LCC-MMC特高壓混合直流輸電系統高低壓閥組均壓控制策略

周保榮，李選平，黎壽濤，洪潮，黃東啟，姚文峰，夏成軍

(1.南方電網科學研究院，廣州510663；2.廣東省新能源電力系統智能運行與控制企業重點實驗室，廣州510640)

0 引言

基于電網換相換流器的高壓直流輸電系統(line commutated converter based on high voltage direct current，LCC-HVDC)容易發生換相失敗的問題，基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(multiple module converter based on high voltage direct current，MMC-HVDC)可從根本上避免換相失敗，但存在建設成本高、運行損耗大等問題[1]。綜合兩者經濟和技術優勢的LCC-MMC混合直流輸電系統[2-7]，既能避免換相失敗，又能降低建設成本，具有廣闊的應用前景。

LCC-MMC混合直流輸電系統控制保護策略來源于LCC-HVDC和MMC-HVDC[8-11]，可以采用“LCC定電流控制/MMC定電壓控制”和“LCC定電壓控制/MMC定功率控制”兩種控制策略[12-13]。由于特高壓直流輸電系統容量大、電壓等級高，采用單閥組方案會使換流變壓器(簡稱換流變)等設備制造和運輸不易實現[14]；采用高低壓閥組串聯時，設備制造和運輸容易實現，因此目前特高壓直流電中一般采用高低壓閥組串聯的方案[15]。同時，為實現閥組之間控制的獨立性，每極高低壓閥組間分別配置獨立的閥控系統[16]。然而與單閥組不同，高低壓閥組串聯的換流站存在閥組間直流電壓不平衡的現象，嚴重時會導致閥組過電壓保護動作，發生跳閘事件[17]。

對于LCC-HVDC，文獻[17]認為閥組間電壓不平衡的原因主要是閥組觸發角控制異常、換流變的分接頭檔位和控制模式不同等。對于逆變站分層接入不同電網的特高壓直流輸電工程，文獻[18]認為高低壓閥組受到不同電網電壓波動，導致閥組間的電壓不平衡；對此，文獻[19]提出逆變側采用最大觸發延遲角控制和換流變分接頭控制相結合的辦法來實現電壓平衡。以上文獻并不能解釋為何高低壓閥組接入同一受端電網且換流變分接頭檔位完全相同時也同樣會出現電壓不平衡。在LCC-MMC混合直流輸電系統中，對于采用定有功功率控制的MMC換流站也會出現閥組間直流電壓和功率不均衡的現象[20-21]。文獻[21]把電壓不平衡的原因歸結為測量誤差等偶然因素，提出基于閥組間電壓偏差的直流電壓平衡控制策略，但該策略需要對高低壓閥組分別配置。文獻[22-23]針對變壓器35 kV出線三相對地電壓不平衡的原因進行了分析，認為變壓器三相繞組對地的雜散電容導致了三相對地電壓不平衡，引起中性點偏移，從而產生不平衡電流。

現有研究對換流站閥組間電壓不平衡的原因簡單歸結為換流變分接頭控制故障和測量誤差等，沒有發掘更深層次的原因，沒有對不平衡的機理過程深入分析。本文認為，換流變閥側三相繞組對地和聯接區的雜散電容在偏置電壓的作用下產生不平衡電流，使得流經高低壓閥組的直流電流存在差異，而且高低壓閥組直流電壓沒有受到直接控制，因此在不平衡電流的擾動下，高低壓閥組控制器發生競爭而出現飽和，導致閥組電壓不平衡。不平衡電流的存在統一解釋了串聯的LCC和MMC高低壓閥組電壓不平衡的原因。在此基礎上，本文分別針對整流站和逆變站的高低壓閥組設計了基于閥組電壓偏差量動態修正控制目標的均壓控制器，實現對同一換流站控制器進行簡單有效的統一配置。最后在PSCAD/EMTDC平臺上對提出的均壓控制策略的有效性進行仿真驗證。

1 系統拓撲結構與基本控制策略

LCC-MMC特高壓混合直流輸電系統拓撲結構如圖1所示，整流站由兩個12脈沖換流單元串聯，逆變站由兩個MMC換流閥串聯。其中，靠近直流極線的閥組稱為高壓閥組，靠近接地極的閥組稱為低壓閥組。在高低壓閥組串聯運行時，為了保證某一閥組因故障退出時另一閥組能繼續運行，串聯的閥組之間配置相同且獨立的控制系統[12]。

圖1 LCC-MMC特高壓混合直流輸電拓撲圖(以正極為例)

在直流輸電系統中，必須有一個換流站為定直流電壓控制，進行系統功率平衡，其他站采用定電流或定功率控制。LCC-MMC特高壓混合直流輸電可采用兩種控制策略：策略一“LCC定電流/MMC定電壓”和策略二“LCC定電壓/MMC定功率”。當采用策略一時，MMC采用定直流電壓控制，高低壓閥組電壓直接受控，電壓均衡；LCC高低壓閥組均采用定電流控制，此時LCC串聯的高低壓閥組之間會出現電壓不均衡的現象，具體表現為高壓閥組電壓大于額定電壓，低壓閥組電壓低于額定電壓，使得高壓閥組傳輸的功率與低壓閥組傳輸的功率之間存在較大的偏差。當采用策略二時，LCC采用定直流電壓控制，高低壓閥組電壓直接受控，電壓均衡；逆變站高低壓閥組均采用定有功功率控制，同樣，串聯的高低壓閥組會出現直流電壓和有功功率不平衡。閥組電壓不均衡狀況嚴重時，會導致高壓閥組電壓過高使得過電壓保護動作跳閘，因此有必要探究其背后存在的原因并提出解決方案。

2 高低壓閥組電壓不平衡原因分析

除了文獻[17,20-21]提出的測量誤差等原因之外，本文認為導致整流側和逆變側閥組電壓不平衡的原因主要為同一換流站高低壓閥組之間存在不平衡電流。在雙極對稱接線方案下，每一極的換流變壓器閥側與直流橋臂相連的交流連結區在正常運行時都要承受一個帶直流偏置的交流電壓[14]。由于換流變三相繞組對地和閥側交流連結區對地的雜散電容，在直流偏置電壓的作用下中性點電位發生偏移，產生對地的不平衡電流[22-23]，導致流經高低壓閥組的電流大小并非完全相同。圖2為整流側和逆變側的不平衡電流示意圖。

圖2 LCC整流站和MMC逆變站高低壓閥組不平衡電流

由圖2可得：

Idc1H=Idc1L-Iun1

(1)

Idc2H=Idc2L+Iun2

(2)

式中：Idc1H、Idc1L和Iun1分別為整流側的高壓、低壓閥組電流和不平衡電流；Idc2H、Idc2L和Iun2分別為逆變側的高壓、低壓閥組電流和不平衡電流。由式(1)和(2)可知，當整流側高、低壓閥組電壓相等，即Udc1H=Udc1L時，有：

P1H>P1L

(3)

式中：P1H和P1L分別為整流側高壓、低壓閥組輸入功率。同樣，當逆變側高、低壓閥組電壓相等，即Udc2H=Udc2L時，有：

P2H

(4)

式中P2H和P2L分別為逆變側高壓、低壓閥組輸出功率。

由于高低壓閥組直流電壓沒有受到直接控制，在不平衡電流的擾動下，閥組控制器為達到相同的電流(功率)目標而存在競爭，使得控制器發生飽和，導致串聯閥組間出現電壓不平衡。

3 高低壓閥組電壓不平衡機理過程分析

對于整流側LCC，當采用控制策略一時，高低壓閥組直流電壓可以表示為：

(5)

式中：下標i為H或L，分別表示高、低壓閥組；αi為換流器觸發角；XT1i為閥組換相電抗；U1和τ分別為交流側電壓和換流變壓器變比。

假設初始時刻高低壓閥組直流電壓相等，由于流經高低壓閥組的電流Idc1H

對于逆變側MMC，當采用控制策略二時，忽略換流器損耗，逆變站高低閥組的直流側輸入能量Wdc2i、高低閥組中子模塊電容儲能WSMi與閥組輸出交流有功功率P2i之間滿足式(6)關系。

Wdc2i=WSMi+P2i

(6)

假設初始時刻高低壓閥組電壓相等，由于存在Idc2H>Idc2L，使得高壓閥組輸出功率P2H達到目標值P2ref時，低壓閥組輸出功率P2L

4 高低壓閥組均壓控制策略

根據上述不平衡電流導致閥組電壓不平衡的原理，可以通過閥組電壓偏差生成修正量對初始控制目標進行修正，使得閥組電壓跟隨額定值，實現對閥組電壓的間接控制，使得高低閥組電壓平衡。

LCC整流站的閥組均壓控制如圖3(a)所示，該控制框圖同時適用于整流側的高低壓閥組，圖中下標i=H或L時分別表示高、低壓閥組。首先對閥組直流電壓Vdc1i與額定電壓Vdc1ref作差得到電壓偏差量，再通過比例環節K1得到直流電流修正量ΔIdc1i，閥組的電流初始指令Idc1refi減去修正量得到修正后電流指令，再與實際電流Idc1i作差后經積分環節得到超前觸發角β。圖中限幅環節可以減少目標電流修正量過大時對系統造成的沖擊。對于定電流控制的LCC整流站，修正后的高壓閥組電流指令小于初始指令，低壓閥組電流指令大于初始指令。

圖3 LCC-MMC系統高低壓閥組直流電壓均壓控制框圖

逆變站的均壓控制如圖3(b)所示，首先通過直流電流Idc2與線路電阻Rv相乘得到線路壓降ΔVdcref，整流站電壓Vdc1ref減去線路壓降得到逆變站電壓額定值Vdc2ref，然后分別得到高低壓閥組電壓Vdc2i與額定電壓Vdc2ref的偏差量。通過比例環節K2得到功率指令修正量ΔP2i對高低壓閥組的初始目標P2ref進行疊加修正，修正后功率指令值，再與閥組實際功率P2i作差后經積分環節得到d軸電流參考值Idrefi。同樣均壓控制器出口處的限幅環節可以減少目標功率修正量過大時對系統造成的沖擊。對于定有功功率控制的逆變站，修正后的高壓閥組功率指令大于初始指令，低壓閥組功率指令小于初始指令。

5 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC上搭建LCC-MMC特高壓混合直流輸電系統，系統額定功率為3 000 MW，極電壓為±800 kV。以正極為例，分別研究LCC-MMC采用策略一和策略二時均壓控制策略的有效性。

5.1 切除和投入均壓控制器的系統響應

當采用策略一時，LCC定直流電流控制。3.0 s前系統穩定運行在額定工況，在3.0 s時切除LCC閥組均壓控制器，4.0 s 時再重新投入，得到圖4所示的切除/投入平衡控制時的LCC高低壓閥組動態響應特性。3.0 s前閥組直流電壓平衡，3.0 s時刻切除均壓控制器，由于流經高壓閥組的電流Idc1H較小，在高壓閥組控制器的作用下，觸發角αH減小，導致低壓閥組電流Idc1L大于目標值Idcref1。在低壓閥組控制器的作用下，αL增大，Idc1L減??；如此反復，αL不斷增大，αH不斷減小直至αH=5 °，進入最小觸發角控制，失去對電流的控制，高低壓閥組出現電壓和有功不平衡的現象。要特別說明的是，此時系統并非處于不穩定狀態，而是從初始的閥組電壓平衡的穩態點進入到閥組電壓不平衡的另一穩態點。在4.0 s時刻，重新投入均壓控制器后，高低壓閥組電流指令隨著閥組電壓變化而不斷動態調整，使得閥組電壓得到均衡控制，LCC高低閥組均壓控制策略的有效性得到驗證。

圖4 整流側LCC切除和投入均壓控制器閥組動態特性

當系統采用控制策略二時，MMC定有功功率控制。3.0 s前系統穩定運行在額定工況，3.0 s時刻切除均壓控制器，4.0 s時刻再重新投入，得到如圖5所示的MMC切除/投入均壓控制時的高低壓閥組動態響應特性。圖5分別為高低壓閥組的直流電壓、有功功率和直流電流。由圖5可知，3.0 s前投入了均壓控制器，此時閥組電壓平衡。在3.0 s時刻切除均壓控制器時，低壓閥組在控制器的作用下跟隨初始控制目標，輸出功率升高至750 MW，同時高壓閥組功率也降至750 MW。由于流經高低閥組的電流存在差異，低壓閥組控制器使輸出功率達到初始目標值的同時，子模塊電容儲能被釋放，直流電壓降低，高低壓閥組電壓開始出現分化。當分化到一定程度，低壓閥組控制器飽和，失去對功率的控制，閥組出現電壓和功率的不平衡。在4.0 s重新投入均壓控制器后，功率隨著高低壓閥組電壓變化而不斷動態調整，最后使得閥組電壓得到均衡控制，逆變側MMC高低閥組均壓控制策略的有效性得到驗證。

圖5 逆變側切除和投入均壓控制器時閥組動態特性

5.2 交流故障狀態下均壓控制的暫態響應特性

LCC-MMC采用控制策略一時，3.0 s時刻設置整流站換流母線發生持續0.2 s的單相短路故障，母線電壓跌落至額定值的85%。圖6分別為閥組的直流電壓、有功功率、直流電流和觸發角的暫態響應特性。當LCC交流側發生單相短路故障時，交流電壓降低，導致直流電壓降低，系統輸送功率受阻；故障清除后，LCC高低閥組的直流電壓、有功功率能夠得到恢復，均壓控制能夠在故障后幫助高低壓閥組恢復電壓均衡。

圖6 整流站交流側故障時LCC閥組暫態響應

LCC-MMC采用控制策略二時，3.0 s時刻設置逆變站換流母線發生持續0.2 s的單相短路故障，母線電壓跌落至額定值的85%。圖7分別為高低壓閥組的直流電壓、有功功率和直流電流。當交流側發生單相短路故障時，交流電壓降低，換流站輸出功率受阻，高低閥組直流電壓在故障期間升高；故障清除后，MMC高低閥組的電壓、功率得到恢復。因此，高低壓閥組均壓控制能夠在故障后使得高低閥組保持電壓均衡，具有良好的暫態響應特性。

圖7 逆變站交流側故障時MMC閥組暫態響應特性

6 結語

本文針對LCC-MMC特高壓直流輸電系統中的采用定電流控制的LCC整流站和采用定有功功率控制的MMC逆變站存在高低壓閥組直流電壓不平衡現象，探究背后原因并進行機理分析。本文認為，換流變閥側因雜散電容產生的不平衡電流，使得流經高低壓閥組的直流電流存在差異，而且閥組電壓未受到直接控制，因此在不平衡電流的擾動下，高低壓閥組控制器發生競爭而出現飽和，導致閥組電壓不平衡。不平衡電流的原因能夠統一解釋LCC和MMC高低壓閥組的直流電壓不平衡現象。然后分別針對LCC整流站和MMC逆變站設計了各自的高低壓閥組均壓控制器。最后在PSCAD/EMTDC平臺上對均壓控制策略的有效性進行仿真驗證。