基于LCC-MMC的混合直流輸電系統優化控制方法

吳芳柱

(國網南京供電公司，江蘇 南京 210012)

0 引 言

國內能源和電力呈分布式布局，一些地區需要以“西電東送”的方式優化能源和電力配置，混合直流輸電系統被應用在能源和電力配置工作當中。近年來，隨著科技水平的不斷提升，混合直流輸電系統多次優化升級，如特高壓并聯型三端混合直流輸電系統。該系統通過閉鎖前3站的功率參數，實現對系統故障極功率的轉換，降低了功率損失[1]。

針對各類故障問題，文獻[2]基于脈寬調制型電流源換流器(PWM-CSC)優化了系統運行，通過PWM-CSC，優化系統故障響應功能，通過特定諧波消除法，控制調制和切換脈寬，在依托兩相靜止坐標系構建數學模型的基礎上，實現對電網運行的控制。但系統運行當中存在一些小因素擾動的問題。文獻[3]利用換相換流器(LCC)和模塊化多電平換流器(MMC)，優化控制系統中存在的各項干擾問題，由此誕生了全新的、具有LCC-MMC共同作用的混合直流輸電系統。為了進一步優化系統的獲取、識別和維護處理工作，文獻[4]基于雙樹復小波變換方法，優化系統控制策略，該方法根據混合直流輸電線路中常見的故障特征，利用電磁暫態仿真模型優化管理參數。文獻[5]考慮到計算可處理性和測試輸電網擴展規劃(TEP)模型性能的能力，詳細描述了網絡拓撲、發電組合和負荷特性，分析間歇性可再生能源(VRE)(風電和光伏)輸出和負荷曲線的全年時間序列。文獻[6]比較了2種串并聯混合動力電動汽車，使用經驗證的電氣變量變速器模型，不僅可用于優化內燃機的工作點，還可用于尋找最佳直流母線電壓，以優化系統級效率。

基于以上研究成果，本文提出了新的基于LCC-MMC的混合直流輸電系統優化控制方法，根據MMC和LCC各自的優缺點，對其進行優化，降低發生故障的可能性，然后將優化后的2個模型應用到混合直流輸電系統中，均衡系統的電壓，進一步解決更多的系統運行故障問題，保障系統的穩定運行。

1 混合直流輸電系統拓撲結構

設該系統的整流站為12脈動LCC，每間安裝6脈動換流器，通過YD接線MMC逆變站換流變壓器，經高電阻運行,監測故障問題，以并聯的方式相互連接，此時的拓撲結構能夠傳送大容量電荷，同時滿足弱交流傳送的基本要求[5]。混合直流輸電系統的拓撲結構，如圖1所示。

圖1 系統拓撲結構圖

圖1中，參數V表示空載線電壓；X表示換相電抗；D表示交流電抗器；α表示觸發角；I表示運行過程中的直流電流，根據圖1設置的拓撲結構，構建數學模型。

2 基于LCC-MMC的換流器數學模型

2.1 LCC數學模型

設置雙極間輸出直流電壓為U。默認整流側直流電壓為U1，已知此次需要安裝的整流器為6脈動，計算LCC正常運行狀態下的LCC數學模型，為

(1)

假設觸發延遲角和觸發重疊角分別為α1和α2，根據圖1和式(1)，得到LCC整流站數學模型：

(2)

式中：P1、P2分別表示電流I下的有功功率和無功功率；cosθ表示在固定觸發角度θ下的功率因數[6]。根據LCC結構特征，完成對LCC數學模型的設計。

2.2 MMC數學模型

結合圖1所示的系統逆變站結構，設置j相的橋臂為u和v。已知系統利用M個電路SM子模塊串聯控制兩橋臂，設置2個橋臂的電壓和輸出電壓分別為Uuj、Uvj、Uj，電流和交流側電流分別為Iuj、Ivj和Ij。根據基爾霍夫電壓定律基本計算原理，通過下列方程組計算不同橋臂中經過的電壓和電流：

(3)

(4)

式中：auj(t)、avj(t)表示橋臂的常數參數；D0、D表示交流電抗；F表示電阻。

默認橋臂電流與環流方向均為正方向，確定時域范圍內的交流側電流與環流，發現橋臂電壓影響上述設置的參數，因此假設導通狀態下的橋臂電流與電容電壓相關，則存在：

(5)

式中：Ujr(t)表示橋臂r的電容器電壓。

根據上述計算過程發現，上、下橋臂可作為2個獨立存在的可控電壓源，則根據三相靜止坐標系的組成，通過下列計算公式描述構建的MMC數學模型：

(6)

式中：a、b、c表示三相。

至此獲得MMC數學模型[7]。利用上述兩組數學模型，約束混合直流輸電系統。

3 混合直流輸電系統優化控制方法

3.1 整流側LCC的優化控制

直流輸電換流器多為晶閘管器件，通過控制觸發角控制運行狀態下的系統電壓和功率。換流器按照三相橋式的方式設計電路，利用6個波頭的換流器，實現對固定傳輸周期內，整流電壓工作頻率的實時控制。當多組換流器以串聯、并聯協同使用的方式建立工作連接后，換流器形成具有更強控制效果的12脈動[8]。當陽極電壓為正時，晶閘管根據電壓波動調整運行參數，切換到其他工作狀態。由于晶閘管只能單向導通，所以不受觸發脈沖直接控制，導通后則一直處于導通狀態。在電流減小、陽極電壓值小于等于零的情況下，晶閘管根據該電壓值將狀態切換為關斷。要求橋臂的電壓差為35°，分別利用“三角星型”接法和“星型”接法控制整流側直流電壓，通過上述接線方式，根據式(1)和式(2)設計的LCC數學模型，實現對整流側LCC的優化控制。

3.2 逆變側MMC的優化控制

對于系統自身來說，逆變側MMC的優化控制工作更為復雜，作為一個非線性系統，其運行穩定性受到了極大干擾。已知MMC與穩定控制系統電壓源逆變器(VSC)的拓撲結構一致，所以參考VSC雙閉環控制器優化控制逆變側MMC。根據圖1的結構可知，逆變側MMC由鎖相環、坐標變換、瞬時功率計算、內環電流外環功率控制以及觸發脈沖生成等模塊組成，通過雙環控制實時監管內環、外環功率和電流的大小，實現對系統運行參數的跟蹤。對于內環電流的控制，依據電壓前饋補償和電流反饋，控制直流輸電換流器的輸出電壓。前饋補償條件下的輸出閥側電壓為

(7)

式中：Vdord、Vqord表示不同端的參考電壓；ω表示權重；I1、I2表示外環功率的電流輸出控制指令；dpid、dpiq表示控制電流運行過程中，控制器的軸比例系數；Idord、Iqord表示實時電流；diid表示不同方向電流的積分[9]。通過上述函數解耦控制內環電流。

根據系統下發的實時工作指令， MMC會產生2種不同性質的電流(有功和無功)，當MMC連接到強電網時，由于功率變化不會直接影響強電網連接處電壓，MMC適用于控制功率。在內環工作狀態下，根據MMC的期望電流和控制器結構層，消除穩態誤差，所以在穩態條件下，利用下列公式描述交流系統與功率：

(8)

式中：U11、U12表示不同坐標軸的交流母線基波電壓；I11、I12表示交流母線基波電流分量。

根據上述公式得到控制器的運行電流給定值，實現逆變側MMC的優化控制。

3.3 均衡電壓

系統能量改變會影響MMC電壓值，在增加大量MMC子模塊后，會出現不同程度的損耗，使子模塊之間的電壓值頻繁波動，不再以相等的數值出現，這些波動幅度極大的電壓值影響系統穩定運行，為此，結合文獻[10]提出的均衡控制策略，在監測子模塊運行常態電壓、各個單元運行電壓等級、橋臂電流實時傳輸方向的前提下，設計一個能量均分控制器[11-13]。假設控制器實時獲取MMC的a相子模塊電容電壓，結合構建的LCC數學模型輸出平均電壓值和環流值，通過該控制器進行能量均分，公式為

(9)

式中：Q表示電容電壓能量均分調制量；Z1、Z2表示不同位置節點處與子模塊對應的控制器；I′表示a相環流參考值。

Q′=Q+Q1+Q2

(10)

式中：Q1、Q2表示橋臂電壓平衡均量和調制量。

利用MMC消除穩態誤差，對混合直流輸電系統進行強約束。通過LCC數學模型控制平均電壓值和環流值，降低系統能量損耗，從而避免電壓值頻繁波動，保障系統的穩定運行，同時從直流側直接充電，減少中間電流轉接過程，有利于電壓的穩定。利用MMC數學模型計算調制波，通過調制波調節供電量，實現最終的均衡電壓[14-15]。

4 應用測試

4.1 試驗準備

通過表1所示的參數，搭建仿真測試模型。

表1 系統仿真參數

仿真試驗共進行4輪，第1輪仿真整流站交流故障、第2輪仿真逆變站交流故障、第3輪和第4輪分別仿真直流線路單極故障、極間故障。將本文方法與常規方法(基于雙樹復小波變換的控制方法[4])進行對比，測試不同控制方法對不同系統故障的處理效果。

4.2 結果與分析

4.2.1 整流站交流故障控制效果

第1輪測試。在系統的整流站交流側仿真a相發生接地故障，要求接地電阻和故障持續時間不小于9.5 Ω和1.5 s。分別利用本文方法和常規方法控制系統混合直流輸電，得到的仿真波形如圖2所示。

圖2 不同方法對整流站交流故障的控制效果

已知從第2.5 s開始，LCC的a相電壓開始跌落，觸發角也隨之改變，最小值僅為4.8°。圖2中，曲線a代表本文方法、曲線b代表常規控制方法，比較2組方法控制下的LCC直流電壓和MMC直流電壓，發現本文方法控制后的電壓在5 s內逐漸穩定，系統的直流功率在出現短暫的波動后明顯提高，5 s過后恢復到故障之前的狀態。常規控制方法，同樣在第2.5 s時發現了故障，但在2.5～5 s之間，觸發角沒有被重新調整到初始值，所以LCC和MMC直流電壓一直處于不穩定的狀態，導致系統功率一直處于波動較大的狀態當中，直至第6 s也沒有恢復到穩定狀態，說明常規方法的控制效果不夠理想。

4.2.2 逆變站交流故障控制效果

第2輪測試。設置MMC-1的ab相間發生接地故障問題，要求電阻和故障持續時間不小于16 Ω和800 ms。分別利用2組方法控制系統輸電，得到的測試結果如圖3所示。

圖3 不同方法對逆變站交流故障的控制效果

已知交流電壓和直流電壓均從第2 s開始劇烈波動，造成逆變站中的MMC-1傳輸功率持續降低。當系統輸入能量和輸出能量之間存在不均衡問題時，會出現電壓異常的情況，此時需要將多余的能量傳輸到MMC-2當中，通過均衡控制系統電壓，保證功率維持穩定狀態。根據2種方法的控制測試效果可知，本文方法控制下的系統，其輸入能量和輸出能量實現了互補均衡，但常規控制方法沒能在6 s之內均衡輸入能量和輸出能量。本文方法對于逆變站交流故障問題，有更可靠的控制效果，能夠快速解決逆變站交流故障問題。

4.2.3 直流線路單極故障控制效果

第3輪測試。設置MMC-1和MMC-2之間的直流線路突發正極接地故障，要求電阻和故障持續時間不少于12 Ω和800 ms。分別利用2種方法控制系統運行，得到的結果如圖4所示。

圖4 不同方法對直流線路單極故障的控制效果

根據圖4顯示的測試結果可知，面對直流線路單極故障問題，本文方法在5 s內快速反應，將LCC和MMC的電流控制在穩定的區間內，而常規方法在同樣的測試時間內，沒能更有效地控制LCC和MMC的電流，繼續下去會影響混合直流輸電，最終影響電力負荷配置。

4.2.4 直流線路極間故障控制效果

第4輪測試。設置LCC和MMC-2之間的直流線路突發極間故障，要求電阻和故障持續時間不小于15 Ω和800 ms。測試結果如圖5所示。

圖5 不同方法對直流線路極間故障的控制效果

根據圖5顯示的測試結果可知，同樣的測試條件下，本文方法對3組電流的控制均有較好的效果，常規控制方法對MMC-2直流電流的控制效果不佳，說明此次研究的方法更滿足應用要求。

5 結 語

為了更快地解決混合直流輸電系統故障問題，提出了基于LCC-MMC的混合直流輸電系統優化控制方法。結合LCC和MMC兩個換流器，應用正常運行狀態下的LCC數學模型與MMC數學模型，結合逆變側MMC的鎖相環、坐標變換、瞬時功率計算、內環電流外環功率控制以及觸發脈沖生成等模塊，優化了混合直流輸電系統的運行，試驗結果表明，應用本文方法可以在較短時間內將LCC和MMC的電流控制在穩定的區間內，能夠實現混合直流輸電系統優化控制，快速解決輸電系統故障。

但是本次研究尚未說明MMC相間環流抑制過程和效果，系統可能出現小干擾失穩現象，今后將針對MMC相間環流抑制的相關問題展開研究，設置合理的控制參數，為穩定系統運行態勢，提供更加可靠的控制技術。