多端柔性直流輸電控制保護系統及環流抑制

萬家建，高 強，馬偉東，欒伊斌（.國網浙江省電力公司平湖供電公司，浙江 嘉興 3400；.國網浙江省電力公司電力調度控制中心，浙江 杭州 30007）

多端柔性直流輸電控制保護系統及環流抑制

萬家建1，高 強2，馬偉東1，欒伊斌1
（1.國網浙江省電力公司平湖供電公司，浙江 嘉興 314200；2.國網浙江省電力公司電力調度控制中心，浙江 杭州 310007）

介紹了浙江舟山多端柔性直流輸電工程的概況和主要設備組成，分析總結了其控制保護系統的總體結構和主要功能，重點研究了舟山多端柔性輸電系統的環流抑制控制策略，最后通過試驗驗證了該控制策略對環流的抑制效果，為舟山五端柔性直流輸電系統安全穩定運行提供了技術支持和理論保障。

多端柔性直流輸電；模塊化多電平換流器；控制保護系統；環流抑制

0 引言

多端柔性直流輸電（VSC-MTDC）系統由3個或以上換流站及連接換流站的高壓直流輸電線路組成，能夠實現多電源供電、多落點受電，相比于兩端柔性直流輸電系統，運行方式更為靈活，能更好地發揮直流輸電的經濟性和靈活性。目前，已于2014-07-04投運的浙江舟山柔性直流輸電工程，為世界上首個建成的五端柔性直流輸電工程。

1 舟山柔性直流輸電工程概況

舟山柔性直流輸電工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋等5個直流換流站和多段直流電纜構成，直流電壓等級為±200 kV。各換流站容量分別為400 MW，300 MW，100 MW，100 MW，100 MW，最大輸送容量為400 MW。舟定和周岱換流站通過220 kV單線分別接入220 kV云頂變和蓬萊變，舟衢、舟洋和舟泗換流站通過110 kV單線分別接入110 kV大衢變、沈家灣變和嵊泗變。其系統接線方式如圖1所示。

舟山柔性直流換流站一次設備主要包括交流線路、直流線路、直流母線、聯結變、換流閥組（由啟動電阻、換流電抗器、平波電抗器和子模塊SM組成）等，各換流站采用模塊化多電平電壓源換流器。其一次接線如圖2所示。該工程投入運行后，舟山電網將發展為一個同時包含多端柔性直流、傳統交流和風電場的復雜交直流混聯電網，電能可同時通過交流通道和直流通道到達各島，運行方式復雜多變。

圖1 舟山五端柔性直流輸電工程系統接線

2 柔性直流輸電控制保護系統

柔性直流輸電控制保護系統是柔性直流輸電系統的“大腦”，實現對整個系統及所有設備的控制、監視和保護，直接關系到系統運行的性能、安全、效益，是柔性直流輸電系統的關鍵。

圖2 換流站一次接線

多端柔性直流輸電系統是一個復雜的多輸入多輸出系統，為了提高其運行的可靠性，限制任一控制環節故障造成的影響，其控制保護系統采用模塊化、分層分布式結構。舟山柔性直流輸電系統控制保護策略分4個層次：系統級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級控制保護層、子模塊級控制保護層，其結構如圖3所示。

系統級控制保護層是MMC-HVDC（MMC，modular multilevel converter，即模塊化多電平換流器）控制保護系統中級別最高的層次，主要功能有：運行方式控制、控制模式控制、系統啟停控制、系統穩定控制、快速功率變化控制、潮流反轉控制、聯接變壓器保護、交流場保護等。

換流器級控制保護層是聯系上層系統級控制保護層和下層閥級控制保護層的中間環節，也是MMC-HVDC控制保護系統中的核心層。主要功能有：直流電壓控制、直流功率控制、換流器閉鎖解鎖控制、負序電流抑制控制、橋臂環流控制、運行信息采集與處理、換流器限流控制、換流器監視與保護等。

閥級控制保護層是聯系上層控制系統與底層開關器件控制的中間樞紐。接收換流器級控制保護層輸出的控制信號，并通過適當的調制方式產生相應的閥觸發脈沖以控制閥組的導通、關斷，從而實現對換流器閥的觸發控制；同時接收各子模塊開關器件驅動電路的回報信號及狀態信息并上報至換流器級控制保護系統的監控單元。閥級控制保護層是實現各種指令的具體執行操作層，與系統級控制保護層、換流器級控制保護層相比，其響應速度更快。其主要功能有：開關調制、閥組導通/關斷控制、換流閥監測與保護、子模塊電容電壓平衡調制、橋臂故障檢測與保護等。

子模塊級控制保護層是直接對MMC中的每個子模塊進行觸發控制的設備，其主要功能有：子模塊觸發控制、旁路控制、過壓控制、子模塊電容電壓及狀態信息檢測。

柔性直流輸電保護系統均采用雙重化設計，主要保護配置如下。

（1） 聯接變壓器保護：變壓器差動保護、變壓器過流保護、非電量保護。

（2） 交流場保護：交流連接母線差動保護、交流連接母線過流保護、交流過壓保護、交流欠壓保護、交流頻率保護。

（3） 換流器保護：交流過流保護、橋臂過流保護、橋臂電抗差動保護、閥側零序分量保護、閥差動保護、橋臂環流保護。

（4） 直流場保護：直流電壓不平衡保護、直流欠壓過流保護、直流低電壓保護、直流過電壓保護、直流線路縱差保護。

圖3 舟山柔性直流輸電工程控制保護策略

3 環流抑制控制策略及試驗驗證

模塊化多電平換流器由大量的子模塊構成，每個子模塊中都有一個儲能電容；各個子模塊電容的分布式布置及其能量不均衡，將導致MMC換流器橋臂之間產生呈負序分布的二倍頻環流。環流的存在一方面會使換流器輸出的電流發生畸變，降低了輸出波形的質量，并且增加了電力電子器件的容量等級要求；另一方面增加了損耗，并使功率開關管發熱嚴重，甚至燒毀，影響裝置使用壽命。盡管橋臂電抗器對環流具有一定的抑制作用，但作用有限。因此，必須設計一種環流抑制控制器。

3.1 環流抑制控制策略

舟山多端柔性直流輸電系統采取的是環流諧波解耦控制策略，在MMC內部數學模型的基礎上，采用旋轉坐標變換將換流器內部的三相二倍頻環流分解為2個直流分量，由此設計了相應的環流抑制控制器。

MMC的數學模型可以由式（1）來表示：

式中，Ux表示換流器三相電壓（x=a，b，c），Ux1表示下橋臂電壓，Ux2表示上橋臂電壓，R0表示橋臂電阻，L0表示橋臂電感，Ix表示換流器三相電流，Iz表示二倍頻環流分量。

由式（1）可知，上下橋臂之間的電壓差和交流側相電流會對逆變器交流側電壓產生影響，而上下橋臂電壓之和與直流電壓不相等是內部環流產生的根本原因。為了消除各相上下橋臂電壓之和的不一致性，在上下橋臂電壓上同時減去一個大小相等的電壓修正量Ufix，以抵消2個串聯電抗器兩端的電壓，間接控制換流器內部環流。由于是在上下橋臂同時減去一個電壓分量，因此不會對逆變器交流側電壓產生影響。

根據文獻資料可知，MMC內部三相環流為二倍頻負序分量，設其幅值為Izf，初始相位為φ，那么換流器三相中的環流可以表示為：

令二倍頻環流電壓為：

則式（1）可變為：

將acb負序分量調整為acb正序分量，可引入二倍頻正序變換矩陣式（5）。

利用旋轉坐標變換將換流器內部三相二倍頻負序環流分解為2個直流量，具體計算過程為將式（2）代入式（4），然后兩邊同時左乘acb/dq變換矩陣式（5），得到：

式（6）即為MMC內部環流數學模型，在此數學模型的基礎上即可設計相應的環流抑制控制器，如圖4所示。

圖4 MMC環流抑制器控制圖

3.2 試驗驗證

以舟定站為例，通過實測驗證舟山五端柔性直流控制保護系統的環流抑制功能。該換流器由6個橋臂構成，在額定運行方式下，環流抑制器投入前后橋臂電流的二倍頻分量占基波分量的比例如表1所示。由表1可以看出，當投入環流抑制器后，橋臂二倍頻環流分量得到了有效抑制，占基波分量的比例均小于1 %，大大降低了橋臂電流的畸變程度，提高了換流器運行的可靠性。

表1 投入環流抑制器前后的實驗數據

4 結束語

舟山五端柔性直流輸電工程的建成，為柔性直流輸電的大規模推廣起到良好示范作用。以上通過試驗研究分析舟山VSC-MTDC系統的環流抑制效果，試驗結果表明橋臂內部環流得到了有效抑制。

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2015-08-12。

萬家建（1988-），男，助理工程師，主要從事電力系統變電運行工作，email：gaoqiang242@163.com。

高 強（1985-），男，工程師，主要從事電力系統調控運行工作。

馬偉東（1970-），男，大專，主要從事電力系統變電運行工作。

欒伊斌（1978-），男，助理工程師，主要從事電力系統變電檢修工作。