LCC-VSC兩端混合直流輸電系統基本控制策略的仿真研究

曹力潭 賈軒濤 高仕龍 于 海 謝斯晗

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LCC-VSC兩端混合直流輸電系統基本控制策略的仿真研究

曹力潭1賈軒濤1高仕龍2于 海2謝斯晗1

（1. 國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310018；2. 許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000）

本文基于LCC（line commutated converter）-VSC（voltage source converter）混合直流輸電系統還未工程化應用的現狀，為研究LCC-VSC混合直流輸電系統的基本控制策略，通過RTDS建立由LCC和VSC組成的兩端混合直流輸電系統仿真模型，并與實際的控制主機進行接口。在LCC-VSC功率輸送模式下，對提出的混合直流輸電系統起動、停運控制策略進行仿真驗證。研究結果為以后的工程化應用提供了參考和借鑒價值。

混合直流輸電；電網換相換流器；電壓源換流器；起動策略；閉鎖策略；在線轉換；仿真

對于傳統特高壓直流輸電系統，逆變側在交流電壓出現異常的情況下容易發生換相失敗，換相失敗的發生將嚴重影響交流系統穩定性，甚至可能導致區域電網的大面積斷電事故。而以全控型器件為基礎的柔性直流輸電系統（VSC-HVDC），因不存在換相失敗、不需要無功功率補償裝置及可自行關斷不需要外加換相電壓等特點，自20世紀90年代后得到了迅速發展，目前已有多個柔性直流輸電工程投入運行[1-6]。

結合傳統直流輸電和柔性直流輸電的優勢，一種新的LCC-VSC混合直流輸電拓撲結構有著重要的應用研究價值。目前LCC-VSC混合直流輸電系統還未有工程化實際應用，現有關于混合直流輸電系統控制策略仿真的文獻[11-12,14]等均采用仿真軟件模擬控制保護硬件平臺。為了最大程度上模擬工程應用環境，基于RTDS搭建了LCC- VSC兩端混合直流輸電系統模型，并與實際的控制保護硬件平臺進行接口，對混合直流輸電系統的控制策略、功率傳輸效率等關鍵技術進行研究仿真分析[7-12]。

1 LCC-VSC兩端混合直流輸電系統仿真系統總體設計

LCC-VSC混合直流輸電系統由端1和端2兩個換流站組成，設備組成及測點配置如圖1所示。仿真系統的設計具有以下特點：

1）端1為常規直流LCC換流站，端2為柔性直流VSC換流站。

2）混合直流輸電系統采用完整雙極設計，極1、極2可單獨完成功率輸送。

3）端1 LCC僅作為整流站輸出直流功率，端2VSC可工作在整流模式、逆變模式或STATCOM模式。

圖1 LCC-VSC兩端混合直流輸電系統主接線圖

2 RTDS仿真模型

RTDS混合直流仿真系統為了配合后期1∶1動模實驗平臺的建立，從設備成本、占地面積、接線施工等方面進行綜合考慮，LCC換流站每個極采用一個6脈動的晶閘管換流閥，每個單閥包括一個晶閘管；VSC換流站每個極為一個6橋臂柔直換流閥，每個橋臂包括6個半橋型柔直子模塊。主要系統運行參數如下：直流額定電壓為±1kV，直流額定電流為30A，雙極輸送直流額定功率均為60kW[13-16]。

根據系統主接線在RTDS混合直流輸電系統模型主要包括：6脈動晶閘管換流閥、VSC柔直換流閥、VSC軟起電阻、直流濾波器、LCC換流變壓器、VSC換流變壓器、開關設備、交流等值系統等。

仿真模型中交流系統采用無窮大系統，交流電壓380V，LCC換流變壓器模型為三相變壓器，端1極1采用Yd-11接線方式變壓器一臺，極2采用Yy0接線方式變壓器一臺，參數見表1。

表1 LCC換流變壓器參數

LCC換流閥模型為單極6脈動晶閘管換流閥，具體參數見表2。

表2 LCC換流閥參數

VSC換流變壓器模型為三相變壓器，極1、極2各配置三相變壓器一臺，VSC換流變壓器參數見表3。

表3 VSC換流變壓器參數

VSC柔直換流閥采用半橋型結構，極1、極2配置相同，每個橋臂為子模塊數量為6個，具體參數見表4。

表4 VSC換流閥參數

LCC換流站極1、極2直流線路側均配置了相同的平波電抗器，平波電抗器參數為35mH。

VSC換流站極1、極2配置相同的軟起回路，軟啟電阻為50W。

3 LCC-VSC混合直流輸電系統控制策略及仿真驗證

在LCC-VSC混合直流輸電運行方式下，端1LCC做為整流站運行，端2VSC做為逆變站運行；結合已經投入運行的舟山柔直工程，VSC換流站解鎖過程中不依賴整流站提供換相電壓，因此混合直流輸電系統的兩個換流站采取獨立控制方式，兩個站分別下發解鎖、閉鎖命令[17-18]。

LCC與VSC換流站之間設計了站間通信，主要用于起停控制的聯鎖和定電壓控制的切換；兩站之間傳輸的信號有：解鎖信號、閉鎖信號、控制模式、電流指令、電流限制值等。

3.1 起動控制策略

VSC首先在定直流電壓模式下解鎖，直流電壓穩定后LCC在定電流模式下后解鎖；LCC解鎖允許條件為VSC已解鎖，同時系統直流電壓已經穩定建立[19-22]。

VSC解鎖過程如圖2所示。

圖2 VSC解鎖時LCC、VSC波形

在圖2中系統直流電壓由VSC解鎖輸出，在VSC解鎖后420ms直流電壓穩定到額定值；在該工況下LCC具備解鎖條件，LCC解鎖邏輯設計為：收到解鎖命令后立即解除移相，點火角開始由90°逐漸減小，當LCC直流電壓大于VSC側直流電壓時，開始建立直流電流。

LCC換流站發出解鎖命令后解鎖過程如圖3所示。

圖3 LCC解鎖時LCC波形

3.2 VSC控制模式切換

LCC-VSC混合直流輸電系統解鎖后LCC控制直流電流，VSC控制直流電壓；根據運行方式的需要，在VSC側由手動下發控制模式切換指令，可將VSC切換為定功率控制模式，在此過程中VSC將以切換前的功率實測值做為新的功率參考值；LCC通過站間通信檢測到VSC控制模式發生變化，則自動接管直流電壓控制；反之，當VSC切換為定電壓控制時，LCC自動切換為定電流控制。

VSC切換為有功控制模式過程中直流電壓、直流電流、直流功率、LCC電流電壓控制器切換等如圖4所示。

圖4 VSC切換為有功控制LCC、VSC波形

VSC切換為直流電壓控制模式過程中直流電壓、直流電流、直流功率、LCC電流電壓控制器切換等如圖4所示。

圖5 VSC切換為直流電壓控制LCC、VSC波形

3.3 LCC-VSC混合運行方式閉鎖停運策略

在LCC-VSC兩端混合運行方式下，正常的閉鎖順序為LCC定電流控制模式下降直流功率，直流電流低于0.12p.u.后移相閉鎖，LCC移相過程為：以3.5°/ms的速率將點火角移到120°，檢測到直流電流為0時繼續將點火角移到160°后閉鎖。

VSC只有在檢測到LCC閉鎖后，允許進行相應的閉鎖操作。

LCC、VSC閉鎖操作如圖6、圖7所示。

圖6 LCC閉鎖時LCC、VSC波形

4 結論

通過RTDS建模并進行仿真試驗，對LCC-VSC兩端混合直流輸電系統的基本控制策略進行了仿真和驗證，并得出以下試驗結論：

圖7 VSC閉鎖時LCC、VSC波形

1）兩端混合運行方式下的起停策略經過仿真驗證是可行的，起動策略為VSC定電壓首先解鎖，LCC定電流后解鎖；閉鎖策略為LCC定電流降功率先閉鎖，VSC后閉鎖。

2）在兩端混合運行模式下，VSC控制模式（有功功率/直流電壓）進行手動切換，LCC能夠自動接管直流電壓控制，切換過程系統運行穩定。

基于RTDS仿真結果，所提出的基本控制策略是可行的，在混合系統的起停和電壓切換控制過程中直流系統運行穩定；LCC-VSC混合直流輸電系統結合了兩種換流器的優勢，構成一種具有廣泛應用前景的混合拓撲結構，鑒于LCC-VSC新型混合直流輸電系統還未有工程化應用，RTDS仿真與實際工程工況存在一定的差異，因此在實際工程中閉環控制器的參數需根據工程系統參數進一步優化，仿真研究的結果為以后的工程化應用提供了參考和借鑒價值。

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Research and Simulation for the Basic Control Strategy of LCC-VSC Two-terminal Hybrid HVDC System

Cao Litan1Jia Xuantao1Gao Shilong2Yu Hai2Xie Sihan1

(1. Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310018; 2. XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

In order to research the basic control strategy of LCC-VSC hybrid HVDC system, based on the simulation of real-time digital simulator (RTDS), a simulation model of two-terminal hybrid HVDC is established and interfced with a real control hardware system, the simulation model consists of one LCC terminal and one VSC terminal. The start control logic, stop control logic and switch-over of voltage controller’s terminal are studied and analyzed. The research results provide reference value for the real project application.

hybrid HVDC; LCC; VSC; start-up strategy; block strategy; online-switching; simulation

曹力潭（1985-），男，本科，研究方向為特高壓換流站設備運維 檢修。