LCC-MMC混合直流輸電系統單閥投入過程定有功MMC站電壓平衡策略

陸書豪，賈秀芳

(華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206)

0 引 言

送端采用常規直流(LCC)受端采用柔性直流(MMC)的混合特高壓直流輸電系統，結合了MMC無換相失敗風險、對濾波裝置需求較低、無功有功解耦控制以及LCC運行損耗較低、耐壓耐流水平較高等優勢，具有良好的發展前景[1-3]。

文章的研究內容基于特高壓三端混合直流輸電工程進行，工程額定直流電壓為±800 kV，滿發容量8 000 MW；送端換流站采用特高壓常規直流，受端換流站采用特高壓柔性直流，由此提升了長距離、大容量輸電背景下直流輸電系統運行的安全穩定性和經濟性[4-6]。

針對多端混合直流輸電系統，國內外已有相關學者展開了相應的研究。其中針對運行方式的研究主要集中在啟?？刂?、MMC站子模塊充電策略以及站間協調策略等方面[7-13]。

另一方面， 目前針對同極雙閥組間電壓平衡控制的研究集中在穩態場景[14-18]，而在閥組投入過程中，如何在盡量滿足已投入閥組穩定運行前提下，實現待投閥組電壓穩定上升還未有文獻進行討論。

針對目前對于電壓平衡策略的研究僅局限于穩態的情況，文章通過對LCC-MMC混合特高壓直流輸電系統單閥啟動過程進行分析，在現有電壓平衡策略的基礎上提出了一種基于調整閥間電壓偏差值的電壓平衡控制策略。該策略通過對高低閥組間的電壓偏差值進行簡單的調整，可在滿足閥組運行要求的同時有效降低子模塊電容電壓等電氣量的波動，并且無需切換控制便能穩定過渡至穩態。隨后文章基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了相關模型，通過對比三種不同閥間電壓平衡策略對系統動態特性的影響驗證了文章所提策略的有效性。

1 閥組在線投入過程分析

1.1 特高壓三端混合直流輸電系統結構

特高壓三端混合直流輸電系統的拓撲結構如圖1所示，送端為常直換流站LCC1，受端為兩個柔直換流站MMC2、MMC3，S1、S2、S3分別為三個換流站的交流側電源。系統采用真雙極接線方式，正負極均配有高低兩個串聯閥組以增大傳輸容量，近中性母線閥組稱為低閥，近直流極線閥組稱為高閥。

圖1 特高壓三端混合直流輸電系統結構Fig.1 Structure of hybrid three-terminal UHVDC transmission system

1.2 特高壓三端混合直流輸電系統單閥投入過程

以高閥投入為例，此時低閥已處于穩定運行狀態，在收到閥組投入信號后，首先將MMC2、MMC3站的直流側短接，對高閥子模塊電容進行充電。充電結束后，將待投入閥組切換至定直流電流控制，使得直流電流成功從直流開關轉移至閥組。接著對直流側旁通開關組(如圖2中的BPI、BPS、Q1、Q2)進行順控操作完成MMC站閥組投入。隨后LCC1站高端閥組解鎖，并采用定觸發角控制，以相同的方式完成電流的轉移，實現旁通開關的開斷。最后MMC3站高閥轉為定直流電壓控制，LCC1、MMC2站轉為定電流/有功功率控制，將功率提升至額定值。至此，三端系統實現全壓運行，投入過程結束。整個投入過程的流程示意圖如圖2所示。

圖2 特高壓三端混合直流輸電系統閥組投入Fig.2 Process of high valve deblock in hybrid three-terminal UHVDC transmission system

1.3 定有功功率MMC站電壓不平衡機理分析

在上述閥組投入過程中，定直流電壓控制的MMC3站，由于高低閥組的直流電壓由本閥組獨立控制，因此不會出現電壓分配不均的問題。而在定有功功率控制的MMC2站中，串聯的高低閥組只能保證直流側流通的電流一致，將有可能導致高低閥組間的電壓不均，下面對其機理作詳細分析。

在特高壓直流輸電系統中，饋入某MMC逆變站的能量可分為高端閥組內部電容儲存的能量(W1)、高端閥組交流側出口能量(W2)、低端閥組內部電容儲存的能量(W3)、低端閥組交流側出口能量(W4)，能量之間的關系如式(1)所示：

WDC=W1+W2+W3+W4

(1)

式中WDC為直流側饋入逆變站的總能量。

在閥組投入過程中，定有功功率站低端閥組交流側有功應為額定值PacN,而高端閥組將按照預先設定好的速率將功率提升至額定值，通常選取該速率與定直流電壓站高閥升壓速率相同。假設升壓函數為g1(t)，其表達式如下：

(2)

式中t0、t1分別為升壓起始和結束時刻。

那么對于定有功功率站而言，其功率將按式(3)抬升：

(3)

若忽略測量環節、控制系統響應誤差等因素的影響，上述方案(即保持低閥功率參考值不變，高閥按照預設速率提升功率，以下簡稱策略A)理論上可以實現閥組的正常投入。但由于上述因素的影響，實際上定有功站高閥無法按照指定速率抬升功率。假設某時刻高閥交流出口有功功率測量值(Pm)略低于其參考值(Pref),即產生一個功率偏差值ΔP(ΔP=Pref-Pm)。 根據式(1)，上述情況將使得W2增大W1降低，導致高端閥組的直流電壓下降，直流電流上升。又因為高低閥組直流側串聯，所以低端閥組的直流電流上升將使得W3增大，又W4基本不變，那么低端閥組的直流電壓將增大，也即低端閥組子模塊電容易發生過壓。綜上所述，在考慮測量、控制環節誤差的影響下，定有功功率MMC站將無法保證閥組正常投入。

文獻[6]提出了一種基于電壓偏差量的平衡策略(以下簡稱策略B)，其基本思想為提取高低閥組的直流電壓偏差量ΔUdc，計算公式如下：

ΔUdc=Udc-Udc_other

(4)

式中Udc為本閥組的直流電壓；Udc_other為串聯閥組的直流電壓，串聯閥組間的電壓偏差量ΔUdc互為相反數。

根據式(5)可將電壓偏差值轉換為閥間功率偏差量ΔP如下：

ΔP=ΔUdcIdc

(5)

式中Idc為串聯閥組的直流側電流。

最后將該值與初始有功參考值相加，得到輸入有功外環控制的參考值Pref。

然而策略B只適用于穩態情況，這是因為在閥組投入過程中，此法將導致低端閥組外環有功參考值瞬間增大至近額定功率的二倍，交流側出口能量瞬間增大，閥內能量降低，直流電壓跌落，更多的有功功率饋入該站，子模塊在正向電流的作用下不斷充電引起過壓。

綜上所述，前文定義的策略A和策略B，均無法在閥組投入過程中維持閥間電壓平衡，并且將造成程度不同的子模塊過電壓或是電壓失衡現象，工程上將無法完成閥組投入。因此，一種新的基于調整閥間電壓偏差值的策略被提出，該策略能夠保證閥組投入過程中的電壓平衡，并且能平穩過渡至穩態階段，無需切換控制，便于工程實現。

2 基于調整閥間電壓偏差值的平衡控制策略

針對前文所述的電壓不平衡問題，一種調整閥間電壓偏差的平衡策略被提出(以下簡稱策略C)。需要說明的是，由于系統采用真雙極結構，文章對于該策略的解釋將基于正極說明，負極的情況與正極相同。

假設系統在零時刻開始抬升高閥電壓，為保證高閥電壓升高的過程中，盡量不影響在運閥組(低端閥組)的平穩運行，可對定有功功率站閥間電壓偏差值進行一定的調整，具體如式(6)所示：

(6)

其中，引入的函數f(t)降低速率與閥組升壓速率相同，其表達式如下：

(7)

由式(6)可知，若高端閥組正常抬升直流電壓，則在上述控制的作用下，低閥電壓偏差量ΔUdc_cor_l仍舊為零，低端閥組保持穩定運行。若高閥電壓未能正常抬升，則本控制策略僅對該部分偏差值進行調整。

同理，對于高端閥組，為了保證直流電壓的正常抬升，需對電壓偏差量如下進行調整：

ΔUdc_cor_h=Udc_h+f(t)-Udc_l

(8)

將調整后的閥間電壓偏差量ΔUdc_cor_l、ΔUdc_cor_h分別代入式(5)，則可將電壓偏差轉換為功率偏差ΔP。最后將該偏差量與初始有功參考值相加，如式(9)所示：

Pref=ΔP+Pref0

(9)

根據式(9)可得調整后的有功功率參考值，將其作為高低閥有功外環參考值，即可通過控制實現閥組的平穩投入。

該基于調整電壓偏差量的平衡策略流程如圖3所示，圖中Uref為經內外環控制生成的三相調制波參考值。

圖3 串聯閥組均壓策略示意圖Fig.3 Schematic diagram of voltage balancing control strategy in series valves

3 仿真驗證

3.1 LCC-MMC混合特高壓直流輸電工程仿真模型

論文在PSCAD/EMTDC環境中搭建了LCC-MCC混合特高壓直流輸電工程的仿真模型如圖4所示，送端LCC1站額定容量為8 000 MW，受端MMC換流站額定功率分別為MMC2站 3 000 MW，MMC3站5 000 MW。換流站之間經架空線連接，線路采用依頻模型。

圖4 LCC-MMC混合特高壓直流輸電系統拓撲圖Fig.4 Topology diagram of LCC-MMC hybrid UHVDC transmission system

表1所示為該直流輸電系統各換流站內部關鍵參數及配置。

表1 特高壓三端混合直流輸電系統主要參數(單閥)Tab.1 Main parameters of three-terminal hybrid UHVDC transmission system(a single valve group)

3.2 策略對比及有效性的驗證

在進行仿真驗證時，系統均在0.4 s抬升高閥電壓，0.8 s相應過程結束，系統轉入穩態運行。

(1)無電壓平衡策略(策略A)下系統的動態響應

若采用策略A抬升高閥電壓，由圖5可知，升壓過程中高低閥組的電壓出現較大波動，低閥子模塊電壓升高至近3.1 kV(1.48 p.u.)(如圖5(d)),該值將觸發閥組暫時性閉鎖保護動作，無法完成閥組的正常投入。由圖5(a)可知，升壓過程中高閥無法按照指定速率抬升電壓，轉入穩態時實際電壓高于其額定值，并且高低閥組間電壓逐漸失衡。此外，圖(e)表明該策略易造成兩受端換流站間的有功波動導致MMC2站直流電流增大，仿真波形與前文分析基本一致;

圖5 無電壓平衡策略(策略A)下系統動態特性Fig.5 System dynamic characteristics without voltage balancing strategy (strategy A)

(2)采用穩態電壓平衡策略(策略B)時系統的動態響應

由圖6可知，在采用策略B進行升壓時，相比策略A，雖然高低閥的直流電壓波動在穩態情況下較小并且能夠保證閥間電壓平衡，但是在閥組投入瞬間，如前文所述，低端閥組交流側出口有功功率瞬間增大，從而造成低閥直流電壓跌落，對端換流站向本站饋入的有功增大，最終導致子模塊嚴重過壓，仿真波形與前文分析基本一致。

圖6 穩態下電壓平衡策略(策略B)系統動態特性Fig.6 Dynamic characteristics with the steady-state voltage balancing strategy (strategy B)

(3)采用調整閥間電壓偏差平衡策略(策略C)下系統的動態響應

由圖7可知，采用策略C進行升壓時，相比策略B，高閥直流電壓(如圖7(a))波動幅度顯著減小，低閥直流電壓(如圖7(c))波動幅度減小約75%，這是因為策略C在升壓過程中對閥組電壓偏差量ΔUdc進行實時調整，電壓平衡的效果更好。此外，相較策略A和B，相應閥組內的子模塊電壓也得到了更好的穩定控制，升壓過程中波動的最大值約為2.25 kV(1.07 p.u.)(如圖7(b)、圖7(d))，大大減小了保護誤動的概率。最后，通過對比圖5(e)和圖7(e)直流電流波形，該策略還能有效抑制閥組投入過程MMC3站饋入MMC2站的有功功率，一方面避免橋臂過流風險，另一方面也有利于減輕MMC3站的功率波動，仿真波形驗證了前文分析的正確性。

圖7 基于調整閥間電壓偏差的平衡策略(策略C)下系統動態特性Fig.7 Dynamic characteristics with the strategy of correcting voltage deviation between series valves (strategy C)

4 結束語

文章的主要工作及結論如下：

(1)結合單閥投入場景，分析了LCC-MMC多端混合直流輸電系統中定有功MMC站存在的電壓分配不均現象，并提出了一種調整閥間電壓偏差的平衡控制策略；

(2)在PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了相應的系統模型，通過對比不同策略下各換流站的動態響應，驗證了文章所提策略的有效性；

(3)文章提出的電壓平衡策略雖基于閥組投入場景，但能夠很好地適用于穩態情況。因此，在從閥組投入轉為穩態運行時無需切換控制即可完成平穩過渡。