特高壓混合直流輸電系統中串聯換流器的電壓分配策略

黃劍湘，韓建偉，楊濤，李少森，陳諾，孫豪

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明650217)

0 引言

隨著電力電子器件和控制技術的發展，常規直流(line commutated converter-high voltage direct current，LCC-HVDC)在異步聯網、大功率遠距離輸電、海底電纜輸電等諸多場景中有著十分廣泛的應用[1-3]。20世紀80年代末，我國在浙江舟山投運了首個直流輸電工程。雖然我國直流輸電起步較晚，但經過30多年的理論技術和實踐經驗積淀，已成為全球直流大國。伴隨著直流系統核心設備老化、輔助設備損壞、控制保護系統落后和接地裝置腐蝕嚴重等問題的不斷凸顯，最早一批投運的直流工程正面臨設備改造、技術革新、系統優化等問題，以保證這些直流系統的長期穩定運行[4]。

近年來，采用電壓源型換流器的柔性直流輸電(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)因具備有功無功功率解耦控制、無需消耗無功功率、無換相失敗問題等優勢而備受關注[5]。然而，柔性直流存在換流器造價昂貴、電壓等級低、輸電容量小等缺點。因此，有學者提出了混合直流輸電系統[6]，混合直流輸電系統結合常規換流器和柔性換流器的技術特點，通過取長補短形成了一種新型直流輸電拓撲結構。基于這種拓撲改造思路，將現有常規直流輸電工程的受端換流站升級改造為柔性直流換流站，能夠在節省造價、減少損耗的同時，解決換相失敗困擾和提升系統靈活性[7]。

目前，針對常規直流改造為混合直流輸電系統的研究，文獻[8]從混合直流輸電系統的主回路拓撲、換流器拓撲、控制保護技術等方面進行了歸納總結，并指出混合直流的技術難點和未來前景。文獻[9-11]針對直流系統的直流故障自清除問題，提出了受端柔性化改造的混合直流技術方案。文獻[12-14]分別基于直流電網、多端直流、新能源的應用場景，提出了多換流器混合連接的結構方式及控制策略。文獻[15]研究了串聯型混合直流輸電系統，根據常規換流器和柔性換流器主設備參數間的耦合關系，提出了柔性直流主設備參數的非線性規劃計算方法，并建立了受端LCC和VSC換流站各自承擔400 kV電壓(即LCC和VSC換流站的額定電壓配比為1:1)的電磁暫態模型。文獻[16]設計了受端由1個LCC與3個并聯MMC(模塊化多電平換流器)串聯形成的特高壓混合級聯系統，通過分析多個并聯MMC站間不平衡電流的產生機理，提出了一種基于電流不平衡量的功率補償均衡控制策略。文獻[17]提出將多個并聯VSC通過直流聯絡線串聯接入雙極LCC系統的混合直流輸電系統，系統中LCC與VSC的電壓比例為500 kV:300 kV， 但對于該電壓比例的選擇依據并未充分說明。基于上述分析，本文借鑒白鶴灘—江蘇特高壓直流工程的混合級聯多端思想[18]，構建受端串聯型特高壓混合直流輸電系統，突破傳統高、低端換流器1:1的電壓比例限制，通過優化VSC換流站容量，確保經濟性的同時維持系統安全穩定運行。因此，定量分析系統受端LCC和VSC換流器的電壓比例是本文的研究重點。

本文針對特高壓混合直流輸電系統中兩種換流器串聯時的電壓比例問題，提出了一種基于受端換流站無功配置的高低端換流器電壓分配策略。該策略采用VSC換流站和交流濾波器共同提供無功支撐的方案，通過建立VSC換流站額定容量和LCC額定功率的函數關系式，并結合交流濾波器配置容量和系統參數，推算出特高壓混合直流輸電系統中受端VSC換流器的最佳額定容量值，進而確定LCC和VSC換流器的電壓配置結果；接著，在PSCAD軟件中構建特高壓混合直流輸電系統和常規特高壓站直流輸電系統的電磁暫態模型。最后，通過穩態和暫態兩種場景仿真驗證了該系統及其電壓分配策略的有效性。

1 特高壓高壓直流輸電工程柔性化改造

1.1 受端串聯型混合直流輸電系統拓撲

目前國內投入運行的常規直流工程多采用雙極大地回線方式[19]，逆變側柔性化改造后的拓撲結構如圖1所示。其中，送端LCC采用雙12脈動換流器，受端MMC的正負極分別通過直流母線引出直流聯絡線，連接到逆變側LCC低壓出線端和原接地極，通過串聯形式即可實現受端換流器的柔性化改造。

圖1 受端串聯型混合直流輸電系統結構示意圖Fig.1 Structure scheme of receiving-end series hybrid HVDC system

1.2 運行原理與數學模型

根據電路原理，設直流線路的等效電阻為R，則正極直流電壓關系為：

Ur=ULCCi+UVSC+RId

(1)

式中：直流電流Id由送端LCC換流器的定電流方式決定；Ur為送端直流電壓；受端LCC和VSC換流器的直流電壓ULCCi和UVSC分別由各自的電壓控制器決定，考慮線路壓降后，送端電壓即由ULCCi和UVSC的大小決定。

在穩態運行中，如果受端的直流電壓指令保持不變，那么受端直流電壓Udi基本保持恒定，受端各換流器的有功功率保持穩定；如果受端的直流電壓指令發生變化，同時受端LCC的直流電壓保持不變，那么直流輸送功率的變化部分由VSC進行支撐或下調。

記Udi的變化量為ΔUdc，受端VSC接收的直流功率變化量ΔPVSC為：

ΔPVSC= ΔUdc·Id

(2)

送端LCC的直流功率變化量ΔPLCCi為：

ΔPLCCi=ΔPVSC= ΔUdc·Id

(3)

由此可知，該拓撲能夠保證系統快速響應直流電壓指令，充分發揮VSC換流器功率調節靈活、對電網沖擊小的優點，通過VSC換流站即可獲得功率/電壓調節支撐，避免LCC換流器觸發角頻繁調節而造成的功率/電壓沖擊，有利于維持受端系統的穩定。

2 基于受端換流站無功配置的高低端換流器電壓分配策略

2.1 受端換流站無功功率需求計算

直流系統LCC換流站的無功功率消耗量通常考慮系統的換相電抗和運行工況[20]，單個受端LCC換流站的有功功率、無功需求可根據式(4)—(7)計算。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：PLCCi和QLCCi分別為受端單個LCC換流站的有功功率和無功功率；C為換流變壓器參數；Ui為受端交流系統的母線電壓；μ為換相角；γ為受端換流器的熄弧角；Xc為每相換相電抗；Id為整個系統的直流電流；Udi為受端系統的直流電壓；Udio為理想空載電壓。

2.2 交流濾波器配置方案

常規直流系統的交流濾波器主要考慮以下6個因素：1)諧波限制水平；2)交流系統強弱；3)濾波器容量；4)外部環境條件；5)系統控制方式；6)直流輸電工程可靠性及設備可用率要求等。

一般而言，交流濾波器包括調諧濾波器和阻尼濾波器兩種。調諧濾波器包括單調諧、雙調諧和三調諧濾波器；阻尼濾波器包括單調諧、雙調諧和三調諧阻尼濾波器。目前工程多采用阻尼濾波器，圖2即為3種濾波器的電路圖。

圖2 典型交流濾波器電路圖Fig.2 Circuit diagram of typical AC filters

根據文獻[21]的優化分析結果，向家壩—上海直流工程的受端換流站采用交流濾波器的型式為11/13雙調諧高通型濾波器、3/24/36三調諧高通型濾波器和并聯電容器(SC)的組合濾波方案，受端需配置上述3種濾波器以滿足諧波抑制和無功補償的需求。

為充分挖掘VSC換流器的無功支撐能力，本文考慮交流濾波器和VSC共同提供無功的方案。對于受端單極系統，交流濾波器設置雙調諧、三調諧、SC的組數均為1組，即滿足基本的諧波抑制要求和補償部分LCC換流器的無功功率需求，而LCC換流器剩余的無功功率需求則由VSC換流器來滿足。本文所研究的混合直流系統參照向家壩—上海工程，故受端交流母線的額定電壓設為500 kV。

忽略電阻的影響，設濾波器所要抑止的諧波次數為Ni，母線基波電壓為Ufi，流過濾波器的基波電流為Ifi，濾波器電容為Cfi、電感為Lfi，則單調諧濾波器輸出的無功功率Qfi如式(8)所示[22]。

(8)

式中ω為角頻率。

由此可知，濾波器輸出的無功功率與所連交流系統母線電壓的平方成正比。以單極系統為例，每組容量為260 Mvar，設置的3組濾波器輸出無功功率Qf為：

Qf=260×3=780 Mvar

(9)

2.3 高低端換流器電壓分配策略

考慮到柔性化改造的投資成本，需要在受端串聯的LCC和VSC換流器之間尋找一個適合的電壓比例。確定電壓比例的關鍵要素是優化系統總費用，作為換流站的核心設備，VSC換流器價格明顯高于LCC換流器，需要將VSC額定容量作為柔性化改造工程成本控制的主要目標。因此，本文從VSC換流器額定容量入手，建立了VSC換流器容量關于LCC換流器額定功率的函數。根據高壓直流輸電送端系統的額定功率(Porder)、受端換流站總功率(Porderi)和逆變側LCC換流器的額定功率(PLCCi)，可得到VSC換流器的額定功率PVSC為：

(10)

VSC換流器所需產生的無功功率QVSC為：

QVSC=k·PLCCi-Qf

(11)

式中k為LCC變換器的無功功率需求與受端換流站總功率的比例，并且這部分無功功率需求應由交流濾波器和VSC共同滿足。

基于上述分析，VSC換流器的額定容量為：

(12)

根據文獻[23]，將式(10)—(11)代入式(12)，則：

(13)

為獲得最佳的高低換流器電壓配比，需要對價格相對昂貴的VSC換流器進行成本最小化處理，故可通過將VSC額定容量對LCC額定功率的導數設為零，進而計算出VSC的最佳容量，即有：

(14)

進一步可得LCC的最優額定功率PLCCi(opt)為：

(15)

因此，MMC的最優額定功率PVSC(opt)為：

(16)

根據該結果，能夠確定合適的LCC和VSC額定功率比例。雖然LCC吸收的無功功率均可由VSC提供，但為了吸收LCC所產生的諧波，仍需設置濾波器(Qf≠0)。在額定工況時，送端LCC換流站所需的無功功率約為直流功率的30%～50%，受端LCC換流器約為40%～60%。由式(11)算得k=56%，按照最大無功功率需求設定k=60%。根據上文算得的Qf值，并設單極系統的額定功率Porder=3 200 MW。考慮線路壓差，取直流線路的等效電阻R為10.0 Ω，可求得受端換流站總功率Porderi=3 040 MW，代入式(15)—(16)，可確定高低端換流器LCC和VSC的額定功率分別為2 579.4 MW和460.6 MW。由于送端換流器整體的直流電壓Uref為800 kV，額定直流電流為4 kA，可得高低端換流器電壓ULCCiref和UVSCref分別如式(17)—(18)所示。

(17)

(18)

3 受端串聯型系統的協調控制

送端LCC的控制目標是系統直流電流，采用定直流電流控制，并配置最小觸發角限制(5 °)和低壓限流控制(VDCOL)，控制邏輯如圖3所示。系統采集直流電壓Ud和直流電流Id，Ud經過低壓限流環節后直流電流的參考值Idref進行比較，其中較小的電流值將作為送端換流器的實際指令，該指令與Id產生的偏差值通過PI調節器后，再與π作差便可得到送端的觸發延遲角αr。

圖3 送端LCC定電流控制框圖Fig.3 Block diagram of constant current control of sending-end LCC

受端LCC的控制目標是直流電壓，采用定直流電壓控制和定γ角控制方式，具體控制邏輯如圖4所示。受端LCC實際電壓值ULCCi與電壓指令ULCCiref作差后得到偏差值，該偏差值與超前熄弧角γ二者取較大值，然后通過PI調節器產生逆變器的觸發超前角β。根據β與α的關系，即可得到的延遲觸發角αi。

圖4 受端LCC定電壓控制框圖Fig.4 Block diagram of constant voltage control of receiving-end LCC

逆變側VSC有兩個控制目標，采用定直流電壓和定無功功率控制，控制邏輯圖如圖5所示。采用內外環控制方式，外環控制器將VSC的實際值UVSC與直流電壓指令UVSCref作差后經過PI環節，通過計算得到內環控制器的d軸電流參考值，進而控制直流電壓；同理，內環控制器的q軸分量也由外環提供，但其用來控制無功變量。

圖5 受端VSC定電壓控制框圖Fig.5 Block diagram of constant voltage control of receiving-end VSC

基于上述分析，建立整個串聯型混合直流輸電系統的控制框圖如圖6所示。送端的LCC控制系統的直流電流，受端的LCC和MMC共同控制系統的直流電壓。其中，LCC和MMC的額定電壓ULCCiref和UVSCref由高低端換流器功率分配控制器給定。

圖6 整個系統的協調控制框圖Fig.6 Coordination control diagram of the total system

4 仿真與分析

基于±800 kV向家壩-上海特高壓直流輸電工程，本文考慮常規換流器和柔性換流器在電壓等級和傳輸容量上的不匹配，額定直流功率設置為6 400 MW，額定電壓為±800 kV，故額定電流為4 kA。由于雙極系統對稱運行，故以單極系統為對象建立電磁暫態模型，場景包括穩態運行和故障運行兩種情況。特高壓混合直流輸電系統主要參數的具體設置如表1所示。

表1 串聯型特高壓混合直流輸電系統的主要參數Tab.1 Main parameters of series hybrid UHVDC system

4.1 穩態響應特性

為便于PSCAD電磁暫態模型搭建，換流站所連交流系統均采用等值模型，通過恒壓源表示交流電網，等值阻抗反應交流系統的強弱程度。控制策略如前文所述，設置穩態仿真時間5 s。系統輸送功率、直流電壓、直流電流的仿真波形如圖7所示。

圖7 系統的穩態響應特性Fig.7 Steady-state response characteristics of the system

由圖7(a)—(b)可知，考慮線路壓差后，特高壓混合直流系統的送端和受端直流電壓分別為800 kV和760 kV，直流電流穩態時維持在4 kA，極1和極2對稱運行，均符合系統指令的運行要求。圖7(c)—(d)表明系統按照本文的高低端換流器電壓分配策略對LCC和VSC進行電壓分配，其直流電壓分別為644.85 kV和115.15 kV。根據圖7(e)，送端LCC換流器的觸發角約在1.32 s時達到穩定，維持在18.59 °；受端LCC換流器的關斷角約在1.55 s達到穩定，維持在15.42 °。由圖7(f) —(g)可知，受端換流站總功率為3 040 MW，VSC換流器提供的無功補償量為767.64 Mvar，配合780 Mvar的交流濾波器，能夠保證受端LCC換流器的無功需求。由此可知，特高壓混合直流系統的各個參數量均能達到設定值下的穩定狀態，仿真結果驗證了所提受端換流器電壓分配策略及協調控制的穩態特性。

4.2 暫態響應特性

為驗證該系統應對交流系統故障的恢復能力，分別設置受端交流系統發生單相接地故障和三相短路故障，并給出電磁暫態仿真結果。

4.2.1 受端交流系統發生單相接地故障

設置受端的交流系統于2 s時發生單相接地故障，交流母線電壓下降至432.8 kV，故障持續0.05 s，并對比常規特高壓直流輸電系統的運行特性，仿真波形如圖8所示。

圖8(a)—(b)為特高壓混合直流輸電系統的仿真模擬結果，而圖8(c)—(f)為特高壓混合直流輸電系統與常規特高壓直流系統的對比圖。當受端交流系統在2 s時發生單相接地故障時，交流電壓下降到438.8 kV，特高壓混合直流輸電系統的直流電壓也隨之下降。如圖8(c)—(d)所示，常規特高壓直流系統的直流電壓跌至0，直流電流出現短時的突增后開始下跌，約0.32 s后系統恢復穩定；相比于常規特高壓直流的直流電壓跌至0的情況，特高壓混合直流輸電系統的直流電壓僅跌至638.4 kV，直流電流恢復更快，因而其抗擾動能力更強。圖8(e)—(f)展示了特高壓混合直流輸電系統與常規特高壓直流系統的觸發角、關斷角曲線，前者觸發角的抬升幅度小于后者，后者的關斷角在單相接地故障期間跌至零，并且圖8(c)中直流電壓跌至0，因而判定常規特高壓直流發生換相失敗，而特高壓混合直流輸電系統并未出現晶閘管換相失敗的情況。因此，受端換流站在LCC與MMC串聯的情況下，系統的換相失敗抵御能力得到有效提升。

圖8 受端交流系統單相接地故障時的暫態特性Fig.8 Transient characteristics of receiving-end AC system with single phase to ground fault

4.2.2 受端交流系統發生三相短路故障

設置受端的交流系統于2 s時發生三相短路故障，交流母線電壓下降約20%，故障持續0.05 s，并對比常規特高壓直流輸電系統的運行特性，仿真波形如圖9所示。

圖9 受端交流系統三相短路故障時的暫態特性Fig.9 Transient characteristics of receiving-end AC system with three-phase short circuit fault

圖9分別給出了特高壓混合直流和常規特高壓直流模型在受端電網發生三相短路故障時的暫態響應特性。根據圖9(a)，受端交流母線電壓由原先的500 kV降至398 kV(約80%)，交流電壓約在3.25 s時恢復正常。由圖9(b)可知，受端LCC換流器最多跌至482.75 kV，而VSC換流器則因具備較好的電壓支撐能力，其兩端的直流電壓不減反增，最高達到127.1 kV，一定程度上減少了直流系統整體直流電壓的跌落幅度，對系統直流電壓起到了支撐作用。

如圖9(c)—(d)所示，故障發生時，兩個系統的直流電壓和直流電流均發生迅速跌落，特高壓混合直流系統的直流電壓下跌程度較小，約為609.85 kV，而常規特高壓直流則跌至零以下。兩個系統的直流電流均有短時的小幅度上升，但隨后便發生跌落。根據圖9(e)—(f)，兩個系統的觸發角在故障期間均有較大幅度的增加，常規特高壓直流的觸發角下降至0，說明其發生了換相失敗。常規特高壓直流系統在換相失敗期間，由于關斷角下降到0，受端LCC換流器由定電壓控制轉為定關斷角控制，以此來限制系統的直流電流。在送端定電流控制與受端定關斷角控制的配合作用下，直流電壓和直流電流逐漸上升，關斷角也隨之上升，系統結束換相失敗。由于特高壓混合直流系統低端VSC換流器的快速電壓支撐能力，高端LCC換流器的關斷角在故障期間僅下降至12.76 °，系統未發生換相失敗，一定程度上提升了LCC換相失敗抵御能力。因此，本文所建立的特高壓混合直流輸電系統具備換相失敗抑制能力，電壓分配策略通過優化VSC換流器的額定容量，在滿足受端LCC無功需求的同時，還保留了一定量的有功裕度，保證了直流系統的故障穿越能力。

5 結語

本文針對特高壓混合直流輸電系統中串聯換流器的額定電壓比例問題，提出了一種基于受端無功配置的高低端換流器電壓分配策略，主要結論如下。

對常規特高壓直流系統進行低端換流器柔性化改造，使其形成受端LCC和VSC串聯型式的特高壓混合直流拓撲，相比于受端全部柔性化改造方案，節約工程造價的同時也能解決常規直流換相失敗困擾。

基于受端無功配置的高低端換流器電壓分配策略綜合考慮了VSC換流站和交流濾波器共同提供系統無功支撐的方案，通過建立VSC額定容量與LCC額定功率的函數關系式，優化獲得LCC和VSC換流器的電壓分配結果。當受端交流系統發生故障時，VSC換流器能夠在LCC換流器無功需求減少的同時降低其無功輸出，騰出一定的有功輸出空間。同時，VSC能夠靈活提升自身的直流電壓水平以緩解系統直流電壓的整體下跌幅度，從而保證系統直流電壓的穩定。