受端混聯LCC-VSC特高壓直流輸電系統故障穿越方法

王冰倩，趙文強，侍喬明，田杰，常昊添

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著直流輸電技術的快速發展，基于電網換相換流器的高壓直流輸電(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)技術日趨成熟，常規高壓直流輸電系統具有遠距離、大容量、低成本等優點[1—4]。但逆變側交流電壓受到擾動時，電網換相換流器容易發生換相失敗，給交直流系統穩定運行帶來嚴重影響[5—6]。基于電壓源換流器的高壓直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)技術具有無換相失敗、無需無功補償等優點[7]。基于LCC-VSC的混合直流輸電技術結合常規直流輸電和柔性直流輸電的優點，可提供更靈活的輸電方式，但其復雜的拓撲結構和靈活的運行方式，給直流系統的控制策略、交直流故障穿越策略等帶來了新的挑戰。混合直流輸電系統的拓撲結構、運行特性及控制策略等成為了國內外學者的研究熱點[8—10]。

文中以整流站采用LCC，逆變站采用LCC和多個VSC級聯的受端混聯型LCC-VSC直流輸電系統為研究對象，該混聯型結構具有可以改善逆變側交流電壓穩定性、降低換相失敗發生概率等優點。該拓撲可利用LCC的單向導電特性阻斷直流線路故障時VSC的反向饋入電流，同時結合VSC功率指令控制可實現直流故障快速穿越和恢復[11]，但VSC所連交流系統發生嚴重故障時，輸電系統可能無法實現故障穿越。

針對柔性直流輸電系統的交直流故障穿越問題已有較多研究，例如在風電場直流側安裝耗能裝置[12—14]，從整流側、逆變側分別調整控制策略[15—21]。文獻[15]通過在風電場模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)直流側安裝耗散電阻和斬波電阻來耗散過剩功率，實現交直流故障穿越，但該方案對特高壓工程而言成本過高。文獻[17]提出在受端VSC發生交流故障時，VSC投入交流低壓限流環節、正負序電流控制環節等控制策略來實現故障穿越，但該方法需站間通信，控制策略較為復雜。目前，針對受端混聯型LCC-VSC直流輸電系統的交流故障穿越策略研究較少，已有的混合直流系統交流故障穿越方法并不完全適用。

文中介紹了受端混聯型LCC-VSC直流輸電系統的拓撲結構和控制策略，分析了VSC換流器交流故障導致子模塊電容過壓機制，為實現受端VSC交流故障穿越，提出在受端VSC直流側安裝耗能設備以抑制VSC子模塊過壓。對VSC直流側分別安裝直流斬波耗能電阻(DC Chopper)、泄流晶閘管、可控避雷器(controllable metal oxide surge arrester,CMOA)的子模塊電容過壓抑制原理及效果進行研究和對比，從兼顧拓撲性能需求和經濟效益方面指出了各方案的優缺點，并搭建了PSCAD/EMTDC仿真模型進行仿真驗證。

1 受端混聯型LCC-VSC直流輸電系統

1.1 受端混聯型LCC-VSC直流系統拓撲結構

受端混聯型LCC-VSC直流輸電系統受端采用LCC與多個VSC級聯的方式，其單極拓撲結構如圖1所示，送端高、低壓閥組及受端高壓閥組均采用LCC換流器，受端低壓閥組采用3個VSC換流器并聯，其中BPS為旁通開關。該拓撲具有靈活多變的運行方式，例如全壓LCC-(LCC+1VSC)、LCC-(LCC+2VSC)、LCC-(LCC+3VSC)，半壓LCC-LCC、LCC-1VSC、LCC-2VSC、LCC-3VSC等。正常全壓運行條件下，逆變側高、低壓閥組平分直流功率，VSC極母線電壓為400 kV，低端VSC通過協調控制平均分配直流電流，高、低端之間能夠實現一定程度的功率轉帶。

圖1 受端混聯直流輸電系統拓撲Fig.1 Topology of hybrid cascade HVDC transmission system

1.2 受端混聯型LCC-VSC直流系統控制策略

整流站LCC控制策略與常規特高壓直流輸電系統基本相同，通過控制觸發角來實現定直流功率/直流電流控制，通過低壓限流、交流暫態控制等環節來改善交直流動態運行性能。逆變站高端LCC采用定直流電壓控制，低端3個VSC中1個控制直流電壓，另2個控制功率，若控制直流電壓的VSC因故退出，則控制功率的VSC按照預先設定的優先級接管直流電壓控制。

逆變站VSC采用矢量控制，即基于dq旋轉坐標系的解耦控制，分為外環功率控制和內環電流控制[1,21—24]。其中外環控制包含直流電壓控制、有功功率控制、無功功率控制、交流電壓控制等，根據系統直流電壓、直流電流等參數及系統電壓、電流、功率等控制目標產生參考電流輸送給內環控制。內環控制通過矢量控制生成三相電壓參考值，最終計算得到上、下橋臂子模塊的開通個數。VSC控制結構如圖2所示。其中Udc，Idc分別為MMC直流側電壓和電流；Us,abc，Is,abc分別為換流器交流側相電壓和相電流；θ為Usa相位；Usd，Usq分別為交流側相電壓的d軸和q軸分量；Isd，Isq分別為交流側相電流的d軸和q軸分量；Pref，Qref分別為有功功率和無功功率參考值；Udcref，Usref分別為直流電壓和交流側電壓參考值；idref，iqref分別為d軸和q軸電流參考值；Ucdref，Ucqref分別為d軸和q軸電壓參考值。

圖2 VSC控制策略結構Fig.2 Structure of VSC control strategy

1.3 受端VSC交流故障過壓機制

VSC子模塊電容電壓與交、直流側的關系可簡化如下[25]：

(1)

式中：Pdc為換流器直流側功率；Pac為換流器交流側功率；C為換流器投入子模塊總電容；Udc為直流電壓。

當VSC直流側輸入功率與交流側輸出功率不平衡時，會引起VSC子模塊電容電壓的變化[26—28]。例如逆變側低端VSC交流系統發生三相接地故障，一方面高端LCC與低端VSC所連交流系統的強耦合作用可能導致LCC發生換相失敗，相當于LCC旁通后對低閥VSC充電，另一方面交流電壓嚴重跌落，交流低壓限流環節作用降低輸出電流，導致換流器交流系統功率輸出通道嚴重受阻[21]。而整流側依舊按照穩定運行時的功率設定參考值輸送直流功率，導致VSC交流功率Pac遠遠小于直流功率Pdc，過剩的功率轉移儲存至VSC子模塊電容上，最終導致子模塊電壓嚴重升高，引起直流閉鎖，甚至威脅設備安全。

2 受端混聯型LCC-VSC直流系統交流故障穿越策略

2.1 耗能設備

由VSC交流故障過壓機制分析可知，實現VSC交流故障穿越的本質是消耗交流電壓跌落后直流側過剩的功率，減輕VSC子模塊電容的儲能負擔，維持VSC交、直流側功率平衡。因此考慮在VSC直流側安裝耗能設備，用以消耗交流故障期間直流側過剩功率，限制子模塊電壓在安全范圍內，保證系統可靠穿越交流故障。目前，耗能設備主要有DC Chopper、泄流晶閘管和CMOA，其結構如圖3所示，性能對比如表1所示。

表1 3種耗能設備性能對比Table 1 Performance comparison of three energy-consuming equipments

DC Chopper由耗能電阻和控制開關組成[13]，其中電阻實現盈余功率轉移耗散，電阻值RChopper由式(2)決定，Pdc一般選擇額定容量[15]，控制開關一般采用高速全控型開關絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，以實現精確投入和退出。當VSC子模塊電容電壓越限后開通開關器件來限制VSC端口電壓，當故障消失后，斷開Chopper回路實現系統快速恢復，其不足是IGBT技術成本及造價較高。

(2)

泄流晶閘管技術類似常規直流的投旁通對，故障時給VSC直流側盈余的功率提供一個直流通路，以避免直流側盈余的功率儲存在VSC換流器的子模塊電容上而引起過壓。為防止晶閘管不能及時自動關斷，考慮串聯直流開關來保證其可靠關斷。其缺點是晶閘管的關斷需要整流側移相，通過一次重啟實現，會造成故障穿越過程中功率中斷，且在實際工程應用中存在泄流晶閘管巡檢及性能監控技術難度大等不足[29]。

CMOA由固定元件、受控元件、控制開關組成[30]。固定部分一般位于高位端，受控部分與控制開關并聯，通常位于低位端。主要是利用避雷器防止過壓的特性，將VSC換流器的端口電壓限制在安全范圍內，從而避免VSC換流器過電壓，其工作原理類似于DC Chopper，但其具有經濟成本低、制造技術較成熟等優勢。

2.2 基于耗能設備的交流故障穿越控制策略

設定投入耗能設備的子模塊電容電壓閾值，當交流故障導致VSC子模塊電容電壓大于閾值時，VSC控制系統將發出投入耗能設備指令，從而避免子模塊電容電壓進一步升高。子模塊電容電壓閾值需保證：在最嚴苛的故障情況下，耗能設備導通后子模塊電容電壓被限制在安全范圍內，同時對耗能設備的儲能要求盡可能低，以便在工程應用中實現。

對于圖1所示的受端混聯型LCC-VSC直流輸電系統，VSC運行個數不同，VSC發生交流系統故障期間，采用的協調控制策略不同。

當受端低閥3個VSC均運行時，其中1個VSC交流系統發生故障，一方面可以利用非故障VSC轉帶故障VSC 的部分功率，另一方面當子模塊電容電壓超過閾值后導通耗能設備，將盈余功率轉移至耗能設備，減輕子模塊電容儲能負擔，從而抑制子模塊電容電壓升高。當故障清除后，子模塊電容電壓下降至閾值以下，退出耗能設備，實現交流系統故障穿越。

當受端低閥只有2個VSC運行時，系統輸送功率可以設定為額定值，當其中1個VSC所連交流系統發生故障，非故障VSC功率轉帶能力有限，此時對耗能設備容量的要求較高，可以采取整流側配合移相以減少直流側流入耗能設備的功率，從而減小耗能設備容量需求。

當受端低閥只有1個VSC運行時，唯一的VSC發生故障后沒有非故障VSC接管定電壓控制及功率轉帶，故障后VSC承受電壓應力大，為防止對設備造成損害，系統將降低輸送功率，利用耗能設備可靠穿越VSC交流故障。

DC Chopper安裝在圖1所示VSC直流側耗能設備處，當交流故障導致子模塊電容電壓大于閾值時，投入DC Chopper開關形成泄能回路，故障清除后，關斷開關，退出DC Chopper。混合直流系統VSC交流故障后的控制策略如圖4所示，其中紅框部分為DC Chopper動作策略。

VSC直流側安裝有泄流晶閘管的結構如圖5所示，晶閘管動作策略如圖4中綠框部分所示。為保證晶閘管能夠可靠關斷，在晶閘管處串聯直流開關，VSC直流出口處需要安裝阻斷二極管以防止VSC電流反向流進晶閘管形成短路回路。當故障導致VSC子模塊電壓越限后，觸發導通泄流晶閘管，從而與高端LCC形成泄流回路，故障清除后，整流側進行移相，晶閘管關斷，系統進行一次重啟，實現故障穿越。

圖5 配置泄流晶閘管的受端混聯直流輸電系統拓撲Fig.5 Topology of hybrid cascade HVDC transmission system with thyristor

CMOA安裝位置與DC Chopper一致，動作策略如圖4中藍框部分所示。當逆變側VSC交流系統發生故障導致子模塊電容電壓升高并超過閾值時，控制開關K閉合，受控元件被旁路，降低CMOA殘壓，固定元件將高端LCC流入VSC的直流電流大量轉移至CMOA，同時讓VSC釋放一部分能量，從而限制子模塊電容過壓。故障消失后，VSC正常輸出功率，VSC直流電壓降低，子模塊電容電壓降低至閾值后，打開CMOA開關K。

3 仿真分析

3.1 仿真系統

基于PSCAD平臺搭建受端混聯LCC-VSC特高壓直流輸電仿真系統，其中，主回路結構參照圖1設計。送端高、低端配置LCC+BPS；受端高端配置LCC+BPS；受端低端配置3VSC+BPS+耗能設備；額定功率為8 000 MW；額定直流電壓為±800 kV；額定直流為5 000 A；VSC子模塊個數為200個；投入耗能設備的子模塊電容電壓閾值為2 600 V。

受端LCC+3VSC全壓運行模式時，單極輸送功率4 000 MW，高端LCC輸送2 000 MW，低端單個VSC輸送667 MW；LCC+2VSC全壓運行模式時，單極輸送功率4 000 MW，高端LCC輸送2 000 MW，低端單個VSC需要輸送1 000 MW；LCC+VSC全壓運行模式時，因為低端單個VSC輸送功率受限，系統降功率運行，單極輸送功率為1 600 MW，高端LCC輸送800 MW，低端單個VSC需要輸送800 MW。系統全壓LCC+2VSC運行方式下單個VSC換流器承受的功率更大，交流故障導致閥過壓情況更嚴苛，因此文中研究全壓LCC-(LCC+2VSC)運行方式下的三相交流故障穿越，其中VSC3為定電壓控制，VSC2為定功率控制。

3.2 仿真結果

3.2.1 無耗能設備仿真結果

VSC直流側不安裝耗能設備時，如果VSC3所連交流系統發生三相金屬性接地故障，仿真結果如圖6所示，故障發生于9.1 s，持續時間100 ms，子模塊電容電壓最大值持續上升，最后峰值達到3.46 kV，VSC直流側端口電壓達到1 228 kV，嚴重過壓，VSC換流器閉鎖，最后極閉鎖，無法實現交流故障穿越。

圖6 無耗能設備時VSC3三相交流接地故障仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 without energy-consuming equipments

為了對比DC Chopper、泄流晶閘管、CMOA設備抑制子模塊過壓的性能，在VSC直流側分別安裝3種耗能設備，并進行VSC3交流系統三相金屬性接地故障試驗。

3.2.2 基于DC Chopper的技術方案

仿真波形如圖7所示，結果顯示VSC3三相接地故障時VSC子模塊電容電壓最大值降到2.73 kV，VSC直流側端口電壓最大值降為523 kV，故障消失后，系統恢復運行。同時可以看出DC Chopper轉移效果快，也反映出對Chopper電阻的要求高，考慮到DC Chopper的經濟成本較高，對于柔性直流輸電系統可適當引入使用，對于特高壓直流大容量傳輸系統而言，電阻要求大，其經濟成本過高。

圖7 配置DC Chopper時VSC3三相接地故障仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with DC Chopper

3.2.3 基于泄流晶閘管的技術方案

仿真波形如圖8所示，結果顯示VSC3三相接地故障后，VSC子模塊的電容電壓最大值降到2.74 kV，VSC直流側的端口電壓最大值降為521 kV，整流側移相后直流線路電流和晶閘管電流降為零，實現晶閘管關斷，系統通過一次重啟實現交流故障穿越。

圖8 配置泄流晶閘管時VSC3三相接地故障仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with thyristor

3.2.4 基于CMOA的技術方案

仿真波形如圖9所示，結果顯示子模塊電容電壓最大值降低至2.88 kV，VSC直流側端口電壓最大值降為543 kV，故障消失后可以快速恢復運行，可靠穿越交流三相短路故障，CMOA固定元件的能量達到了165 MJ，該能量可作為CMOA設計依據。

圖9 配置CMOA時VSC3三相接地故障仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with CMOA

3種耗能設備的仿真結果如表2所示，結果表明3種方案均可實現VSC交流故障穿越。結合工程實際應用，綜合考慮耗能設備對子模塊電容過壓抑制效果、工程應用的經濟成本及工程實現難度，CMOA不僅能滿足功率耗散性能要求，而且經濟成本較其他方案低，工程實現技術難度也較低，更適用于受端混聯LCC-VSC特高壓直流輸電系統。

表2 3種耗能設備仿真結果Table 2 Simulation results of three energy-consuming equipments

4 結語

文中提出利用DC Chopper、泄流晶閘管、CMOA來抑制VSC子模塊電容電壓的受端混聯LCC-VSC直流輸電系統交流故障穿越方法，搭建PSCAD模型進行仿真驗證。結果表明，3種耗能設備均可有效降低交流故障穿越過程中的子模塊電容電壓。從工程應用及經濟性角度出發，泄流晶閘管會導致故障穿越過程中功率中斷且工程中性能檢測及巡檢難度大，DC Chopper在大容量輸電系統工程背景下經濟成本高，CMOA方案能夠兼顧經濟效益和性能需求，更適用于受端混聯LCC-VSC特高壓直流輸電系統的工程應用。

本文得到國網電力科學研究院有限公司科技項目“±800 kV混合級聯多端直流輸電系統控制保護關鍵技術及應用研究”(JS1900544)資助，謹此致謝！