柔性直流輸電換流閥型式實驗平臺諧波注入方法

付志超，陳奧博，朱勁磊，歐嘉俊，王國強

(1. 廣東電網公司廣州供電局，廣州510620；2. 榮信匯科電氣股份有限公司，遼寧 鞍山114051)

0 引言

近年來國內外柔性直流輸電技術快速發展，主要應用于異步電網互聯、風電場并網、西電東送等領域。例如國內的云南魯西背靠背工程、渝鄂背靠背工程應用于我國電力系統主干網互聯[1]。南澳多端柔直系統[2 - 3]和如東柔直工程等用于島嶼和海上風電場并網。以及烏東德工程應用于西電東送電力通道，實現電能的遠距離傳輸，電壓等級達到±800 kV，總容量8 000 MW[4 - 6]。柔直系統已廣泛應用于我國電力系統，并且國家提出“雙碳”目標，大力發展基于可再生能源和基于電力電子設備的新型電力系統，柔直系統將會得到更廣泛的應用，其電壓等級和容量也將不斷擴大，柔直系統可靠性對電力系統安全穩定運行的影響逐漸增大，目前已投運和建設中的柔直工程均采用模塊化多電平換流閥(MMC)實現交-直流的電能轉換，系統運行過程中會面臨多種復雜工況，如交流系統或直流長線路的短時故障、送端和受端功率的暫態功率不平衡，以及短時的過電壓、過負荷等。對此已有大量文獻針對不同工況提出多種故障穿越策略[7 - 8]，能夠在一定程度上減小換流閥的暫態電壓、電流應力。此外，為應對大規模新能源接入，現代電力系統需要柔直參與交流系統的電壓和頻率調節，并能夠為系統提供暫態的慣量支撐，目前國內外主要采用構網類控制[9 - 10]，包括虛擬同步機控制[11 - 13]、下垂控制[14 - 16]和功率同步控制[17 - 18]等。除了控制策略的優化之外，換流閥本身的過載能力也是柔直系統可靠性的關鍵指標，同時換流閥的運行參數邊界也是故障穿越控制和保護等策略優化的基礎。

為考核柔直換流閥主回路對電壓、電流應力的耐受能力，IEC標準對柔直換流閥提出了運行實驗項目，包括解鎖狀態下的電壓、電流過載實驗、閉鎖狀態下的短路電流注入和過電流關斷實驗等[19]。而且，通過對已投運柔直換流閥波形分析，受交流系統連接方式的柔直運行工況的影響，橋臂電流中會存在一定的諧波分量，且諧波頻率分布范圍較寬，而換流閥控制中通常只配置二次環流抑制[20 - 21]，因此近期工程中通常要求換流閥型式實驗包含諧波注入實驗，例如要求至少注入3、5、7次諧波等，以更接近實際運行工況的條件考核換流閥的電流、電壓耐受能力，而對柔直實驗系統控制方法的研究成果較少，大都研究實驗回路拓撲結構[22 - 23]，所采用的控制策略通常僅針對基頻電流控制和二倍頻電流注入方法[24 - 25]。而在諧波控制方面近期有較多研究成果大都分析柔直系統諧波阻抗特性[26 - 27]，以及諧波諧振抑制等[28 - 29]，但對柔直實驗系統多組諧波注入方法的論述較少。

本文首先分析工程中柔直換流閥橋臂電流存在諧波分量，介紹常用的換流閥型式實驗回路，其次針對典型實驗回路，在常規電壓、電流控制方法的基礎上設計諧波注入控制方法，提出基于二階低通濾波器作為諧波分量控制器，優化諧波跟蹤性能，并分析諧波調節器的穩定性，最后仿真驗證所提出諧波注入控制方法的有效性。

1 柔直工程換流閥諧波特性

柔直工程中MMC一相結構如圖1所示，圖中SM為半橋結構功率單元；電網交流側電壓和電流分別為usj和isj(j=a, b, c)；L為橋臂串聯電抗的電感值；udc為直流電壓；idc為直流電流；ipj和inj分別為上、下橋臂電流；upj和unj分別為上、下橋臂兩端輸出電壓；izj為橋臂環流；Uc為功率模塊平均電壓。

圖1 柔直換流閥一相橋臂拓撲結構Fig.1 One-phase bridge topology of MMC

由MMC拓撲可知上下橋臂輸出電壓可由式(1)表示。

(1)

式中：m為功率模塊序號，m=1,…,N，每個橋臂由N個功率模塊串聯組成；S(t)代表功率模塊開關函數，下標p、n分別表示上下橋臂；Δucjpm、Δucjnm分別為j相上下橋臂第m個功率模塊電壓波動量。則換流閥j相電壓波動Δucj可表示為：

(2)

三相電壓波動的相位相互錯開120 °，會在三相橋臂中產生對應頻率的電流波動，主要為二倍頻分量[30]，因此橋臂電流可由式(3)表示。

(3)

式中：Ij為換流閥j相交流側電流峰值；Izj為二倍頻環流幅值；φ為基頻電流相位；θ為二倍頻電流相位。

忽略功率模塊電壓波動，穩態時MMC橋臂電壓平均值包含直流和交流分量，如式(4)所示。

(4)

式中：M為換流閥交流調制信號幅值，最大值1為滿調制。由式(2)和式(4)中橋臂電壓和電流表達式可以計算橋臂功率表達式，根據式(2)和式(4)中各頻率分量的乘積關系，可知橋臂功率中含有直流、基頻、二倍頻和三倍頻分量，因此橋臂中必然存在對應次諧波電流，依次類推可知，橋臂電流中含有各次諧波分量。

為使型式實驗中試品閥段電流更準確地等效現場實際工況，根據上述橋臂電流諧波分量的分析結果，綜合考慮橋臂電抗的濾波作用，可以在型式試驗電流中注入2、3、5、7次諧波，考核試品閥段對諧波電流的耐受能力。

2 實驗回路

柔直工程換流閥電壓等級高、容量大，無法對設備整體進行實驗，IEC標準對此提出以閥段為實驗對象進行功率循環實驗，對于MMC拓撲參與實驗的閥段由不少于5個功率模塊串聯組成。對此通常采用兩個閥段直接并聯組成對拖實驗回路，如圖2所示，圖中兩個閥段分別為試品閥段和陪試閥段，兩閥段經負載電抗器L連接，Uc為低壓直流電源，與陪試閥段接地端功率模塊的直流電容并聯，通過閥段間的平衡控制和閥段內電容電壓平衡控制為所有單元提供運行實驗的功率損耗，Us為預充電電源，經充電電阻R將所有功率模塊充電至能夠穩定工作的初始電壓，充電完成后斷開隔離開關K01，切除預充電電源，功率模塊根據控制系統調制信號進入解鎖運行狀態，由直流電源Uc對實驗系統供電。

此外常用的型式實驗回路也可以采用多個閥段組成完成的背靠背結構換流閥，通常每個橋臂包含1或2個閥段，將兩個換流閥的直流側和交流側分別連接，組成功率循環回路，并經交流變壓器與電網連接，為實驗系統提供實驗所需的能量損耗。該種背靠背結構的對拖實驗系統能夠一次測試多個試品閥段，且控制方法與工程中柔直換流閥控制系統類似。但對直流電源容量和電壓等級的要求較高，而圖1所示的閥段對拖類實驗平臺對電源容量要求較低，但控制方法與常規柔直系統控制方法存在一定區別。本文后續將基于閥段對拖實驗回路介紹所提出運行實驗方法和諧波控制策略。

圖2 閥段型式實驗回路Fig.2 Type test circuit of valve section

3 實驗回路控制和諧波注入方法

3.1 實驗回路控制策略

IEC標準要求穩態運行實驗中試品閥段功率模塊電壓平均值為1.05倍額定，試品閥段電流的直流和交流分量比例與實際工程一致，幅值通常為工程額定值的1.05～1.3倍。對此通常將試品閥段和陪試閥段間的調制信號錯開一定相位，使兩閥段經負載電抗產生功率循環，具體控制結構如圖3所示。

圖3 閥段對拖實驗平臺控制結構Fig.3 Control structure of valve section back-to-back experimental platform

圖3中閥段平均電壓和閥段電流組成電壓-電流雙閉環的控制結構，保持兩閥段間輸入和輸出功率平衡。試品閥段調制信號為標準50 Hz正弦調制信號，相位角θ在[0, 2π]間變化，試品閥段和陪試閥段的相位差為α， 穩態基頻交流電流分量的相位為0.5α， 電壓電流相位關系如圖4所示。圖中ωLIL為閥段間負載電抗器的穩態壓降。

圖4 閥段電流、電壓相位關系Fig.4 Phase relationship between valve section current and voltage

3.2 電流調節器設計

由上述控制原理可知試品閥段電流包含直流分量、基頻分量和諧波分量，因此可以采用比例-諧振(proportional-resonance，PR)調節器跟蹤給定，即根據實驗要求分別設置基頻諧振調節器和各次諧波調節器，實現基頻和諧波電流指令信號的跟蹤。以注入2、3、5、7次諧波為例，電流調節器結構如圖5所示，圖中ω0為基波角頻率，Kp為PR調節器比例系數，針對交流基頻和各次諧波分量分別設置諧振調節器，k1為基頻諧振調節器系數，kn(n=2, 3, 5, 7)為各次對應諧波調節器系數。

圖5 基于PR調節器的電流控制器Fig.5 Current controller based on PR regulator

圖6 電流控制回路等效傳遞函數Fig.6 Equivalent transfer function of current control loop

由圖6可得電流控制回路的根軌跡，如圖7所示。可以看出，采用諧振調節器控制諧波電流產生了一系列閉環極點，隨著反饋控制增益從0開始增加，與5、7次諧波電流控制相關的極點出現了向右半平面移動的趨勢，因此5、7次諧波電流控制會出現不穩定現象。與3次諧波電流控制相關極點受到影響相對較小。與基波、2次諧波電流控制相關極點保持在左半平面，能夠保持穩定。

圖7 基于PR調節器的根軌跡圖Fig.7 Root locus based on PR regulator

針對上述問題，將3、5、7次諧波控制器改為2階低通濾波，改進后控制器結構如圖8所示，對應根軌跡如圖9所示。圖9中隨著反饋增益從0開始增加，與各次諧波控制相關的閉環極點均向左半平面移動，只有當反饋增益很大時，3、5、7次諧波電流控制相關極點才會進入右半平面，因此試驗系統在進行控制參數調試時可以保持穩定，不會出現振蕩發散現象。由于替換的低通控制環節傳遞函數在3、5、7次諧波點依然保持開環增益無窮大，因此可以實現3、5、7次諧波電流的無靜差調節。

圖8 基于二階低通濾波環節的電流控制器Fig.8 Current controller based on second-order low-pass filter

圖9 基于二階低通濾波環節的根軌跡圖Fig.9 Root locus based on second-order low-pass filter

4 仿真和分析

基于上述電流控制方法在PSCAD下搭建閥段對拖實驗系統仿真模型，對改進后的電流控制方法進行仿真驗證，參數見表1。

表1 仿真模型參數Tab.1 Simulation model parameters

基于常規PR調節器對閥段實驗系統進行仿真，結果如圖10所示。其中圖10(a)為2、3、5、7次諧波有效值波形，圖10(b)為試品閥段和陪試閥段間的總負載電流波形。經仿真調整后3、5、7次諧振系數分別為0.03、0.02、0.015，電流控制器中比例環節系數Kp= 0.25。仿真中雖然盡量減小7次諧波諧振調節器系數，但穩態時仍存在較大波動，且3、5次諧波穩態值與設定值也存在較大偏差，總閥段間總負載電流幅值穩態時也明顯存在低頻波動。

圖10 基于PR調節器的電流控制器仿真結果Fig.10 Simulation results of current controller based on PR regulator

基于本文提出的3、5、7次諧波采用二階低通濾波環節再次對上述閥段實驗系統仿真，結果如圖11所示。圖中分別為注入諧波電流有效值和閥段間負載電流波形，其中電流調節器中3、5、7次二階低通濾波環節放大倍數在上述參數附近微調，比例系數Kp仍然設置為0.25。由仿真結果可以看出，改進后的電流控制器消除了7次諧波的穩態波動，3、5、7次諧波有效值的穩態精度明顯優于傳統PR調節器。

圖11 基于二階低通濾波的電流控制器仿真結果Fig.11 Simulation results of current controller based on second-order low-pass filter

對比上述仿真結果可以知道，本文所提出的諧波電流控制方法能夠提高諧波注入電流的穩態精度，消除注入諧波的穩態振蕩，改善電流控制器的幅頻特性。

5 實驗驗證

實驗回路現場布局如圖12所示。圖中主要包括試品閥段、陪試閥段、負載電抗器和閥控系統4個部分。為降低系統實驗電壓等級，實驗平臺閥段為6級功率模塊串聯，功率模塊額定電壓2.4 kV。閥控系統電流控制采用本文提出的基于二階低通濾波環節控制3、5、7次諧波電流。穩態運行的實驗結果如圖13所示。圖中三組波形由上至下依次為閥段電流Ib、試品閥段端間電壓U1和陪試閥段端間電壓U2。實驗中設置2次諧波給定為0，抑制2倍頻環流，3、5、7諧波根據實驗要求分別設定為基頻的5%、3%、1%的基波分量。

圖12 實驗回路布局Fig.12 Experimental loop layout

圖13 閥段電流、試品和陪試閥段端間電壓Fig.13 Valve section current, test object and voltage between terminals of accompanying valve section

穩態諧波電流分量能夠跟蹤給定，波形數據FFT分析結果如表2所示，驗證了本文所采用諧波注入方法正確性和有效性。

表2 實驗電流諧波分析結果Tab.2 Harmonic analysis results of experimental current

6 結語

本文研究了柔直換流閥型式實驗系統中諧波電流控制方法。常規PR調節器用于控制多組諧波同時注入試品閥段時存在穩態振蕩，諧波分量控制偏差較大等問題，嚴重影響試品閥段的測試精度，實驗中試品閥段穩態電流波動對實驗設備安全運行也存在一定威脅。

在柔直閥段型式試驗中， 采用二階低通濾波環節控制試品閥段諧波分量注入能夠提高諧波電流的控制精度，明顯減弱諧波間的相互影響。所提出的高頻諧波注入的方法能夠模擬更真實的現場運行工況，從而提高換流閥試驗應力，提高試驗等效性。