基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置饋線潮流控制仿真

班國邦 牛 唯 楊文勇 李建文 李 戎

基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置饋線潮流控制仿真

班國邦1,2牛 唯1,2楊文勇1,2李建文3李 戎3

（1. 貴州電網有限公司電力科學研究院，貴陽 550002； 2. 南方電網公司防冰減災重點實驗室，貴陽 550002； 3. 華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，河北 保定 071003）

本文對基于模塊化多電平換流器（MMC）的直流融冰裝置進行功能拓展，利用其整流側對稱的拓撲將其延展為雙端柔性互聯裝置，接入配電網對饋線潮流進行控制，靈活改變交流系統電壓、電流使其滿足上層功率指令變化，并在其中一側交流系統發生短時電壓波動時由對側方向交流系統提供一定的無功支撐，在提高配電網供電可靠性的同時也提高了設備的利用率。首先對基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置拓撲及直流側整流系統的控制方式進行設計并加以說明，進而在仿真平臺搭建實際雙端柔性互聯裝置模型，通過改變功率參考值及暫時電壓波動得到過渡過程的電壓、電流波形，驗證直流融冰裝置在融冰期外作為柔性互聯裝置實現饋線潮流控制的有效性。

潮流控制；直流融冰；柔性互聯裝置；模塊化多電平換流器（MMC）

0 引言

冬季輸電線路覆冰嚴重危害到了供電可靠性，處理不及時會造成大面積停電事故，給國民經濟造成巨大損失[1]。常見的除冰方法有機械除冰和電流除冰兩種，后者通過電流產生的熱效應除冰，憑借反應速度更快且相對更安全的優勢得到了廣泛應用，其中直流融冰相較交流融冰因無需提供更多的無功電源而受到更多的青睞[2]。

直流融冰裝置通過整流電路并入三相交流系統，工作時通過短接兩相導線實現導線發熱融冰。傳統的整流電路多為基于全控型器件的橋式整流電路，其輸出電流諧波含量較高，功率因數較低，大多需額外添加功率補償裝置以改善波形。模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）裝置的提出顯著改善了波形質量，這種拓撲通過串聯子模塊提升換流器電壓等級和容量，降低整流電路對濾波裝置的需求[3-4]。較傳統的橋式整流電路，MMC多采用雙閉環控制實現對功率的連續調節，其拓撲易于延展構成多端網絡實現柔性直流輸電，使其不僅能在冬季融冰時使用，在其余時間還可作為柔性互聯裝置（flexible interconnection device, FID）實現對多個交流系統的潮流控制[5]，提供緊急無功支撐，解決電壓閃變、驟降問題，均衡潮流分布以保證配電網的供電可靠性[6-10]，提高裝置的利用率[11]。

1 MMC直流融冰裝置拓撲

MMC直流融冰裝置拓撲如圖1所示，每相分為上、下兩個橋臂，每個橋臂由個級聯的子模塊及濾波電感組成，±·dc為直流母線電壓（kV），三相結構完全對稱，整流電路通過繼電保護裝置并入交流配電網。直流母線電壓兩側的整流電路完全相同，構成雙端FID。

圖1 MMC直流融冰裝置拓撲

2 基于直流融冰FID的基本控制策略

基于MMC拓撲的直流融冰裝置采用直接電流控制的矢量控制方法，具有快速的電流響應特性和良好的限流能力。矢量控制由外環控制策略和內環控制策略組成。外環控制主要包括有功功率類控制和無功功率類控制[12]，內環控制采用電流控制[13-17]。基于MMC拓撲的直流融冰裝置矢量控制結構如圖2所示。

圖2 基于MMC拓撲的直流融冰裝置矢量控制結構

2.1 功率傳輸原理

柔性直流換流器功率傳輸原理如圖3所示。將換流器看作一個相位和幅值可調的交流電壓源。其中電抗為橋臂等效電抗。

圖3 柔性直流換流器功率傳輸原理

由式（2）和式（3）可知，有功功率大小取決于電角度，為正表示換流器發出有功，為負表示換流器吸收有功；而無功功率大小取決于abccos，sabc-abccos為正表示換流器吸收感性無功，為負表示換流器發出無功。通過控制與abc便能實現對有功和無功的獨立控制。

2.2 有功外環控制

有功類外環控制包括有功功率控制和直流電壓控制[18]，前者通過上層傳輸指令實現一定范圍內有功功率調節，后者控制直流母線正負極間電壓，二者皆輸出電流參考值d軸分量作為電流控制的輸入。有功功率控制和直流電壓控制框圖如圖4所示。

圖4 有功外環控制框圖

圖4（a）中，ref為功率期望值，為經過一階低通濾波器后的直流極有功功率值，二者的差值通過PI控制環節后限幅生成d軸電流參考值dref。圖4（b）中，dc_ref為總直流電壓期望值，dButter為正負極直流電壓相減之后經二階巴特沃斯低通濾波器的電壓值，二者的差值通過PI控制環節后限幅生成d軸電流參考值dref。

2.3 無功外環控制

無功類外環控制包括定無功功率控制和定交流電壓控制[18]，前者以網側無功為控制目標，后者以網側電壓為控制目標，二者皆輸出電流參考值q軸分量作為電流控制的輸入。無功功率控制框圖和交流電壓下垂控制示意圖如圖5所示。

圖5（a）中，ref為功率期望值，為經過一階低通濾波器后的網側無功功率值，二者的差值通過PI控制環節后限幅生成q軸電流參考值qref。圖5（b）以網側電壓為目標為系統提供無功支撐，輸出q軸電流參考值qref，其中q∈[0, 1]為電壓幅值下垂系數，0為電壓下垂曲線電壓幅值初值，0為與其對應的無功功率參考值。

2.4 電流內環控制

電流內環控制的輸入是功率外環控制的輸出，電流內環控制的輸出是功率開關管的調制電壓。電流內環控制是實現輸出電流無差跟蹤目標電流的環節，其邏輯控制框圖如圖6所示。

圖6 電流內環邏輯控制框圖

3 仿真驗證

為驗證第2節基于直流融冰FID的控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建雙端口FID系統模型，令其在穩態時交流系統三相電壓平衡，系統仿真參數及控制側參數分別見表1與表2。

表1 系統仿真參數

表2 系統控制側參數

（續表2）

3.1 有功功率支撐

設定MMC1外環為dc控制，MMC2外環為控制。MMC2的有功功率和無功功率的參考值分別為0.5p.u.和0.1p.u.，設置仿真時長為2.5s，在=1.5s時令有功參考值變為0.8p.u.，圖7～圖9給出了此時交流與直流系統側電壓、電流波形，交流側三相電壓、電流對稱，以a相為例進行分析。

圖7 功率指令變化后MMC1側交流系統

a相電壓、電流波形

圖8 功率指令變化后MMC2側交流系統

a相電壓、電流波形

圖9 功率指令變化后直流母線電壓、電流波形

由圖7可知，MMC1側交流系統電壓在=1.5s時未發生變化，MMC1側電流在=1.5s時出現波動，幅值逐漸變大，在=1.7s時達到穩定；由圖8可知，MMC2側交流系統電壓在=1.5s時未發生變化，MMC2側電流在=1.5s時出現波動，幅值逐漸變大，在=1.7s時達到穩定；由圖9可知，直流母線電壓在=1.5s出現波動后迅速回歸穩態電壓值，直流母線電流在=1.5s時出現波動，幅值逐漸變大，在=1.9s時達到穩定。說明基于直流融冰的雙端FID采取合理的控制策略（一端為dc控制，另一端為控制），在有功功率指令發生變化時，控制側能快速將功率變化信號轉化為電流dq軸信號，進而通過改變電流幅值跟蹤功率，實現對有功功率的支撐。

3.2 無功功率支撐

設定MMC1外環為dc控制，MMC2外環為ref控制。設置仿真時長為8s，在=2.5s時令MMC2側交流系統電壓出現暫降，大小降為額定值的90%，持續時長3s，圖10～圖13給出了此時交流與直流系統側電壓、電流波形。

圖10 發生電壓暫降后MMC1側交流系統

a相電壓、電流波形

圖11 發生電壓暫降后MMC2側交流系統

a相電壓波形

圖12 發生電壓暫降后MMC2側交流系統

a相電流波形

圖13 發生電壓暫降后直流母線電壓、電流波形

由圖10可知，MMC1側交流系統電壓在=2.5s時未發生變化，MMC1側電流在=2.5s時出現波動，幅值先變小再變大，在=2.85s時達到穩定；由圖11可知，MMC2側交流系統電壓在=2.5s時出現暫降，在=4s時幅值已恢復至暫降前的穩態值；由圖12可知，MMC2側交流系統電流在=2.5s時出現暫降，在=4s時幅值已恢復至暫降前的穩態值；由圖13可知，直流母線電壓在=2.5s出現微小波動，電流在=2.5s增大，二者在=3s時回歸穩態。說明基于直流融冰的雙端FID采取合理的控制策略（一端為dc控制，另一端為ref控制），在交流系統電壓出現波動時，控制側能快速將電壓變化信號轉化為電流dq軸信號，通過直流母線電壓波動改變兩個子系統間的潮流輸送，令無電壓波動的一方增大其電流為電壓暫降系統提供無功支撐。

4 結論

在仿真平臺搭建了基于直流融冰的雙端FID模型，通過改變有功功率信號、短時交流系統電壓波動，觀察交流與直流側電壓、電流波形，得到如下結論：

1）雙端FID控制策略選取一端為dc控制，另一端為控制，在上層功率指令發生變化時，控制側能快速將功率變化信號轉化為電流dq軸信號，進而通過改變電流幅值跟蹤功率，實現對有功功率的支撐。

2）雙端FID控制策略選取一端為dc控制，另一端為ref控制，在交流系統電壓出現波動時，控制側能快速將電壓變化信號轉化為電流dq軸信號，通過直流母線電壓波動改變兩個子系統間的潮流輸送，令無電壓波動的一方增大其電流為電壓暫降系統提供無功支撐。

本文對基于直流融冰的FID采取合理的控制策略，將其與兩個（或多個）配電網相連即可實現功率潮流控制，解決因大量的電力電子裝置接入及用戶負荷的多樣化帶來的電壓波動、饋線負荷不均衡等問題，在不改變現有配電網架構的同時提高了供電可靠性，也提高了裝置的利用率。

下一步研究與工程化工作：針對配電網系統發生故障時，基于直流融冰FID的抵御能力與功能特性展開研究，并盡快開展后續試驗和現場工程應用，測試設備各種性能參數和配網潮流控制情況。

[1] 許可, 鮮杏, 程杰, 等. 考慮分布式電源接入的中壓配網接線方式研究[J]. 電氣技術, 2015, 16(11): 16-28.

[2] 敬華兵. 兼具多功能的直流融冰技術及應用研究[D].長沙: 中南大學, 2013: 1-2.

[3] 楊曉峰. 模塊組合多電平換流器(MMC)研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2011: 15-17.

[4] 周樂園. 應用于10kV配電網中的雙輸出MMC拓撲的研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2019: 6-13.

[5] 楊曉峰, 鄭瓊林, 薛堯, 等. 模塊化多電平換流器的拓撲和工業應用綜述[J]. 電網技術, 2016, 40(1): 1-10.

[6] 王成山, 宋關羽, 李鵬, 等. 基于智能軟開關的智能配電網柔性互聯技術及展望[J]. 電力系統自動化, 2016, 40(22): 168-175.

[7] 汪寶, 匡洪海, 鄭麗平, 等. 分布式發電與配電網的協調發展與技術展望[J]. 電氣技術, 2017, 18(3): 5-9.

[8] 王成山, 李鵬, 于浩. 智能配電網的新形態及其靈活性特征分析與應用[J]. 電力系統自動化, 2018, 42(10): 13-21.

[9] 周劍橋, 張建文, 施剛, 等. 應用于配電網柔性互聯的變換器拓撲[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(1): 277-288.

[10] 祁琪, 姜齊榮, 許彥平. 智能配電網柔性互聯研究現狀及發展趨勢[J]. 電網技術, 2020, 44(12): 4665- 4672.

[11] 班國邦, 談竹奎, 郝正航, 等. 多能互補柔性互聯配電網在線融冰方法[J]. 南方電網技術, 2019, 13(9): 43-48.

[12] 劉鐘淇, 宋強, 劉文華. 新型模塊化多電平變流器的控制策略研究[J]. 電力電子技術, 2009, 43(10): 5-7, 18.

[13] 沈陽武, 彭曉濤, 孫元章. 背靠背雙PWM變流器的協調控制策略[J]. 電網技術, 2012, 36(1): 146-152.

[14] 李智誠, 吳建中, 和敬涵, 等. 軟常開點的雙閉環控制及其在配電網中的應用[J]. 智能電網, 2013, 1(1): 49-55.

[15] 葉天華. 用于饋線互聯的模塊化多電平交-交變換器拓撲選型與控制策略研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2018: 17-20.

[16] 王天昊, 李鵬, 于浩, 等. 變結構條件下智能配電軟開關暫態快速仿真方法[J]. 電網技術, 2018, 42(7): 2279-2285.

[17] 侯立凱. 基于MMC的柔性多狀態開關控制策略研究[D]. 合肥: 合肥工業大學, 2020: 18-20.

[18] 賀悝, 李勇, 曹一家, 等. 考慮分布式儲能參與的直流配電網電壓柔性控制策略[J]. 電工技術學報, 2017, 32(10): 101-110.

Feeder power flow control simulation of direct current ice melting device based on modular multilevel converter

BAN Guobang1,2NIU Wei1,2YANG Wenyong1,2LI Jianwen3LI Rong3

(1. Electric Power Research Insitute of Guizhou Power Grid Co., Ltd, Guiyang 550002; 2. Key Laboratory of Anti-icing and Disaster Reduction of China Southern Power Grid Corporation, Guiyang 550002; 3. State Key Lab of New Energy and Power Systems of North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003)

This paper expands the function of the DC ice melting device based on modular multilevel converter (MMC), uses the symmetrical topology of rectifier side to extend it into a double-ended flexible interconnection device, which is connected to the distribution network to control feeder power flow. The voltage and current of AC system is changed to meet upper-level power command changes. A certain amount of reactive power is provided from the opposite AC system when a short-term voltage fluctuation occurs in one of the AC systems. Thus the reliability of the distribution network’s power supply is improved while the utilization rate of the device is increased. First, topology of the DC ice melting device based on modular multilevel converter and control method of the rectifier side are designed and explained, then a double-ended flexible interconnection device model is built on simulation platform, and the voltage and current waveforms of transition process is obtained by changing power reference value and temporary voltage fluctuations. The results verifiy effectiveness of the DC ice melting as a flexible interconnection device to achieve feeder power flow control outside the ice melting period.

power flow control; direct current ice melting; flexible interconnection device; modular multilevel converter (MMC)

2021-04-09

2021-04-29

班國邦（1983—），男，貴州省畢節市人，碩士，高級工程師，主要從事高電壓技術及柔性直流配電技術研究、測試等工作。

貴州電網公司科技項目（GZKJXM20182104）