黃磊，羅偉，楊冠軍

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心，浙江 杭州 310007)

舟山多端柔性直流系統(tǒng)交流故障穿越能力分析

黃磊，羅偉，楊冠軍

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心，浙江 杭州 310007)

介紹了世界首例五端柔性直流輸電工程——浙江舟山柔性直流輸電工程的概況和主要設(shè)備組成，分析總結(jié)了舟山柔性直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要功能，重點(diǎn)研究了舟山MMC-MTDC控制保護(hù)系統(tǒng)中的交流故障穿越控制策略，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了舟山MMC-MTDC系統(tǒng)在交流側(cè)單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相短路故障四種情況下的瞬時(shí)故障穿越能力。本文研究結(jié)果可為舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持和理論保障。

多端直流輸電；模塊化多電平換流器；控制保護(hù)系統(tǒng)；故障穿越

1 引言

柔性直流輸電，即基于模塊化多電平換流器(MMC，Modular Multilevel Converter)的新一代高壓直流輸電技術(shù)，具有向無(wú)源電網(wǎng)供電、快速獨(dú)立控制有功與無(wú)功、潮流反轉(zhuǎn)方便快捷、運(yùn)行方式變換靈活等特點(diǎn)，在風(fēng)電并網(wǎng)、電網(wǎng)互聯(lián)、孤島和弱電網(wǎng)供電、城市供電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-6]。其中，多端柔性直流(MMC multi-terminal direct current，MMC-MTDC)輸電系統(tǒng)由3個(gè)或以上換流站及連接換流站的高壓直流輸電線路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，相比于兩端柔性直流輸電系統(tǒng)，運(yùn)行方式更為靈活，能更好地發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性[3-5]。目前，已投運(yùn)的浙江舟山柔性直流輸電工程為世界上首個(gè)建成的五端柔性直流輸電工程。

本文介紹了浙江舟山柔性直流輸電工程的概況，分析總結(jié)了其控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要功能，重點(diǎn)研究了控制保護(hù)系統(tǒng)中的交流故障穿越控制策略，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了舟山MMC-MTDC系統(tǒng)在交流側(cè)單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路故障、三相短路故障四種情況下的故障穿越能力。為多端柔性直流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 舟山柔性直流輸電工程概述

舟山柔性直流輸電工程是世界上首例五端直流輸電工程，承擔(dān)著增強(qiáng)舟山北部諸島電網(wǎng)的供電能力，提高供電可靠性，促進(jìn)舟山群島新區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的任務(wù)，具有電力工程技術(shù)創(chuàng)新的示范效應(yīng)和重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

舟山柔性直流輸電工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋等五個(gè)直流換流站和多段直流電纜構(gòu)成，直流電壓等級(jí)為±200kV，容量分別為舟定換流站400MW、舟岱換流站300MW、舟衢換流站100MW、舟洋換流站100MW、舟泗換流站100MW。舟定和周岱站通過(guò)220kV單線分別接入220kV云頂變和蓬萊變，舟衢、舟洋和舟泗站通過(guò)110kV單線分別接入110kV大衢變、沈家灣變和嵊泗變。其系統(tǒng)接線方式如圖1所示。

舟山柔直換流站一次設(shè)備主要包括交流線路、直流線路、直流母線、換流器(聯(lián)結(jié)變+換流閥組)等，其一次接線如圖2所示。該工程投入運(yùn)行后，舟山電網(wǎng)將發(fā)展為一個(gè)同時(shí)包含多端柔性直流、傳統(tǒng)直流和風(fēng)電場(chǎng)的復(fù)雜交直流混聯(lián)電網(wǎng)，電能可同時(shí)通過(guò)交流通道和直流通道到達(dá)各島，運(yùn)行方式復(fù)雜多變，在世界上尚屬首例。

圖1 舟山柔性直流輸電工程系統(tǒng)接線圖

圖2 換流站一次接線圖

3 控制保護(hù)系統(tǒng)

柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)是柔性直流輸電工程的大腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及所有設(shè)備的控制、監(jiān)視和保護(hù)，直接關(guān)系著系統(tǒng)運(yùn)行的性能﹑安全﹑效益，是柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵。

多端柔性直流輸電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，為了提高其運(yùn)行的可靠性，限制任一控制環(huán)節(jié)故障造成的影響，其控制保護(hù)系統(tǒng)采用模塊化、分層分布式結(jié)構(gòu)。舟山柔性直流輸電工程控制保護(hù)策略分4個(gè)層次：系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層、換流器級(jí)控制保護(hù)層、閥級(jí)控制保護(hù)層、子模塊級(jí)控制保護(hù)層，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層是MMC-MTDC控制保護(hù)系統(tǒng)中級(jí)別最高的層次，主要功能有：運(yùn)行方式控制、控制模式控制、系統(tǒng)啟?？刂?、系統(tǒng)穩(wěn)定控制、快速功率變化控制、潮流反轉(zhuǎn)控制、聯(lián)接變壓器保護(hù)、交流場(chǎng)保護(hù)等。

換流器級(jí)控制保護(hù)層是聯(lián)系上層系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層和下層閥級(jí)控制保護(hù)層的中間環(huán)節(jié)，也是MMC-MTDC控制保護(hù)系統(tǒng)中的核心層。主要功能有：有功類控制、無(wú)功類控制、換流器閉鎖解鎖控制、負(fù)序電流抑制控制、橋臂環(huán)流控制、運(yùn)行信息采集處理、換流器限流控制、換流器監(jiān)視與保護(hù)等。

閥級(jí)控制保護(hù)層是聯(lián)系上層控制系統(tǒng)與底層開關(guān)器件控制的中間樞紐。接收換流器級(jí)控制保護(hù)層輸出的控制信號(hào)，并通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式產(chǎn)生相應(yīng)的閥觸發(fā)脈沖以控制閥組的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器閥的觸發(fā)控制。同時(shí)接收各子模塊開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的回報(bào)信號(hào)及狀態(tài)信息并上報(bào)至換流器級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控單元。閥級(jí)控制保護(hù)層是實(shí)現(xiàn)各種指令的具體執(zhí)行操作層，與系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層、換流器級(jí)控制保護(hù)層相比，其響應(yīng)速度更快。主要功能有：開關(guān)調(diào)制、閥組導(dǎo)通/關(guān)斷控制、換流閥監(jiān)測(cè)與保護(hù)、子模塊電容電壓平衡調(diào)制、橋臂故障檢測(cè)與保護(hù)等。

子模塊級(jí)控制保護(hù)層是直接對(duì)MMC中的每個(gè)子模塊進(jìn)行觸發(fā)控制的設(shè)備，其主要功能有：子模塊觸發(fā)控制、旁路控制、過(guò)壓控制、子模塊電容電壓及狀態(tài)信息檢測(cè)。

圖3 舟山柔性直流輸電工程控制保護(hù)策略圖

4 交流側(cè)故障穿越能力分析

MMC-MTDC系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，若發(fā)生交流側(cè)不對(duì)稱故障，則會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)序電流，從而會(huì)對(duì)MMC-MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。主要表現(xiàn)為[7]：

(1)使系統(tǒng)三相電流不對(duì)稱，進(jìn)而引起系統(tǒng)故障使得保護(hù)動(dòng)作，較大的故障電流還會(huì)對(duì)換流器的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

(2)使系統(tǒng)有功功率產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致直流電壓波動(dòng)。這種波動(dòng)會(huì)通過(guò)直流線路傳輸?shù)狡渌鼡Q流站，影響其它換流站的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 交流側(cè)故障穿越控制策略

為了避免上述情況出現(xiàn)，舟山MMC- MTDC系統(tǒng)采取了內(nèi)環(huán)電流、外環(huán)功率的解耦控制策略，從而保證了系統(tǒng)能夠在交流側(cè)瞬時(shí)故障時(shí)不間斷運(yùn)行?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)思路為：建立MMC-MTDC系統(tǒng)單個(gè)換流站發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)換流器的數(shù)學(xué)模型(其他換流站類似)，進(jìn)行dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，從而得出換流器的正序系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和負(fù)序系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，這兩個(gè)模型相互解耦獨(dú)立。在MMC-MTDC系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，通過(guò)控制負(fù)序有功電流參考值和負(fù)序無(wú)功電流參考值，來(lái)抑制負(fù)序電流。通過(guò)控制正序有功電流參考值和正序無(wú)功電流參考值，來(lái)保證系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β誓軌蚱胶?，進(jìn)而控制直流電壓的穩(wěn)定。其控制策略如圖4所示，圖中，Usz_acb、Usf_acb分別表示換流器三相電壓正序分量和負(fù)序分量，Iz_acb、If_acb分別表示換流器三相電流正序分量和負(fù)序分量，Izd_ref、Izq_ref、Ifd_ref、Ifq_ref分別表示換流器正序有功電流參考值、正序無(wú)功電流參考值、負(fù)序有功電流參考值、負(fù)序無(wú)功電流參考值分量，L0表示橋臂阻抗。

4.2 試驗(yàn)分析

以定海站為例，對(duì)舟山MMC-MTDC系統(tǒng)交流側(cè)單相接地、兩相接地、兩相短路、三相短路四種故障情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。模擬故障時(shí)間為100ms(0.52s時(shí)故障，0.62s故障消除)，在相同運(yùn)行方式下，仿真結(jié)果如圖5所示。(其中If、Vf、Vw、P、UDC分別表示閥側(cè)電流、閥側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電壓、有功功率、直流電壓)。

圖4 舟山柔性直流輸電工程交流側(cè)故障時(shí)控制框圖

從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)生故障導(dǎo)致三相電壓不平衡時(shí)，MMC整流器仍然能夠正常工作，輸出的直流電壓基本保持不變。故障切除后，系統(tǒng)擁有較快的響應(yīng)速度，短時(shí)內(nèi)就恢復(fù)到正常電壓，且超調(diào)量較小，從而證明舟山MMC-MTDC系統(tǒng)具有良好的交流故障穿越能力。

圖5 交流側(cè)故障時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行波形

5 結(jié)語(yǔ)

舟山五端柔性直流輸電工程的建成，將加強(qiáng)舟山諸島之間的電氣聯(lián)系、增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、提高供電可靠性，將為舟山群島新區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力，同時(shí)將解決海上風(fēng)電等新能源靈活接入、電纜充電功率和沖擊性負(fù)荷帶來(lái)的穩(wěn)定性及電能質(zhì)量問(wèn)題，為柔性直流輸電的大規(guī)模推廣起到良好示范作用。

本文介紹了浙江舟山柔性直流輸電工程的概況，分析總結(jié)了其控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要功能，重點(diǎn)研究了舟山MMC-MTDC系統(tǒng)的交流故障穿越控制策略，最后通過(guò)試驗(yàn)分析了其交流故障穿越能力，試驗(yàn)結(jié)果表明：舟山柔性直流輸電工程在四種交流瞬時(shí)故障情況下，均具有快速恢復(fù)及系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行能力，即良好的交流故障穿越能力。本文研究可為多端柔性直流技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] 湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(15):3-14.

[2] 殷自力，李庚銀，李廣凱，等.柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理分析及主回路相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(21):16-22.

[3] 湯廣福，羅湘，魏曉光.多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(10):8-17.

[4] 毛穎科，桂順生，賀之淵，等.基于MMC技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)性能分析[J].華東電力,2011,39(7):1133-1136.

[5] 鄭超，滕松，宋新立，等.百萬(wàn)千瓦級(jí)柔性直流接入大連電網(wǎng)后的系統(tǒng)特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(15):15-19.

[6] 范心明，管霖，夏成軍，等.多電平柔性直流輸電在風(fēng)電接入中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2013,39(2):497-504.

[7] 曹春剛.交流系統(tǒng)故障時(shí)MMC-HVDC系統(tǒng)的控制和保護(hù)策略研究[D].北京：華北電力大學(xué),2012.

AC Faults Ride-through Capability Analysis of Zhoushan MMC-MTDC System

HUANGLei，LUOWei，YANGGuan-jun

(State Grid Zhejiang Electric Power Dispatching & Control Center,Hangzhou 310007,China)

The paper introduces the general situation of the world′s first five side modular multilevel converter multi- terminal direct current(MMC-MTDC)transmission project—Zhoushan MMC-MTDC transmission project and its main equipment composition.The overall structure and major function of its control and protection system are analyzed and summarized.Based on the research of AC fault ride-through strategy of MMC-MTDC control system,several experiments were conducted to analyze the fault ride-through capability of MMC-MTDC system under four kinds of faults,including AC single phase-to-grounding,AC two-phase-to- grounding,AC two-phase short-circuit and AC three-phase short-circuit.The research results provide technical support and theoretical guarantee for Zhoushan MMC-MTDC system.

multi-terminal direct current(MTDC)；modular multilevel converter(MMC)；control and protection system；fault ride-through

1004-289X(2016)03-0022-05

TM71

B

2015-03-19

黃磊(1982-)，男，工程師，本科，從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行工作； 羅偉(1984-)，男，工程師，碩士，從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行工作； 楊冠軍(1983-)，男，工程師，本科，從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行工作。