上述分析可知，無功電流iq會增大到限幅值，同時有功電流會降為0，由此MMC換流站會增發無功功率來減少母線電壓跌落程度，同時可能會出現有功功率傳輸為0的情況。

當交流側發生不對稱故障時，會造成交流系統不平衡，換流站輸出的三相交流電流imL1、imL2、imL3將包括負序分量，表達見式（12）：

當交流系統不平衡時，流經換流站的開關函數S仍是三相對稱：

式中：Sm—開關函數幅值；

φs—開關函數相位。

含負序分量的三相交流電流經對稱的開關函數，可得換流站直流側輸出的電流idL3為：

式中：Id—直流側電流直流分量；

id2—電流二次諧波交流分量幅值。

式（14）表明，換流站交流電流的負序分量會在直流側引起直流電流二次波動，從而會在直流側引起二倍頻直流電壓的波動，見式（15）：

式中：ud2為電壓二次諧波交流分量幅值。

同理含二次諧波的電壓經對稱開關函數調制可得交流側電壓umU：

式中：umL1—交流側L1相輸出電壓；

Ud—電壓基波分量幅值；

ud3—電壓三次諧波分量幅值；

φu—交流側L1相輸出電壓相位。

式（16）表明，含二次諧波的直流電壓會引起換流站交流側三相電壓產生三次諧波，三次諧波的交流電壓會產生三倍頻的交流電流。如此反復，當發生不對稱故障時，換流器交流側將產生3次、5次等奇次非特征諧波，而在其直流側產生2次、4次等偶次非特征諧波。

2.2 具有低電壓過渡能力的DFIG對交流系統故障響應

當配電網發生故障后，DFIG暫態故障特征與發電機本身參數、Crowbar及控制策略相關。當發生三相短路時，Crowbar動作、保護轉子側變流器，在此期間風機端部故障電流IS可近似表達為[9]：

其中，a1、a2、a3為常數，大小取決于風機參數和電壓的跌落水平，且a2≥a1；ω1為電網同步轉速，ωr為轉子轉速，Tr為轉子衰減時間常數，TS為定子衰減時間常數。由式（17）可知機端故障電流近似由穩態工頻交流分量，按時間常數Tr衰減的轉速頻率交流分量和按時間常數TS衰減的直流分量構成。其中衰減交流分量為撬棒電路投入后，因轉子磁鏈不能突變所感應出以時間常數Tr衰減的轉速頻率交流分量，是故障初期機端電流的主要構成成分。衰減的交流分量頻率為（1-s）f1，其中，s為轉差率，取決于故障前運行工況，f1為轉速變化范圍，一般為0.7~1.3（p.u.）。因此輸出的短路電流頻率在35~65 Hz變化，本文風機運行工況為1.2（p.u.），頻率偏移約為60 Hz。Tr主要取決于撬棒電阻的大小，且輸出短路電流的峰值與Crowbar阻值有關，其選取存在最優值，峰值過小不能有效抑制暫態電流，過大則可能會導致轉子側變流器直流母線過電壓。查閱相關文獻[10]，本文采用20倍轉子電阻作為Crowbar阻值。

風機的無功補償包括兩部分，即網側無功和定子無功輸出。在電壓跌落20%時，網側變流器提供最大無功補償為0.12（p.u.），定子側最大可提供0.7（p.u.）的無功功率。網側無功出力遠小于定子側，一般DFIG無功補償優先考慮定子側調節。定子輸出的無功極限Qsmax見式（18）[11]：

其中，uDZ為定子電壓，Irmax為轉子側變流器電流極限值，PG為DFIG向系統注入的有功功率，LS為定子自感，Lm為定、轉子互感。

傳統Crowbar控制策略啟動后，在故障期間一直投入，閉鎖轉子變流器，DFIG變成異步電動機從系統吸收無功功率，將導致DFIG定子側不能為電網提供無功支撐[12]。優化Crowbar切除時間，通過控制轉子電流使定子側最大程度發出無功。當發生三相短路時，會導致風機轉子過電流。當轉子電流達到門檻值1.5~2（p.u.）時，延時3~5 ms撬棒電路投入，通過計算DFIG故障電流中衰減的轉速頻率交流分量來自適應確定Crowbar保護電路切除時間。撬棒電路切除后，轉子側變流器恢復勵磁，通過控制轉子電流進而控制定子側最大程度發出無功功率，充分發揮DFIG本身的無功調節能力。同時，MMC換流站在故障期間充當靜止同步補償器（Stacom）提供無功補償，減少了電網電壓的跌落程度，為實現低電壓過渡提供條件。Crowbar自適應優化控制流程如圖3所示。

圖3 Crowbar自適應優化控制流程圖

由上述分析可知，交流系統發生短路故障后，短路電流為MMC與DFIG輸出電流的疊加[13]；然后根據換流站與雙饋風機的控制方式、運行方式及限幅器參數等確定其輸出短路電流的幅值和相位，由其呈現的電流源的特性，求解MMC、DFIG向短路點潰入的短路電流；最后將MMC和DFIG輸出電流進行向量疊加，即可求解出最終的短路電流水平。

3 仿真分析

本文采用10節點9線路的輻射型交直流混合配電網，其網絡拓撲模型如圖4所示[14]。該模型采用遺傳-最小生成樹優化算法，引入概率潮流思想，同時綜合考慮電壓等級匹配及傳輸容量約束等，對DG布點和網架拓展進行協同規劃[15-16]，適應于直流集中負載、分布式發電、舊城改造等綜合場景，對現實配電網計算具有一定的指導意義。

圖4 交直流混合配電網拓撲

圖4 中，DG安裝在節點5、6、7、8，容量分別為0.2 MVA、0.3 MVA、0.1 MVA、0.2 MVA。直流網絡電壓等級選取±10 kV，與現有交流網絡10 kV相匹配，并通過MMC相連。在本文交直流混合配電網模型中，8母線節點為系統的平衡節點，換流站MMC1外環采用定直流電壓和定無功功率控制，穩定配電直流系統電壓。5母線節點所接的是含有DG的無源網絡，為了穩定并網點交流電壓和頻率，換流站MMC2采用定交流電壓和定頻率控制模式。

仿真分析圖4中逆變側交流系統線路5在t=0.16 s時發生三相短路。母線節點5電壓跌落情況如圖5所示。MMC2逆變換流站無功電流參考值Iqref2及無功電流實際值Iq2變化情況見圖6。MMC2換流站功率PMMC2、QMMC2變化情況見圖7。節點5上雙饋風力發電無功QDFIG5注入情況見圖8。

圖5 母線節點5電壓跌落情況

圖6 MMC2無功電流Iq2變化情況

圖7 MMC2功率變化情況

圖8 節點5 DFIG無功變化情況

分析上述曲線可知，由于MMC2換流站采用定交流電壓控制方式，在故障期間，外環控制器輸出iqref2絕對值會增大，最終增大到限幅值iqmax=1.1。iq2跟蹤無功電流參考值為出口電壓提供無功支撐，一定程度改善母線節點5的電壓的暫態特性。同時雙饋風機撬棒電路在故障初始時刻投入30 ms后切除，轉子側變流器恢復勵磁，定子側能夠在剩余的故障時間內發出無功功率，充分發揮了DFIG本身的無功調節能力，故障期間電壓跌落水平得到良好改善。同時由圖7還可以看出，在三相短路期間，MMC2換流站有功功率傳輸為0。短路電流的變化如圖9所示。

圖9 線路5短路電流變化情況

線路5短路電流在三相故障情況下，電流增長不是很大。根據配電網結構拓撲可看出線路5的短路電流由兩部分提供，即MMC2換流站和節點5所連的DG雙饋風機。由于MMC2控制器設有限幅器，其限幅值大小直接影響短路電流的大小，在故障期間限幅器達到限制，呈現電流受限狀態。同時DFIG的轉子側和網側變流器也有限幅作用，所以使得故障電流也呈現弱饋特性。對圖9中線路5三相短路電流進行傅里葉分析，其結果如圖10所示。

圖10 頻率分析

可以看出故障期間由于Crowbar投入，故障電流中會含有轉速角頻率分量（60 Hz）。這是由于撬棒保護電路的投入會閉鎖轉子側變換器，因轉子磁鏈不能突變，所以感應出60 Hz故障分量。同時Crowbar切除后，風機的無功支撐控制也會增大短路電流60 Hz頻率的故障電流分量，這會對保護基于工頻提取的傅里葉算法造成誤差。

當線路5發生不對稱故障，以單相接地（AG）為例，短路電流如圖11所示。

對圖11中線路5單相接地短路電流進行傅里葉分析，其諧波含量如表1所示。

圖11 線路5短路電流

表1 阻抗電壓與電容量試驗結果先驗概率統計

表1 顯示了當發生不對稱故障時，會出現3次、5次等奇次諧波。這是由于交流系統不對稱時，而開關函數是三相對稱的，會在交流側出現負序分量。負序分量會在直流側產生二倍頻分量，二倍頻分量又在交流側產生3次諧波。如此反復，交流側產生3次、5次等奇次非特征諧波，直流側產生2次、4次等偶次非特征諧波。諧波的產生會使換流器控制不穩定，影響VSC控制器的性能，同時也會影響基于工頻量保護的提取精度。

4 結論

（1）換流站和雙饋風機的協調控制會在故障情況下，對接入點進行無功功率補償，減小電壓跌落程度，提高MMC和DFIG的低電壓過渡能力。

（2）基于MMC的交直流混合配電網，當逆變側交流系統發生故障時，因換流器件通流能力的約束會出現短路電流受限特征。

（3）當逆變側交流系統發生三相短路時，由于雙饋風機Crowbar保護電路投入，故障電流會出現含有轉子轉速角頻率為60 Hz分量，發生頻率偏移現象。

（4）當發生不對稱故障，交流系統的短路電流還會出現3次、5次等奇次諧波。這些非工頻分量不僅影響換流器控制，同時還會影響基于工頻保護的提取精度，為繼電保護帶來困難。