特高壓混合直流輸電系統整流側交流故障控制策略

魯 江，董云龍，盧 宇，張慶武，田 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

特高壓直流輸電（UHVDC）具有傳輸容量大、距離遠、損耗低等優點，是實現能源優化配置的有效途徑［1-4］。國內已投運的特高壓直流輸電工程普遍采用基于電網換相換流器（Line Commutated Converter，LCC）串聯的方式，由于LCC固有的依賴交流電網換相的特性，多條直流饋入受端交流電網會帶來多直流饋入問題，對交流電網的安全穩定運行構成較嚴重威脅［5-8］。

研究表明，通過在高壓直流輸電系統逆變站引入模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC），形成整流站LCC、逆變站MMC的混合直流輸電系統（hybrid HVDC），可以逐步解決受端交流電網的多直流饋入問題［9-11］。

對于混合直流輸電系統的技術方案，相關研究文獻先后提出可在MMC 站采用基于半橋子模塊（Half Bridge Sub-module，HBSM）的半橋MMC 加阻斷二極管、基于全橋子模塊（Full Bridge Sub-module，FBSM）的全橋MMC，以及基于全橋、半橋子模塊的混合型MMC 等方案，其中混合型MMC 方案具備直流線路故障穿越、直流功率雙向輸送及大幅降壓運行等能力，并可降低投資、減小損耗，具有良好的工程應用前景［12-20］。

對于LCC-MMC 混合直流輸電系統，整流站LCC發生交流系統故障時會引起直流傳輸功率的快速下降，需研究必要的控制策略減少交流故障對功率傳輸的影響。文獻［21］通過增大逆變站半橋MMC 調制比降低直流電壓，來減小整流側交流故障對直流傳輸功率的影響。文獻［22］、文獻［23］中逆變站采用全橋、半橋子模塊混合型MMC，利用全橋子模塊可輸出負電平的特點，通過直流電壓降壓來維持整流側交流故障時直流電流的穩定。

隨著柔性直流輸電技術的發展，單個MMC換流器的電壓及容量已逐步接近LCC 的水平，通過換流器串聯技術，整流站采用LCC 換流器串聯、逆變站采用MMC 換流器串聯的特高壓混合直流輸電系統已進入工程實施階段［24-26］。對于特高壓混合直流輸電系統，由于逆變站引入了串聯的MMC換流器，其運行控制特性與常規單換流器混合直流輸電系統相比有較大差異，目前針對特高壓混合直流輸電系統交流故障的控制策略研究偏少。

本文首先結合特高壓混合直流系統結構，闡述了其基本控制模式及整流站LCC交流故障引起的功率快速下降問題；然后，在分析混合型MMC 換流器串聯控制特性的基礎上，提出了基于直流調制度的交流故障控制策略，該策略通過在整流側交流故障期間同步調整逆變站混合型MMC 高、低壓換流器直流調制度，維持直流電流的穩定，減小直流傳輸功率下降幅度。最后，基于實際的特高壓混合直流控制保護設備及RTDS實時數字仿真平臺驗證了所提控制策略的有效性。

1 特高壓混合直流系統結構及控制模式

1.1 系統結構

本文以圖1 所示±800 kV 雙極特高壓混合直流輸電系統為研究對象，整流站每極由2 個十二脈動LCC換流器串聯而成，逆變站每極由2個混合型MMC換流器串聯而成，高、低壓換流器通過獨立的換流變壓器連接至站內同一交流母線。

逆變站混合型MMC拓撲結構如圖2所示，每個換流器由6 個橋臂構成，每個橋臂由若干個FBSMs、HBSMs 和一個橋臂電抗器串聯而成，各橋臂中2 種子模塊配置比例保持一致，其中HBSMs可輸出正、零2種電平，FBSMs可輸出正、負、零3種電平。

圖1 ±800 kV雙極特高壓混合直流輸電系統拓撲Fig.1 Topology structure of an±800 kV bipolar hybrid UHVDC transmission system

圖2 混合型MMC換流器拓撲結構Fig.2 Topology structure of the hybrid MMC

1.2 基本控制模式

結合相關研究成果［21，27］，本文研究的特高壓混合直流輸電系統采用的基本控制模式為：整流站LCC 控制直流電流、逆變站MMC 控制直流電壓，該控制模式可以充分發揮LCC快速調節直流電流、MMC快速穩定直流電壓的優勢。

與基本控制模式對應，整流站LCC和逆變站MMC的高、低壓換流器分別配置如圖3 和圖4 所示的控制器。

圖3 整流站LCC換流器控制器結構Fig.3 Structure of rectifier converter controller

整流站LCC 各換流器配置定直流電流控制、直流電壓裕度控制及最小觸發角限制；逆變站MMC各換流器配置內外環控制，外環為直流電壓環及無功功率環，內環為直接電流解耦控制。

1.3 整流側交流故障控制模式

對于整流站LCC，其出口的本極直流電壓Udc1可表示為：

式（1）中，N 為本極六脈動換流器個數，雙十二脈動換流器運行時取4；Ul為換流變閥側空載線電壓有效值；α為LCC觸發角；Rc為等效換相電阻；Idc為直流電流。

對于逆變站MMC，在高、低壓換流器均壓良好的情況下，其出口的本極直流電壓Udc2可表示為：

式

（2）中，UdV為混合型MMC換流器直流電壓。直流電流可表示為：

式（3）中，Rdc為直流回路電阻。

由式（1）～式（3）可見，由于整流站LCC 存在最小觸發角限制（一般設定為5°），當整流側發生交流故障，Ul下降引起LCC 進入最小觸發角狀態后，LCC 將失去直流電流控制能力，Udc1將隨著Ul的降低而下降，如果逆變站Udc2維持不變，直流電流將隨著Udc1的下降而減小，在嚴重交流故障下，直流電流可降至0。在此故障狀態下，特高壓混合直流系統的直流電壓由整流站LCC決定，逆變站MMC需接管直流電流控制以維持直流功率傳輸。

2 基于直流調制度的交流故障控制策略

2.1 混合型MMC換流器串聯控制特性分析

對圖1所示特高壓混合直流輸電系統，維持高、低壓換流器直流電壓的均衡才能保持直流系統穩定運行。整流站LCC 換流器的控制量為觸發角，采用觸發角跟隨策略可實現高、低壓換流器的串聯均壓［28］；但逆變站MMC 的控制量為各橋臂參考電壓，其無法在高、低壓換流器間進行跟隨，需要結合混合型MMC 的控制特性研究相應的串聯均壓控制策略。

對于混合型MMC，以A 相為例進行分析，不考慮環流影響并忽略電流在橋臂電感上的壓降時，A 相的上、下橋臂電壓upa、una可表示為［29］：

式（4）中，uao為A相交流電壓。

根據混合型MMC的子模塊連接特征，假設各工作子模塊電容電壓相同，A相的上、下橋臂電壓也可以表示為：

式（5）中，Npa、Nna分別為A 相上、下橋臂投入的子模塊個數；Uc為子模塊電容電壓平均值。

由式（4）、式（5）可得：

可見，在子模塊電容電壓維持穩定的情況下，混合型MMC換流器直流電壓由各相上、下橋臂投入子模塊的等效總電平數確定。

對于混合型MMC，全橋子模塊的負電平輸出能力使其具有過調制能力，可以直流降壓運行，定義直流調制度為：

式（7）中，UdVN為混合型MMC換流器額定直流電壓。

當mdV=1時，MMC按額定直流電壓運行；當0＜mdV＜1時，MMC降直流電壓運行。

引入直流調制度后，A 相的上、下橋臂電壓可表示為：

在設定直流調制度mdV為控制目標后，直流電壓目標值即為mdVUdVN，A相上、下橋臂需投入的子模塊個數可按式（9）計算得出：

式（9）中，UCN為子模塊電容電壓額定值。

由式（6）、式（9）可得：

將圖4 中直流電壓外環參考值UdV-ref調整為mdVUdVN，由于直流電壓外環的閉環控制特性，混合型MMC 通過實時調整有功輸出可以使換流器直流電壓跟蹤于參考值，由式（10）可見，通過這種方式可以保持子模塊電容電壓平均值穩定在額定值水平。

圖5 混合型MMC高、低壓換流器有功傳遞示意圖Fig.5 Diagram of hybrid MMC high and low voltage converter active power transfer

圖5為逆變站MMC高、低壓換流器有功傳遞示意圖，PdV為直流系統注入逆變站MMC 換流器的直流側有功，Ps為MMC 換流器注入交流系統的交流側有功，忽略損耗，為保持換流器直流電壓穩定，高、低壓換流器均需滿足如下表達式：

對采用定直流電壓控制的逆變站MMC換流器，可以有如下兩個表達式［30］：

式（13）中，usd為MMC換流器交流網側電壓d軸分量；isd為換流器交流網側電流d軸分量；G（s）為換流器內環傳遞函數；kp1、ki1分別為換流器直流電壓外環的比例和積分參數。

將式（12）、式（13）代入式（11）得：

由于逆變站MMC高、低壓換流器通過獨立的換流變壓器連接于同一交流母線，高、低壓換流器的交流網側usd相同，同時串聯連接的高、低壓換流器流過相同的直流電流Idc，由式（14）可見，為逆變站MMC高、低壓換流器獨立配置參數一致的直流電壓外環和電流內環控制器并保持直流調制度mdV的同步變化，可實現高、低壓換流器的串聯均壓。

2.2 適應整流側交流故障的換流器控制器設計

為滿足圖1所示特高壓混合直流輸電系統在正常運行及整流側交流故障下的不同控制需求，為逆變站MMC 換流器設計了圖6所示的改進后控制器，除內外環控制器和橋臂電壓控制單元，還包含直流調制度分配單元、直流電流裕度控制器及直流調制度同步單元；整流站LCC換流器仍采用圖3所示控制器。

圖6中的直流調制度分配單元依據逆變站出口的本極直流電壓參考值Udc2-ref和實際運行換流器數量NV計算得到本換流器直流調制度為Udc2-ref/NVUdVN，在正常運行下，將該計算結果做為本換流器的直流調制度控制目標。

為實現整流站LCC 交流故障下逆變站MMC 對直流電流控制的接管，MMC 高、低壓換流器均獨立配置圖6 中所示的直流電流裕度控制器，該控制器將來自整流站的直流電流指令值Idc-ord減去電流裕度ΔI（一般可取為0.1p.u.）后與直流電流實際值Idc進行閉環計算，得到逆變站控制直流電流所需的直流調制度；同時，為保證電流裕度范圍內電流控制的穩定性，配置了直流電流偏差環節K*（Idc-ord-Idc），其根據直流電流偏差量產生正斜率的直流調制度下降量Δm，并將直流電流裕度控制器的輸出上限限定為Udc2-ref/NVUdVN-Δm。

采用上述設計后，正常運行及整流側交流故障下逆變站MMC換流器的直流調制度可以平滑轉換，具體如表1所示。

表1中，kp2、ki2分別為直流電流裕度控制器的比例和積分參數。

通過上述方法得出的本換流器直流調制度被送入直流電壓外環及橋臂電壓控制單元，橋臂電壓控制單元采用內環控制輸出的交流參考電壓Ujo-ref及直流調制度mdV計算產生各橋臂參考電壓，完成對本換流器的控制。

圖6 改進后逆變站MMC換流器控制器結構Fig.6 Structure of improved inverter converter controller

表1 混合型MMC高、低壓換流器直流調制度值Table 1 Values of hybrid MMC high and low voltage converter DC modulation degree

考慮到逆變站高、低壓換流器電流采樣及控制運算會存在細微差異，為保證不同運行狀態下逆變站均能維持高、低壓換流器直流電壓的均衡，配置了直流調制度同步單元，其選定一個換流器作為主控換流器，另一非主控換流器的直流調制度自動跟隨主控換流器。

另外，為保證正常運行及交流故障下混合型MMC換流器全橋、半橋子模塊電容電壓的均衡，需采取必要的均壓控制策略。經研究，采用如圖7 所示的基于全橋、半橋子模塊電容電壓統一排序均壓控制策略可以取得良好的均壓效果。

為簡化子模塊投切策略，規定橋臂內不允許同時存在正投入模塊和負投入模塊。當橋臂輸出電平數為正值時，全橋及半橋子模塊均可參與正投入，具體投入的子模塊依據統一排序結果確定；當橋臂輸出電平數為負值時，只有全橋子模塊參與負投入。

4 仿真驗證

為驗證本文所提出的特高壓混合直流輸電系統整流側交流故障控制策略的有效性，在基于實際控制保護設備及RTDS仿真器的實時仿真平臺上開展整流側交流故障試驗來進行驗證，一次系統結構如圖1所示，直流系統額定直流電壓為±800 kV、每極額定直流功率為2 500 MW，整流站LCC 和逆變站MMC 的一次參數如表2所示。

圖7 子模塊電容電壓均壓策略Fig.7 Voltage balancing strategy for the sub-module capacitors

在極1雙換流器全壓額定運行工況下進行整流側交流故障的響應特性測試：

1）模擬整流側交流系統三相接地故障，故障持續時間500 ms，三相電壓幅值跌落10%，仿真結果如圖8所示。

在基本控制模式下，整流站直流電流大幅下降；而基于直流調制度的交流故障控制策略則在檢測到直流電流下降量達到電流裕度后，通過同步調整逆變站高、低壓換流器直流調制度接管直流電流控制，隨著逆變站直流電壓的降低，故障期間直流系統仍維持較高的功率傳輸水平，在整流側交流故障消除后，逆變站直流調制度平滑恢復，特高壓混合直流系統快速恢復至故障前狀態。

表2 特高壓混合直流輸電系統一次參數Table 2 Hybrid UHVDC system primary parameters

圖8 整流側交流系統三相接地故障響應特性Fig.8 Response characteristics of rectifier AC three-phase ground fault

2）模擬整流側交流系統A相接地故障，故障持續時間500 ms，A 相電壓幅值跌落50%，仿真結果如圖9所示。

圖9 整流側交流系統單相接地故障響應特性Fig.9 Response characteristics of rectifier AC single-phase ground fault

在基本控制模式下，整流站直流電流快速下降至0；而在基于直流調制度的交流故障控制策略下，逆變站通過同步調整高、低壓換流器直流調制度，提高了故障期間傳輸的直流功率，由于故障期間整流側交流三相電壓不對稱，LCC向直流側引入了100 Hz波動，在故障消除后功率快速恢復至故障前水平。

表3中對交流故障消除前的直流運行工況進行了對比，可以看到，基于直流調制度的交流故障控制策略可以有效提升整流側交流故障期間傳輸的直流功率，降低故障對交流系統的影響。由仿真結果也可以看到，采用上述控制策略后，在正常運行及整流側交流故障期間，逆變站高、低壓混合型MMC 換流器的直流電壓始終能保持同步變化、串聯均壓特性良好，同時全橋及半橋子模塊電容電壓也均壓良好且被控制于安全水平。

表3 整流側交流故障工況對比Table 3 Comparison of rectifier AC ground fault

3 結語

本文提出了一種基于直流調制度的交流故障控制策略，用于解決特高壓混合直流輸電系統整流站LCC發生交流故障后直流功率快速下降問題。基于實際控制保護設備的RTDS 實時數字仿真試驗結果表明，相比基本控制策略，基于直流調制度的交流故障控制策略有如下效果：

1）在整流站LCC交流故障期間，可實現逆變站混合型MMC 對直流電流控制權的快速、平滑接管，直流傳輸功率得到明顯提升，減小了故障對交流系統的影響，并能加快故障后的恢復速度。

2）通過直流調制度同步調整，正常運行及整流站LCC 交流故障期間，逆變站高、低壓混合型MMC 換流器可實現良好均壓，保證了特高壓混合直流系統的穩定運行。

上述策略對于特高壓混合直流輸電實際工程具有一定的應用參考價值。