風(fēng)電接入真雙極MMC-MTDC系統(tǒng)直流故障穿越協(xié)調(diào)控制策略

王振浩，李金倫，王欣鐸，王尉，李國(guó)慶

(現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué))，吉林省吉林市 132012)

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展目標(biāo)，減少火力發(fā)電的占比，風(fēng)電近年來(lái)已引起廣泛的關(guān)注[1-2]。而柔性直流輸電技術(shù)由于具有有功功率、無(wú)功功率解耦控制及供電可靠性高等特點(diǎn)，目前已成為大規(guī)模風(fēng)電遠(yuǎn)距離外送的有效途徑[3-6]。

基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電(modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC)系統(tǒng)須具備直流故障處理能力以保證可靠運(yùn)行[7]。隨著直流斷路器(direct current circuit breaker, DCCB)研究的不斷深入，工程上目前已實(shí)現(xiàn)其6 ms故障隔離[8]。待故障隔離后，若不采取控制措施將存在大量不平衡功率，嚴(yán)重危害系統(tǒng)的安全運(yùn)行，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不平衡功率的消納展開(kāi)了深入的研究。

文獻(xiàn)[9]分析了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，通過(guò)利用風(fēng)電場(chǎng)與換流站間的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)故障穿越。文獻(xiàn)[10]通過(guò)設(shè)計(jì)DCCB，直流側(cè)耗能電阻以及風(fēng)電場(chǎng)側(cè)制動(dòng)電阻間的控制策略，并配合風(fēng)電場(chǎng)的降壓減載實(shí)現(xiàn)故障穿越。文獻(xiàn)[11]通過(guò)混合型MMC的零直流電壓控制有效阻斷故障電流，并針對(duì)不同工況調(diào)整對(duì)應(yīng)的控制策略及其參數(shù)。但文獻(xiàn)[9-11]均在二端雙極MMC-HVDC系統(tǒng)場(chǎng)景下進(jìn)行故障穿越，多端柔直系統(tǒng)控制策略的有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。由于真雙極柔直系統(tǒng)具有正負(fù)極獨(dú)立運(yùn)行的特點(diǎn)，在張北實(shí)際工程中就采用此聯(lián)結(jié)方式[12]。為充分發(fā)掘正負(fù)極間配合的發(fā)展?jié)摿Γ墨I(xiàn)[13]針對(duì)于單極線路停運(yùn)、單極換流站退出運(yùn)行的情況設(shè)計(jì)了換流站間功率轉(zhuǎn)帶控制策略，但其未接入風(fēng)電場(chǎng)，且并未對(duì)功率轉(zhuǎn)帶不充足情況進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[14]針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同故障位置所產(chǎn)生的不平衡功率分別進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略。但上述研究在故障穿越期間，其送端故障極換流站有功類控制由定頻率控制切換至定有功功率控制，存在調(diào)節(jié)指令更新不及時(shí)進(jìn)而影響到送端雙極換流站間有功功率的分配。此外，在故障期間通過(guò)投入耗能電阻可快速消納系統(tǒng)內(nèi)不平衡功率，其中文獻(xiàn)[15]利用耗能電阻與風(fēng)機(jī)內(nèi)部斬波電阻相互配合實(shí)現(xiàn)故障穿越。文獻(xiàn)[16]通過(guò)精確投切交流耗能電阻以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交直流故障穿越。考慮到耗能電阻本身需要散熱，上述研究只適用于瞬時(shí)性故障，且投入耗能電阻雖然能消納故障極不平衡功率，但對(duì)非故障極產(chǎn)生了較大功率消耗。

基于以上研究背景，本文首先介紹由半橋型MMC和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)(direct-drive permanent magnet synchronous generator, PMSG)構(gòu)成的風(fēng)電經(jīng)真雙極柔直并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式，并分析系統(tǒng)的故障特性。根據(jù)換流站的功率裕度將不平衡功率分為自消納及協(xié)同消納情況。針對(duì)于協(xié)同消納情況提出換流站與耗能電阻間的協(xié)調(diào)控制策略，并設(shè)計(jì)耗能電阻投入、切除控制判據(jù)，有效提高換流站功率轉(zhuǎn)帶及故障穿越能力。最后，在PSCAD中搭建四端MMC-HVDC系統(tǒng)的仿真模型，并驗(yàn)證所提協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

1 風(fēng)電經(jīng)MMC-MTDC系統(tǒng)并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式

本文所提柔直系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括由PMSG構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)、交流耗能電阻、風(fēng)電場(chǎng)側(cè)MMC(wind farm MMC, 即WFMMC1及WFMMC2)以及交流系統(tǒng)側(cè)MMC(grid side MMC, 即GSMMC3及GSMMC4)。其中交流耗能電阻通過(guò)每相晶閘管串聯(lián)多組耗能電阻R及其開(kāi)關(guān)Sk組成。WFMMC1和WFMMC2采用有功功率-頻率下垂控制及定交流電壓控制確保風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定輸出。GSMMC3(原定功率站)及GSMMC4(原定直流電壓站)均采用有功功率-直流電壓下垂控制及定無(wú)功功率控制[17]。

由于圖1采用真雙極接線方式，其包括正極運(yùn)行層、負(fù)極運(yùn)行層和金屬回線層，正負(fù)極均可獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)換流站正、負(fù)極因單極短路接地故障不能正常進(jìn)行功率傳輸時(shí)，將原本風(fēng)電場(chǎng)向兩換流站輸送的均等功率進(jìn)行重新分配。根據(jù)實(shí)際換流站的功率裕度、容量以及故障點(diǎn)位置，本文選取WFMMC2進(jìn)行功率轉(zhuǎn)帶，其具體的功率轉(zhuǎn)帶如圖1所示。

圖1 風(fēng)電經(jīng)真雙極MMC-MTDC系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 故障特性及不平衡功率分析

當(dāng)發(fā)生單極接地故障時(shí)，子模塊電容及交流側(cè)會(huì)快速向直流系統(tǒng)饋入電流，產(chǎn)生短暫過(guò)電流。同時(shí)引發(fā)交流側(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低，危及風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。因此，在MMC閉鎖前利用DCCB及時(shí)隔離故障，然后進(jìn)行功率轉(zhuǎn)帶。換流站有功功率裕量ΔPre的表達(dá)式為：

(1)

式中：Sn為換流站額定容量；Pop、Qop分別為正常運(yùn)行時(shí)單極換流站的有功功率和無(wú)功功率。

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備制造水平，±500 kV直流斷路器長(zhǎng)期允許通過(guò)的最大電流為3 kA。若直流線路上出現(xiàn)的故障不會(huì)引起同極其他非故障線路電流超過(guò)額定載流量，則應(yīng)保證換流站間不進(jìn)行功率轉(zhuǎn)帶，因此需對(duì)功率轉(zhuǎn)帶量乘以安全系數(shù)I′s以起到控制作用，其表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

當(dāng)直流線路因故障退出運(yùn)行后，可能導(dǎo)致其他直流線路電流超過(guò)額定載流量進(jìn)而引發(fā)連鎖故障。為避免出現(xiàn)上述情況，將直流線路上電流越限部分的功率視作不平衡功率。本文由于所設(shè)置的故障點(diǎn)位置，其不平衡功率位置在正極換流站1和4間的直流線路上。因此，故障隔離后故障極需消納的不平衡功率Pref1的表達(dá)式為：

Pref1=max(Iw1+Iw2-Imax,0)kUdcI′s

(5)

式中：Iw1、Iw2分別為正常運(yùn)行時(shí)送端換流站1和2輸出的穩(wěn)態(tài)電流值(本文以正極發(fā)生故障為例，具體位置及參考方向詳見(jiàn)圖1)；k為考慮換流器損耗后的系數(shù)；Udc為直流系統(tǒng)電壓值，本文取500 kV。

故障極換流站目標(biāo)功率值Paim表達(dá)式為：

(6)

式中：Pwindi(i=1, 2)表示正常情況下風(fēng)電場(chǎng)i向WFMMCi輸送的功率。

因此，通過(guò)比較ΔPre與Pref1大小，將系統(tǒng)內(nèi)不平衡功率的消納分成以下2種情況。

情況1：自消納情況，即非故障極換流站能完全轉(zhuǎn)帶故障極換流站的不平衡功率，避免耗能電阻投入。在自消納情況下，功率轉(zhuǎn)帶量Pref1與非故障極有功功率裕量ΔPre最大值(即Qop=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的ΔPre)應(yīng)滿足：

ΔPre≥Pref1

(7)

情況2：協(xié)同消納情況，即非故障極換流站無(wú)法完全轉(zhuǎn)帶故障極換流站的不平衡功率，Pref1與ΔPre最大值的關(guān)系無(wú)法滿足式(7)，此時(shí)應(yīng)合理投入耗能電阻并與功率轉(zhuǎn)帶相互配合。

此情況下需投入的耗能電阻組數(shù)Nski應(yīng)滿足的表達(dá)式為：

(8)

由于耗能電阻裝設(shè)在換流站交流母線出口處，因此投入Nski組耗能電阻對(duì)送端雙極換流站所消耗的有功功率Pfn應(yīng)滿足的表達(dá)式為：

(9)

考慮到耗能電阻投入，故障極轉(zhuǎn)帶功率Pref2的表達(dá)式為：

(10)

針對(duì)上述2種情況，當(dāng)處于情況1時(shí)無(wú)論故障性質(zhì)如何，均不需要調(diào)整故障極轉(zhuǎn)帶功率Prefi。而當(dāng)系統(tǒng)處于情況2時(shí)，如果故障為永久性故障需采用風(fēng)機(jī)切機(jī)。此時(shí)故障極轉(zhuǎn)帶功率Pref3的表達(dá)式為：

(11)

因此，對(duì)于與過(guò)載線路同極的送端換流站，該換流站與另一極換流站應(yīng)遵循的功率轉(zhuǎn)帶的表達(dá)式為：

(12)

式中：Pref0表示正常情況下單極換流器的功率參考值；Prefi(i=1, 2, 3)表示故障情況下功率轉(zhuǎn)帶參考值；Pref_n、Pref_f分別表示故障情況下非故障極和故障極功率參考值。

本文以方法1(只投入耗能電阻)、方法2(只進(jìn)行功率轉(zhuǎn)帶)和方法3(自消納及協(xié)同消納)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)故障極換流站1和2上網(wǎng)功率Pf1和Pf2滿足：

Pf1+Pf2≤ImaxkUdcI′s=1 560 MW

(13)

此時(shí)通過(guò)同極線路間功率轉(zhuǎn)移即可實(shí)現(xiàn)故障穿越。當(dāng)故障極實(shí)際上網(wǎng)功率無(wú)法滿足式(13)時(shí)，對(duì)于方法1，由于耗能電阻的安置位置在交流母線處，因此對(duì)雙極換流站產(chǎn)生相等的功率損耗。

針對(duì)方法1，可得到投入N(N=1,…,4)組電阻邊界條件表達(dá)式為：

Pf1+Pf2=ImaxkUdc+0.5PRNski

(14)

方法2(N=0)及方法3(N=0, 1, 2)的邊界條件表達(dá)式為：

Pf1+Pf2=0.5(Sn1+Sn2+ImaxkUdc)+0.5PRNski

(15)

式中：Sn1、Sn2分別為換流站1和2的額定容量。

將換流器的容量作為不等約束條件，根據(jù)式(14)和(15)，得到風(fēng)電場(chǎng)不同上網(wǎng)功率下系統(tǒng)的故障穿越安全裕度分析圖，如圖2所示。

圖2 不同方法下系統(tǒng)的故障穿越安全裕度分析

圖2(a)中，Ⅰ區(qū)域表示同極線路功率轉(zhuǎn)移；Ⅱ—Ⅵ區(qū)域分別表示投入1～5組耗能電阻。圖2(b)中Ⅰ區(qū)域與(a)相同；Ⅱ區(qū)域表示換流站間功率轉(zhuǎn)帶(方法2和3)；Ⅲ—Ⅴ區(qū)域分別表示投入1～3組耗能電阻(方法3)。

通過(guò)圖2(b)中與2(a)中對(duì)應(yīng)區(qū)域的對(duì)比可以看出，采用方法2和3有效減少了耗能電阻的投入數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障極不平衡功率的精確消納，且通過(guò)功率轉(zhuǎn)帶可以緩解非故障極換流站部分功率缺額。此外，解決了方法2造成非故障極換流站過(guò)載的情況。對(duì)于系統(tǒng)滿載，采用方法3可預(yù)先投入3組耗能電阻以提高換流站自身的功率裕度，并配合功率轉(zhuǎn)帶實(shí)現(xiàn)故障穿越。

為進(jìn)一步分析所提方法的有益性，本文在瞬時(shí)性故障下針對(duì)方法1及方法3進(jìn)行對(duì)比，其受端換流站相同控制下的仿真如圖3所示。

圖3 不同方法下非故障極直流電網(wǎng)電壓對(duì)比

圖3是以非故障極換流站上網(wǎng)功率之和為2 000 MW及滿功率運(yùn)行為例進(jìn)行的仿真。由圖3可以看出，隨著實(shí)際上網(wǎng)功率的不斷增大以及投入電阻數(shù)量的不斷增加，在故障穿越期間，方法1非故障極直流電網(wǎng)電壓短期內(nèi)呈欠壓波動(dòng)趨勢(shì)。而采用方法3通過(guò)轉(zhuǎn)帶彌補(bǔ)了部分投入電阻造成的非故障極功率缺額，電壓呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

3 直流故障穿越協(xié)調(diào)控制策略

3.1 送端換流站控制策略

在正常情況下，正負(fù)極換流站由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)及控制方式均相同，所以風(fēng)電場(chǎng)向兩換流站輸送相同的有功功率，因此兩換流站可視為采用相同的下垂曲線。

為實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)帶，在保證下垂系數(shù)固定的情況下，調(diào)整轉(zhuǎn)帶功率參考值Pref_i，使換流站P-f下垂曲線進(jìn)行左右平移的方式。此時(shí)下垂特性曲線表達(dá)式為：

(16)

式中：P為MMC網(wǎng)側(cè)交流有功功率；f為MMC網(wǎng)側(cè)電壓頻率；fo為交流電網(wǎng)基準(zhǔn)頻率；km為下垂系數(shù)；fref_f、fref_n分別為故障情況下故障極和非故障極頻率參考值。

通過(guò)式(16)得到其參考相位θ的表達(dá)式為：

(17)

將生成的參考相位θ代入到相應(yīng)的控制器中，其具體控制框圖如圖4所示，通過(guò)改變Pref_i即可實(shí)現(xiàn)換流站間的功率轉(zhuǎn)帶。

圖4 送端非故障極換流站控制框圖

3.2 受端換流站的控制策略

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生接地故障后，由于接地點(diǎn)的存在降低了系統(tǒng)的直流電壓，且故障極轉(zhuǎn)帶部分功率。根據(jù)受端換流站等效電容電壓幅值與其兩側(cè)流入流出的功率表達(dá)式(18)可知故障極直流電壓在故障穿越期間呈欠壓狀態(tài)。

(18)

式中：C為受端換流站的等效電容；Pdc為流入受端換流站的有功功率；Pac為流出受端換流站的有功功率。

由于現(xiàn)有功率轉(zhuǎn)帶相關(guān)的文獻(xiàn)將研究的重點(diǎn)放在送端換流站控制上，而忽略了轉(zhuǎn)帶過(guò)程中系統(tǒng)直流電壓的大幅度波動(dòng)，其受端換流站均采用主從控制方式，存在系統(tǒng)傳輸功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力不足、系統(tǒng)功率變化易引起較大直流電壓波動(dòng)等缺點(diǎn)[18-19]。為比較主從控制和P-Vdc下垂控制下直流電壓的調(diào)節(jié)能力，在相同外環(huán)參數(shù)情況下的仿真對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同控制策略下故障極直流電網(wǎng)電壓對(duì)比

通過(guò)上述仿真對(duì)比能看出，采用P-Vdc下垂控制能有效改善故障極在故障穿越期間直流電壓，其原定功率站的控制框圖如圖6所示。

圖6中，Pvi(i=3, 4)和Pvrefi分別表示受端換流站i輸出功率及其參考值；Udci(i=3, 4)和Udcrefi分別表示受端換流站i直流電壓及其參考值；Kv表示直流電壓斜率系數(shù)，其具體表達(dá)式參見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

圖6 有功功率-電壓下垂控制框圖

為保證故障極在故障穿越期間的功率平衡，此時(shí)需要將其待轉(zhuǎn)帶量Pref1考慮進(jìn)去。因此，原定直流電壓站有功功率參考值Pvref4的表達(dá)式為：

(19)

式中：Pvref3表示原定功率站功率參考值；Ploss表示系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。但由于采用P-Vdc下垂控制存在穩(wěn)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)傳輸功率偏差較大的問(wèn)題，本文通過(guò)在故障穿越前后將故障極原定功率站下垂系數(shù)調(diào)整至1以保證功率的傳輸，在故障穿越期間將其調(diào)整至Kv以改善直流電壓調(diào)節(jié)能力。

3.3 耗能電阻投入及切除控制策略

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生永久性故障時(shí)，通過(guò)風(fēng)機(jī)切機(jī)來(lái)降低送端功率是常用的技術(shù)手段。但由于切機(jī)延時(shí)至少為150 ms[16,21]，本文通過(guò)在交流側(cè)投入耗能裝置以消納部分不平衡功率。

耗能電阻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其投入策略如圖7所示。其中Pth和Pm分別表示換流站功率上限閾值與實(shí)際值；Idcmin和Idc分別表示系統(tǒng)內(nèi)電流的下限閾值與實(shí)際值；Udcmin和Udc分別表示系統(tǒng)內(nèi)電壓的下限閾值與實(shí)際值；Tas為耗能電阻所連晶閘管觸發(fā)信號(hào)；Ski表示與電阻Rmax串聯(lián)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)。

圖7 耗能電阻投入控制策略

通過(guò)將WFMMC的直流電壓及電流與其對(duì)應(yīng)閾值作比較。同時(shí)在功率轉(zhuǎn)帶過(guò)程中為避免非故障極嚴(yán)重過(guò)載，當(dāng)換流站功率實(shí)際值大于閾值時(shí)，判定系統(tǒng)發(fā)生直流故障，觸發(fā)耗能電阻所連晶閘管導(dǎo)通。通過(guò)式(8)計(jì)算耗能電阻需投入對(duì)應(yīng)組數(shù)并控制對(duì)應(yīng)Ski觸發(fā)以吸收有功功率。

耗能電阻的分組退出策略如圖8所示。P′wref和P′w分別表示預(yù)計(jì)減載后的風(fēng)電場(chǎng)有功參考值和實(shí)際輸出值；Pwth表示設(shè)定的有功閾值；k表示切機(jī)后輸出功率是否達(dá)到預(yù)設(shè)值。

圖8 耗能電阻切除控制策略

需根據(jù)故障實(shí)際情況在合理的時(shí)間點(diǎn)分批次退出耗能電阻。當(dāng)故障為瞬時(shí)性故障時(shí)，此時(shí)斷路器重合閘后系統(tǒng)內(nèi)直流電流能夠滿足條件，耗能電阻依次退出運(yùn)行。當(dāng)故障為永久性故障時(shí)，此時(shí)滿足k=1時(shí)，耗能電阻依次退出運(yùn)行。具體流程如圖9所示。

圖9 直流故障穿越基本流程

4 仿真驗(yàn)證

本文在PSCAD中搭建如圖1所示的真雙極四端系統(tǒng)仿真模型，對(duì)自消納和協(xié)同消納情況及不同故障性質(zhì)下的直流故障穿越策略進(jìn)行了驗(yàn)證。其中風(fēng)電場(chǎng)1和2的容量分別為1 500、3 000 MW，均由PMSG單機(jī)聚合模型組成，并在交流并網(wǎng)出口處分別裝設(shè)5組和10組每組總耗散功率為300 MW的耗能裝置，其具體仿真參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 柔直系統(tǒng)換流站參數(shù)

4.1 自消納情況仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證在自消納情況下的有效性，設(shè)定正常情況下，風(fēng)電場(chǎng)1和2輸送功率分別為1 300、2 400 MW，GSMMC3下網(wǎng)功率為2 800 MW。設(shè)置t=2.000 s時(shí)，WFMMC2與GSMMC3之間的正極直流輸電線路發(fā)生永久性單極短路接地故障，待故障持續(xù)6 ms后，DCCB隔離故障并實(shí)施該控制策略，待t=2.306 s故障線路兩端DCCB實(shí)現(xiàn)重合閘[22]。為方便比較，本文以方法1和3進(jìn)行對(duì)比。

圖10表示2種消納方法下系統(tǒng)的仿真對(duì)比。圖中PXYZ表示第X個(gè)換流站交流輸入功率，Y表示故障極或非故障極(即f為故障極，n為非故障極)，Z表示不同消納方法(即R表示投入耗能電阻，T表示功率轉(zhuǎn)帶，R-T表示自消納及協(xié)同消納)。

圖10 自消納情況下永久性故障仿真對(duì)比

圖10(c)和(d)中，T1表示投入耗能電阻時(shí)段，T2表示風(fēng)機(jī)切機(jī)時(shí)段，T3表示耗能電阻退出后功率恢復(fù)時(shí)段。

通過(guò)仿真對(duì)比能看出，在只投入耗能電阻的情況下，系統(tǒng)故障極實(shí)際不平衡功率約為296.4 MW，此情況下耗能電阻需投入2組，通過(guò)投入耗能電阻以減少故障范圍，如圖10(b)及(c)、(d)中綠色虛線T1時(shí)段所示。但與此同時(shí)對(duì)非故障極造成了不必要的功率損耗，且后續(xù)需切除與所投入耗能電阻近似相等的風(fēng)機(jī)功率，如圖10(a)及(c)、(d)中綠色虛線T2時(shí)段所示。而采用本文方法選取WFMMC2進(jìn)行功率轉(zhuǎn)帶，非故障極換流站主動(dòng)承擔(dān)了故障極全部的不平衡功率，如圖10(c)和(d)中紅色實(shí)線所示，有效避免了投入耗能電阻以及風(fēng)機(jī)切機(jī)。

4.2 協(xié)同消納情況仿真驗(yàn)證

本節(jié)從故障性質(zhì)角度對(duì)協(xié)同消納情況進(jìn)行了分析，具體仿真算例如下。

4.2.1 瞬時(shí)性故障仿真分析

為驗(yàn)證在協(xié)同消納情況下的有效性，設(shè)定正常情況下，風(fēng)電場(chǎng)1和2輸送功率分別為1 400、2 800 MW，GSMMC3下網(wǎng)功率為2 800 MW。設(shè)置t=2 s時(shí)，WFMMC2與GSMMC3之間的正極直流輸電線路發(fā)生瞬時(shí)性單極短路接地故障且持續(xù)0.2 s。由于非故障極換流站的功率裕度有限，因此在調(diào)整換流站有功功率參考值的同時(shí)投入耗能電阻以減輕對(duì)系統(tǒng)造成的影響。為便于比較，本文以方法2和3進(jìn)行仿真對(duì)比。圖11給出了2種消納方法下系統(tǒng)的仿真對(duì)比。

圖11(b)中，T1表示功率轉(zhuǎn)帶與耗能電阻協(xié)同消納時(shí)段，T2表示結(jié)束轉(zhuǎn)帶后功率恢復(fù)時(shí)段，T3及T4分別表示退出一組耗能電阻時(shí)段。

通過(guò)仿真對(duì)比看出，在WFMMC2只進(jìn)行功率轉(zhuǎn)帶的情況下，功率轉(zhuǎn)帶量約為546 MW，非故障極換流站承受的有功功率明顯超過(guò)換流站自身額定容量，如圖11(b)中綠色虛線所示，且隨著非故障極有功功率的不斷流入造成直流電壓不斷升高，如圖11(c)中紅色虛線所示。在采用功率轉(zhuǎn)帶與耗能電阻協(xié)同配合的情況下，調(diào)整WFMMC2兩極換流站功率轉(zhuǎn)帶參考值并觸發(fā)耗能電阻投入，如圖11(d)中虛線所示。此時(shí)流入非故障極換流站有功功率低于換流站額定功率，且非故障極直流電壓在允許范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，避免了非故障極換流站過(guò)載實(shí)現(xiàn)直流故障穿越。此外，通過(guò)圖11(e)中藍(lán)色及紅色實(shí)線分析可知，故障穿越前后通過(guò)調(diào)整GSMMC3的P-Vdc下垂系數(shù)至1可以保證功率的正常傳輸。

圖11 協(xié)同消納情況下瞬時(shí)性故障仿真對(duì)比

4.2.2 永久性故障仿真分析

為驗(yàn)證該故障下協(xié)調(diào)策略的有效性。設(shè)置t=2 s時(shí)，WFMMC2與GSMMC3間的正極直流輸電線路發(fā)生永久性單極短路接地故障，其他參數(shù)與瞬時(shí)性故障相同。為便于比較，本文以切機(jī)后是否調(diào)整功率參考值進(jìn)行對(duì)比。圖12為永久性故障下采用控制策略前后仿真對(duì)比。圖中Ixyf/nb(即圖中虛線)和Ixyf/na(即圖中實(shí)線)分別表示控制前、后某極第x個(gè)換流站向第y個(gè)換流站傳輸?shù)碾娏鳌?/p>

通過(guò)仿真對(duì)比能看出，在不調(diào)整WFMMC2的功率參考值情況下，風(fēng)機(jī)切機(jī)后換流站間功率轉(zhuǎn)帶量約為246 MW，雖然避免了非故障極換流站過(guò)載，但I(xiàn)14fb電流值約為3.1 kA，超過(guò)了線路額定載流量，如圖12(d)中藍(lán)色虛線所示。為避免上述情況的發(fā)生，隨著風(fēng)機(jī)輸出功率的變化，換流站有功功率參考值須做出進(jìn)一步調(diào)整(即功率轉(zhuǎn)帶量約為323 MW)以減少系統(tǒng)內(nèi)不平衡功率，有效避免故障極線路電流越限，如圖12(d)中藍(lán)色實(shí)線所示。在此過(guò)程中，風(fēng)機(jī)共計(jì)切除444 MW有功功率。考慮到存在切機(jī)延遲，因此系統(tǒng)在t=2.315 s發(fā)送切機(jī)命令并在t=2.465 s進(jìn)行切機(jī)。非故障極換流站通過(guò)P-f下垂控制主動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)輸送功率，最終實(shí)現(xiàn)滿載運(yùn)行，如圖12(c)中紅色實(shí)線所示。

圖12 協(xié)同消納情況下永久性故障仿真對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分別對(duì)自消納及協(xié)同消納情況，采取不同的控制手段有效降低故障影響范圍。根據(jù)仿真結(jié)果得出如下結(jié)論：

(1)在故障穿越期間，受端換流站通過(guò)采用P-Vdc下垂控制可改善故障極直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。在故障穿越前后，通過(guò)調(diào)整下垂系數(shù)可保證功率的正常傳輸。

(2)自消納情況下，在不改變送端換流站原有控制方式前提下使非故障極換流站自主消納不平衡功率，耗能電阻及風(fēng)電場(chǎng)無(wú)需參與功率調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)直流故障穿越。

(3)協(xié)同消納情況下，故障初期通過(guò)換流站功率轉(zhuǎn)帶與耗能電阻配合，與單一方法相比既減少了非故障極換流站的功率缺額且系統(tǒng)直流電壓更穩(wěn)定，同時(shí)避免了非故障極換流站功率過(guò)載的發(fā)生。當(dāng)判定系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性故障后，耗能電阻分批次退出運(yùn)行。當(dāng)判定系統(tǒng)發(fā)生永久性故障后，通過(guò)風(fēng)機(jī)切機(jī)方式從源側(cè)減少一部分不平衡功率。

本文重點(diǎn)研究了四端MMC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中換流站間功率轉(zhuǎn)帶及耗能電阻與功率轉(zhuǎn)帶間的協(xié)調(diào)控制策略，后續(xù)進(jìn)一步研究風(fēng)電場(chǎng)減載及三者間的協(xié)調(diào)配合。